CN116864041B - 材料碰撞中温度的确定方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents

材料碰撞中温度的确定方法、装置、电子设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种材料碰撞中温度的确定方法、装置、电子设备及存储介质，其中，所述方法包括：获取碰撞材料对应的碰撞速度、状态方程、求解器，以及温度求解数据表格；利用所述碰撞速度、所述状态方程和所述求解器，确定所述碰撞材料在碰撞过程中的热力学量，所述热力学量包括压力和密度；根据所述温度求解数据表格、所述密度和所述压力，确定所述碰撞材料在所述密度和所述压力下的目标温度。由此，利用材料对应的温度求解数据表格来确定材料的目标温度，无需施加等熵、绝热等条件，从而使得确定的温度更加准确，提高了温度求解的精度。

Description

材料碰撞中温度的确定方法、装置、电子设备及存储介质
技术领域
本公开涉及动力学中材料温度求解技术领域，尤其涉及一种材料碰撞中温度的确定方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
超高速撞击问题，具有高温、高压和高度非线性的特点，且过程中伴随着相变的发生，很难精确地对碰撞过程进行高精度的仿真。
目前，确定发生高速碰撞的材料的温度时，通常利用Tillotson、Puff等非完全状态方程来获得材料的压力、内能等热力学量，但无法获得材料的温度。
相关技术中，在确定材料的温度时，需要对确定过程施加等熵、绝热等条件，导致在不满足上述条件的工况下，最终确定的温度存在较大的误差。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开的至少一个实施例提供了一种材料碰撞中温度的确定方法、装置、电子设备及存储介质。
第一方面，本公开提供了一种材料碰撞中温度的确定方法，所述方法包括：
获取碰撞材料对应的碰撞速度、状态方程、求解器，以及温度求解数据表格；
利用所述碰撞速度、所述状态方程和所述求解器，确定所述碰撞材料在碰撞过程中的热力学量，所述热力学量包括压力和密度；
根据所述温度求解数据表格、所述密度和所述压力，确定所述碰撞材料在所述密度和所述压力下的目标温度。
第二方面，本公开提供了一种材料碰撞中温度的确定装置，所述装置包括：
获取模块，用于获取碰撞材料对应的碰撞速度、状态方程、求解器，以及温度求解数据表格；
第一确定模块，用于利用所述碰撞速度、所述状态方程和所述求解器，确定所述碰撞材料在碰撞过程中的热力学量，所述热力学量包括压力和密度；
第二确定模块，用于根据所述温度求解数据表格、所述密度和所述压力，确定所述碰撞材料在所述密度和所述压力下的目标温度。
第三方面，本公开提供了一种电子设备，包括：处理器和存储器；所述处理器通过调用所述存储器存储的程序或指令，用于执行本公开第一方面提供的任一所述的材料碰撞中温度的确定方法。
第四方面，本公开提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储程序或指令，所述程序或指令使计算机执行本公开第一方面提供的任一所述的材料碰撞中温度的确定方法。
第五方面，本公开提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品用于执行本公开第一方面提供的任一所述的材料碰撞中温度的确定方法。
本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比至少具有如下优点：
在本公开实施例中，通过获取碰撞材料对应的碰撞速度、状态方程、求解器，以及温度求解数据表格，先利用碰撞速度、状态方程和求解器，确定碰撞材料在碰撞过程中的热力学量，热力学量包括压力和密度，进而根据温度求解数据表格、密度和压力，确定碰撞材料在该密度和压力下的目标温度。采用上述技术方案，利用材料对应的温度求解数据表格来确定材料的目标温度，无需施加等熵、绝热等条件，从而使得确定的温度更加准确，提高了温度求解的精度。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开一实施例提供的材料碰撞中温度的确定方法的流程示意图；
图2示出了本公开一示例性实施例中温度求解数据表格的示意图一；
图3为本公开另一实施例提供的材料碰撞中温度的确定方法的流程示意图；
图4示出了本公开一示例性实施例的温度求解数据表格的示意图二；
图5示出了本公开一示例性实施例中相图数据的示意图；
图6为本公开一实施例提供的材料碰撞中温度的确定装置的结构示意图；
图7示出了本公开一示例性实施例中碰撞材料模型的示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本公开，而非对本公开的限定，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。
