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。

SPH-FEM耦合法数值模拟在工程爆破教学中的应用研究

为了提高工程爆破课程教学效果,提出将光滑粒子流体动力学-有限元(SPH-FEM)耦合法数值模拟用于课程教学。首先,阐述了SPH-FEM耦合法的基本原理;然后,以集中装药爆破为典型案例展示了建模过程、耦合检验和模拟结果;最后,将模拟结果融入实际教学以探究SPH-FEM耦合法数值模拟在工程爆破教学中的应用效果。研究结果显示,SPH-FEM耦合法能够充分结合SPH粒子和FEM网格各自优势;采用SPH-FEM耦合法数值模拟可以直观呈现集中装药爆破历程;可以帮助学生领悟和掌握专业知识,提高学习积极性。

基于改进SPH算法的虚拟手术流血模拟

现有虚拟手术系统的流血模拟难以完全模拟血液自身独特的生物学特性,为了提高血液模拟的真实性,本文提出一种改进的SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)出血模拟方法。该算法采用改进的WCSPH(Weakly Compressible SPH,WCSPH)方法改进了传统算法中压强的求解,使其更符合血液自身的特性。此外,还提出一种基于密度的自适应光滑长度算法,使粒子系统可以根据邻居粒子的密度自适应地调节粒子的光滑长度,提高了插值精度,降低了计算误差,提高了模拟的稳定性。实验结果表明:该方法改善了血液仿真的边界细节,提高了粒子之间的稳定性,能够保证血液效果的真实性,并且运算速度快,保证了仿真的实时性。

基于SPH法的返回舱入水载荷模拟分析

返回舱水上着落前期面临较大砰击,为研究过程中受到的砰击载荷,基于光滑粒子流体动力学(SPH)气-液两相流算法,首先通过模拟平板和楔形体两种算例模型的入水过程,并与相关文献的试验结果进行对比,验证算法的有效性。在此基础上,对返回舱的入水过程进行模拟。结果显示,两种算例模型的计算结果与相关文献试验结果吻合良好。返回舱入水速度和倾角对砰击有较大影响并且过程中存在二次砰击现象。砰击载荷随入水速度增大而增加。第一次砰击载荷峰值随倾角增大而减小,第二次砰击载荷峰值随倾角增大先增后减。结果表明,SPH气-液两相流算法能够较好地模拟返回舱入水过程。

刚性弹丸侵彻金属靶体的FEM-SPH耦合计算

关于靶体侵彻的研究一直是一个很活跃的领域,但由于整个侵彻过程时间极短,实验研究很难对侵彻过程进行全面的、准确的分析。文中综合有限单元法(FEM)和光滑质点流体动力学方法(SPH)的优点,利用FEM-SPH耦合方法对弹丸侵彻有限钢靶进行数值模拟。研究结果表明,FEM-SPH耦合方法能够较为准确的模拟大变形、不连续介质的动力问题,并可避免网格重分或网格消蚀,同时又具有较高的效率。

基于SPH法的土壤切削刀具三维数值模拟及优化

为优化刀具结构,减小土壤切削的功耗,采用大型动力学软件LS-DYNA中的光滑粒子流体动力学(SPH)求解器,结合MAT147材料模型就松土刀具对土壤的切割过程进行了三维动态仿真。建立了反旋凿切的数值模拟模型;并结合正交试验法对松土铲耕作条件进行了仿真。仿真结果表明:利用SPH方法对土壤材料进行大应变、高应变率的变形计算是有效的;定性地得到了耕宽与耕深的关系,且结合相关理论将可以更全面合理地对松土铲刀具结构进行优化。

SPH算法在长杆弹侵彻多层间隔靶中的应用

基于Autodyn软件,应用SPH算法对长杆弹高速侵彻多层间隔金属靶板的过程进行数值模拟,分析了弹体侵彻靶板后的剩余速度、剩余动能、以及形成的破片及其飞散情况,同时模拟初始速度及弹体质量对侵彻过程的影响。通过与实验结果的比较,表明数值模拟的结果是合理的,能够准确模拟长杆弹对多层间隔靶的高速侵彻过程,对预测弹体侵彻性能以及对长杆弹进行优化设计具有一定的指导价值。

基于SPH算法的微耕机旋耕切土仿真研究

运用Pro/E和HYPERMESH软件,建立了旋耕刀辊的有限元模型。通过编辑K文件,建立了土壤SPH模型。应用光滑流体动力学理论,采用MAT147土壤材料,结合DYNA求解器,对微耕机旋耕切土进行了仿真研究。分析了旋耕刀辊切土过程,得到了旋耕刀辊切削力曲线和能量曲线,计算出微耕机在前进速度0.3m/s、旋转速度2.12r/s、耕深110mm、耕宽30mm参数条件下的切土功率为3.45kW,与实际微耕机的使用功率比较接近,验证了仿真的可靠性,可为微耕机整机及其零部件的优化设计提供理论依据。

