大型风力机叶片前缘的雨滴冲击动力学响应机制

随着近年海上风力机设计的大型化,叶片前缘的雨蚀失效问题变得愈发突出,不仅影响机组的风能转化效率,对结构的稳定运行也构成潜在威胁。采用光滑粒子流体动力学(smooth particle hydrodynamics,SPH)法研究雨滴内部的本构关系,以有限元法(finite element method,FEM)建立叶片前缘的代表性体积单元(representative volume element,RVE)模型,两者相互耦合,研究雨滴在叶片表面形成的冲击响应过程。考虑自然降雨的实际工况,建立与降雨强度相关联的雨滴尺寸模型,以及雨滴的空间分布模型;通过单雨滴的冲击仿真,研究叶片表面冲击载荷以及雨滴内部的速度分布,从而解构雨滴冲击的物理过程,并通过冲击的应力、应变场分析,为潜在损伤区提供评价;建立多雨滴冲击的仿真模型,研究冲击应力场之间的耦合作用以及涂层表面的塑性应变累积效果。研究结果表明,水锤冲击是造成塑性应变累积的关键因素,虽然横向喷射阶段的应力响应幅值小并呈现一定的无序特征,但如果存在多雨滴耦合冲击的情况,则会在耦合区内出现应力峰值,并对叶片变形和失效存在潜在影响。

上浮气泡与自由表面相互作用的ISPH-FVM耦合方法模拟

上浮气泡与自由表面相互作用的过程涉及复杂的界面拓扑演化,该过程一直是气泡流研究领域广为关注的问题之一.为探究上浮气泡与自由表面相互作用动力学行为,将不可压缩光滑粒子流体动力学(incompressible smooth particle hydrodynamics,ISPH)方法与有限体积法(finite volume method,FVM)相结合提出了一种ISPH-FVM耦合方法.在ISPH-FVM耦合方法中,粒子和网格之间的信息交互是通过核近似插值技术实现,并将连续表面应力模型(continuous surface stress,CSS)引入当前耦合框架中以评估相界面处表面张力效应.此外,CSS模型通过FVM网格上定义的体积分数进行离散和计算,并且网格上的体积分数是通过网格支持域内ISPH粒子的核近似插值获得的.随后,利用ISPH-FVM耦合方法模拟了平衡状态下圆形气泡振荡以及单气泡上升,并将模拟结果与其他数值方法结果进行比较,验证了当前耦合方法中表面张力模型的收敛性以及界面追踪的准确性.为测试ISPH-FVM耦合方法模拟涉及复杂拓扑变化气泡流的性能,对上浮气泡与自由表面相互作用的动力学行为进行了分析,并且研究了不同韦伯数(We)以及雷诺数(Re)对气泡与自由表面相互作用的影响.研究发现,随着We数增加上浮气泡与自由表面相互作用时界面将发生大的畸变并且产生的夹带液滴数量也相应增加,然而上浮气泡与自由表面相互作用的过程并没有随Re数的增加而发生明显差别.

SPH理论和方法在高速水动力学中的研究进展

船海工程领域中的高速水动力问题及其涉及的复杂流-固耦合过程普遍具有大变形、动边界、强对流、多介质等特征,一直是研究的热点和难点。而传统的网格算法在捕捉边界或界面大变形时存在一定局限性,亟待开发新一代无网格数值模拟技术。其中,光滑粒子流体动力学(SPH)作为拉格朗日无网格粒子方法,在捕捉多相界面和流-固耦合界面时具有较高的精度和强鲁棒性。近年来,随着SPH理论及方法的不断完善,SPH在理论完备性及计算稳定性方面取得了许多新的进步和突破,在模拟高速水动力方面的优势不断凸显,开始广泛应用于船海工程问题。为此,围绕水面航行器的高速水动力、航行体的跨介质水动力、水下爆炸与结构毁伤等问题,针对SPH理论及方法在上述领域取得的研究进展进行综述,讨论现有方法面临的问题与挑战,并展望未来需要开展的研究工作,旨在为后续相关研究提供参考。