在显式动力学数值仿真软件计算过程中，由于存在超高速碰撞、冲击侵彻和爆炸等强冲击载荷作用，模拟过程会伴随着熔化、气化等相变的发生，若要准确描述整个撞击过程的热力学状态变化，则必须要有能描述固－液－气等相变现象的三相状态方程。然而，目前的显式动力学商业软件中，主要使用的三相状态方程有Tillotson、Puff等，状态方程形式为p＝f(ρ,e)，此类方程均为非完全状态方程，即不能通过状态方程，获取材料的全部热力学量，比如，非完全状态方程不能直接计算材料的温度或熵的信息，而且不能够计算出两相共存区域密度和压力的变化，因而也不能有效地描述材料的熔化和气化问题。
现有的商业软件在计算温度的过程中，对计算过程施加了等熵、绝热等条件，导致在不满足这些条件的工况下，计算结果的误差很大，例如在超高速工况下(9km/s以上高速碰撞)，温度场计算结果误差迅速上升，达到15％以上。
针对Tillotson、puff等p＝f(ρ,e)形式的非完全状态方程，在求解温度和模拟相变过程中存在的不足，本公开提出了一种材料碰撞中温度的确定方法，通过在传统的非完全状态方程求解过程的基础上，结合材料对应的温度求解数据表格、相变数据表格，精确求解出材料的温度场及固-液-气相变过程，使非完全状态方程可以在较大的温度范围内做到精确求解。本公开的方案可以应用于高精度数据模拟的领域，包括但不限于高速/超高速战斗部侵彻与防护领域、爆炸与结构相互作用领域、航空航天领域、机械工程领域。
图1为本公开一实施例提供的材料碰撞中温度的确定方法的流程示意图，该材料碰撞中温度的确定方法可以由本公开实施例提供的材料碰撞中温度的确定装置执行，该材料碰撞中温度的确定装置可以采用软件和/或硬件实现，并可集成在任意具有处理能力的电子设备上，例如电脑、服务器等设备。
如图1所示，本公开实施例提供的材料碰撞中温度的确定方法，可以包括以下步骤：
步骤101，获取碰撞材料对应的碰撞速度、状态方程、求解器，以及温度求解数据表格。
其中，温度求解数据表格中记录的是材料的温度与密度、压力之间的对应关系，温度求解数据表格中的材料数据来源于高压对称碰撞实验，高速运动的飞片撞击待研究的材料靶板，在靶板中产生瞬态高压——高温状态。在高压对称碰撞实验中，不仅要求飞片和靶板必须是同种材料，而且要求两者的初始物理状态，如密度、温度、应力状态等，也必须完全相同。碰撞速度是预先针对碰撞材料设置的初始速度。
在高压碰撞实验测量中，压力P、温度T和密度ρ都是直接从高压实验中测量得到的。示例性地，可以使用猛铜计测量压力，使用紫外高温计测量温度，通过光学手段测量声速，并计算求解出材料的密度，将所需的数据编写到表格中，得到温度求解数据表格。其中，密度和温度的跨度可以很大，例如密度的范围可以是10-3～105(千克每立方米，kg/m3)，温度的范围可以是0～104(开尔文，K)。将测量结果以散点形式填入表格中，得到温度与密度、压力之间的关系，形成温度求解数据表格。
示例性地，图2示出了本公开一示例性实施例中温度求解数据表格的示意图一。如图2所示，横坐标x表示材料的密度，纵坐标y表示材料的压力，温度求解数据表格的行数和列数均为n，从图2所示的温度求解数据表格可以看出，一个密度和一个压力的组合对应一个温度值，例如，当密度为ρ2、压力为P3时，对应的温度为T23。
本公开实施例中，可以预先针对不同的金属、玻璃、陶瓷、高分子聚合物等材料进行上述类似的高速碰撞实验，将实验数据总结为各材料对应的温度求解数据表格，集成到显式动力学软件材料库中，以在需要时进行获取。
本公开实施例中，当需要确定碰撞材料的热力学量时，可以获取碰撞材料对应的碰撞速度、状态方程、求解器，以及对应的温度求解数据表格，其中，碰撞材料可以是金属、玻璃、陶瓷等材料中的任一种，发生碰撞的两个材料是同种材料。
示例性地，可以从显式动力学软件材料库中获取与碰撞材料对应的状态方程、求解器和温度求解数据表格，其中，状态方程可以是但不限于是Tillotson、puff等非完全状态方程，求解器可以是但不限于是Lagrange、Euler等求解器。
步骤102，利用所述碰撞速度、所述状态方程和所述求解器，确定所述碰撞材料在碰撞过程中的热力学量，所述热力学量包括压力和密度。
本公开实施例中，对于碰撞材料的压力、密度、内能等热力学量，可以利用获取的碰撞速度、状态方程和求解器进行确定。其中，利用碰撞速度、状态方程和求解器确定材料的压力、密度、内能等热力学量的技术，属于目前常用的求解技术，本公开对上述热力学量的求解过程不再详细描述。
能够理解的是，在利用状态方程和求解器确定碰撞材料在碰撞过程中的热力学量时，需要设置状态方程对应的碰撞材料的材料参数，例如设置碰撞材料的初始状态和边界条件，其中，碰撞材料的初始状态比如可以包括初始速度等。
步骤103，根据所述温度求解数据表格、所述密度和所述压力，确定所述碰撞材料在所述密度和所述压力下的目标温度。
