基于DEM-FEM耦合方法的碎屑流对桥墩最大冲击力的影响因素研究

碎屑流是我国山区最危险的地质灾害之一,山区桥墩常受到碎屑流冲击而开裂、倾斜甚至倒塌,给山区桥梁建设、运营带来严重的安全隐患。采用离散元方法(discrete element method,DEM)和有限元方法(finite element method,FEM)耦合的三维数值模拟方法模拟了碎屑流对双柱式桥墩的冲击效应,并结合斜槽试验,验证了耦合方法的准确性,进一步分析了碎屑流冲击坡度、距离和体积密度对桥墩冲击力的影响规律。结果表明,最大冲击力与碎屑流冲击坡度、距离和体积密度分别呈幂函数(指数大于1)、幂函数(指数小于1)和线性正相关。冲击坡度、距离和体积密度对最大冲击力的敏感度值分别为3.012、0.202、0.804,在桥梁碎屑流灾害防治时需重视冲击坡度和体积密度的影响。将冲击力的数值模拟值与流体动力学模型预测值对比分析表明,流体动力学模型理论公式能较好地预测桥墩所受的最大冲击力,最大预测误差低于23.6%。相关研究结果可为山区桥梁碎屑流灾害防治与设计提供一定的参考依据。

基于声学FEM-BEM的户内变电站噪声场计算

准确计算户内变电站大型、复杂的噪声场分布,进而评价可采用降噪措施的减噪效果,是解决户内变电站噪声污染的关键问题。为此,综合声学有限元法(finite element method,FEM)求解复杂声场收敛性好及精度高的优点,及声学边界元法(boundary element method,BEM)降维求解大型声场的优势,提出了一种基于声学FEM-BEM的户内变电站噪声场求解算法。首先,建立变电站内部声源声固耦合模型,采用声学FEM求解混响噪声作用下的声固耦合响应;然后,基于声学FEM-BEM耦合理论,求解内、外耦合边界处结构单元受声固耦合激励产生的位移及应力载荷;最后,根据声压及应力载荷激发的外场声波扩散模型,基于常规Gauss数值积分法,建立外部空间声域2维BEM声学积分方程,求解外部声场。该算法在湖南某110 kV户内变电站噪声场的求解分析中得到了成功应用,与实测值的相对误差为3.61%~4.87%。

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。

饱和地基水泥土复合桩近场主动隔振的BEM-FEM耦合分析

人工振动污染是当前城市发展过程中面临的一个难题,单排或多排桩是人工振动污染防治的一种重要方式。传统基桩施工容易造成泥浆污染、振动等各种负面环境问题,而水泥土复合桩是一种低振动、低噪声、无挤土、少排泥浆的新型基桩,特别适合在城区构建排桩屏障。针对饱和地基中单排水泥土复合桩的近场主动隔振问题,建立了动力机器基础环境振动影响的半解析BEM方程;在此基础上,分别采用半解析BEM对饱和地基、FEM对水泥土复合桩进行建模,根据饱和地基-水泥土桩接触面的平衡和相容条件,建立了水泥土复合桩近场主动隔振的半解析BEM-FEM耦合方程,给出了耦合方程稀疏矩阵的存储策略,并对单排水泥土复合桩的近场主动隔振效果进行了计算分析。研究结果表明:单排水泥土复合桩能够有效地对动力机器基础引起环境振动进行隔振;等长芯桩复合桩的隔振效果要优于短芯桩。单排水泥土复合桩的隔振效果随着桩数的增加而逐渐提高;较小桩间距并不一定取得更好的隔振效果,建议相邻桩桩间净距取2.0~2.5λ_(R)(Rayleigh波波长)。随着单排水泥土复合桩距振源距离的增加,屏障隔振效果逐渐降低,但降低幅度相对较小。此外,对水泥土复合桩而言,当内插预制桩的外轮廓尺寸相同时,预制芯桩型式对水泥土复合桩隔振效果影响相对较小,可根据实际工程条件选择合适的芯桩类型。