一种自适应轴对称FEM-SPH耦合算法及其在高速冲击模拟中的应用

为了准确、高效地模拟高速冲击问题,提出了一种自适应轴对称有限元(FEM)-光滑粒子流体动力学(SPH)耦合算法。该算法在初始时刻全部采用FEM计算,在动态变形过程中自动将畸变单元转化为粒子,采用SPH计算。该算法采用一种新的耦合算法实现单元与粒子间的高精度耦合,并应用最小内角转化准则和单元分组转化方式实现单元向粒子的自动转化。计算了几个典型的高速冲击问题:首先,通过计算应力波传播测试了新的单元-粒子耦合算法的精度;然后,通过计算泰勒杆问题验证了自适应耦合算法及相应程序的正确性;最后,计算了弹体侵彻铝板和混凝土板。结果表明:自适应耦合算法计算精度好且效率高,适合模拟高速冲击问题。

基于SPH-DEM流-固耦合算法的滑坡涌浪模拟

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法和离散单元法(DEM),并基于达西渗透试验原理,提出一种SPH-DEM耦合算法用于处理宏观尺度下离散体与流体之间的相互作用问题,并基于该流-固耦合方法采用FORTRAN语言建立滑坡涌浪数学模型。模拟了块体滑坡问题,并与试验数据进行对比以验证该耦合方法的有效性。模拟分析了离散体滑坡产生涌浪以及涌浪传播的过程,分析比较了数值模拟得到的最大涌浪高度与经验公式结果间的关系。研究表明:采用该耦合方法模拟水下块体滑坡问题得到的结果与试验数据吻合良好;模拟离散体滑坡涌浪问题时,较清晰地反映了滑坡体对水的排挤到涌浪的产生过程、水在滑坡体中的渗透过程和滑坡体与水耦合作用发生变形的过程;不同公式分析方法得到的最大涌浪高度之间均有一定差别,算例中滑坡体受重力作用沿倾斜坡面滑动入水过程更接近于潘家铮法的垂直运动模式,因此,模拟结果与之最为接近。

流体与结构相互作用问题的FE-SPH耦合模拟

应用有限元(FE)-光滑粒子流体动力学(SPH)耦合法模拟了具有自由表面的不可压流体与结构的相互作用问题。流体和结构分别采用SPH法和有限元法同时求解,两者在交界面处的相互作用通过接触算法进行处理。为了避免隐式计算压力,通过引入人工压缩率,将不可压流体近似为人工可压缩流体。采用FE-SPH耦合法对弹性板在随时间变化的水压作用下的变形以及倒塌水柱冲击弹性结构两个问题进行了模拟。模拟结果与实验结果以及其他已有数值结果符合良好,说明FE-SPH耦合法用于流体与结构相互作用问题的模拟是可行和有效的。

基于SPH-FEM耦合算法的飞行器爆炸分离特性研究

基于SPH-FEM耦合算法思想,采用SPH粒子对爆炸螺栓等大变形区域进行离散,飞行器分离结构使用有限元离散,建立飞行器分离结构的爆炸分离模型,通过改变爆炸螺栓的起爆顺序和起爆时间间隔对其爆炸分离特性展开研究。验证了模型的有效性和准确性,经研究发现,上、下部螺栓率先起爆为最佳的起爆顺序;各爆炸螺栓按一定顺序间隔起爆,可有效地缓解螺栓爆炸对分离结构的冲击;螺栓的最佳起爆时间间隔为5.0e-5s,且起爆时间间隔不宜超过1.0e-4s。

