Page 189 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 廖祜明，等： 预测不同冲击载荷下弹药响应特性的HOTM方法 第 3 期

而无网格方法自 20 世纪 90 年代以来得到了广泛关注和深入研究，其基本思想是将求解区域离散
为一系列粒子或者节点，这些粒子携带材料的物理信息（如质量、速度、应力等）通过在离散点上构造近
似函数求解控制方程，进而获得稳定精确的数值解。在撞击爆炸领域中，许多常见的无网格方法例如光
滑粒子流体动力学法（smoothed particle hydrodynamics，SPH） [19] 、再生核粒子法（reproducing kernel particle
method, RKPM） [20] 以及物质点法（material point method，MPM） [21] 目前已得到一定应用。例如，Liu 等 [22-23]
采用密度自适应 SPH 方法首次成功模拟定型装药炸药的爆炸全过程，准确捕捉了波纹界面、射流效应
等复杂物理现象。Yang 等 [24-25] 发展了修正柱坐标光滑粒子法（modified cylindrical smoothed particle
hydrodynamics, MCSPH）来预测爆炸驱动的金属管膨胀过程以及开展凝固炸药的一维冲击波模拟。此
外，刘赛等 [26] 采用 FEM (finite element method)-SPH 耦合方法来模拟爆炸荷载下演示的压缩拉伸损伤和
穿甲燃烧弹对复合装甲系统的穿透作用。Zhou [27] 提出了一种半拉格朗日无网格的 RKPM 框架并应用在
受爆炸荷载和爆炸焊接过程的钢筋混凝土柱体仿真上。Baek 等 [28] 采用集成了基于粒子的冲击算法、梯
度平滑单元更新以及与变形相关的核函数的半拉格朗日 RKPM 来模拟冲击和爆炸焊接过程。至于
MPM 方法，一种三维物质点方法已被开发用于模拟爆炸驱动飞片和聚能射孔弹等爆炸问题，将其扩展
到模拟爆炸驱动金属问题 [29-30] ，并发展了自适应有限差分-物质点法（alternating finite difference material
point, AFDMP）来模拟三维高能炸药爆炸及与附近结构的相互作用 [31] 。
尽管上述研究显著深化了对众多爆炸场景中炸药及结构系统机械响应的认识，但它们大多仅重点
关注了力学过程，而炸药热力化学多物理场的耦合作用往往被忽视。实验表明，子弹或破片高速撞击弹
药通常是一个在微秒到毫秒量级的极短时间内完成的、极端复杂且反应剧烈的多相多物理场过程，包含
冲击引发材料变形和摩擦生热，炸药在高温高压作用下化学反应（点火），炸药的燃烧或爆轰，爆炸产生
的高能气体不断膨胀，以及气体与壳体发生流固耦合作用，并最终导致壳体破碎飞溅等一系列瞬态耦合
作用。高效率高精度预测材料在高温、高压、高应变率等极限热-力-化学条件下的动态响应，对现有数
值仿真手段提出了巨大挑战。这要求进一步发展能全面模拟热、力和化学过程耦合作用的多物理场计
算模型，对冲击爆炸这一现象加以更真实的模拟求解和研究分析。
最优运输无网格方法（optimal transportation meshfree，OTM） [32] 是一种针对动态冲击问题提出的显式
增量更新拉格朗日无网格方法。为求解热流固耦合问题，在 OTM 方法的基础上通过引入能量守恒方程
和热流固耦合变分本构，扩展形成热力强耦合最优运输无网格方法（hot optimal transportation meshfree，
HOTM） [33] 。基于 HOTM 方法开发的高度非线性多物理场强耦合极限力学仿真软件 ESCAAS，能够实现
在统一的框架下求解材料超大变形、熔化气化、高速碰撞、冲击爆炸、流固与热流固耦合、多体接触与
碎裂等复杂物理现象的多物理场强耦合问题 [33-39] ，为弹药在子弹/破片撞击等机械刺激条件下的易损性
预测提供了具有潜力的解决方案。本文首先给出针对子弹/破片撞击弹药过程的热-力-化学强耦合解决
方案，然后介绍 HOTM 极限力学仿真理论的基本框架，最后采用 ESCAAS 软件对子弹/破片撞击弹药开
展数值仿真分析，并与实验结果进行对比验证。

1 热-力-化学强耦合求解框架

当弹丸或破片以高速撞击并穿透弹药外壳时，冲击波在侵彻体与外壳材料中传播。此过程中，侵彻
体与外壳金属发生剧烈的塑性流动变形，金属晶格在强烈的剪切摩擦作用下产生显著温升，导致材料发
生热软化，其屈服强度显著降低。随后，残余的高温高速侵彻体继续侵彻，进入内部装药。
在高压作用下，装药材料发生剧烈塑性变形并伴随热量释放；侵彻体所携带的热量通过热传导扩散
至周围装药，使其整体温度逐渐升高。由于炸药对冲击载荷极为敏感，上述过程中的塑性变形、摩擦及
局部能量沉积会诱发高温高压热点的形成，从而触发点火效应。当热点规模与能量累积达到爆轰判据
（如 Chapman-Jouguet (C-J) 条件）时，炸药进入持续自持的爆轰过程。最终，冲击驱动的塑性变形与摩
擦、局部热点形成、热传导以及化学反应的放热耦合，这一系列过程促使装药由初始敏感化发展为稳定

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