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超高速撞击玄武岩材料的Riemann-SPH仿真参数分析与验证OA

Parameter analysis and validation for Riemann-SPH simulation of hypervelocity impact on basalt material

中文摘要英文摘要

为研究超高速撞击玄武岩材料光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)仿真中的参数影响,基于现有 Riemann-SPH 方法对地面超高速撞击玄武岩实验进行了仿真分析与验证,发现 SPH 仿真结果受算法参数与材料模型参数影响较大,同时材料强度模型与损伤模型的影响存在耦合性.研究结果表明:超高速撞击 SPH 仿真中,考虑人工应力法可以避免固体冲击仿真中出现的拉伸不稳定性;对于超高速撞击场景,使用 Wendland C2 核函数并设置光滑长度半径内期望粒子数为 2.5,可实现计算精度和效率的兼顾,其计算速度比变分辨率粒子分布方法提升了20 倍以上.在地面实验的仿真中,弹丸材料可能发生相变,而玄武岩靶体在不同模型与参数组合下产生了相似的仿真响应结果.建议使用更符合岩石材料力学特性的 Lundborg 强度模型和 Benz-Asphaug 概率损伤模型,并考虑相变计算,最终得到参数搜索取值规律,即在反向搜索未知参数时,应以其他参数的合理取值为约束,从而避免较大的参数误差.在保证合理的模型参数情况下,仿真得到的撞击坑尺寸和动量传递因子与实验的误差在 10%~20%范围内.相关参数取值方法为开展超高速撞击防御小行星 SPH 仿真及参数选择提供了依据.

To study the effects of parameters in smoothed particle hydrodynamics(SPH)simulations of hypervelocity impacts on basalt,numerical analysis and validation were performed using the Riemann-SPH method based on ground-based impact tests.By adjusting various simulation parameters,the influence of parameters on the simulation can be obtained.Results show that both algorithmic and material parameters significantly influence the simulation,with coupling between strength and damage models.Applying the artificial stress method helps suppress tensile instability in solid impacts.Using the Wendland C2 kernel with a target of 2.5 particles within the smoothing length optimizes both accuracy and efficiency,and variable-resolution particle distribution improves performance by over 20 times.In simulations,the impactor may undergo a phase transition,and different model and parameter combinations can yield similar responses.It is recommended to employ the Lundborg strength model and the Benz-Asphaug stochastic damage model,which better represent the mechanical behavior of rocky materials,and to account for phase transitions.Parameter search should be constrained by reasonably known values to avoid large errors or non-uniqueness.With reasonable parameters,simulated crater size and momentum transfer factor match experiments within 10%-20%error.These strategies support SPH applications in asteroid defense and parameter selection.

刘晏东;周琪;李明涛

中国科学院国家空间科学中心,北京 100190||中国科学院大学计算机科学与技术学院,北京 100190中国科学院国家空间科学中心,北京 100190||中国科学院大学计算机科学与技术学院,北京 100190中国科学院国家空间科学中心,北京 100190||中国科学院大学计算机科学与技术学院,北京 100190

数理科学

超高速撞击SPH方法行星防御参数分析

hypervelocity impactSPH methodplanetary defenseparameter analysis

《爆炸与冲击》 2026 (4)

82-98,17

空间碎片与近地小行星防御科研专项(KJSP2023020303)

10.11883/bzycj-2024-0440

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