考虑强度速率衰减效应的地震滑坡SPH-FEM模拟

基于SPH和FEM耦合的数值计算方法,引入滑动面摩擦强度的速率衰减模型,提出了一种能够模拟地震诱发滑坡破坏过程的数值模拟方法。基于所提数值方法模拟了唐家山地震滑坡,模拟结果与现场勘查结果及室内试验现象较为一致。基于模拟的滑动面上摩擦系数的演化过程,将唐家山滑坡的发生分为4个阶段:启动阶段、摩擦衰减阶段、低摩擦滑移阶段和逐步稳定阶段。模拟结果表明速度增加和摩擦强度衰减的相互促进,是触发滑体的高速运动的根本原因。提出采用滑体上作用的动摩擦力fd和动下滑力Td的比值R作为判别指标用于判断大型滑坡的启动,当首次出现R小于1时认为滑动面发生整体贯通并出现失稳启动。基于滑动面不同位置摩擦系数的演化,揭示了滑坡启动中滑动面摩擦强度衰减和滑动面的渐进贯通过程,解释了地震作用与滑动面摩擦参数速率衰减效应共同作用触发大型滑坡发生破坏的内在机理。

基于SPH-FEM耦合方法的泥石流冲击输电塔基础的动力分析

泥石流是我国西南山区常见的地质灾害。架空输电杆塔在泥石流的冲击下往往发生基础破坏甚至会造成杆塔倒塌。首先采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法和有限元方法(finite element method,简称FEM)相耦合的三维数值方法模拟了泥石流对杆塔基础的冲击作用;在与相关模型试验结果验证的基础上,开展了不同泥石流密度、黏度系数及初始速度条件下对输电塔基础的冲击力作用的参数分析;研究结果表明:随着泥石流初始速度的增加,冲击力峰值会随之增大;前排基础的冲击力峰值均大于后排基础;泥石流冲击过程特性受到泥石流密度和黏度系数影响。与稀性泥石流相比:黏性泥石流冲击基础后,基础下游真空区相对要小;此外,将数值模拟结果与Kwan冲击力公式及铁二院推荐的冲击压力设计公式预测值进行对比分析可以发现:Kwan冲击力公式能较好地预测出基础所受泥石流冲击力的平均趋势,最大预测误差低于30%,铁二院公式预测的稀性和黏性泥石流的冲击压力平均偏低分别约17%和28%。相关研究结果有望为泥石流频发区域输电塔基础的设计和风险评估提供一定的参考依据。

基于SPH-FEM耦合算法的台阶精准爆破延期时间研究及应用

电子雷管在大型露天矿爆破中广泛使用,利用其精准起爆特性通过设置合理延期时间可有效改善爆破质量,对矿山生产降本增效具有重要意义。基于光滑粒子流体动力学—有限单元(SPH-FEM)耦合算法,利用LS-Dyna软件建立了多个巴润矿常规台阶尺寸的三维数值模型。针对电子雷管起爆条件下不同孔间和排间延时分别建立双孔、三孔SPH-FEM三维模型,从矿岩体SPH粒子应力和移动2个维度研究了被爆矿岩体的受力破碎、抛掷位移特征,并重点分析了不同排间延时下后排炮孔爆破漏斗的偏移角度。据此确定了最佳孔间、排间延期时间范围,并通过现场验证对比试验,选出了适合该爆区的最优延时。研究结果表明:在巴润矿现行孔排距条件下利用电子雷管精准起爆,孔间延时在20~30 ms内可达到较好的破碎效果;排间延时大于35 ms时,先爆炮孔为后续炮孔提供新的自由面和抛掷空间,且大于40 ms时应力趋于稳定;在现场验证试验中,试验区内边长1 m以下的破碎矿岩体占比达91%,较非试验爆区中同尺寸岩块占比提高了14%,破碎效果得到有效改善。

