基于FE-SPH耦合算法的球体冲击问题研究

为充分利用SPH方法处理大变形问题与FEM方法处理冲击问题时各自的优势,提出了新型的三维SPH-FEM耦合算法,该算法在大变形区域采用SPH粒子离散,从而克服FEM方法单元畸变存在的问题,其他模拟区域使用FEM单元离散,既可以避免SPH边界效应,也能保证耦合界面物理量具有连续性。使用该算法分别对球体冲击土壤与水域的过程进行了三维数值模拟,选取含损伤的Johnson-Cook模型和Mie-Gruneisen状态方程对土壤与水域进行参数计算,对比分析球体在土壤与水域中的速度、加速度以及有效应力数据结果,分析可知,此次模拟结果与其他已有仿真结果基本吻合,验证了采用FE-SPH耦合算法处理结构与流体相互作用问题是可行和有效的,为求解流固耦合问题提供了一条崭新的途径。

一维理想弹塑性体的SPH-HLLC耦合算法

通过弹塑性波分析求得HLLC(Harten-Lax-van Leer-contact)近似黎曼解,提出了SPH(smoothed particle hydrodynamics)与一维理想弹塑性体模型下近似的HLLC黎曼求解器耦合的一种构造简单的算法。在SPH计算中,支持域内每个粒子对都存在一个黎曼间断问题,它的黎曼解被代入控制方程中计算。其中一维理想弹塑性体的HLLC近似黎曼解的思想是:先假设整体处于弹性状态计算黎曼解,然后对计算结果进行塑性条件修正,最后用修正后的物理变量计算HLLC近似黎曼解。将提出的SPH-HLLC耦合算法与传统SPH算法在一维算例下的计算结果进行对比,结果表明,该算法能有效模拟一维理想弹塑性体材料的碰撞,并能有效抑制在不同材料之间的压强和偏应力震荡,这是传统SPH方法很难做到的。

基于SPH/FEM耦合算法的土壤切削仿真与研究

ANSYS/LS-DYNA仿真软件,采用SPH/FEM耦合算法模拟旋转刀具切削土壤作业过程。在Solid Works中建立刀具—土壤模型,用ANSYS/LS-DYNA进行前处理,修改K文件建立耦合模型,在LS-PREPOST中查看LS-DYNA9 7 1求解结果 ,对数据进行二次处理,分析作业过程能耗变化及应力分布,为后期优化刀具提供依据。文中土壤本构模型采用MAT_147(MAT_FHWA_SOIL)材料,对材料屈服准则进行详细阐述,相比标准MohrCoulomb屈服准则,修改后的Mohr-Coulomb屈服准则引入了修正系数Ahyp,分析了Ahyp取值对屈服面的影响,得出Ahyp与土壤内聚力和内摩擦角关系;阐述SPH算法和SPH/FEM耦合算法,分别用FEM算法、SPH算法和SPH/FEM耦合算法模拟土壤切削过程。结果表明:在土壤切削前期,网格没有发生畸变时,3种方法模拟结果相近,随着有限元网格发生畸变,FEM算法产生了误差,验证了SPH/FEM耦合算法在土壤切削仿真过程中的可行性与准确性。

三维SPH-FEM耦合算法在熔渣离心雾化过程的应用

采用SPH-FEM耦合算法模拟了熔渣离心雾化过程。通过比较相同条件下的实验和计算结果,验证了该算法在离心雾化仿真过程中的适用性。研究了熔渣流速、转盘转速、转盘直径对熔渣粒度分布的作用规律函数,据此得到了熔渣离心雾化系统的优化方案。

基于SPH-FEM耦合算法的直升机复合材料层压板着水响应分析

本文针对直升机复合材料层压板着水响应分析,提出的观点。在直升机结构强度行业起到有益的作用。如付诸现实将产生一定的经济效益。

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。

SPH-FEM耦合方法在切削加工数值模拟中的研究

针对SPH与FEM的各自特点,采用SPH与FEM耦合的方法进行切削加工数值模拟。在变形比较小处采用FEM,以提高计算精度和效率;在变形较大处采用SPH,以避免网格畸变造成计算困难。在ABAQUS软件环境中,建立了弯颈刨刀对45号钢切槽的SPH-FEM耦合模型,模拟了刨削过程材料的应力、切削应力,验证了耦合算法的有效性。