本公开实施例中使用的状态方程为非完成状态方程，利用状态方程和求解器无法确定出碰撞材料在碰撞过程中的温度，为了解决现有技术中在计算过程中施加等熵、绝热等条件导致最终确定的温度值的误差较大的问题，本公开提出利用通过高速碰撞实验得到的温度求解数据表格，根据温度求解数据表格中记录的温度与密度和压力的关系，确定出在该密度和压力下碰撞材料对应的温度，即目标温度。
示例性地，在基于温度求解数据表格确定碰撞材料的目标温度时，可以通过查询表格的方式来确定。例如，以图2所示的温度求解数据表格为例，假设当前确定的碰撞材料的压力接近图2所示的表格中的P2，当前确定的碰撞材料的密度接近ρ3，则通过查询该表格，可以确定该压力和该密度组合后对应的位置位于T32所在的单元格内，则可以将温度值T32确定为碰撞材料在该密度和该压力下的目标温度。
能够理解的是，确定出各压力、密度下的目标温度之后，碰撞材料的密度、压力、温度等全部热力学量即确定完成。
进一步地，本公开实施例中，对于确定的目标温度、压力、内能和密度等热力学量，可以根据该目标温度和压力，确定出碰撞材料在碰撞过程中的破坏程度，进而根据破坏程度，判断该碰撞材料是否破坏失效，并生成判断结果，进而显示判断结果，碰撞材料是否被破坏失效的判断结果可以用于碰撞材料的结构优化设计，从而用户看到显示的判断结果后，可以获知碰撞材料是否被破坏失效的信息，从而使用户能够根据该判断结果采用相应的处理措施。
能够理解的是，碰撞材料的温度变化会对碰撞材料产生热软化效应，碰撞后高温带来的热软化效应会降低材料的强度，导致材料很容易被破坏，再结合碰撞材料当前的受力情况，可以确定出材料当前的破坏程度，从而判断出碰撞材料当前是否被破坏失效。因此本公开实施例中，可以结合确定出的压力和目标温度，确定出碰撞材料在碰撞过程中的破坏程度，基于破坏程度判断碰撞材料是否被破坏失效，进而显示碰撞材料是否破坏失效的判断结果，以使用户获知碰撞材料的当前状态，以便对碰撞材料的结果进行优化设计。本方案通过提高碰撞材料的温度计算精度，有利于提高材料是否被破坏失效的判断精度，从而有效避免材料的结构设计隐患。
以航天领域为例，在太空防护领域，太空垃圾等高速飞行的空间碎片会撞击航天器，给航天器带来安全隐患，航天器的防护屏通过与碎片的碰撞，将其能量转变为防护屏材料内能，使其发生熔化、气化等相变，降低空间碎片的动能，从而保护航天器的安全。因而碎片云速度、温度和相分布等特性成为航天器防护屏设计的参考因素。其中温度是超高速撞击过程中重要的热力学量。在超高速碰撞中，温度升高会对材料产生热软化的效应，使材料强度迅速降低，而材料的破坏过程与材料强度密切相关，从而导致碎片云对航天器舱壁产生严重的破坏。因此，相变效应及温度升高引起的材料热软化对防护结构的防护性能影响较大。
在超高速碰撞模拟过程中，如果忽略温度场精度和相变效应，使得模拟结果失真，将无法准确表现出空间碎片对航天器的破坏，造成对航天器防护结构设计的隐患。
本公开实施例的材料碰撞中温度的确定方法，通过获取碰撞材料对应的碰撞速度、状态方程、求解器，以及温度求解数据表格，先利用碰撞速度、状态方程和求解器，确定碰撞材料在碰撞过程中的热力学量，热力学量包括压力和密度，进而根据温度求解数据表格、密度和压力，确定碰撞材料在该密度和压力下的目标温度。采用上述技术方案，利用材料对应的温度求解数据表格来确定材料的目标温度，无需施加等熵、绝热等条件，从而使得确定的温度更加准确，提高了温度求解的精度。
图3为本公开另一实施例提供的材料碰撞中温度的确定方法的流程示意图，如图3所示，在如图1所示实施例的基础上，步骤103可以包括以下步骤：
步骤201，根据所述密度和所述压力，确定所述碰撞材料的温度在所述温度求解数据表格中对应的目标位置。
本公开实施例中，在确定出碰撞材料在碰撞过程中的压力和密度后，可以根据该压力和密度，确定碰撞材料在该压力和密度下的温度在温度求解数据表格中对应的目标位置。
示例性地，图4示出了本公开一示例性实施例的温度求解数据表格的示意图二，其中，横坐标x表示密度，纵坐标y表示压力。图4所示的温度求解数据表格中各黑色的点表示压力恰好为对应的压力，密度恰好为对应的密度时温度对应的位置，例如，对于温度T11对应的黑色的点，是密度为ρ1、压力为P1时对应的温度所在的位置，即T11所在的位置，如果压力为P1而密度小于ρ1，则对应的温度所在的位置为T11对应的黑色的点的左侧，且与该黑色的点在同一水平线上(即纵坐标值相同)。假设确定的密度为ρx，压力为Py，则碰撞材料的温度在该温度求解数据表格中的目标位置为(x,y)，其中，3<x<4，3<y<4，假设x更接近4，y更接近3，即密度ρx与ρ4之间的差值小于与ρ3之间的差值，压力Py与P3之间的差值小于与P4之间的差值，则可以确定目标位置(x,y)落在温度T43所在的单元格内。
步骤202，根据所述目标位置，通过插值方式确定所述碰撞材料在所述密度和所述压力下的目标温度。
