SPHS信号激励下的频域建模方法推广及MATLAB仿真

传统的多谐差相信号(SPHS)进行系统频域建模的方法都针对于某一特殊阶次的传递函数进行,致使这种建模方法应用不方便,本文利用矩阵分析建模的原理将这种方法推广至任意阶次传递函数,并且就MATLAB编程的具体实现给以阐述,最后以特例给出了参数辨识的结果。

露天爆破中炸药单耗对岩石破碎块度的数值模拟研究

露天爆破中岩石破碎块度是钻爆、铲装、运输及后续工艺等综合成本的主要衡量标准,炸药单耗是其主要影响因素,而炸药单耗对破碎块度的研究一般采用爆破模型试验,但其存在成本高、试验结果误差大等缺点.为了优化炸药单耗来降低爆堆的大块率、平均块度,并预测实际工程块度,在爆炸破岩理论基础上,运用基础力学测试设备对模型材料进行了单轴抗压、弹性模量、断裂韧度等测试,标定RHT本构模型参数,通过LS-DYNA数值仿真软件和粒子流算法(SPH)构建了三维露天台阶爆破数值仿真模型,首次对爆破破岩数值模拟结果实现块度精准统计,并对爆破破岩块度随炸药单耗的变化规律开展了系统研究.研究结果表明:炸药单耗在0.23~0.79 kg·m^(-3)范围内,岩块最大尺寸均小于240 mm,其变化区域分为240、220、140 mm三个最大块度相近区和240~220 mm、220~140 mm两个明显下降区;随单耗增加,均匀性指数n呈波浪式减小,分形维数D与n的变化趋势相反,平均块度尺寸呈现先快速下降后缓慢变化的趋势;炸药单耗的块度分布拟合曲线采用G–G–S函数拟合,相关系数均在0.91~0.97间,其变化规律验证了通过SPH法来模拟岩石爆破和岩石破碎块度统计方法的可行性和准确性.研究结果对爆破破碎块度分布规律的完善及块度控制工程具有一定的意义.

正弦波纹管填充乳化液式吸能构件吸能特性研究

预折纹式吸能构件是目前冲击地压矿井中唯一使用的吸能结构,具有优异的吸能特性,但在屈曲变形过程中存在载荷波动较大、由于摩擦的作用产生火花等问题。针对上述情况,设计了一种正弦波纹管(变径圆管)填充乳化液构成固液耦合体吸能构件(组合构件),研究了波纹管壁厚、母线振幅与出液口直径三个因素对吸能构件吸能特性的影响。建立平均载荷、载荷波动系数与比吸能的预测模型,利用Abaqus有限元软件的光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)粒子算法对模型进行流固耦合分析,通过响应面法对吸能构件的结构参数进行寻优并得到优化结果。研究结果表明,当波纹管壁厚3.959 mm,母线振幅3.721 mm,出液口直径22.161 mm时的吸能构件吸能特性最佳,平均载荷为438.684 kN,载荷波动系数为1.178,比吸能12.123 kJ/kg。通过对比验证,结果具有较高的可信度,为防冲支护装备的吸能环节提供了一种优越的吸能构件。

SiC陶瓷的磨削去除机理及参数对磨削力影响

为探究SiC陶瓷的磨削去除机理及磨削参数对磨削力影响规律,基于SPH(smoothed particle hydrodynamics)法建立了单磨粒冲击SiC陶瓷仿真模型,分析了SiC磨削裂纹产生和扩展机制;通过单因素试验分析了v_(s),v_(w)和a_(p)对SiC磨削去除机理、法向磨削力和切向磨削力的影响规律.结果表明,磨粒冲击导致中位裂纹和横向裂纹产生,随着磨粒压入深度的增加,横向裂纹向材料近表面区域扩展,当横向裂纹扩展至材料表面形成脆性断裂;随着v_(s)的增大,v_(w)和a_(p)的减小,磨削表面产生的凹坑区域和凹坑深度减小,塑性去除区域变大,法向磨削力和切向磨削力均呈减小趋势.研究成果为SiC构件的高效低损伤加工提供重要依据.

