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46.2 - Euler Formulation

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46.2 - Euler Formulation

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Title

Cylinder Expansion Test with Euler formulation

ex46_2

Number

46.2

Brief Description

Detonation is initiated at the bottom of the explosive. Radial expansion of the cylinder is measured and compared to experimental data.

Keywords

Euler formulation
Multi-Material, Fluid and Explosive material law (/MAT/LAW51)
Brick elements

RADIOSS Options

Axisymmetrical analysis (/ANALY)
Solid property (/PROP/SOLID)
Boundary condition (/BCS)
Detonation plan (/DFS/DETPLAN)

Input File

Cylinder Test: <install_directory>/demos/hwsolvers/radioss/46_TNT_Cylinder_Expansion_Test/Euler/*

Technical / Theoretical Level

Advanced

Overview


Physical Problem Description

The purpose of this example is to show how to simulate the cylinder expansion test and compare the simulation result to experimental data.

A OFHC copper cylinder (1.53cm diameter, 0.26cm thickness, 30.5cm height) is filled with an explosive (TNT). Detonation is initiated at the bottom of the explosive. Radial expansion is measured at a length of 8*D cm. With an Euler formulation, the air has to be modeled to measure radial expansion.

Since this problem is axisymmetric, only a quarter of the cylinder is modeled.

ex46_problem_description

Fig 1: Problem description for cylinder test

Units: cm, µs, g, Mbar

Using the Multi-Material Solid, Liquid, and Gas material law (/MAT/LAW51), the copper cylinder material has the following characteristics:

Initial density = 8.96
Initial pressure C0mat1 = 1e-6
Hydrodynamic coefficients:
C1mat1 = 1.38
C2mat1 = 1.372
C4mat1 = 0.87
C5mat1 = 0.87
Elastic shear modulus G1mat1 = 0.519
Yield stress amat1 = 0.9e-3
Plastic yield factor bmat1 = 0.292e-2
Plastic yield exponent nmat1 = 0.31
Plastic strain rate factor cmat1 = 0.025
Plastic reference strain rate symbol_e_mat1 = 1e-6
Thermal exponent mmat1 = 1.09
Specific heat Rhocvmat1 = 3.461e-5
Tmelt = 1656

 

hmtoggle_plus1RADIOSS Card (Copper)

#---1----|----2----|----3----|----4----|----5----|----6----|----7----|----8----|----9----|---10----|

/MAT/LAW51/1

Copper

 

#   Iform

       10

#             P_ext                  NU              Nu_Vol

                  0                   0                   0

#       ALPHA0_mat1           RHO0_mat1             E0_mat1           Pmin_mat1             C0_mat1

                  1                8.96                   0                   0                1E-6

#           C1_mat1             C2_mat1             C3_mat1             C4_mat1             C5_mat1

               1.38               1.372                   0                 .87                 .87

#           G1_mat1              a_mat1              b_mat1              n_mat1

               .519                9E-4              .00292                 .31

#            c_mat1   EPSILON_DOT0_mat1

               .025                1E-6

#            m_mat1             T0_mat1          Tmelt_mat1           Tlim_mat1          Rhocv_mat1

               1.09                   0                1656                   0            3.461E-5

#      Epspmax_mat1      sigma_max_mat1             KA_mat1             KB_mat1

                  0                   0                   0                   0

#       ALPHA0_mat2           RHO0_mat2             E0_mat2           Pmin_mat2             C0_mat2

                  0               .0012              2.5E-6              -1E-20                   0

#           C1_mat2             C2_mat2             C3_mat2             C4_mat2             C5_mat2

                  0                   0                   0                  .4                  .4

#           G1_mat2              a_mat2              b_mat2              n_mat2

                  0                   0                   0                   0

#            c_mat2   EPSILON_DOT0_mat2

                  0                   0

#            m_mat2             T0_mat2          Tmelt_mat2           Tlim_mat2          Rhocv_mat2

                  0                   0                   0                   0                   0

#      Epspmax_mat2      sigma_max_mat2             KA_mat2             KB_mat2

                  0                   0                   0                   0

#       ALPHA0_mat3           RHO0_mat3             E0_mat3           Pmin_mat3             C0_mat3

                  0                   0                   0                   0                   0

