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。

穿甲燃烧弹侵彻陶瓷复合装甲和玻璃复合装甲的FEM-SPH耦合计算模型

为了提高小口径穿甲燃烧弹侵彻陶瓷复合装甲和玻璃复合装甲(透明装甲)的仿真分析精度,本文将传统的FEM(finite element method)-SPH(smooth particle hydrodynamics)耦合计算模型中穿甲燃烧弹弹芯的有限元模型和JC(Johnson-Cook)材料模型分别替换为SPH模型和JH2(Johnson-Holmquist-ceramics)材料模型,提出了新型FEM-SPH耦合计算模型。研究表明,新型FEM-SPH耦合计算模型可以有效模拟弹芯碎裂现象,减少SPH粒子和有限元耦合计算量,进而显著提高仿真模型的计算精度和计算效率,并给出了新型FEM-SPH耦合计算模型的有限元/粒子尺度和建模尺寸的优选结果。

某型灭火飞机水箱晃动结构动响应分析

灭火飞机工作过程中,灭火剂晃动会对水箱结构造成冲击及影响飞行稳定性。针对该问题,以某型灭火飞机水箱为研究对象,基于LS-DYNA建立FEM-SPH的流固耦合仿真模型,开展水箱灭火剂晃动的仿真分析。研究飞机在起飞阶段,不同充液时水箱结构的动态响应、液体重心变化大小及防晃板的抑制作用,为该型飞机综合航电灭火平台基本型水箱设计提供有效的计算分析数据及优化建议。

Abrasive Waterjet Machining Simulation by Coupling Smoothed Particle Hydrodynamics /Finite Element Method

In dealing with abrasive waterjet machining（AWJM） simulation,most literatures apply finite element method（FEM） to build pure waterjet models or single abrasive particle erosion models.To overcome the mesh distortion caused by large deformation using FEM and to consider the effects of both water and abrasive,the smoothed particle hydrodynamics（SPH） coupled FEM modeling for AWJM simulation is presented,in which the abrasive waterjet is modeled by SPH particles and the target material is modeled by FEM.The two parts interact through contact algorithm.Utilizing this model,abrasive waterjet with high velocity penetrating the target materials is simulated and the mechanism of erosion is depicted.The relationships between the depth of penetration and jet parameters,including water pressure and traverse speed,etc,are analyzed based on the simulation.The simulation results agree well with the existed experimental data.The mixing multi-materials SPH particles,which contain abrasive and water,are adopted by means of the randomized algorithm and material model for the abrasive is presented.The study will not only provide a new powerful tool for the simulation of abrasive waterjet machining,but also be beneficial to understand its cutting mechanism and optimize the operating parameters.

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。

菱形颗粒冲击材料表面冲蚀磨损特性分析

基于弹射试验装置,借助高速摄像机捕捉不同入射条件下单个菱形颗粒冲击金属表面的动态过程,同时结合试验过程建立菱形颗粒冲击金属表面的FEM-SPH耦合数值模型,通过对比试验现象与仿真结果优化数值模型参数,最后借助数值模型进一步分析菱形颗粒在临界冲击、自身初始旋转以及重复冲击等工况下的运动行为及预测的凹坑轮廓形态.结果表明:优化后的模型能够很好地捕捉颗粒冲击过程中金属表面凹坑的产生及演化规律,并能详细记录颗粒的入射行为及反弹规律,测得颗粒反弹速度和反弹角度误差均在14%以内.临界冲击工况下颗粒动能损失最大,且冲击角越高,残余动能越少;颗粒初始旋转能够改变其反弹后的运动行为及金属表面材料的失效方式;颗粒重复冲蚀对材料表面的作用机制与后续颗粒的入射条件有密切关系,模型成功捕捉到重复冲蚀导致的材料破坏加深和破坏减缓两种特殊现象.

纤维织物FEM-SPH耦合单胞模型及超高速碰撞特性

目前,对纤维织物超高速碰撞过程中的变形、断裂、破碎等力学行为已有较广泛的研究,但对碰撞过程中纱线间接触问题的分析尚未见公开文献报道。考虑纱线间的相互作用,建立了纤维织物的FEM-SPH耦合单胞模型,该模型不仅能够进行纤维织物超高速碰撞过程中的穿孔断裂、破碎、碎片云扩展等损伤行为分析,还能够进行纱线间的接触作用过程分析。结果表明,该模型分析结果与试验结果具有较好的一致性。

12.7mm弹侵彻不同强度钢靶的数值模拟

针对12.7 mm弹侵彻不同强度钢靶时可能出现子弹保持完整或发生破碎的情况,过去的数值模拟仅限于模拟单一模式的子弹侵彻行为。为了克服这种数值模拟的局限性,开展了模型算法、网格尺寸对模拟结果影响的研究,并将模拟结果与实验结果进行了对比,提出了一种能够用于模拟子弹保持完整或破碎的弹靶模型。研究结果表明,为模拟子弹保持完整状态,子弹和靶板应分别采用基于Lagrange算法的有限元法和光滑粒子算法,而且子弹网格尺寸和靶板粒子间距之比应至少保持在5.3左右,否则弹头会产生与实验结果不符合的异常变形。但是,在模拟子弹发生破碎侵蚀时,该比例的网格/粒子尺寸比会引起计算中止。为了克服该问题,进一步建立了一种弹体表面采用大尺寸网格、内部采用细化小尺寸网格的有限元/光滑粒子法耦合弹靶模型。计算结果表明,改进的弹靶模型可模拟子弹保持完整或者发生破碎的情况。

基于SPH耦合有限元法的喷丸残余应力场数值模拟

针对有限元方法不能有效模拟喷丸加工过程中大量弹丸反复冲击的现状,使用光滑粒子流体动力学法(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。提出弹丸流的材料模型,分析了相关参数对工件残余压应力分布和能量利用率的影响。结果表明,随着弹丸打击次数的增加,工件表面残余压应力分布逐渐趋于稳定;高覆盖率能有效改善工件表面残余压应力分布,低覆盖率则会降低喷丸效果;适当提高弹丸速度虽然可以使残余应力层深度和最大残余压应力值增加,但会降低能量利用率。通过与相关实验数据的比较,验证了仿真模型和结果的正确性。