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-SPH方法的岩质边坡开挖大变形分析

有限元法-粒子法(FEM-SPH法)作为一种新型耦合数值模拟方法,可用于模拟复杂物理过程中的大变形计算。采用FEM-SPH自适应建模方法,计算四川省泸州市某高速公路K4+360~K4+400段岩质顺层边坡在无支护工况下的变形过程,得到边坡各关键点速度随时间的变化规律,相关结论可为边坡支护结构设计提供工程参考价值。

基于三维FEM-SPH转换算法的截齿冲击结核体仿真分析

采用基于转换算法的FEM-SPH耦合方法,通过建立截齿冲击煤层及其内部结核体的三维模型,分析了截齿冲击位置对截齿载荷的影响,探讨了结核体尺寸与截齿载荷极值的关系,最后研究了结核体剥落的机理,结果表明:结核体尺寸和截齿冲击点是决定结核体剥落机理的主要因素,可以将其划分为旋转、压入、松动、截断、切削5种,且剥落载荷极值的大小顺序为截断>切削>压入>旋转>松动;当结核体几何中心点处于截齿截道上时,截齿的截割阻力极值最大,切向载荷最大,当截齿冲击点位于中心点两侧时,侧向载荷极值最大,当结核体几何中心位于截道外侧时法向载荷最大;截齿载荷极值与结核体长轴长度呈指数关系,并拟合出了关系式;3个方向的载荷极值与长轴尺寸也为指数关系,并给出了拟合公式。

基于FEM-SPH算法矸石层对采煤机截齿的影响分析

采用转换算法的FEM-SPH耦合方法,建立了截齿冲击复杂煤层的三维模型,研究了截齿冲击矸石层的机理,分析了矸石对截齿载荷的影响,最后探讨了不同截齿排列方式对复杂煤层的适应性。

基于FEM-SPH耦合的离心机抛填土料冲击行为数值分析

利用有限元(Finite Element Method,FEM)与光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)耦合的方法对离心机抛填土料动力响应进行分析,数值模型中离心机结构部件采用传统拉格朗日单元,土料采用无网格光滑粒子,实现了无黏性土料连续冲击离心机结构行为的数值再现。基于土料以5 m/s、10 m/s速度分别冲击离心机料斗与土料箱底算例进行分析,获得了离心机抛填结构在土料连续冲击作用下的应力分布和等效冲击载荷;在5 m/s速度冲击料斗冲击过程中,最大应力出现在离心机支撑装置横截面处,料斗结构上产生的最大等效应力为292 MPa;土料10 m/s冲击土料箱计算时,箱体底部铺设的橡胶垫层能降低冲击载荷幅值,实现对土料箱体结构的有效缓冲作用。数值分析结果表明,结合FEM高计算效率特点以及SPH耦合方法易于处理大变形优势,FEM-SPH耦合方法可以实现对土料类离散体冲击大变形行为数值模拟,有助于提高结构动态大变形响应过程模拟的逼真度和置信度。

TBM破岩机理的三维FEM-SPH耦合算法

采用改进的有限元-光滑粒子流体动力学耦合(FEM-SPH)的方法,建立了TBM单滚刀和双滚刀破岩的三维数值耦合模型,研究了TBM破岩机理,研究结果表明,压碎区形成阶段,在单滚刀推力的作用下,微裂纹向下扩展形成扇形破坏区;在切向力的作用下,微裂纹向前扩展形成另一个扇形破坏区,两个扇形破坏区组成了锥形破坏区;在微裂纹形成阶段,侧向裂纹的扩展速度大于中央裂纹的扩展速度;在微裂纹扩展阶段,中央裂纹的扩展速度大于侧向裂纹的扩展速度;当滚刀向岩体的边缘滚动时,边缘部位的岩石以扇形失效;压碎区形成阶段,每个滚刀单独作用在岩石上,在每滚刀的下方形成一个锥形破坏区;在微裂纹形成阶段,由于滚刀之间的相互作用,赫兹裂纹改变扩展方向;在微裂纹扩展阶段,赫兹裂纹连接和贯通,形成岩片。