#           C1_mat3             C2_mat3             C3_mat3             C4_mat3             C5_mat3

                  0                   0                   0                   0                   0

#           G1_mat3              a_mat3              b_mat3              n_mat3

                  0                   0                   0                   0

#            c_mat3   EPSILON_DOT0_mat3

                  0                   0

#            m_mat3             T0_mat3          Tmelt_mat3           Tlim_mat3          Rhocv_mat3

                  0                   0                   0                   0                   0

#      Epspmax_mat3      sigma_max_mat3             KA_mat3             KB_mat3

                  0                   0                   0                   0

#       ALPHA0_mat4           RHO0_mat4             E0_mat4           Pmin_mat4             C0_mat4

                  0                1.63                 .07              -1E-20                1E-6

#                 A                   B                  R1                  R2                   W

              3.712               .0323                4.15                 .95                  .3

#                 D                 PCJ             C1_mat4

               .693                 .21                .036

/EULER/MAT/1

#    Modif. factor.

                  0

#---1----|----2----|----3----|----4----|----5----|----6----|----7----|----8----|----9----|---10----|

 

Using Multi-Material Solid, Liquid, and Gas material law (/MAT/LAW51), the TNT material has the following characteristics:

Initial density = 1.63
Explosive cavitation pressure Pminmat4 = -1e-20
Initial explosive pressure C0mat4 = 1e-6
Explosive coefficient B1 = 3.712
Explosive coefficient B2 = 0.0323
Explosive coefficient R1 = 4.15
Explosive coefficient R2 = 0.95
Explosive coefficient W1 = 0.3
Explosive coefficient C1mat4 = 0.036

Chapman Jouget parameters compute detonation time and burn fraction evolution:

Detonation velocity D = 0.693
Chapman Jouguet pressure PCJ = 0.21
Initial explosive energy per unit initial volume E0mat4 = 0.07

 

hmtoggle_plus1RADIOSS Card (TNT)

#---1----|----2----|----3----|----4----|----5----|----6----|----7----|----8----|----9----|---10----|

/MAT/LAW51/2

TNT

 

#   Iform

       10

#             P_ext                  NU              Nu_Vol

                  0                   0                   0

#       ALPHA0_mat1           RHO0_mat1             E0_mat1           Pmin_mat1             C0_mat1

                  0                8.96                   0                   0                1E-6

#           C1_mat1             C2_mat1             C3_mat1             C4_mat1             C5_mat1

               1.38               1.372                   0                 .87                 .87

#           G1_mat1              a_mat1              b_mat1              n_mat1

               .519                9E-4              .00292                 .31

#            c_mat1   EPSILON_DOT0_mat1

               .025                1E-6

#            m_mat1             T0_mat1          Tmelt_mat1           Tlim_mat1          Rhocv_mat1

               1.09                   0                1656                   0            3.461E-5

#      Epspmax_mat1      sigma_max_mat1             KA_mat1             KB_mat1

                  0                   0                   0                   0

#       ALPHA0_mat2           RHO0_mat2             E0_mat2           Pmin_mat2             C0_mat2

                  0               .0012              2.5E-6              -1E-20                   0

#           C1_mat2             C2_mat2             C3_mat2             C4_mat2             C5_mat2

                  0                   0                   0                  .4                  .4

#           G1_mat2              a_mat2              b_mat2              n_mat2

                  0                   0                   0                   0

#            c_mat2   EPSILON_DOT0_mat2

                  0                   0

#            m_mat2             T0_mat2          Tmelt_mat2           Tlim_mat2          Rhocv_mat2

                  0                   0                   0                   0                   0

#      Epspmax_mat2      sigma_max_mat2             KA_mat2             KB_mat2

                  0                   0                   0                   0

#       ALPHA0_mat3           RHO0_mat3             E0_mat3           Pmin_mat3             C0_mat3

                  0                   0                   0                   0                   0

#           C1_mat3             C2_mat3             C3_mat3             C4_mat3             C5_mat3

                  0                   0                   0                   0                   0

