基于粒子有限元法的金属切削工艺仿真软件研究

金属切削是一个复杂的工艺过程,包含了复杂的瞬态热力耦合自由边界问题。开发金属切削工艺仿真软件时,首先采用粒子有限元法开发了切削力学求解器,其次采用生死单元法开发了材料去除残余应力和变形求解器,最后在求解器的基础上进一步开发完整的工艺仿真软件。金属切削工艺仿真软件是一个复杂的系统,包括工艺研发和生产现场两个部分。其中,工艺研发包括切削机理计算与材料去除残余应力和变形计算。生产现场包括工艺MBSE、机床系统仿真和前后处理,其中前后处理的研发难度不亚于求解器。开发金属切削工艺仿真软件的最大难点是成本和周期。通过研究开源软件的核心技术,验证了基于开源软件可以有效降低开发成本和周期,并可以达到工业级软件的水平。该软件建立了统一的几何模型和物理模型的数据结构,建立了统一的数据可视化引擎。此外,还介绍了仿真软件系统集成的3个核心技术。

数值模拟在粉末压制细观分析中的应用与发展

数值模拟技术已经成为研究粉末压制过程的重要手段。研究人员运用离散单元法(discrete element method,DEM)从细观角度研究粉末颗粒的力学行为,分析力链特性及力链演化过程,揭示细观结构对宏观性质的影响;使用多粒子有限元法(multi-particle finite element method,MPFEM)从颗粒层面对不同粉末的压制变形机理进行研究。本文对离散单元法和多粒子有限元法两种数值模拟方法在粉末压制中的应用及发展进行综述,总结了多粒子有限元法在粉末压制数值模拟中的难点,分析得到在动态载作用下对粉末力链演化规律及颗粒致密机理的研究可作为未来探索方向的展望。

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%)。

粉末致密化过程数值模拟研究现状

粉末冶金技术具有成本低、能耗低、材料利用率高等优点,在材料制备与加工过程中能在较大的范围内调节工艺,因而在机械、航空、医疗等领域得到了广泛应用。粉末冶金方法主要包括粉末的制取、混合、成形和烧结四个主要步骤,其中成形和烧结是致密化过程,更是制备高性能复合材料的决定性阶段。但传统粉末冶金实验方法不便于观察粉末致密化过程的动态变化,更加难以深入地研究成形和烧结过程中粉末颗粒的重新排布和变形等微观机制。计算机数值模拟技术可以实现粉末压制成形和烧结过程的可视化。因此近几年,国内外的学者们对粉末的压制过程进行了大量数值模拟研究,而对烧结过程的模拟尚且较少。不同的学者因具体的研究对象不同,使用的理论模型和建模方法也各不相同。本文简述了国内外粉末冶金过程数值模拟的理论模型,包括以弹塑性为主的椭圆屈服模型和一致本构模型,注重颗粒特性和流变特性的流变学理论,以及以内时度量反映非线性应变大小的塑性内时理论等,论述了常用的建模方法,包括体现可变形性的有限元法、基于颗粒特性的离散元法和将两者结合的多粒子有限元法。另外,简单阐述了目前粉末热压烧结过程存在的关键问题以及研究现状,以期为粉末冶金的数值模拟研究提供参考。

一种模拟土体流动的连续体数值方法

介绍了一种先进的能够处理土体流动问题的连续体数值模拟方法——粒子有限元法(PFEM)。这一方法不仅继承了传统有限元法扎实的数学理论基础(即每一个增量步分析均为经典拉格朗日有限元分析过程),同时还能绕开在大变形情况下由于固定网格拓扑结构带来的计算困难。详细阐述了粒子有限元法的基本思想以及如何基于已有的有限元法程序发展粒子有限元法,并揭示了粒子有限元法中的几个关键性技术。为验证粒子有限元法的准确性并展示其先进性,采用粒子有限元法模拟了准静态和动态颗粒柱的坍塌问题以及边坡稳定性问题。模拟结果表明:粒子有限元法特别适合于模拟包含岩土材料流固转换行为的大变形工程问题。