本公开实施例中，确定了碰撞材料的温度在温度求解数据表格中对应的目标位置之后，可以根据该目标位置，通过插值方式确定碰撞材料在该密度和该压力下的目标温度。
作为一种可能的实现方式，可以根据目标位置周围的其他温度值，通过双线性插值的方式，确定目标位置对应的温度值，即得到碰撞材料在该密度和该压力下的目标温度。需要说明的是，双线性插值是目前常用的插值方式，本公开对具体插值过程不再赘述。
作为一种可能的实现方式，可以根据目标位置周围的温度数据点的个数，来选择合适的插值方式得到目标位置对应的温度值。具体地，可以先根据目标位置，确定该目标位置周围的温度数据点的个数，如果确定的目标位置周围的温度数据点的个数小于预设值，则通过线性插值的方式确定目标位置对应的温度值，即得到碰撞材料在该密度和压力下的目标温度；如果确定的目标位置周围的温度数据点的个数不小于预设值，则通过双三次插值的方式确定目标位置对应的温度值，即得到碰撞材料在该密度和压力下的目标温度；如果确定的目标位置周围的温度数据点的个数小于预设值且不能满足线性插值所需的数据点的个数，则可以将目标位置所在的单元格的中心点(例如图4中各单元格中的黑色的点)的温度确定为碰撞材料在该密度和压力下的目标温度。
其中，预设值可以根据实际需求进行设定，通常双三次插值是根据周围最近的16个数据点进行插值的，所以本公开实施例中可以将预设值设置为16。
需要说明的是，本公开实施例中，在周围的数据点较多时采用双三次插值的方式进行插值仅作为示例，而不能作为对本公开的限制，也可以采用其他插值方式进行插值来确定碰撞材料在该密度和压力下的目标温度，相应地，预设值可以根据选择的插值方式进行设置。
以双三次插值为例，能够理解的是，双三次插值是基于周围16个数据点进行加权平均得到的，因此需要先确定周围每个数据点对应的权重。
双三次插值使用BiCubic基函数，其定义如公式(1)所示：
其中，a＝-0.5。
权重的计算公式为W(xy)＝W(x)*W(y)。
以计算图4中T33的权重为例，图4中，X3表示目标位置(x,y)与T3y之间的X方向的距离，Y3表示目标位置(x,y)与Tx3之间的Y方向的距离，由于X3≤1，Y3≤1，则基函数为W(X3)＝1.5*|X3|3-2.5*|X3|2+1，W(Y3)＝1.5*|Y3|3-2.5*|Y3|2+1，则T33的权重为W(T33)＝W(X3)*W(Y3)。同理，可以得到其余15个数据点对应的权重，各权重与各个数据点对应的数值进行加权求和，所得的结果即为目标位置处的温度，即目标温度。
本公开实施例的材料碰撞中温度的确定方法，通过根据确定的密度和压力，确定碰撞材料的温度在温度求解数据表格中对应的目标位置，进而根据目标位置，通过插值方式确定碰撞材料在该密度和压力下的目标温度，由此，实现了在不施加其他条件的情况下，利用非完全状态方程也能确定出碰撞材料全部的热力学量，精确地表示密度、温度、压力以及能量之间的关系。本方案基于实验数据对材料的热力学特性进行精确表达，在仿真计算过程中没有进行特殊假设，使温度计算的结果更加准确，可以精确模拟超高速碰撞等工况下，材料的内能、温度等热力学状态。
在撞击速度超过几千米每秒的超高速碰撞问题中，相变也是需要重点考虑的问题。在本公开的一种可选实施方式中，利用状态方程和求解器确定的热力学量还包括内能，从而，在确定出碰撞材料在所确定的密度和压力下的目标温度之后，还可以获取碰撞材料对应的相变数据表格，所述相变数据表格包括所述碰撞材料在不同的压力和温度下固液共存时的固相内能、第一液相内能，以及气液共存时的第二液相内能、气相内能；接着，根据所述内能和所述相变数据表格，对所述目标温度进行修正，并同时确定出所述碰撞材料在碰撞过程中，固、液、气三相的分布状况及变化过程。
其中，相变数据表格是通过总结高速碰撞实验数据得到的，不同的材料对应不同的相变数据表格。
示例性地，相变数据表格可以包括材料固液共存线数据表格(如下表1所示)和材料气液共存线数据表格(如下表2所示)，或者，也可以将材料的固液共存线数据和气液共存线数据记录在一个表格中。
从表1和表2可以看出，相变数据表格中可以包括材料在不同的压力和温度下固液共存时的固相内能(即表1中的es1～5)、第一液相内能(即表1中的el1～5)，以及气液共存时的第二液相内能(即表2中的el1～5’)、气相内能(即表2中的ev1～5)，还可以包括材料在不同的压力和温度下固液共存时的固相密度(即表1中的ρs1～5)、液相密度(ρl1～5)，以及气液共存时的液相密度(即表2中的ρl1～5’)、气相密度(即表2中的ρv1～5)。
表1
压力 P1 P2 P3 P4 P5
温度 T1 T2 T3 T4 T5
固液共存线液相密度 ρl1 ρl2 ρl3 ρl4 ρl5
固液共存线固相密度 ρs1 ρs2 ρs3 ρs4 ρs5
固液共存线液相内能 el1 el2 el3 el4 el5
固液共存线固相内能 es1 es2 es3 es4 es5
表2
压力 P1 P2 P3 P4 P5
温度 T1 T2 T3 T4 T5
