显式动力学软件(MPMLab) 

显式动力学软件MPMLab是一款采用物质点粒子方法，用于对结构冲击、爆炸、裂纹扩展、流固耦合仿真分析。

图 1  显式动力学软件

一、功能特点

 1. 超高速碰撞仿真，如空间碎片防护

 2. 冲击侵彻仿真，如子弹穿甲

 3. 爆炸仿真，如爆轰驱动飞片问题

 4. 流固耦合仿真，如溃坝问题；

 5. 材料毁伤仿真，如金属延性断裂

二、特色优势

 1. 精度验证 克服了传统有限元方法模拟大变形时存在的网格畸变问题，允许结构大变形仿真；

 2. 允许不同的物质点具有不同的本构关系，结合自适应背景网格，具备多物质材料、多尺度问题仿真能力；

 3. 丰富的材料模型：包括多种本构模型、状态方程以及失效模型，满足了材料大变形、非线性仿真的各种场景需求。

三、精度验证

   飞板高速冲击试验物质点法验证

     a. 计算模型

   飞板以一定速度V撞击样品，飞片厚2mm，高56mm；样品厚2mm，高48mm，样品右表面自由。取样品右表面中心点为自由面探测点，如下图所示。采用MPM模拟飞板撞击样品的过程，绘制样品自由面探测点在撞击载荷下的速度-时间曲线，并与实验结果进行对比。

图 2 飞板试验模型示意图

b. 计算结果

将MPM模拟得到的样品自由面速度-时间曲线与实验测得的曲线绘制于同一坐标系下，对比结果如下：

图3 样品自由面速度实验曲线与MPM方法模拟比较（440m/s和604m/s）

四、典型案例

   子弹高速倾彻仿真——选取接触物质点算法，Johnson-Cook模型，Mie-Gruneisen状态方程进行侵彻分析。接触物质点算法考虑了弹靶界面之间的接触关系和分离条件，更真实地模拟了弹靶之间的相互作用。

图4 实验结果，剩余弹度217m/s

图5 接触物质点法模拟，剩余弹度207.8m/s

  滑块-轨道三维凿削仿真——在高速枪膛和火箭发射轨道表面由于高速滑移接触产生破坏，这种现象一般叫做“凿削”。由于凿削是极端工况下轨道的瞬态损伤过程，很难用常规检测技术进行在线检测，因此采用物质点法(MPM)软件环境，模拟凿削现象的超高速、大变形、弹塑性、高温高压、粒子绝热以及非线性接触等现象。

图6 滑块轨道几何模型和应力分布云图

图7 不同时刻凿削效应

  金属延性断裂仿真——金属延性断裂行为是工程中普遍关注的问题，但是准确预测裂纹的扩展路径以及断裂载荷仍然是一难题。物质点法具有不需要固定网格连接的特性，相比有限单元法对模拟不连续问题具有较明显的优势。选取合适的脱聚模型预测多孔金属试件的裂纹扩展。

图8 金属延性断裂模拟对比

  炸药爆炸仿真——炸药的爆轰性能主要研究在炸药爆轰后的压力、速度、温度、爆速性能等，由于历时非常短，一般几十毫秒左右，实验测试难以捕捉整个爆轰过程。采用网格有限元方法仿真存在网格发生畸变和扭曲问题，会造成计算精度和速度严重下降，甚至导致计算过程终止。

图9 炸药爆炸仿真

五、行业客户

  高校：西安交通大学

  兵器：重庆嘉陵特种装备有限公司