#           G1_mat3              a_mat3              b_mat3              n_mat3

                  0                   0                   0                   0

#            c_mat3   EPSILON_DOT0_mat3

                  0                   0

#            m_mat3             T0_mat3          Tmelt_mat3           Tlim_mat3          Rhocv_mat3

                  0                   0                   0                   0                   0

#      Epspmax_mat3      sigma_max_mat3             KA_mat3             KB_mat3

                  0                   0                   0                   0

#       ALPHA0_mat4           RHO0_mat4             E0_mat4           Pmin_mat4             C0_mat4

                  1                1.63                 .07              -1E-20                1E-6

#                 A                   B                  R1                  R2                   W

              3.712               .0323                4.15                 .95                  .3

#                 D                 PCJ             C1_mat4

               .693                 .21                .036

/EULER/MAT/2

#    Modif. factor.

                  0

#---1----|----2----|----3----|----4----|----5----|----6----|----7----|----8----|----9----|---10----|

 

Using the Multi-Material Solid, Liquid, and Gas material law (/MAT/LAW51), the Air material has the following characteristics:

Initial density = 0.0012
Initial energy per unit initial volume E0mat2 = 2.5e-6
Hydrodynamic cavitation pressure Pminmat2 = -1e-20
Hydrodynamic coefficient C4mat2 = 0.4
Hydrodynamic coefficient C5mat2 = 0.4
hmtoggle_plus1RADIOSS Card (Air)

#---1----|----2----|----3----|----4----|----5----|----6----|----7----|----8----|----9----|---10----|

/MAT/LAW51/3

Air

 

#   Iform

       10

#             P_ext                  NU              Nu_Vol

                  0                   0                   0

#       ALPHA0_mat1           RHO0_mat1             E0_mat1           Pmin_mat1             C0_mat1

                  0                8.96                   0                   0                1E-6

#           C1_mat1             C2_mat1             C3_mat1             C4_mat1             C5_mat1

               1.38               1.372                   0                 .87                 .87

#           G1_mat1              a_mat1              b_mat1              n_mat1

               .519                9E-4              .00292                 .31

#            c_mat1   EPSILON_DOT0_mat1

               .025                1E-6

#            m_mat1             T0_mat1          Tmelt_mat1           Tlim_mat1          Rhocv_mat1

               1.09                   0                1656                   0            3.461E-5

#      Epspmax_mat1      sigma_max_mat1             KA_mat1             KB_mat1

                  0                   0                   0                   0

#       ALPHA0_mat2           RHO0_mat2             E0_mat2           Pmin_mat2             C0_mat2

                  1               .0012              2.5E-6              -1E-20                   0

#           C1_mat2             C2_mat2             C3_mat2             C4_mat2             C5_mat2

                  0                   0                   0                  .4                  .4

#           G1_mat2              a_mat2              b_mat2              n_mat2

                  0                   0                   0                   0

#            c_mat2   EPSILON_DOT0_mat2

                  0                   0

#            m_mat2             T0_mat2          Tmelt_mat2           Tlim_mat2          Rhocv_mat2

                  0                   0                   0                   0                   0

#      Epspmax_mat2      sigma_max_mat2             KA_mat2             KB_mat2

                  0                   0                   0                   0

#       ALPHA0_mat3           RHO0_mat3             E0_mat3           Pmin_mat3             C0_mat3

                  0                   0                   0                   0                   0

#           C1_mat3             C2_mat3             C3_mat3             C4_mat3             C5_mat3

                  0                   0                   0                   0                   0

#           G1_mat3              a_mat3              b_mat3              n_mat3

                  0                   0                   0                   0

#            c_mat3   EPSILON_DOT0_mat3

                  0                   0

#            m_mat3             T0_mat3          Tmelt_mat3           Tlim_mat3          Rhocv_mat3

                  0                   0                   0                   0                   0

#      Epspmax_mat3      sigma_max_mat3             KA_mat3             KB_mat3

                  0                   0                   0                   0

#       ALPHA0_mat4           RHO0_mat4             E0_mat4           Pmin_mat4             C0_mat4

                  0                1.63                 .07              -1E-20                1E-6

#                 A                   B                  R1                  R2                   W

              3.712               .0323                4.15                 .95                  .3