气液共存线液相密度 ρl1’ ρl2’ ρl3’ ρl4’ ρl5’
气液共存线气相密度 ρv1 ρv2 ρv3 ρv4 ρv5
气液共存线液相内能 el1’ el2’ el3’ el4’ el5’
气液共存线气相内能 ev1 ev2 ev3 ev4 ev5
表1中，压力-温度数据为材料的固液共存线数据，对应于图5中的固液共存线位置，代表不同的压力下，材料的熔化/凝固温度变化。表2中，压力-温度数据为材料的气液共存线数据，对应于图5中气液共存线位置，代表不同的压力下，材料的气化/液化温度变化。从图5可以看出，材料的温度在固液共存线下时，材料为固态状态，到达固液共存线后为固液混合状态，固液共存线与气液共存线之间为液态状态，到达气液共存线为气液混合状态，气液共存线上为气态状态。
本公开实施例中，在某个压力条件下，对于确定的内能，可以将内能与碰撞材料对应的相变数据表格中各内能值进行比较，以判断碰撞材料当前的相变状态，如果碰撞材料当前处于两相共存状态，则将当前确定的目标温度确定为碰撞材料处于两相共存状态这一状态内的温度；如果碰撞材料当前处于单相状态，则保持目标温度不变。并根据判断结果，确定材料的相态分布情况。
在本公开的一种可选实施方式中，在对确定的目标温度进行修正时，可以根据当前确定的压力和目标温度，确定碰撞材料发生相变时的目标固相内能、目标第一液相内能、目标第二液相内能和目标气相内能；接着，将所述内能与所述目标固相内能、所述目标第一液相内能、所述目标第二液相内能和所述目标气相内能进行比较，确定所述碰撞材料当前的相变状态；响应于所述相变状态为固液共存状态，确定所述碰撞材料在第一内能区间内的温度为所述目标温度，其中，所述第一内能区域的下限为所述目标固相内能，所述第一内能区域的上限为所述目标第一液相内能；响应于所述相变状态为气液共存状态，确定所述碰撞材料在第二内能区间内的温度为所述目标温度，其中，所述第二内能区域的下限为所述目标第二液相内能，所述第二内能区域的上限为所述目标气相内能；响应于所述相变状态为单相状态，确定所述碰撞材料在所述单相状态下，与所述内能对应的温度为所述目标温度，其中，所述单相状态为固相状态、液相状态和气相状态中的一种。
本公开实施例中，在当前确定的内能小于目标固相内能时，碰撞材料处于固态状态，在该状态下，碰撞材料的内能增加、温度也增加，可以确定碰撞材料在固态状态下时，内能对应的温度为确定的目标温度。随着内能的增加，当内能逐渐增加至目标固相内能时，碰撞材料开始熔化，处于部分熔化状态，熔化比例为内能继续增加，但温度不再升高，因此，在碰撞材料的内能处于第一内能区域时，即目标固相内能<内能<目标第一液相内能时，碰撞材料的温度保持为目标温度。随着内能继续升高，当内能达到目标第一液相内能时，碰撞材料完全进入液体状态，在该状态下，随着内能的逐渐增加，液体状态的碰撞材料的温度继续增加，内能对应的温度为确定的目标温度。当内能达到目标第二液相内能时，碰撞材料开始气化，处于部分气化状态，气化比例为内能继续增加，但温度不再升高，因此，在碰撞材料的内能处于第二内能区域时，即目标第二液相内能<内能<目标气相内能时，碰撞材料的温度保持为目标温度。随着内能继续升高，当内能达到目标气相内能时，碰撞材料完全进入气体状态，随后随着内能的增加，温度继续增加，内能对应的温度为确定的目标温度。
也就是说，当碰撞材料处于固相、液相或气相状态中的任一单相状态时，碰撞材料的温度随着内能的增加而增加，基于碰撞材料对应的温度求解数据表格确定的目标温度，即为当前通过状态方程和求解器求解出的其他热力学量下，碰撞材料的温度；当碰撞材料处于固液共存或气液共存状态时，碰撞材料的温度在两相共存状态内保持不变，固液共存状态的温度与碰撞材料开始熔化时的温度一致，气液共存状态的温度与碰撞材料开始气化时的温度一致。
通过上述过程，不仅获得的了碰撞材料在不同相变状态时的温度，还同时确定出了碰撞材料在碰撞过程中的固、液、气三相的分布状况及变化过程。
本公开实施例中，基于散点化固液共存线数据和气液共存线数据的相变判据，通过提取计算过程中碰撞材料的压力、温度数值并结合固液共存线、气液共存线上温度、压力值判断材料是否进入相变状态，以此作为相变的判据，并确定不同相变状态下的温度，从而精确确定出材料固-液-气三相的分布状态。通过固液共存线固相材料内能、固液共存线液相内能等数据，准确计算出相变吸/放热的能量区间，确定相变过程对材料温度的影响，从而精确计算出材料相变时的温度值，提高温度场求解精度。
进一步地，在本公开的一种可选实施方式中，在确定了碰撞材料不同相变状态下的温度之后，可以对不同相变状态下的目标温度进行可视化处理，绘制所述碰撞材料在固-液-气三相的温度变化曲线。由此，实现了计算结果的高精度显示。
本公开实施例中，可以基于自主开发的显式动力学数值模拟软件，来实现本公开的材料碰撞中温度的确定方法，从而实现材料热力学量及相变过程的精确求解。其中，不同材料对应的温度求解数据表格、相变数据表格可以预先集成到显式动力学软件材料库中，以在需要时调用。利用显式动力学数值模拟软件，可以模拟计算材料碰撞时的热力学量，如压力、内能、温度等。