基于自适应FEM-SPH耦合算法的飞机典型部位破片冲击战伤的数值研究

针对飞机典型部位在遭到高速破片攻击后结构整体的战伤状态及破片的剩余行为开展数值模拟。应用LS-DYNA软件,结合有限单元方法(finite element method,FEM)和光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)两者的优势,建立自适应的FEM-SPH耦合模拟方法,并构建2种飞机典型部位的计算模型,采用六面体网格局部细化方法实现了核心位置的精确模拟,并进行试验来验证数值模型;开展了一系列高速冲击战伤模拟,对比了不同工况下破片高速冲击结构后形成的碎片云和破口形貌,并对破片的剩余速度和质量进行分析,确定了破片在结构蒙皮上的临界跳飞角。结果表明:自适应FEM-SPH耦合算法的计算结果与试验结果吻合良好,能够对破片高速冲击战伤进行有效准确模拟;碎片云分布形状随破片速度增加变得狭长,冲击角度会改变碎片云和结构破口形状朝向;碎片云高度和扩散速度随破片速度或角度的变化趋势基本一致并都呈线性关系;破片的速度减少量不随初始速度变化,质量减少量则与冲击速度正相关,两者与冲击角度都负相关;破片临界跳飞角与冲击速度大小基本呈线性关系。

基于SPH-FEM转换算法的砷化镓划片损伤过程研究

为了进一步提高半导体激光器巴条制造质量,改善解理加工过程中划片损伤情况,采用SPH-FEM转换算法研究划片速度和载荷对单晶砷化镓(gallium arsenide,GaAs)划片损伤的影响。基于广义胡克定律计算出砷化镓{100}晶面<110>晶向的各向异性机械力学特征参数,采用SPHFEM转换算法仿真金刚石刀头划片实验,将划片过程中损伤的有限元转换为粒子,研究损伤粒子在刀头作用下的运动轨迹,确定出划片的损伤过程。研究表明,该方法较好地解决了传统有限元法大变形区域发生网格畸变所导致的计算误差问题,揭示了不同加工参数对砷化镓材料划片损伤的影响,并得到了实验验证,为脆性材料的划片损伤过程提供了新的途径和思路。

基于SPH-FEM耦合算法及模型试验的减振棚洞研究

为探究更为安全、有效的边坡落石防护结构,本研究基于光滑粒子流体动力学—有限元(SPH-FEM)耦合动力学数值计算及1∶10几何相似室内模型试验,针对“砂土-发泡橡胶”复合垫层棚洞的减振机制展开研究。结果表明:落石以20 m/s速度冲击时,顶板腹部正中单元峰值应力可达2.89 MPa,超过C30砼极限抗拉强度2.01 MPa;添加0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m发泡橡胶垫层后,正中单元峰值应力依次为2.36、1.12、0.79、0.65、0.58 MPa,相较于纯砂土垫层,降幅依次可达18.34%、61.25%、72.66%、77.51%、79.93%;针对试验期间棚洞顶板腹部纵向测点P1,添加2、4、6 cm厚橡胶垫层,其峰值应变由50.57με依次降至27.17、15.22、10.36με,降幅为46.27%、69.90%、79.51%;针对顶板腹部横向测试位置T1,复合垫层工况下应变峰值由48.47με降至26.54、17.29、13.59με;复合垫层可大幅降低落石冲击能量与顶板应力水平,模型试验与数值计算结果基本相吻合,本文工况下发泡橡胶现场设置厚度以0.4~0.6 m为宜。研究成果可为相关防护工程设计提供借鉴与参考。

基于SPH-FEM算法的森林灭火弹爆炸抛撒灭火剂初速的数模拟研究

针对森林灭火弹爆炸抛撒问题,应用LS-DYNA软件对森林灭火弹爆炸抛撒灭火剂初速进行数值模拟研究。依据森林灭火弹爆炸抛撒实验的数据,对Gurney公式进行修正;建立森林灭火弹的仿真模型,将仿真模型所得灭火剂初速与修正后Gurney公式所得灭火剂初速进行对比,验证SPH-FEM耦合算法研究此类问题的可行性;对森林灭火弹装药结构进行优化,分析阶梯装药结构对灭火剂初速的影响。结果表明,修正后Gurney公式能够更好地适用于灭火剂初速的计算;采用SPH-FEM耦合算法模拟所得灭火剂初速与修正后Gurney公式所得灭火剂初速的吻合度高,表明采用SPH-FEM耦合算法研究此类问题是可行的;对森林灭火弹装药结构进行阶梯化改进可以增大灭火剂抛撒面积与提升灭火剂抛撒均匀性,提高森林灭火弹灭火效率。