·国家自然科学基金项目简介·三维聚合物熔体充填过程的SPH方法及跨尺度耦合算法研究

我校数学与计算机科学学院许晓阳博士2015年获批国家自然科学基金项目：三维聚合物熔体充填过程的SPH方法及跨尺度耦合算法研究（项目编号：11502132）。

SPH统一算法对自由流体冲击弹性结构体问题模拟

对自由流体冲击弹性结构体涉及的自由界面运动、弹塑性变形、流固耦合作用等问题进行模拟时要求能有效计算介质运动变形与流固间耦合作用。利用光滑粒子流体动力学方法将流体、弹性体视为连续介质,用统一的N-S方程与虚拟压缩状态方程求解。基于初始粒子类型划分提出新的介质接触算法,通过在结构体表面增加结构体表面粒子,使流体与弹性体介质间相互作用实现稳定传递。计算结果表明,所用SPH统一算法与接触算法能准确有效模拟自由流体冲击弹性结构体变形回弹过程。

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。

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。

基于Lagrange及SPH算法的花岗岩侵彻数值模拟

为研究不同算法对弹体侵彻花岗岩模拟的影响,基于仿真分析软件LS-DYNA中的Lagrange算法及SPH(Smooth particle hydrodynamics)算法,采用Lagrange、SPH-Lagrange耦合及SPH算法分别对弹体侵彻、贯穿花岗岩靶体进行数值模拟,并从计算效率、侵彻深度、速度衰减、靶体损伤、Mises应力分布多方面对比模拟结果,分析3种算法用于研究岩石侵彻问题的优势和不足。研究表明:Lagrange算法的计算效率最高,计算精度高,但存在单元畸变、无撞击溅射、无后坑区等问题;SPH算法的计算效率最低,但模拟效果良好;SPH-Lagrange耦合算法兼具二者优势,但会导致应力滞后和应力波不稳定衰减。在大型模拟中应优先选用Lagrange算法和SPH-Lagrange耦合算法。

基于SPH算法的机翼油箱晃动分析

飞机在飞行过程中的不同工况下,随着大展弦比机翼自身结构上作用的燃油载荷增加,结构壁板会发生翘曲或者下陷等变形,造成结构破损,导致一定的燃油泄漏,从而对飞行产生不利影响。文章以机翼油箱为计算原型,采用SPH算法进行流固耦合动力仿真分析充液晃动,判断是否存在漏油隐患及油箱结构是否满足强度及刚度设计要求。

SPH/FEM耦合算法在陶瓷复合靶抗侵彻数值模拟中的应用

在SPH/FEM耦合算法程序中引入了陶瓷和金属材料的本构模型,对钨合金长杆弹侵彻陶瓷复合靶开展了数值模拟。给出了侵彻过程的物理图像,并分析了陶瓷靶的抗侵彻机理。对不同入射速度下的计算结果和实验结果进行了对比,计算得到的侵彻深度和实验值比较一致,验证了耦合算法的有效性。

基于表面力模型的液滴冲击弹性基底SPH模拟

采用光滑粒子动力学SPH方法建立液滴冲击弹性基底的流固耦合数值模型,给出描述粘性流体和弹性固体运动的SPH离散方程和数值处理格式,引入人工耗散项来抑制标准SPH方法的数值震荡。为模拟液滴的表面张力效应,通过精确检测边界粒子,采用拉格朗日插值方法计算表面法向量和曲率,结合界面理论中的连续表面力CSF方法,建立了适用于自由表面液滴的表面力模型,方形液滴变形的模拟结果与拉普拉斯理论解吻合较好。随后,采用SPH流固耦合模型模拟1.0 mm直径水滴以不同速度(0.2 m/s^3.0 m/s)冲击两种薄板型基底,分析了基底弹性变形对液滴铺展、收缩以及回弹行为的影响。