下面以在显式动力学数值模拟软件中模拟铝块的碰撞过程为例进行解释说明。
首先，可以加载材料，选择铝，并调用材料库中铝对应的状态方程，选择Tillotson，设置Tillotson对应的材料参数，数据库自动匹配铝的温度求解数据表格、相变数据表格。接着，创建两个铝块2D模型，铝块模型在x、y方向上的尺寸分别为4cm*2cm，z方向尺寸为无限大，在划分计算区域时，x方向划分为200个网格，y方向划分为100个网格，共计20000*2个网格，填充材料铝，并选择Lagrange求解器。接着，设置至少一个模型的计算起始时间t1、计算截止时间t2、计算时间步长Δt，设置初始速度，模拟两个铝块以1km/s的速度对撞的工况，使用材料参数库中自带的铝对应的Tillotson状态方程和Lagrange求解器，计算对撞后各个网格单元的压力、密度和内能，之后使用相变数据表格中固液共存线、气液共存线数据，考虑相变过程对材料温度场的影响，提高温度场的计算精度。其中，在计算时，先计算当前计算时间为t1时的压力、密度和内能，基于该时刻的压力、密度以及获取的温度求解数据表格，确定该时刻的温度。接着，利用获取的相变数据表格，判断当前的内能是否上升至相变发生，并根据判断结果对当前时刻的温度进行修正，提高温度场的精度。如果确定当前时刻时铝块处于固态，则当前时刻的温度即为求解得到的温度；如果确定当前时刻铝块处于固液混合状态，则铝块在固液混合态下的温度始终为铝块开始液化时求解得到的温度。得到t1时刻铝块的温度、密度、压力和内能等热力学量后，按照上述方式继续计算下一时刻(即t1+Δt)的热力学量，直到(t1+Δt*i)大于或等于t2，停止计算，得到铝块在t1～t2这一时段内的热力学量的变化数据。
使用上述相同的流程，可以对初始速度为2km/s、3km/s、4km/s、5km/s、6km/s、7km/s、8km/s、9km/s和10km/s撞击速度工况进行模拟，得到碰撞后铝块的压力场、温度场。通过监测点得到采用本方案得到的高速撞击后铝板的温度(单位为K)、压力(单位为Gpa)的计算结果，以及采用现有技术通过对原始Tillotson施加条件得到的计算结果，将两者分别与试验结果进行对照，总结到如下表3中。从表3可以看出，当撞击速度较低时，采用本公开的方案与采用现有技术的方案得到的结果均与试验结果差异不大，而当撞击速度很高时，采用本方案得到的计算结果和试验值更接近。可见，在超高速工况下，相对于现有技术得到的结果，本方案得到的温度值的误差要小的多。
表3
下面以在显式动力学数值模拟软件中模拟弹丸冲击防护屏并对航天器舱壁带来损伤为例进行解释说明。
首先加载材料，选择铝，调用材料库中铝对应的状态方程，选择Tillotson，设置Tillotson对应材料参数，数据库自动匹配铝的温度求解数据表格、相变数据表格。接着创建弹丸、防护屏、舱壁2D模型，如图7所示，图7中，弹丸直径8mm，防护屏高度为100mm，厚度为1.549mm，舱壁高度为100mm，厚度为2mm，防护屏距离舱壁100mm，将弹丸、防护屏、舱壁模型填充材料铝，并选择SPH求解器。
然后设置弹丸速度，模拟弹丸以6710m/s的速度撞击防护屏的工况，使用材料参数库中自带的铝Tillotson状态方程和SPH求解器，计算撞击后材料每个位置的压力P，密度ρ，内能e。然后调用材料温度求解数据表格，根据散点化的T、ρ、P对应关系，插值计算得到材料每个位置的压力P，密度ρ，内能e，温度T。然后在计算过程中使用相变数据表格中固液共存线、气液共存线数据，计算撞击过程的材料相变，并考虑此过程对材料温度场的影响，和弹丸撞击后的飞散状态。
由于温度会对航天器舱壁的强度和承受冲击的性能带来影响，最后通过计算出弹丸冲击防护屏后，产生碎片云的温度场分布，及高温碎片云对舱壁材料强度的影响，模拟出空间弹丸对舱壁的破坏情况，指导防护屏结构优化设计。本公开的方案，在计算温度的过程中没有进行特殊假设和条件要求，适用条件更广，计算结果更准确，可以精确模拟超高速碰撞等工况下，材料的内能、温度等热力学状态。并且，通过使用相变数据表格中的固液共存线、气液共存线数据，考虑相变过程对材料温度场的影响，进一步提高了温度场的计算精度。经过实验对比验证表明，采用本方案来确定材料碰撞过程中的温度场分布，计算精度得到了大幅提高。另外，本方案将材料的温度求解数据表格、相变数据表格和材料种类一一对应封装，计算过程中自动调用并修正计算结果，使用者不需要进行额外设置和干预，操作简便。
本方法为无法直接理论推导和试验研究成本过高的超高速撞击问题，提供快速、准确的温度场及相变过程求解方法，可应用于超高速碰撞，空间站及卫星防护问题等工程领域中，具有重要的工程价值及应用意义。
为了实现上述实施例，本公开还提供了一种材料碰撞中温度的确定装置。