基于FEM-SPH耦合的卷辊式耕层残膜回收部件结构优化与试验

针对棉田耕作层内残膜力学性能差及膜土分离困难,残膜拾净率低和回收的残膜含土量高等问题,该研究对卷辊式残膜回收部件进行优化。在分析起膜捡膜工作过程和建立卷辊弹齿与膜土团聚体之间动力学关系的基础上,采用有限元法(finite element method,FEM)和光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)耦合算法,建立卷辊弹齿-膜土团聚体接触计算模型,探究卷辊弹齿与膜土团聚体之间相互作用机理,分析卷辊弹齿接触膜土团聚体后残膜受力程度和土壤扰动程度的变化规律。以卷辊回转半径、弹齿直径、弹齿顶端折弯角为试验因素,以残膜平均峰值应力及土壤最大应变为指标开展仿真试验,分析各因素对指标的影响规律并对卷辊弹齿结构参数进行优化,获得卷辊弹齿最优结构参数为:卷辊回转半径100 mm、弹齿直径5 mm、弹齿顶端折弯角42°,此时残膜平均峰值应力为0.1201 MPa,土壤最大应变为3.7584。为了验证优化后卷辊弹齿的捡拾作业性能,以拾净率和含土率为试验指标进行田间试验,结果表明:机具拾净率为80.34%,含土率为37.13%,与初代研制的样机相比拾净率提升了8.74个百分点,含土率下降了12.18个百分点,机具作业性能明显提升且试验指标达到设计要求。本文建立的有限元模型可为残膜回收机关键部件的结构优化提供参考。

基于SPH-FEM耦合算法的磨料水射流破岩数值模拟

磨料水射流破岩是一个涉及诸多因素的非线性冲击动力学问题。针对磨料水射流破岩过程的复杂性以及有限元分析法在处理超大变形问题时存在的网格畸变问题,基于光滑粒子(SPH)耦合有限元(FEM)的方法模拟了磨料水射流破岩过程,并结合模拟结果分析了在磨料浓度30%不同速度磨料水射流作用下岩石的损伤范围。其中磨料水射流采用SPH算法模拟,并通过修改关键字文件实现水与磨料两种不同组分,岩石采用H-J-C累计损伤模型。研究表明:岩石冲蚀坑首先成漏斗状,随着冲蚀坑不断加深,最终形成"V"形剖面和圆形截面组成的"子弹"体;损伤值由冲蚀坑沿径向方向向外急剧减少,岩石的损伤半径与冲蚀坑半径随着射流速度减小而减小,两者之比在1.8-2.2之间。计算结果与相关文献基本吻合,为研究磨料水射流破岩提供一种研究的方法。

基于SPH-FEM耦合算法的埋地输气管道近场爆炸冲击动力响应

利用ANSYS/LS-DYNA和LS-PREPOST前后处理模块,建立基于光滑粒子流体力学-有限单元法(SPH-FEM)耦合的土中爆炸模型。结果表明,土中爆炸波峰值压力随比例爆距的衰减规律与经验曲线基本一致,且瞬时爆腔尺寸也和相关经验描述吻合较好,从而验证了方法的可行性与准确性。针对X80大口径高压输气管线在土中近场爆炸的冲击响应过程,建立管-土-炸药耦合模型,分析起爆后不同时刻爆腔形状的演变过程(从球状到椭球状),得到不同时刻管体扰动(变形与受力)与土壤介质压缩形态的内在联系,详细描述管体迎爆面、背爆面测点的位移及应力特征,并反映最大冲击应力的截面分布情况及其在不同时刻的出现位置,最后,基于应变极限判断受冲击管道的失效情况。研究采用的耦合算法可为管道防爆研究提供新思路,对爆炸灾害下管体及周边结构的风险评估提供基于模拟分析的定量依据。

基于SPH-FEM耦合法的土体爆炸效应数值研究

岩土体爆炸破坏问题是岩土工程领域的研究热点,为开展小当量集团装药在不同埋置深度时的土中爆炸效应分析研究,在LS-DYNA框架内建立基于光滑粒子流体动力学-有限元耦合方法(SPH-FEM)的砂土地基爆炸效应分析模型。计算结果表明:浅埋装药时最大爆坑深度到达时刻远在最大爆坑直径之前,地基表层砂土体剪切流场对爆坑直径的发展具有决定性作用;随着药包埋置深度的增加存在一个临界爆坑直径,爆坑直径近似认为只与药包当量和埋置深度相关,经简化与经验假定之后得到的爆坑直径与埋药深度之比与比例距离近似呈直线关系;砂土中爆炸波在近区表现为强间断的冲击波形式,压缩作用是造成近区砂土大变形流动的主要因素,而在爆炸远区则转变为连续的应力波形式;土中爆炸波峰值压力随比例爆距的衰减规律与经验曲线基本一致。研究结果可以为地基工程的抗爆设计及加固提供参考。