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DEM-FEM耦合模型的质量流量对喷丸强化效果的影响

目的提出一种将有限元(FEM)与离散元(DEM)相耦合的新方法,即通过定义关键字的方式在ABAQUS软件内实现DEM-FEM耦合功能,并应用此方法建立喷丸强化模型。方法将弹丸视为等直径刚体,利用刚体动力学模拟弹丸-弹丸和弹丸-靶材之间相互作用以及整个弹丸流。通过建立的DEM-FEM耦合喷丸强化模型研究质量流量对残余应力场和表面粗糙度的影响。结果质量流量对喷丸强化效果有显著影响,最大残余应力随质量流量的增加而减小,由2 kg/min时的–596.77 MPa下降到6 kg/min时的–581.91 MPa;表面残余应力随质量流量的增加先增大后减小,由2 kg/min时的–420.86 MPa增大到4 kg/min时的472.06 MPa,随后减小到6 kg/min时的–450.50 MPa;表面粗糙度Ra随质量流量的增加减小,由2 kg/min时的11.21μm减小到6 kg/min时的9.82μm。设计了喷丸强化实验,对质量流量2 kg/min的结果进行了验证。结论实测值与模拟值吻合较好,所建立的模型可以准确反映实际喷丸强化过程。质量流量对喷丸强化效果具有显著影响。

基于ALE-FEM耦合算法的磨料水射流破岩数值模拟及其机理分析

磨料水射流在钻井提速、深穿透射孔和压裂增产等方面应用效果显著,深入认识磨料水射流破岩机理是提升其应用效果的关键之一。本文基于任意拉格朗日—欧拉耦合有限单元算法,提出了独立封装有限元网格描述磨料的方法,将水射流单元设定网格随物质的运动而变化以实现流体流动特性,速度设置给物质;将磨料单元设定网格不随物质的运动而变化以实现固体颗粒特性,速度设置给网格。综合考虑岩石的动态冲击损伤作用以及水射流和磨料的协作,建立了可表征水射流流动和岩石损伤破坏的多相多物理场耦合过程的磨料水射流破岩模型,模型聚焦磨料颗粒和水射流对岩石微秒级的冲击破坏。采用2套网格捕捉磨料和水射流的协同破岩作用,得到了岩石破碎体积、岩石损伤场、水射流压力场、水射流和磨料对岩石破碎的能量贡献率等关键参数的时空演化特征。结果表明,磨料水射流破岩过程磨料起主导作用,水射流起辅助作用。分析得到磨料水射流中磨料—水射流协同破岩机理认识,磨料撞击岩石使岩石局部产生的高程度损伤降低了水射流破岩的难度,此外磨料冲击破碎岩石使得水射流和岩石之间产生新界面,促使水射流的冲击压力升高,提高了水射流的破岩能力,因此磨料水射流中的水相比于纯水射流具有更高的射流打击力和能量利用率,磨料冲击预损伤岩石叠加水射流聚集增压的磨料—水射流协同作用破岩是磨料水射流破岩效率和能量利用率高于纯水射流数倍的重要机理之一。研究结果对优化磨料水射流破岩参数提供了理论模型和设计依据。

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FEM与MBD的商用车驾驶室疲劳耐久性分析

为提高商用车驾驶室疲劳仿真与强化路耐久试验的关联性,以某(6×4)牵引车驾驶室为研究对象,提出一种将实测路谱与虚拟仿真相结合的疲劳耐久分析方法。在Hypermesh中建立含配重加载的驾驶室有限元模型,并应用惯性释放法获得其单位载荷下应力分布结果。采用Adams/car软件搭建驾驶室-车架刚柔耦合多体动力学模型,以试验场实车采集的驾驶室气囊悬置位移、加速度信号作为期望信号,通过Femfat-Lab虚拟迭代获取其疲劳分析载荷谱。基于Miner线性疲劳累积损伤理论在nCode中进行疲劳仿真分析,结果表明:导流罩支架等疲劳破坏部位与试验场路试结果基本一致,所提出的疲劳分析方法对研究汽车系统级疲劳耐久性具有重要的参考价值。