图6为本公开一实施例提供的材料碰撞中温度的确定装置的结构示意图，该装置可以采用软件和/或硬件实现，并可集成在任意具有处理能力的电子设备上，例如电脑、服务器等设备。
如图6所示，本公开实施例提供的材料碰撞中温度的确定装置40可以包括：获取模块410、第一确定模块420和第二确定模块430。
其中，获取模块410，用于获取碰撞材料对应的碰撞速度、状态方程、求解器，以及温度求解数据表格；
第一确定模块420，用于利用所述碰撞速度、所述状态方程和所述求解器，确定所述碰撞材料在碰撞过程中的热力学量，所述热力学量包括压力和密度；
第二确定模块430，用于根据所述温度求解数据表格、所述密度和所述压力，确定所述碰撞材料在所述密度和所述压力下的目标温度。
在本公开实施例一种可能的实现方式中，所述第二确定模块430，包括：
第一确定单元，用于根据所述密度和所述压力，确定所述碰撞材料的温度在所述温度求解数据表格中对应的目标位置；
第二确定单元，用于根据所述目标位置，通过插值方式确定所述碰撞材料在所述密度和所述压力下的目标温度。
在本公开实施例一种可能的实现方式中，所述第二确定单元，还用于：
根据所述目标位置，确定所述目标位置周围的温度数据点的个数；
在所述温度数据点的个数小于预设值的情况下，通过线性插值的方式确定所述碰撞材料在所述密度和所述压力下的目标温度；
在所述温度数据点的个数不小于所述预设值的情况下，通过双三次插值的方式确定所述碰撞材料在所述密度和所述压力下的目标温度。
在本公开实施例一种可能的实现方式中，所述热力学量还包括内能；所述获取模块410，还用于：
获取所述碰撞材料对应的相变数据表格，所述相变数据表格包括所述碰撞材料在不同的压力和温度下固液共存时的固相内能、第一液相内能，以及气液共存时的第二液相内能、气相内能；
所述材料碰撞中温度的确定装置40，还包括：
修正模块，用于根据所述内能和所述相变数据表格，对所述目标温度进行修正，并同时确定出所述碰撞材料在碰撞过程中，固、液、气三相的分布状况及变化过程。
在本公开实施例一种可能的实现方式中，所述修正模块，还用于：
根据所述压力和所述目标温度，确定所述碰撞材料发生相变时的目标固相内能、目标第一液相内能、目标第二液相内能和目标气相内能；
将所述内能与所述目标固相内能、所述目标第一液相内能、所述目标第二液相内能和所述目标气相内能进行比较，确定所述碰撞材料当前的相变状态；
响应于所述相变状态为固液共存状态，确定所述碰撞材料在第一内能区间内的温度为所述目标温度，其中，所述第一内能区域的下限为所述目标固相内能，所述第一内能区域的上限为所述目标第一液相内能；
响应于所述相变状态为气液共存状态，确定所述碰撞材料在第二内能区间内的温度为所述目标温度，其中，所述第二内能区域的下限为所述目标第二液相内能，所述第二内能区域的上限为所述目标气相内能；
响应于所述相变状态为单相状态，确定所述碰撞材料在所述单相状态下，与所述内能对应的温度为所述目标温度，其中，所述单相状态为固相状态、液相状态和气相状态中的一种。
在本公开实施例一种可能的实现方式中，所述材料碰撞中温度的确定装置40，还包括：
可视化处理模块，用于对不同相变状态下的目标温度进行可视化处理，绘制所述碰撞材料在固-液-气三相的温度变化曲线。
在本公开实施例一种可能的实现方式中，所述材料碰撞中温度的确定装置40，还包括：
第三确定模块，用于根据确定的所述目标温度和所述压力，确定所述碰撞材料在碰撞过程中的破坏程度；
判断模块，用于根据所述破坏程度，判断所述碰撞材料是否破坏失效，并生成判断结果；
显示模块，用于显示所述判断结果。
本公开实施例所提供的应用于电子设备上的材料碰撞中温度的确定装置，可执行本公开实施例所提供的任意可应用于电子设备的材料碰撞中温度的确定方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。本公开装置实施例中未详尽描述的内容可以参考本公开任意方法实施例中的描述。
本公开实施例还提供了一种电子设备，包括处理器和存储器；所述处理器通过调用所述存储器存储的程序或指令，用于执行如前述实施例所述的材料碰撞中温度的确定方法各实施例的步骤，为避免重复描述，在此不再赘述。
本公开实施例还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储程序或指令，所述程序或指令使计算机执行如前述实施例所述的材料碰撞中温度的确定方法各实施例的步骤，为避免重复描述，在此不再赘述。
本公开实施例还提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品用于执行如前述实施例所述的材料碰撞中温度的确定方法各实施例的步骤。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种材料碰撞中温度的确定方法，其特征在于，所述方法包括：
