
兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (10): 250427-.doi: 10.12382/bgxb.2025.0427
收稿日期:2025-05-31
上线日期:2025-11-06
通讯作者:
基金资助:
DENG Minjie, SONG Weidong*(
), XIAO Lijun
Received:2025-05-31
Online:2025-11-06
摘要:
针对高速侵彻过程中涉及的大变形、损伤与断裂等复杂物理现象,基于光滑粒子流体动力学方法,开发了用于弹丸侵彻薄金属靶板的并行数值模拟方法。为准确描述材料在高速载荷作用下的力学响应,采用简化Johnson-Cook损伤模型。为解决SPH仿真中粒子数量剧增带来的高昂计算成本问题,将计算域划分为子域并将粒子信息在子域间传递,开发并实现了基于MPI的CPU并行求解器。将模拟结果与文献实验数据对比,对应8mm和10mm厚靶板的工况,预测的最大误差分别为7.86%和5.44%,验证了该数值方法在预测剩余速度和侵彻过程方面的精确性。对并行框架的加速性能进行了系统评估,该框架能显著提升计算效率,在处理一个包含约179万粒子的中等规模问题时,使用54个CPU核心可达到0.76的并行加速效率。该并行SPH框架在保证仿真精度的前提下,成功将计算能力扩展至更高量级,能够处理超过一亿个粒子的大规模仿真。
邓敏杰, 宋卫东, 肖李军. 基于SPH方法的3D高速侵彻并行数值模拟[J]. 兵工学报, 2025, 46(10): 250427-.
DENG Minjie, SONG Weidong, XIAO Lijun. Parallel Numerical Simulation of 3D High-Speed Penetration Based on the SPH Method[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(10): 250427-.
| 算法1:动态负载平衡算法 | |
|---|---|
| 1. | if (负载不平衡度>阈值){ |
| 2. | ParMetis重新图划分,生成新Cube分配方案; |
| 3. | 计算需迁移的Cube列表; |
| 4. | for每个目标进程in迁移目标列表{ |
| 5. | 打包待发送Cube数据; |
| 6. | MPI_Isend(数据大小,目标进程, tag1, &requests); } |
| 7. | for每个源进程in迁移源列表{ |
| 8. | MPI_Irecv(接收数据大小,源进程, tag1, &requests); } |
| 9. | MPI_Waitall(requests); |
| 10. | for每个目标进程in迁移目标列表{ |
| 11. | MPI_Isend(实际数据,目标进程, tag2, &requests); } |
| 12. | for每个源进程in迁移源列表{ |
| 13. | 分配接收缓冲区(根据接收大小); |
| 14. | MPI_Irecv(实际数据,源进程, tag2, &requests); } |
| 15. | MPI_Waitall(requests); } |
表1 动态负载平衡算法
Table 1 Dynamic load balancing algorithm
| 算法1:动态负载平衡算法 | |
|---|---|
| 1. | if (负载不平衡度>阈值){ |
| 2. | ParMetis重新图划分,生成新Cube分配方案; |
| 3. | 计算需迁移的Cube列表; |
| 4. | for每个目标进程in迁移目标列表{ |
| 5. | 打包待发送Cube数据; |
| 6. | MPI_Isend(数据大小,目标进程, tag1, &requests); } |
| 7. | for每个源进程in迁移源列表{ |
| 8. | MPI_Irecv(接收数据大小,源进程, tag1, &requests); } |
| 9. | MPI_Waitall(requests); |
| 10. | for每个目标进程in迁移目标列表{ |
| 11. | MPI_Isend(实际数据,目标进程, tag2, &requests); } |
| 12. | for每个源进程in迁移源列表{ |
| 13. | 分配接收缓冲区(根据接收大小); |
| 14. | MPI_Irecv(实际数据,源进程, tag2, &requests); } |
| 15. | MPI_Waitall(requests); } |
| 序号 | v0/(m·s-1) | t/mm | 序号 | v0/(m·s-1) | t/mm |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 298.0 | 8 | 11 | 296.0 | 10 |
| 2 | 250.8 | 8 | 12 | 277.5 | 10 |
| 3 | 190.7 | 8 | 13 | 241.5 | 10 |
| 4 | 182.2 | 8 | 14 | 204.0 | 10 |
| 5 | 173.7 | 8 | 15 | 192.9 | 10 |
| 6 | 165.2 | 8 | 16 | 184.9 | 10 |
| 7 | 160.7 | 8 | 17 | 172.6 | 10 |
| 8 | 156.0 | 8 | 18 | 169.3 | 10 |
| 9 | 152.5 | 8 | 19 | 161.2 | 10 |
| 10 | 137.4 | 8 | 20 | 131.3 | 10 |
表2 仿真工况
Table 2 Simulation conditions
| 序号 | v0/(m·s-1) | t/mm | 序号 | v0/(m·s-1) | t/mm |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 298.0 | 8 | 11 | 296.0 | 10 |
| 2 | 250.8 | 8 | 12 | 277.5 | 10 |
| 3 | 190.7 | 8 | 13 | 241.5 | 10 |
| 4 | 182.2 | 8 | 14 | 204.0 | 10 |
| 5 | 173.7 | 8 | 15 | 192.9 | 10 |
| 6 | 165.2 | 8 | 16 | 184.9 | 10 |
| 7 | 160.7 | 8 | 17 | 172.6 | 10 |
| 8 | 156.0 | 8 | 18 | 169.3 | 10 |
| 9 | 152.5 | 8 | 19 | 161.2 | 10 |
| 10 | 137.4 | 8 | 20 | 131.3 | 10 |
| 参数 | 靶板 | 弹丸 |
|---|---|---|
| 密度ρ/(kg·m-3) | 7850 | 7850 |
| 弹性模量E/GPa | 200 | 205 |
| 泊松比ν | 0.33 | 0.33 |
| A/MPa | 490 | 1900 |
| B/MPa | 807 | 0 |
| n | 0.73 | 0 |
| C | 0.0114 | 0 |
| k | 0.94 | 0 |
表3 Johnson-Cook本构模型参数
Table 3 Parameters of Johnson-Cook constitutive model
| 参数 | 靶板 | 弹丸 |
|---|---|---|
| 密度ρ/(kg·m-3) | 7850 | 7850 |
| 弹性模量E/GPa | 200 | 205 |
| 泊松比ν | 0.33 | 0.33 |
| A/MPa | 490 | 1900 |
| B/MPa | 807 | 0 |
| n | 0.73 | 0 |
| C | 0.0114 | 0 |
| k | 0.94 | 0 |
| 参数 | 靶板 | 弹丸 |
|---|---|---|
| SS | 1.5 | 1.5 |
| CS/(m·s-1) | 5047 | 5110.25 |
| γ | 2 | 2 |
表4 Mie-Grüneisen状态方程参数
Table 4 Parameters of the Mie-Grüneisen equation of state
| 参数 | 靶板 | 弹丸 |
|---|---|---|
| SS | 1.5 | 1.5 |
| CS/(m·s-1) | 5047 | 5110.25 |
| γ | 2 | 2 |
图8 圆柱形弹丸以初速190.7m/s侵彻靶板过程(穿透工况)
Fig.8 Penetration process of a cylindrical projectile into a target plate at an initial velocity of 190.7m/s(Perforation case)
图9 圆柱形弹丸以初速137.4m/s侵彻靶板过程(未击穿工况)
Fig.9 Penetration process of a cylindrical projectile into a target plate at an initial velocity of 137.4m/s(Non-perforation case)
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