一种新型SPH-FEM耦合算法及其在冲击动力学问题中的应用

为了充分发挥光滑粒子流体动力学方法(smoothed particle hydrodynamics,SPH)在处理大变形和有限元(finite element method,FEM)问题时计算精度高的优势,提出了一种新型SPH-FEM耦合算法。该耦合算法在大变形区域使用SPH粒子离散,其余区域使用有限元离散。在耦合界面处将SPH粒子固结在有限单元,在有限元节点设置背景粒子,通过背景粒子的方式将有限元节点纳入到SPH临近搜索列表,消除了SPH边界效应,确保耦合界面物理量的连续性。使用该算法对圆柱形钢弹正冲击钢板发生冲塞破坏的过程进行了三维数值模拟,靶板参数的计算采用含损伤的Johnson-Cook模型和Grüneisen状态方程,模拟结果与实验吻合较好。

爆破漏斗形成过程的SPH-FEM数值模拟

爆破漏斗形成过程分析对研究岩石动力破坏特性具有重要意义。基于光滑粒子流体动力学(SPH)理论,使用LS-DYNA软件,建立了爆破漏斗数值模型,模拟了爆破漏斗的形成过程。结果显示:爆破漏斗的形成经历了地表隆起、裂隙扩展和岩块抛掷3个过程;靠近自由面的岩体中有明显的斜向45°径向裂隙产生,表明此时爆破漏斗的形成主要受拉伸破坏控制;起爆瞬间,炸药周边岩体的运动速度较为均匀,随着爆炸的进行,沿竖直方向抛掷的岩块占据主导地位,在45°径向裂隙中的岩块速度最大,且炸药埋深在65 cm时爆破漏斗体积最大。

SPH-FEM耦合方法在弹丸膛内运动中的应用

大口径火炮弹丸膛内运动是个高度非线性冲击动力学过程,采用有限元(FEM)与光滑粒子(SPH)耦合方法,结合SPH方法处理大变形能力和FEM计算效率高的互补优势,对大变形的弹带采用光滑粒子离散,发射系统的其它结构采用有限元模拟,综合考虑弹带材料的动态力学性能及损伤行为,弹带与身管内膛摩擦界面特性及火药燃气的波尔登效应,建立了较为全面的火炮发射动力学模型,成功模拟出弹丸挤进过程和随后直膛运动。通过与任意的拉格朗日-欧拉自适应网格(ALE)仿真结果相比验证了该方法的优越性,通过对比仿真结果与试验数据验证了其有效性,获得了弹丸膛内运动过程中弹带温度、炮口振动和弹丸运动姿态的变化规律,为火炮弹炮匹配设计及精度设计提供了参考。

基于SPH-FEM方法的半球形聚能装药破甲特性研究

为了研究杆式射流的形成及破甲过程,基于SPH-FEM方法建立半球形聚能装药模型,对半球形聚能装药起爆后形成金属射流及射流穿透双壳的过程进行仿真模拟。通过对射流形成过程、速度衰减规律以及壳体破口形成过程进行分析,得到以下结论:在半球形聚能装药的爆轰作用下,药型罩被高压冲击变形继而形成了高速的金属射流;射流头部最大速度可达约4 174 m/s;射流在击穿双壳的过程中会发生断裂形成射流断裂块,第一层壳在被击穿过程中,经历了冲塞、凹陷等过程,第二层壳直接被射流穿透,之后不断地被射流断裂块击穿。整个计算旨在对半球形聚能炸药的工程设计提供参考。