获取碰撞材料对应的碰撞速度、状态方程、求解器，以及温度求解数据表格，其中，所述温度求解数据表格中记录的是材料的温度与密度、压力之间的对应关系，压力、温度和密度直接从高压碰撞实验中测量得到，将测量结果以散点形式填入表格中，得到温度与密度、压力之间的关系，形成所述温度求解数据表格；
利用所述碰撞速度、所述状态方程和所述求解器，确定所述碰撞材料在碰撞过程中的热力学量，所述热力学量包括压力和密度；
根据所述温度求解数据表格、所述密度和所述压力，确定所述碰撞材料在所述密度和所述压力下的目标温度。
2.根据权利要求1所述的材料碰撞中温度的确定方法，其特征在于，所述根据所述温度求解数据表格、所述密度和所述压力，确定所述碰撞材料在所述密度和所述压力下的目标温度，包括：
根据所述密度和所述压力，确定所述碰撞材料的温度在所述温度求解数据表格中对应的目标位置；
根据所述目标位置，通过插值方式确定所述碰撞材料在所述密度和所述压力下的目标温度。
3.根据权利要求2所述的材料碰撞中温度的确定方法，其特征在于，所述根据所述目标位置，通过插值方式确定所述碰撞材料在所述密度和所述压力下的目标温度，包括：
根据所述目标位置，确定所述目标位置周围的温度数据点的个数；
在所述温度数据点的个数小于预设值的情况下，通过线性插值的方式确定所述碰撞材料在所述密度和所述压力下的目标温度；
在所述温度数据点的个数不小于所述预设值的情况下，通过双三次插值的方式确定所述碰撞材料在所述密度和所述压力下的目标温度。
4.根据权利要求1所述的材料碰撞中温度的确定方法，其特征在于，所述热力学量还包括内能；
并且，在所述确定所述碰撞材料在所述密度和所述压力下的目标温度之后，所述方法还包括：
获取所述碰撞材料对应的相变数据表格，所述相变数据表格包括所述碰撞材料在不同的压力和温度下固液共存时的固相内能、第一液相内能，以及气液共存时的第二液相内能、气相内能；
根据所述内能和所述相变数据表格，对所述目标温度进行修正，并同时确定出所述碰撞材料在碰撞过程中，固、液、气三相的分布状况及变化过程。
5.根据权利要求4所述的材料碰撞中温度的确定方法，其特征在于，所述根据所述内能和所述相变数据表格，对所述目标温度进行修正，包括：
根据所述压力和所述目标温度，确定所述碰撞材料发生相变时的目标固相内能、目标第一液相内能、目标第二液相内能和目标气相内能；
将所述内能与所述目标固相内能、所述目标第一液相内能、所述目标第二液相内能和所述目标气相内能进行比较，确定所述碰撞材料当前的相变状态；
响应于所述相变状态为固液共存状态，确定所述碰撞材料在第一内能区间内的温度为所述目标温度，其中，所述第一内能区间的下限为所述目标固相内能，所述第一内能区间的上限为所述目标第一液相内能；
响应于所述相变状态为气液共存状态，确定所述碰撞材料在第二内能区间内的温度为所述目标温度，其中，所述第二内能区间的下限为所述目标第二液相内能，所述第二内能区间的上限为所述目标气相内能；
响应于所述相变状态为单相状态，确定所述碰撞材料在所述单相状态下，与所述内能对应的温度为所述目标温度，其中，所述单相状态为固相状态、液相状态和气相状态中的一种。
6.根据权利要求5所述的材料碰撞中温度的确定方法，其特征在于，所述方法还包括：
对不同相变状态下的目标温度进行可视化处理，绘制所述碰撞材料在固-液-气三相的温度变化曲线。
7.根据权利要求1所述的材料碰撞中温度的确定方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据确定的所述目标温度和所述压力，确定所述碰撞材料在碰撞过程中的破坏程度；
根据所述破坏程度，判断所述碰撞材料是否破坏失效，并生成判断结果；
显示所述判断结果。
8.一种材料碰撞中温度的确定装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，用于获取碰撞材料对应的碰撞速度、状态方程、求解器，以及温度求解数据表格，其中，所述温度求解数据表格中记录的是材料的温度与密度、压力之间的对应关系，压力、温度和密度直接从高压碰撞实验中测量得到，将测量结果以散点形式填入表格中，得到温度与密度、压力之间的关系，形成所述温度求解数据表格；
第一确定模块，用于利用所述碰撞速度、所述状态方程和所述求解器，确定所述碰撞材料在碰撞过程中的热力学量，所述热力学量包括压力和密度；
第二确定模块，用于根据所述温度求解数据表格、所述密度和所述压力，确定所述碰撞材料在所述密度和所述压力下的目标温度。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器和存储器；所述处理器通过调用所述存储器存储的程序或指令，用于执行如权利要求1至7任一项所述的材料碰撞中温度的确定方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储程序或指令，所述程序或指令使计算机执行如权利要求1至7任一项所述的材料碰撞中温度的确定方法。
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