基于SPH算法的刚性弹丸侵彻的数值模拟

针对光滑粒子流体动力学(smooth particle hydrodynamics,简称SPH)方法在高速碰撞问题中的应用,利用大型动力学仿真软件LS-DYNA对球形弹丸以1 000m/s的速度侵彻1.2cm厚度钢板这一过程进行数值模拟分析。求解过程中球形弹丸采用刚性(Rigid)材料,钢板采用Johnson_Cook材料属性、Gruneisen状态方程。分别用有限元法、SPH-FEM(smooth particle hydrodynamics-finite element method,简称SPH-FEM)耦合算法和SPH算法对钢板进行模拟,并对这3种方法计算结果的Mises应力云图、系统能量、速度、加速度和计算效率进行对比,分析3种方法在高速碰撞问题中的优缺点。研究结果表明:SPH算法计算效率低,仅1/4模型的计算时长就是有限元法的6.4倍,而有限元法不能很好地模拟高速碰撞中材料大变形、飞溅现象,相比之下,SPHFEM耦合算法能够弥补两者的不足,且精度能够达到要求。

滑坡下成品油管道力学响应研究

针对于管道横穿滑坡体存在的潜在危害,基于光滑粒子流体动力学与有限元耦合算法(SPH FEM)构建土管油完全耦合模型,综合考虑材料、几何及接触非线性,分析土管油作用机制,并探讨滑坡体位移、埋深及径厚比等主要因素对管道力学行为的影响。研究表明,相比于简化为内压的油管(存在内压的空管),当考虑管内成品油存在时,均存在滑坡作用下管道典型的损伤行为,但在满管输送工况下,管内成品油的作用由滑坡初始时刻的“抗变”转变为“助变”,且对管道位移形变产生更大的影响,与简化空管相比,其位移增加了10.63%(应力增加了4.96%);随滑坡体位移、滑坡规模的增大及埋深的减小(对于敷设于滑坡中部的管道),会产生更大位移及塑性形变区域;对于穿越滑坡区的管道,可适量增加壁厚以增强管道极限承载能力。研究所得成果可为保障管道安全运行及滑坡灾害下管道防护给予理论指导与技术支持。

封面图片说明

封面图片来自本期论文“JH-2模型参数确定及花岗岩重复侵彻数值分析”,是基于非线性动力学软件AUTODYN,并应用FEM-SPH耦合算法开展花岗岩的侵彻模拟示意及与实验对比图.数值模拟中,卵形弹丸采用Lagrange算法,花岗岩靶板采用SPH算法.由图可见,弹丸冲击初始阶段,在迎冲面着弹点附近花岗岩的损伤由剪切应力引起的剪切损伤为主导;随着冲击波向前传播,损伤的产生机理为主拉应力,裂纹通过拉伸应变萌生并向外扩展,最终在花岗岩体中形成径向拉伸裂纹.数值模拟所得的靶板迎冲面弹坑的张角α、直径以及迎冲背面锥形冲击塞高度和最大直径值,均与相应的实验值结果吻合度较高,说明本文模拟方法能够较好地重现实验中花岗岩的真实破坏状态,也证明了采用JH-2模型与拉伸断裂软化模型相结合来模拟花岗岩靶板侵彻的合理性及模型参数的可靠性.

非饱和土中温度引起水分迁移的光滑粒子法数值模拟

基于光滑粒子法(Smoothed particle hydrodynamics,SPH)的基本原理,尝试着对给出的非饱和土中水热耦合问题进行数值模拟。首先,采用基于SPH算法自行编制的程序对抛物型偏微分方程进行求解,并与解析解做出对比。计算结果表明,SPH算法用来数值模拟抛物型偏微分方程是可行的及有效的,这就为进一步采用SPH算法计算非饱和土在温度作用下的水分迁移问题提供了理论依据。然后,对非饱和土介质中热能传输以及水分迁移的规律进行了数值计算,其中重点计算了不同热扩散系数、温度诱致的水分扩散系数、等温条件下的水分扩散系数和热源条件下的体积含水率和温度分布的特点,并对其演化过程和机理进行分析,从而将SPH算法的应用范围作了扩展。

气液喷发动能弹侵彻混凝土靶的数值模拟

采用FEM法与SPH法相结合的一种耦合算法对气液喷发动能弹侵彻混凝土靶开展了数值模拟，阐述了计算的基本思想及计算中的一些关键问题，如喷发物的生成、单元转化、界面附近的耦合计算等。计算结果表明：喷发可以增强侵彻弹的侵彻效果；与不喷发弹相比，喷发弹的侵彻深度和对靶板的破坏程度都有明显的提高。