粒子法和离散元法在管土耦合分析中的应用

为克服管土耦合分析中土体分层、压缩、运移、流变等大变形问题,传统有限元分析技术需借助新的土体模拟及耦合方法。其中,基于纯拉格朗日的粒子法(PM)和细观离散单元理论的离散元法(DEM),因其在土体大变形领域的独特优势而得到广泛关注。针对管道沿线最常见的地质灾害和第三方扰动行为,利用光滑粒子流体动力学(SPH)分析土质滑坡大变形、黏性泥石流冲刷下管道的受力变形特征,获取管道受土中近场爆炸冲击下的动态响应规律,精确模拟了爆炸土中成腔、土体层裂、压缩等现象,联合离散元法中的颗粒流软件(PFC)与三维有限差分程序(FLAC 3D)再现挖机多铲掘进下土体的运移过程,得到管体的载荷累积效应。多次实践表明:以SPH为代表的粒子法和以PFC为代表的离散元法均能较好解决管土耦合分析中土体的非线性大变形问题,引入流体动力学手段,达到了土体变形研究方法多元化的目的,为进一步研究土中多物理场耦合响应机理奠定了基础。

基于SPH-FEM耦合法切缝药包爆破机理数值模拟

为了进一步研究切缝药包爆破机理,在AUTODYN内运用光滑粒子流体动力学与有限单元(SPH FEM)耦合法构建了装药不耦合系数为2.0的切缝药包爆破模型,分析装药爆炸初期的爆轰产物膨胀过程、爆轰产物粒子运动速度及炮孔周围岩体损伤演化历程。结果表明:对于切缝方向,由于没有切缝管的约束作用,爆轰产物粒子能够以较高的速度向前运动,粒子最大运动速度可达到4750m s^-1,最前端粒子在3.5μs到达孔壁,切缝方向岩体开始产生损伤破坏,且随着切缝管内爆轰产物的继续膨胀,切缝方向岩体进一步受到破坏;对于非切缝方向,切缝管的约束作用使得爆轰产物粒子膨胀受阻,粒子最大运动速度仅为800 m s^-1,同时切缝管在爆轰产物的推动下缓慢向炮孔壁运动,12.6μs切缝管到达炮孔壁,非切缝方向岩体开始产生损伤,但损伤展布区域较小,且非切缝方向炮孔壁保持了较好的完整性。

剪切变稀型SPH非牛顿流体的预测-校正方法

对非牛顿流体的模拟一直是基于物理的流体模拟技术的研究难点.为解决SPH流体模拟中非牛顿流体粒子凝聚成团导致断层现象,提出一种针对剪切变稀型非牛顿流体的预测-校正方法.首先使用Cross模型对流体进行统一建模;然后计算每个流体粒子受到的除了压强力以外的其他力,以此获得中间速度;最后通过求解每个流体粒子的压强系数满足流体的不可压缩性,实现密度校正.为了提高计算速度,该方法使用全局动态时间步长.实验结果表明,文中方法实现了牛顿流体和剪切变稀型非牛顿流体的统一建模,解决了断层问题;相比于无校正方法,其能够在更大的时间步长下稳定运行.

流固耦合破坏分析的多分辨率PD-SPH方法

流固耦合破坏是一类涉及结构变形与破坏以及复杂自由表面现象的强非线性力学问题.结合近场动力学(peridynamics, PD)与光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)各自的优势并考虑其计算效率问题,提出一种适用于分析流-固耦合破坏问题的多分辨率PD-SPH混合方法.分别采用SPH和PD方法以不同的空间和时间分辨率对流体和结构进行离散与求解,利用具有与流体粒子相同光滑长度的虚粒子处理流-固界面,以高精度满足界面边界条件.通过两个经典算例:液柱静压力下弹性板的变形和溃坝流体冲击弹性闸门的变形问题,表明提出的多分辨率PD-SPH方法兼具较高的计算精度和计算效率;对含裂缝的Koyna重力坝水力劈裂问题进行模拟计算,所得裂缝扩展路径与文献结果吻合,说明该方法适用于涉及结构破坏的流固耦合问题仿真.最后尝试采用该方法进行流体冲击作用下含裂纹混凝土板崩塌过程数值仿真,准确描述混凝土板的断裂破坏和全过程中的流体运动.多分辨率PD-SPH混合方法或可为流-固耦合作用下的结构损伤破坏仿真提供一种新选择.