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-MEI和正余弦算法的二维电磁成像方法

针对二维介质目标的电磁成像问题,将正余弦算法(Sine Cosine Algorithm,SCA)与有限元方法(Finite Element Method,FEM)和不变性测试方程(Measured Equation of Invariance,MEI)进行结合提出一种新的成像方法。将FEM与MEI进行结合求解二维介质目标的电磁散射正问题,即求解Helmholtz方程。其中,MEI保证边界截断的精度,FEM适用于复杂介质目标的准确模拟。对于电磁散射逆问题,引入SCA并加以改进提出一种新的重构方法。该方法采用等效原理与格林函数的渐近式求得远区散射场,以测量的散射场和计算的散射场最大偏差为目标函数,采用改进的SCA优化介质参数,使目标函数达到最小值,以此重构散射体。为提高计算效率,采用MPI算法进行并行计算。文中采用基准函数展示了改进的SCA算法的快速收敛性,并采用非规则的均匀介质柱目标验证了成像方法的正确性。

基于FEM和DOE分析的超声切刀结构设计与振动特性研究

目的针对工程实践中超声切刀尺寸难以解析计算且有特定结构尺寸要求的超声切刀难以设计等问题,建立了装夹式组合超声切刀结构优化及振动特性的高效设计、分析方法。方法依托某工程实践超声切刀设计要求,以结构尺寸参数化的阶梯形变幅杆和固定渐变刀刃体装夹设计成组合式超声切刀,通过对变幅杆单一结构尺寸因素对组合超声切刀有限元模态固有纵振频率、输出形变大小等振动特性的影响分析,合理选取结构尺寸取值范围,构建了四因素两水平的全因子仿真实验,进行了多结构因素交互影响分析,建立了显著因素的谐振频率回归方程,并基于此以简谐共振频率为目标,优化设计了28 kHz装夹式超声切刀。结果通过有限元模态分析、谐响应分析验证了优化设计的超声切刀在固有纵振、谐振频率与目标设计的一致性,且仿真输出振幅满足超声切割振幅要求,仿真最大等效应力远小于材料的安全许用屈服强度;通过数控加工、阻抗测试验证了实验测试频率与设计、仿真频率的一致性,且阻抗值满足设计要求;将超声切刀安装至切割系统中进行加工实验,通过与普通刀具、激光等工艺加工手段进行对比,设计切刀输出频率与振幅稳定,切割质量好,效率高。结论研究结果表明:采用的超声切刀结构设计、仿真、分析等方法对有特定尺寸要求的复杂切刀设计、优化及工程应用具有很好的指导意义。

基于CS-FEM的某制导炮弹弹体动力特性分析

常规有限元法采用六面体单元进行动力特性分析时,由于数值模型刚度过大导致计算误差较大且无法克服网格畸变。因此,文中在常规有限元法的基础上引入梯度光滑技术,采用基于单元的光滑有限元法(CS-FEM)对某制导炮弹弹体进行动力特性分析,该方法能有效降低系统数值模型刚度且无需进行坐标变换和形函数求导,从而避免网格畸变带来的精度降低及求解困难等问题。计算结果表明:相同网格数目情况下,CS-FEM能够有效提高弹体固有频率及振型的求解精度,同时具有较高的收敛速度,在制导炮弹弹体动力特性分析方面具有较好的应用前景。

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FEM的某装卸过驳船卸船机基座结构设计

为论证卸船机基座结构形式的安全合理性,拓宽卸船机基座结构设计的思路和方法,以一艘44米装卸过驳船作为分析对象,采用有限元分析方法,首先建立包含卸船机基座结构的舱段模型,通过对主甲板与横纵强结构相交的高应力区域进行应力计算分析,根据结构应力分布特点提出若干种结构加强方案,可为该类船舶的卸船机基座结构设计提供参考。