基于SPH-FEM耦合方法的落石冲击拱形钢筋混凝土棚洞数值模拟

与框架钢筋混凝土棚洞相比,拱形钢筋混凝土棚洞具有自重小、跨度大的优点,其常用砂土垫层来耗散冲击能量。针对有限元法(FEM)模拟拱棚洞砂土材料超大变形问题时所存在的困难,建立了有限元(FEM)与光滑粒子流体动力学(SPH)的耦合数值计算方法。利用SPH粒子模拟落石冲击区域的大变形砂土,为提高计算效率和精度,非冲击区域砂土用有限元单元模拟,并将混凝土、钢筋、岩石、冲击锤等划分成Lagrange标准有限元网格;然后基于耦合SPH-FEM方法建立了落石冲击拱形钢筋混凝土棚洞数值模型。研究结果表明:随着冲击能量的增大,冲击力峰值和拱中点位移峰值也逐渐增大;与足尺冲击试验结果对比,冲击力峰值和拱中点位移峰值最大误差均没有超过10%,验证了数值耦合模型的准确性;数值耦合模型形象再现了砂土成坑的物理过程,砂土垫层耗能占初始冲击动能的85%以上,说明砂垫层是一种很好的缓冲耗能材料。SPH-FEM耦合方法显示出了模拟拱形钢筋混凝土棚洞冲击问题的有效性。

混凝土爆破损伤的SPH-FEM耦合法数值模拟

为了提高计算效率以及更好展现爆炸荷载下混凝土破坏过程,采用SPH-FEM耦合法对混凝土爆破成坑进行模拟。首先结合前人给出的C30混凝土Holmquist-Johnson-Cook(HJC)部分本构参数,通过理论推导等方法确定出剩余的参数;然后代入模型中计算,将数值解与实测数据进行对比;最后以峰值压力和峰值加速度作为考察对象,对HJC模型中21个参数敏感性进行分析。结果表明:SPH-FEM耦合法能直观地模拟爆炸荷载作用下爆坑的发展全过程,且能够较好地处理SPH边界问题;基于所给出的C30混凝土HJC本构参数,采用SPH-FEM耦合法对混凝土爆破破坏进行模拟,计算结果与实测数据吻合度高,表明HJC本构参数的确定具有合理性。此外,还发现HJC本构参数对爆破问题结果的敏感度各不相同,指出对峰值压力和峰值加速度均有较大影响的参数在确定的时候需引起足够的重视。

基于SPH-FEM转换算法的7.62mm步枪弹冲击30CrMnSiA钢板的数值计算

从转换判据和时间步长控制两个方面对光滑粒子流体动力学-有限元(SPH-FEM)转换算法进行改进,采用改进的SPH-FEM转换算法对7.62 mm步枪弹冲击特殊热处理的30CrMnSiA钢板进行全尺寸三维数值计算,将子弹在冲击过程中发生严重畸变的有限单元转换为SPH粒子继续参与计算.子弹采用弹塑性模型,靶板采用修正的Johnson-Cook强度模型和Gruneisen状态方程.针对不同的子弹初速,计算靶板盘形凹陷和冲塞两种破坏模式,计算结果与实验结果吻合较好.表明改进的SPH-FEM转换算法能够合理高效地利用有限单元和SPH粒子,为低强度子弹冲击高强度靶板的计算提供一种有效途径.

砂土地基触地爆炸的SPH-FEM耦合分析方法

针对砂土地基触地爆炸问题,在LS-DYNA框架内建立了有限元法和光滑质点流体动力学法相耦合的数值分析方法SPH-FEM。该耦合法结合了FEM的高计算效率和SPH在处理土体爆炸大变形方面的优势,通过精确捕捉SPH粒子的运动,可以直观再现爆坑形态的发展全过程,适合描述爆炸大变形问题。数值结果显示,爆炸波在近区表现的强间断冲击波,是造成土体流动大变形的重要因素;土体参数在正常范围的浮动对爆坑尺寸具有一定影响,在设计应用时应予以考虑。利用SPH-FEM耦合法计算得到的爆坑形态和尺寸与ConWep程序经验数据基本一致,验证了SPH-FEM耦合法在分析触地爆炸问题中的正确性。

喷丸残余应力场SPH/FEM耦合建模与仿真

针对有限元模型难以模拟大量弹丸群集撞击的喷丸过程,使用光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)耦合有限元法(Finite Element Method,FEM)模拟喷丸强化过程.工件采用FEM建模,弹丸流采用SPH建模,通过接触算法实现SPH和FEM的耦合以模拟弹丸对工件的强化作用.采用随机算法建立了包含丸粒和空气两类SPH粒子形成的弹丸流模型,推导了两者的状态方程.研究了弹丸速度、喷丸时间等对喷丸残余应力的影响及工件表面各典型位置处的残余应力分布.结果表明:最大残余压应力值及深度随喷丸速度的增加而增加;达到一定喷丸时间后,继续增加作用时间,则残余应力变化甚微,其变化幅度小于10%,达到喷丸饱和状态;处于撞击中心处的残余应力值最大.