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。

基于FEM-SPH耦合方法的玉石地下开采爆破试验研究

以爆破方式开采经济价值高的层状玉石矿为研究对象,为降低爆破对玉石矿的损伤,利用FEMSPH耦合数值模拟方法和现场试验研究三种不同爆破方法条件下岩体损伤范围。模拟结果显示:在层状玉石矿上方布置预裂炮孔以及主炮孔内采用分层装药爆破方法对底部玉石矿的保护效果最佳,较矿山原有爆破方法,玉石矿所受应力降低60%以上,振动峰值降低80%以上。现场试验结果显示:原有爆破方法爆破破裂圈半径超过0. 90 m,分层间隔爆破和预裂爆破加分层间隔爆破方法的爆破破裂圈半径分别为0. 62 m和0. 40 m。研究结果表明:采用预裂爆破加分层间隔爆破方法能有效提高层状玉矿石的完整性,增加矿山经济效益。

含预制孔容器内爆问题的FEM-SPH耦合算法模拟

考虑带预制孔容器内空气的影响,采用三维FEM-SPH自适应耦合算法程序对含预制孔容器在内爆载荷作用下的动态响应过程进行了模拟,与实验所得到的破坏特征参量吻合。同时也用LS-DYNA软件中ALE算法得到的计算结果与FEM-SPH自适应耦合算法得到的结果进行比较,进一步分析了FEM-SPH自适应耦合算法的有效性。FEM-SPH自适应耦合算法能够稳定再现内爆载荷作用下含预制孔容器的爆炸鼓包过程、预制孔毁伤破坏过程以及容器内空气运动过程,可以为容器内爆问题的数值模拟研究提供有效途径。

基于FEM-SPH耦合方法的AISI4340钢超精密切削过程仿真

数值模拟是研究金属切削的重要手段,但有限元方法(FEM)由于依赖网格而存在一定的局限性,不适宜处理大变形问题.光滑粒子动力学(SPH)是一种无网格法,可以避免网格畸变,解决切削过程中材料大变形问题.结合两种方法的各自优点,建立了AISI4340钢金刚石超精密切削过程的FEM-SPH耦合模型,研究切削过程中材料的去除机理.仿真结果表明:随着切削过程的进行工件内部应力逐渐增大,当达到屈服极限时,工件材料沿前刀面塑性流动,形成切屑,刀尖钝圆的推挤起了决定性的作用;成形表面下存在较为严重的残余应力;切削热主要来源于切削过程中塑性功的转换且大部分被切屑带走;增大刀尖钝圆半径将会使切削力尤其是切削抗力显著增大.

基于FEM-SPH耦合算法的土壤切削仿真研究

建立了旋耕刀和土壤的FEM-SPH耦合仿真模型,基于FEM-SPH耦合算法,采用MAT147土壤材料和国家标准Ⅲ型旋耕刀,结合LS-DYNA971求解器,对土壤切削仿真进行了研究。对旋耕刀切削土壤的耕作过程进行了数值仿真模拟分析,得到了切削力和切土能耗随时间的变化曲线;计算出旋耕刀单刀切土扭矩为8.75N·m,与试验结果接近。通过正交试验分析,耕作深度为主导因子,对切土功率影响较大,调整耕作深度可有效降低土壤切削的功耗,提高耕作效率。研究表明:FEM-SPH耦合算法可有效应用于土壤切削仿真,可为研究土壤的破碎机理和耕作器具的优化设计提供理论依据。

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FEM-SPH的果园开沟刀具仿真与试验

本文采用FEM-SPH数值耦合方法建立了开沟刀具切削土壤的仿真模型,运用该模型对刀具的开沟过程进行了仿真,得到平均功耗为2.080kW。采用转速-扭矩测量平台在相同条件下对开沟刀具的开沟过程进行试验,得到实际功耗为2.172kW,与数值模拟结果的相对误差为4.42%,验证了该仿真模型的准确性,为开沟刀具的优化提供了依据。