基于FEM的汽车轮毂轴承动态特性及可靠性研究

采用Workbench软件对某型汽车轮毂面对面式双列圆锥滚子轴承进行基于力学仿真分析的动态可靠性研究。首先,简化轴承模型后采用SolidWorks建立其三维模型;然后,采用Workbench对轴承开展模态及谐响应分析,获取轴承空载与满载状态下的位移和等效应力云图,并分别提取空载前10阶与满载前6阶的振型和固有频率等动态性能参数,采用Workbench中的六西格玛分析模块对轴承进行可靠性分析;最后,加载增量载荷谱获取轴承的可靠度和可靠性灵敏度。研究结果与汽车轮毂轴承的实际情况基本吻合。汽车轮毂轴承在不同工况下的仿真及其可靠性研究可以为故障轴承运动学、动力学计算与分析提供一定的参考。

基于FEM的超高压液压顶升装置力学特性分析

液压顶升装置各部件在超高压下的力学特性是影响其性能的主要因素,也是超高压技术的难题。采用有限元方法研究超高压液压顶升装置各部件的材料、内径、厚度等不同时,其液压系统刚度、模态、固有频率、位移、应力的变化规律。有限元计算结果与压力试验结果较为接近,验证了有限元模型及边界条件的有效性。结果表明:液压弹簧刚度随液压缸内径增大而增加、随振幅增加而下降,其影响随内径增加而减少;系统前3阶固有频率随地面强度增大而增加;Bonded工况极限应力值最小,Frictionless工况极限应力最大,极限应力随地面强度增加而减少;C20地面时,最大位移随摩擦因数增加而增加,最大应力随地面强度增加而增加;C30地面时,最大位移随摩擦因数增大先增后减,其位移、应力临界摩擦值分别为0.43、0.59;结构钢地面时,极限位移显著减少。液压缸同长度不同位置极限位移差值随地面强度而增加;液压缸底端应力值随地面强度增加而增加;液压缸外表面一孔侧位移均小于二孔侧,且极限位移更靠近顶端,并交替出现极值。分析了超高压液压装置的应力-应变过程,为其结构设计、密封设计及使用提供了参考。

饱和地基中波阻板远场被动隔振的二维BEM-FEM耦合分析

国际上已把振动污染列入“七大环境公害”之一,而波阻板(wave impedance block,简称“WIB”)是低频环境振动污染防治的一种常用手段。针对饱和地基中建(构)筑物下方设置波阻板的远场被动隔振问题,分别采用饱和土半解析BEM对饱和地基和FEM对波阻板进行建模,最终建立了波阻板对入射Rayleigh波隔振的半解析BEM-FEM耦合方程,采用该方法计算分析了波阻板的远场被动隔振效果,并初步探讨了组合式波阻板(由多种材料组成的波阻板)的隔振效果。研究结果表明:在建(构)筑物下方一定深度设置波阻板能够有效降低波阻板上方地表的振动;地表屏蔽区域范围与波阻板设置范围基本吻合。减小波阻板埋深和增大波阻板厚度均能取得更好的隔振效果,而波阻板宽度对隔振效果基本无影响;实际工程设计时,建议波阻板埋深取0.2~0.4λR(λR为Rayleigh波波长)和厚度取0.2~0.3λR,宽度则根据被保护建筑尺寸确定。波阻板材料剪切模量对隔振效果影响较大,增加波阻板材料剪切模量是提高波阻板被动隔振效果最为有效的措施之一。此外,当波阻板由竖向多层材料组成时,建议采用上软下硬方式构建波阻板;当波阻板由多种材料水平分区组成时,地表隔振效果与其下方对应分区的材料性质相对应,可根据实际工程振动控制要求的不同构建多种材料分区的组合式波阻板。