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。

铝/不锈钢双金属管爆炸焊接数值模拟

以铝/不锈钢金属管为研究对象,利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件结合SPH-FEM耦合法和拉格朗日法对其爆炸焊接过程进行了数值模拟。研究了炸药爆速对复合管结合质量的影响。结果表明:炸药爆速对基复管的塑性变形和复管碰撞速度影响较大,塑性变形和复管碰撞速度过小或过大均不能实现良好结合;在炸药爆速为1 950~2 150 m/s左右时,基复管结合质量较好,这与试验所得结论一致;拉格朗日法的前期建模较为简洁,模拟过程中SPH-FEM耦合法耗时较多;拉格朗日法所测得的碰撞速度与理论计算值误差较大,且SPH-FEM耦合算法能较好地处理高速爆炸冲击问题。

玉米分层正位穴施肥精播机SPH仿真与试验

为了有效地将化肥集中施在玉米植株下方根系生长的区域内,以减少化肥用量,设计了一种玉米分层正位穴施肥精播机。在对穴施肥精播机进行实体建模的基础上,结合MAT147土壤材料模型与SPH(光滑粒子流体动力学)算法,运用LS-DYNA模拟并分析了穴施肥系统的间歇排肥机构的落肥状态,以及分层排肥管将化肥施入土壤之后的分布情况。通过土槽和田间试验验证,表明分层正位穴施肥精播机能够精确地将所需化肥按预定比例施入不同深度土层中,化肥分布于种子正下方深度为7~23 cm的土层内,化肥集中在最深施肥层中,并且化肥分布由深至浅依次递减,符合玉米生长过程中的实际需肥规律。

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。

SPH算法在超高速碰撞数值模拟中的应用

采用大型动力学软件Ls-dyna中的SPH求解器,对球形弹丸超高速碰撞靶板的过程进行数值模拟。给出由于碰撞速度不同,而引起的不同的碎片云图像,以及不同的靶板破碎孔的尺寸。同时模拟了入射角度不同,而得到不同的超高速碰撞物理过程。初步分析结果表明数值模拟结果是合理的,较清晰地模拟了超高速碰撞下碎片云的生成、膨胀过程。另外,通过数值模拟结果与实验结果的比较分析,表明SPH方法得到的结果能描述相应的超高速碰撞现象。所以采用SPH算法针对超高速碰撞物理过程进行数值模拟是可行的。

TA2/1060铝双金属管爆炸焊接数值模拟

目的为探究炸药爆速对复合管结合质量的影响,以及SPH-FEM法和拉格朗日法对爆炸焊接数值模拟的差异。方法利用ANSYS/LS-DYNA软件,建立钛/铝双金属管爆炸焊接模型,分别采用SPH-FEM耦合法和拉格朗日法对不同爆速下的TA2/1060铝双金属管进行爆炸焊接数值模拟。结果结合复管的最佳碰撞速度、碰撞压力和基复管的塑性变形情况可知,要获得结合质量较好的复合管,炸药爆速应设置在1950~2150m/s;SPH-FEM法计算的特征单元碰撞速度与理论值误差分别为0.78%、1.2%和1.4%,由拉格朗日算法计算的特征单元碰撞速度与理论速度之间误差分别为5.4%、5.8%和2.7%。结论塑性变形和复管碰撞速度过小或过大均不能实现良好结合;钛/铝双金属管爆炸焊接的最佳炸药爆速范围为1950~2150m/s;拉格朗日法的前期建模较为简洁,模拟过程中SPH-FEM法耗时较多但该方法对动态参数模拟的精确度较高。

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。

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。

内含圆柱域热源的非饱和土介质水热耦合作用的SPH数值模拟

光滑粒子流体动力学(SPH)作为一种拉格朗日型无网格粒子方法,已经成功地应用于多种类型耦合问题的求解。基于SPH方法探索求解二维求解域内含有圆形局部热源的水热耦合问题,其中揭示了程序前处理阶段已有粒子布置方案存在的不足。针对所要求解的具体问题,使用一种新的粒子布置方案以弥补数值计算过程中的精度损失,该粒子布置方案中径向粒子间距严格相等,环向间距大致等于径向粒子间距。通过对水热耦合方程数学特性的分析,表明了SPH算法可以用于此类耦合问题的数值模拟。最后,基于SPH算法自行编制的程序对一种非饱和土介质内含有局部热源的水热耦合问题进行数值模拟,对非饱和土介质中热能传输以及水分迁移的规律进行了分析。