#                 D                 PCJ             C1_mat4

               .693                 .21                .036

/EULER/MAT/3

#    Modif. factor.

                  0

#---1----|----2----|----3----|----4----|----5----|----6----|----7----|----8----|----9----|---10----|

 

Using the Multi-Material Solid, Liquid, and Gas material law (/MAT/LAW51), the Boundary material has the following characteristics:

 

hmtoggle_plus1RADIOSS Card (Boundary)

#---1----|----2----|----3----|----4----|----5----|----6----|----7----|----8----|----9----|---10----|

/MAT/LAW51/4

Boundary

#   Iform

        3

#           ALPHA_1              RHO_01                E_01              P_min1                C_01

                  0                8.96                   0                   0                1E-6

 

#           ALPHA_2              RHO_02                E_02              P_min2                C_02

                  1               .0012              2.5E-6              -1E-20                1E-6

 

#           ALPHA_3              RHO_03                E_03              P_min3                C_03

                  0                   0                   0                   0                   0

 

/EULER/MAT/4

#    Modif. factor.

                  0

#---1----|----2----|----3----|----4----|----5----|----6----|----7----|----8----|----9----|---10----|

 

Analysis, Assumptions and Modeling Description


Modeling Methodology

A 3D mesh is made of brick elements. The element size for the copper cylinder is approximately of 0.035 cm x 0.035 cm x 0.035 cm.

The mesh is dragged along the z direction (z = 30.5 cm). It is important to have no discontinuity in element volume in order to ensure a good propagation of detonation wave and shock wave.

Units: cm, µs, g, Mbar

ex46-2_model_mesh

Fig 2: Model mesh

RADIOSS Options Used

Due to the symmetries of the model, a quarter of the cylinder is modeled. Boundary conditions are set on the yOz plan at x = 0 (Tx = 0) and on the xOz plan at y = 0 (Ty = 0) to simulate the symmetry.

A planar detonation wave is defined at the bottom of the cylinder. A scale factor of 0.5 (on time step for all elements) is used for this type of application.

In solid properties, qa =1.1 and qb =0.05. These values must be set to 0 for the Lagrange formulation.

Isolid is set to 0 for TNT and copper solid properties.

 

hmtoggle_plus1RADIOSS Card (TNT)

#---1----|----2----|----3----|----4----|----5----|----6----|----7----|----8----|----9----|---10----|

/PROP/SOLID/2

copper

#  Isolid    Ismstr               Icpre               Inpts    Itetra    Iframe                  dn

        0         0                   0                   0         0         0                   0

#               q_a                 q_b                   h            LAMBDA_V                MU_V

                1.1                 .05                   0                   0                   0

#            dt_min   istrain      IHKT

                  0         0         0

#---1----|----2----|----3----|----4----|----5----|----6----|----7----|----8----|----9----|---10----|

hmtoggle_plus1RADIOSS Card (Copper)

#---1----|----2----|----3----|----4----|----5----|----6----|----7----|----8----|----9----|---10----|

/PROP/SOLID/1

TNT

#  Isolid    Ismstr               Icpre               Inpts    Itetra    Iframe                  dn

        0         0                   0                   0         0         0                   0

#               q_a                 q_b                   h            LAMBDA_V                MU_V

                1.1                 .05                   0                   0                   0

#            dt_min   istrain      IHKT

                  0         0         0

#---1----|----2----|----3----|----4----|----5----|----6----|----7----|----8----|----9----|---10----|

 

Simulation Results and Conclusions


Curves and Animations

The following figure displays the variation of density in the cylinder, explosive and air.

ex46_density-2

Fig. 3: Density distributed in copper and TNT at time = 33µs.

The following diagram shows the comparison between the experimental and simulation measurement of radial expansion. The displacement values are estimated on the animations using the density contour.

ex46-2_comparison

Fig. 4: Comparison between experimental results and simulation results

Conclusion

Good correlation between experimental and simulation results. A thinner meshing could improve the correlation between simulation and experimental curves.

 

References

[1] Adiabatic Expansion of high explosive detonation products, LANL, Wilkins (1969)

[2] A Constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures, Gordon R. Johnson, William H. Cook