核电厂房安全壳流固耦合动力响应分析

在地震荷载作用下,核电厂房安全壳水箱内水会发生晃动,这种流固耦合作用会影响到安全壳的动力响应。采用简化附加质量法和光滑粒子流体动力学(SPH)法,分别对应不考虑和考虑水体晃动的效应,选取常用自然波Northridge波和上海人工合成波作为地震动输入,获取了7个水位工况下包括基底剪力、位移和加速度的动力响应。通过对比两种方法的模拟结果,发现考虑水体流动的SPH法要比不考虑水体晃动的简化附加质量法的动力响应要小,水箱内水的晃动对结构整体的动力响应起到了减震的作用;并分析SPH法各水位工况下的动力响应,结果表明:水位高度4.0 m时,安全壳动力响应相对较小,是水箱较为合理的储水水位。

基于两层两相光滑粒子流体动力学法的饱和土柱垮塌模拟研究

在泥石流、雪崩等自然灾害中,固–液两相流普遍存在。针对固–液两相之间复杂的相互作用机制和现有数值计算方法的不足,通过结合土体本构方程,建立两层两相光滑粒子流体动力学(SPH)数值模拟方法,在连续介质理论框架下运用统一的控制方程实现水土两相耦合模拟。通过空气中饱和土体垮塌数值算例近似真实的泥石流事件,借此验证所建立的数值方法在计算流体、土体以及土水耦合相互作用问题时的精度及可靠性,在此基础上,对流体黏度、土体有效粒径和初始孔隙率等参数进行敏感分析,并对比土–水耦合中不同的渗流模型的影响。结果表明:两层两相光滑粒子流体动力学法用于模拟土水耦合大变形问题是合理有效的;环境流体及土体的参数对结果有重要影响;粒子雷诺数较大时,渗流模型对于正确模拟固–液两相之间的相互作用和捕捉固相和液相之间的界面至关重要。该工作对于充分理解泥石流中的固–液相互作用机制及防灾减灾工程具有一定的参考意义。

考虑物理性质参数变化的膨润土缓冲材料水-热耦合SPH数值解

为了研究热源温度和外界水压对缓冲层中水-热迁移规律的影响,以GMZ膨润土为例,从基于势能的非饱和土的水-热迁移控制方程出发,考虑了蒸发效应的影响,得到了水-热耦合的方程组,采用改进的光滑粒子流体动力学(SPH)算法,能够对每一处土体根据不同时刻的不同状态实时更新计算参数,得到参数变化的水-热耦合解。计算结果表明:土的物理性质参数与土体的温度和饱和度密切相关,是否考虑这些参数的变化会对计算结果产生较大影响;核废料释放的热量能够在较短的时间内扩散到外边界,水分迁移的速度则相对慢很多;缓冲层温度的升高会加快水分的迁移速度,外界水压对温度的分布则影响较小。

面向非牛顿流体仿真的边界处理方法

针对现有的光滑粒子流体动力学(SPH)非牛顿流体仿真方法的边界条件不合理问题,提出一种适用于非牛顿流体仿真的边界处理方法.首先使用Cross模型实现牛顿流体和非牛顿流体的统一建模;然后通过对固体边界粒子进行加权计算,为边界处的流体粒子设定边界力的法向量;最后采用Coulomb摩擦力边界条件对边界处流体粒子的速度进行迭代更新,并将其融合到预测-校正算法框架中.实验结果表明,文中方法能够根据用户的需要调节流固边界处的摩擦系数;与自由滑移边界下的仿真相比,该方法下非牛顿流体黏度随速度的降低而增大,并表现出固体形态的物理特性.