FEM-SPH耦合算法模拟铝液粒化的动态过程

针对传统基于网格方法不能有效模拟大变形问题的现状，本文引入SPH（Smoothed Particle Hydrodynamic）方法模拟液态钢渣（文中简称液渣）与粒化轮的碰撞过程．因液渣物性参数尚不完善，故以铝液代替并使用SPH方法建模，粒化轮则用FEM（Finite Element Method）建模，并通过接触算法实现FEM．SPH的耦合，研究了粒化轮转速、铝液的流速等因素对碰撞过程铝液液滴体积大小的影响．模拟结果表明：当SPH粒子承载质量为2．04×10-4ks时，粒化轮转速达到900rad／min；粒化前铝液流速为1m／s时粒化效果较好且体积多分布在1330～1930mm3；碰撞后粒子运动速度多集中在5～25m／s．

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。

杀爆战斗部破碎形态及破片飞散特性数值模拟研究

针对战斗部威力与毁伤效能评估需求,采用FEM和SPH方法基于相同的结构尺寸和材料参数构建了某型杀爆战斗部的数值模型,研究了杀爆战斗部的弹体破碎形态及破片飞散速度沿轴线分布规律,同时对爆炸能量在各物质之间的传递及分配情况进行了计算。研究结果表明:SPH方法可以较好的模拟弹体裂纹扩展和破片生成,但在破片初速计算上,SPH方法忽略了爆轰产物加载过程,而FEM方法无法计算破片速度牵连作用,两者与试验结果相比分别偏低4.4%和7.5%,SPH方法可以更加准确反映爆炸能量在各物质之间的传递及分配规律,其中破片动能占爆炸总能量的36%,壳体拉伸、断裂的塑性变形能占爆炸总能量的5.7%。

超高速撞击蜂窝夹芯板的弹丸形状效应数值模拟研究

目的通过数值模拟研究不同形状弹丸在超高速垂直撞击下对蜂窝夹芯板的能量传递和损伤机制。方法采用固定FEM-SPH耦合方法,并将数值模拟结果与NASA的试验数据进行对比验证。经验证的模型被用于比较圆锥形、立方体和球形弹丸对蜂窝夹芯板能量吸收效率及损伤分布的影响。结果随着撞击速度的增加,前后面板的损伤面积以及蜂窝核心层的能量吸收和损伤面积均有所增加。D/H值的增加会降低前后面板的能量吸收效率,而提高蜂窝核心层的吸收效率。撞击位置的变化直接影响弹丸碎片在蜂窝核心内的分布,从而改变碎片云的膨胀区域和后面板的损伤形态。结论弹丸形状、撞击位置和速度等因素对蜂窝夹芯板损伤特征、能量吸收效率和损伤分布具有显著影响。

蜂窝夹芯雷达罩抗鸟撞冲击性能仿真分析

在雷达天线罩抗鸟撞冲击响应有限元分析中,为了有效克服有限单元法在模拟鸟体局部大变形计算中的不稳定性以及更好地模拟鸟体铺展、飞溅效果并提高鸟体与天线罩接触区域的计算精度,需要采用FEM-SPH耦合方法模拟鸟体高速撞击天线罩的动态力学响应过程。文章分别采用FEM、SPH和FEM-SPH耦合方法对1.8 Kg的鸟体以150 m/s的相对速度撞击天线罩三明治夹芯结构的不同位置开展了有限元仿真研究。仿真结果表明,FEM-SPH耦合方法能够充分发挥FEM法和SPH法各自的优势,能更精细地描述鸟体撞击到天线罩上的变形、失效以及铺展过程。进一步研究发现,泡沫铝夹芯层材料在吸能方面起着主要作用,且鸟撞位置对天线罩的整体变形具有显著影响,鸟撞最危险位置发生在雷达天线罩正面中心靠下位置,此时最大位移为123.5 mm,为上部位置最大位移值的1.8倍。

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。