水射流冲埋砂质海床土体数值模拟

基于SPH-FEM耦合算法,利用ANSYS/LS-DYNA软件建立水射流与海床土体的2D模型,研究水射流冲埋砂质海床土体的过程,分析冲埋过程中的应力波特性及喷射压力和砂质海床土体物理力学指标对冲埋速率的影响规律。结果表明:应力波在海床土体内部沿水射流中心线方向形成,且在扩散过程中能量不断耗散,应力最大值在水射流中心线与海床土体表面接触点处。喷射压力越大,冲埋速率越快,同一时刻的冲埋深度随喷射压力的增大呈线性增长;对于具有相同密实度的砂质海床土体,冲埋速率随剪切模量的增大而降低,且水射流速度越大,剪切模量的影响越显著;对于细砂类砂质海床土体,冲埋速率随内聚力和内摩擦角的增大呈线性下降的趋势;土体孔隙率对冲埋速率的影响较小;经与相关参考文献中提供的侵蚀深度对比,证明数值模型的准确性。通过对数值模拟结果进行拟合,得到冲埋深度与时间的关系式,可作为不同海床土体条件下选择合适喷射压力的参考。

磨料水射流多维参数对混凝土致裂性能影响特征

为提升磨料水射流(AWJ)技术在灾后混凝土结构应急中破拆中的应用水平,研究磨料水射流冲击破碎混凝土情况。首先,基于光滑粒子(SPH)法与有限元法(FEM)耦合的方法,构建磨料水射流冲击混凝土模型,然后通过改变磨料粒径、物性及磨料体积分数等参数,探究其对磨料水射流冲击破碎混凝土的影响机制。研究结果表明:粒径为0.2 mm的磨料水射流对混凝土基体产生的损伤最大,粒径为0.1 mm磨料水射流工况中基体破裂点距顶面最近,粒径为0.4 mm磨料水射流产生裂纹数量最多且容易导致基体破裂;石榴石磨料水射流对混凝土裂纹轴向扩展有利,精钢砂磨料水射流对混凝土裂纹径向扩展有利;磨料水射流对混凝土裂纹径向扩展影响为:磨料低积分数10%最大20%次之,15%最小,磨料对混凝土裂纹轴向扩展影响为磨料体积分数20%最大,10%次之,15%最小。

典型薄壁结构抗鸟撞动响应试验及数值模拟研究

设计满足鸟撞适航条款要求的飞机薄壁结构,必须进行典型薄壁结构抗鸟撞动响应试验及数值模拟研究。对某飞机机头上壁板薄壁结构进行了鸟撞试验,并采用光滑粒子流体动力学-有限元法(smoothed particle hydrodynamics-finite element method,SPH-FEM),基于商用显式有限元分析软件PAM-CRASH,建立了鸟撞上壁板薄壁结构数值计算模型。计算结果表明,上壁板结构损伤模式主要包括蒙皮撕裂和铆钉断裂,计算结果与试验结果良好的一致性验证了该数值计算模型及方法的合理性。在此基础上,建立了鸟撞典型薄壁结构数值计算模型,研究了鸟弹不同撞击角度和速度下典型薄壁结构蒙皮极限厚度值,结果表明,随着撞击速度的增大,蒙皮极限厚度的变化对撞击角度十分敏感。拟合了典型薄壁结构蒙皮极限厚度与鸟弹撞击角度和速度之间的数学关系,为飞机薄壁结构抗鸟撞设计提供技术支撑。

SPH耦合FEM模拟弹丸撞击对表面形貌的影响

为消除有限元法(finite element method,FEM)处理切屑分离及大变形问题的局限,使用光滑粒子流体动力学法(smooth particle hydrodynamics,SPH)耦合FEM模拟此类问题。工件使用SPH建模,弹丸使用FEM建模,二者通过接触算法实现耦合,通过仿真实验研究锐边弹丸在不同入射条件下撞击工件时,弹丸的翻转效应对工件表面弹坑深度、切屑堆积高度的影响。结果表明:当前倾角较大时,弹丸向前翻转,对工件表面产生碾压作用,形成尖锐的弹坑,切屑堆积在弹坑前部边缘不与工件分离;当前倾角较小时,弹丸向后翻转,对工件表面产生铲削作用,切屑与工件分离,弹坑横截面光滑而平缓。通过与相关实验及理论数据的比较,验证了仿真模型及结果的正确性,为锐边弹丸侵蚀工件表面的仿真研究提供新的手段。