含大石块泥石流冲击作用下框架结构房屋动力响应研究

基于光滑粒子流体动力学-有限元法(smoothed particle hydrodynamics-finite element method,SPH-FEM)耦合的数值方法,分别从结构破坏形态、冲击力时程、关键点位移和速度、系统能量等方面,研究含大石块泥石流冲击作用下框架结构房屋的动力响应和破坏机理。计算结果表明:SPH-FEM耦合方法能够较好地模拟泥石流冲击爬高、绕流扩散、淤积稳定过程。考虑了三种泥石流强度等级,在低、中强度冲击情况下,框架房屋填充墙受到破坏,房屋结构整体保持稳定;在高强度冲击情况下,可以观察到框架房屋的逐步倒塌过程,框架柱损坏模式体现了剪切破坏或塑性铰链失效机制。对于房屋结构而言,泥石流的冲击破坏能力主要来自龙头的冲击力,龙身冲击力相对于龙头降幅约34.2%,大石块的集中作用是结构柱体局部破坏的主要原因。系统能量主要通过泥石流动能转化为结构内能(17.8%)和摩擦耗能(82.8%)。

基于SPH方法的鸟撞飞机风挡的数值模拟

风挡抗鸟撞是飞机安全飞行的重要保证.文中基于飞机圆弧风挡受鸟体撞击的实验观察,建立了国产某型军用飞机圆弧风挡及鸟体的有限元分析模型,利用光滑粒子流体动力学法(SPH)耦合有限元法对圆弧风挡受鸟撞击的过程进行了数值模拟,计算得到风挡结构的变形、位移、应变、撞击力、应力、临界撞速、发生破坏的可能位置及其破坏方式等几方面的数据,并考察了SPH粒子疏密对计算结果的影响.研究表明,数值模拟结果与实验结果基本吻合;鸟撞整个过程约4ms,撞击中点、前1/3处和后1/3处,风挡发生破坏(包括安全破坏)的临界撞速分别约为(540±5)、(600±5)和(470±5)km/h;鸟撞过程中,风挡的位移与其厚度是同一量级,风挡的最大应变已达到10^(-2)量级;风挡首先发生破坏的位置在后弧框附近,然后向与风挡中线成45°角的方向发展;SPH粒子数越多,鸟体变形模态越好.

单颗立方氮化硼磨粒切削特性及工件材料变形行为的微观力学分析

为了解决有限元法模拟切屑分离时的网格束缚问题,采用有限元法和光滑粒子流体动力学(SPH)法的耦合方法进行了单颗立方氮化硼(CBN)磨粒切削过程的微观力学仿真。通过CBN磨粒与工件材料的应力变化与分布情况以及切削层SPH粒子的运动情况,从微观角度分析了单颗CBN磨粒的切削成屑机理,并分析了CBN磨粒的几何特征对工件材料切削变形的影响;采用陶瓷CBN砂轮贴片样块进行了磨粒划擦实验,结果表明:磨粒的推挤使工件材料发生塑性变形,沿磨粒的前方及两侧隆起,并最终于磨粒的前方流出而形成磨屑;磨刃前角增大,剪切角随之增大,导致磨粒的耕犁作用减弱而切削作用增强。磨粒刃边强度低、接触应力大,磨损速率较快,易于发生磨耗及微破碎磨损而使磨粒钝化。

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.

基于SPH-FEM手指模型的皮肤摩擦行为分析

针对基于传统有限元算法(FEM)的手指模型并不能很好地模拟皮肤大变形的问题,提出了一种基于有限元和光滑粒子动力学耦合算法(SPH-FEM)的手指建模方法,以保证模型在大变形和极端变形情况下的适应性.由于该方法本身具有的"无网格"特性,其对皮肤组织表现出流固双相特性的模拟上对比传统的FEM方法具有天然优势.建立了基于SPH-FEM手指建模方法的手指模型,进行尖刺刺入仿真试验和平板摩擦仿真试验,考察皮肤的应力应变.为了验证SPH-FEM手指建模方法的合理性和有效性,对基于SPH-FEM手指模型与基于FEM手指建模方法进行比较.结果表明,SPH-FEM手指模型在整体形变趋势上与FEM手指模型较为一致,并且在应对大变形时响应速度相较于FEM手指模型明显加快,但存在一定的滞后性;SPH-FEM手指模型在小变形时的精度稍显不足.