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MPM3D

 冲击碰撞问题是一个几何、材料和边界条件均为非线性的多物理场强耦合问题,涉及高速、高压、高温、相变和化学反应,气体、液体和固体等多种物质间相互耦合甚至混合,材料不但会发生严重扭曲和破碎,还会融化甚至汽化。拉格朗日法可以很方便地跟踪材料 的界面和引入与变形历史相关的材料模型,但对于涉及特大变形的问题会因网格严重畸变 而产生数值求解困难,且难以有效地模拟材料的破碎、融化和汽化等行为。欧拉法不存网格畸变问题,适合于分析特大变形及流动问题,但不易跟踪材料界面,且非线性对流项也会导致数值求解困难。

由质点网格法 (particle in cell, PIC) 发展起来的物质点法 (material point method, MPM)采用拉格朗日和欧拉双重描述,将物体离散为一组在空间网格中运动的质点。质点携带了所有的物质信息,如质量、速度、应变和应力等,可很方便地跟踪材料的界面和引入与变形历史相关的材料模型。质点在空间网格中运动,运动方程在空间网格上求解,避免了网格畸变问题,适合于分析特大变形及流动问题。物质点法充分吸收了拉格朗日法和欧拉法的优点,是超高速碰撞和爆炸数值分析的有效的方法。

MPM3D 是清华大学航天航空学院张雄教授课题组自2004 年开始用FORTRAN 90 语言研发的三维显式物质点法并行数值仿真软件(计算机软件著作权登记号2009SRBJ4761,2009),可用于模拟超高速碰撞、冲击、侵彻和爆炸等 强冲击载荷作用下材料与结构的力学行为。为了便于进一步扩充和维护,从2007 年开始,MPM3D 软件改用C++ 语言研发,原FORTRAN 90 版的MPM3D 停止开发,并于2013 年进行简化整理后开源,做为专著物质点法(张雄,廉艳平,刘岩,周旭. 清华大学出版社)的示例程序MPM3D-F90,供读者参考。C++ 版的MPM3D 程序仍在持续研发中,目前已实现了USF、USL 和MUSL 求解格式、GIMP 算法、接触算法、自适应算法、有限元法、杂交物质点有限元法、耦合物质点有限元法和自适应物质点有限元法,包含了线弹性、理想弹塑性、各向同性线性强化弹 塑性、Johnson-Cook 塑性、简化的Johnson-Cook 塑性、高能炸药、空材料、Holmquist-Johnson-Cook 混凝土、RHT 混凝土、Holmquist-Johnson 陶瓷、Taylor-Chen-Kuszmau 混凝土、Drucker-Prager岩土、Deshpande-Fleck 金属泡沫、Mooney-Rivlin 超弹性等材料模型和多项式、JWL、Gruneisen、P-α 、Holmquist-Johnson-Cook 等状态方程,具有最大等效塑性应变失效、最大静水拉力失效、最大主应力/剪应力失效、最大主应变/剪应变失效和瞬时几何应变失效等失效模型。MPM3D 具有OpenMP 和MPI 两种并行版本,实现了SMP(Symmetric Multi Processing,对称多处理系统) 和MPP(Massively Parallel Processing,大规模并行处理系统) 两种体系下的并行计算。

PeneBlast系统是清华大学航天航空学院计算动力学研究室开发的、以 MPM3D为核心求解器的冲击爆炸数值仿真系统,它基于跨平台的C++ 图形用户界面应用程序框架Qt、跨平台可视化工具包VTK(Visualization Toolkit)和跨平台的开源自动化构建系统CMake开发,具有优良的跨平台特性,可运行于 Windows、 Linux和Mac OS 等操作系统。后处理采用ParaView软件,它是由美国Kitware 公司、洛斯阿拉莫斯国家实验室、圣地亚国家实验室和CSimSoft公司联合研发的多平台数据分析和可视化应用开源程序,可对超大规模数据进行分析处理, 既可运行于台式机,也可运行于并行计算平台上。

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