不同入射波对自由浮体结构运动特性的影响

基于DualSPHyscis开源程序,对波浪数值水池以及波浪与不同形状自由浮体结构相互作用进行了模拟,通过对造波板施加预定义函数来实现Stokes二阶规则波的产生,同时在下游边界附近处设置黏性消波区来实现消波功能.首先,验证了该方法能正确求解波浪与浮体结构的相互作用,文中还与有关的试验结果作了比较,发现效果基本一致.然后对波浪与自由浮体结构相互作用问题进行了模拟,考虑不同入射波波高、波周期与形状参数(A/B的范围为1.0~5.0),探究自由浮体结构所受波浪力的变化特性与自由度响应特性,并分析不同波参数对结构受力与自由度响应特性的影响,同时与单圆柱体浮体工况进行对比分析.另外,引入浮体周围流场分布特性、质心运动轨迹以及速度矢量分布特性,进而进一步阐述浮体受力特性与自由度响应特性.随形状参数增大、浮体结构所受最大波浪力会逐渐减小.随入射波波高增大,波能增大,浮体所具有的能量越大.

SPH模拟螺杆挤出的粒子穿透边界问题研究

采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)模拟双螺杆挤出时,常会出现粒子穿透边界的问题,这是由于螺杆挤出过程存在“挤压流”这一特殊流动现象而造成的。过去的“人工声速判据”不适用于解决“挤压流”这类问题。为了修正“人工声速判据”的缺陷,针对挤压过程进行推算,提出了一种理论计算“特征速度”的方法。为了验证该方法的有效性,对SPH的模拟结果与传统商业软件POLYFLOW的模拟结果进行了比较。结果显示,新计算方案的运用可以有效避免粒子穿透边界的问题。这种计算方案可为其他存在“挤压流”现象的复杂加工模拟解决粒子穿透边界问题提供参考。

中间层对Ti/304不锈钢爆炸焊接的影响

为研究中间层对Ti/304不锈钢的影响,选用厚度0.5的304不锈钢作为中间层,利用ANSYS软件并结合光滑粒子动力学(SPH)分别模拟对Ti/304以及Ti/304/304复合板爆炸焊接进行数值模拟。结果表明:中间层对提高爆炸焊接的焊接质量起着重要作用。在爆炸焊接过程中添加中间层,可以减少过度熔化,扩大焊接窗口,减少界面间的大塑性变形。采用光滑粒子流体动力学(SPH)模拟方法对不同的焊接过程进行了模拟,得到了焊接界面形貌、温度、熔化和压力等信息。模拟结果被发现与实验结果相关性很好。

基于SPH露天台阶的爆破优化

针对露天深孔台阶爆破容易出现块度不均匀、大块率高等问题,运用经验公式法对台阶爆破参数进行计算并确定爆破方案,建立基于光滑粒子流体动力学(SPH)的台阶数值模型,对深孔台阶爆破孔排距共同作用下的岩体损伤情况及孔间应力大小进行研究。结果表明:孔排距会影响炮孔间的应力叠加作用,模拟过程中SPH粒子能良好地模拟出爆破过程中岩石运动状态和岩石损伤范围,当孔间距为8.5 m、排间距为5.0 m,爆破效果最佳。将模拟结果应用于现场试验,大块率较优化前降低了10.3%,块度平均合格率提高了5.2%,现场试验与模拟结果最优爆破方案效果高度一致,说明利用SPH的数值模拟方法研究台阶爆破是合理可行的。研究结果可为相关台阶爆破孔排距选择提供依据和参考。

基于SPH方法的二维液舱晃荡特性研究

本文基于流固耦合动力学理论,建立二维液舱晃荡的光滑粒子流体动力学模型,并引入Dummy边界处理固定边界问题。首先,与实验结果对比验证模型的有效性;随后,分析不同横摇激励、多种载液率下自由液面的运动规律,研究液体抨击舱壁产生的压力特性;在此基础上,设计单一隔板和组合隔板等不同制荡结构,探究共振频率、30%载液率下,自由液面形态和壁面冲击压力的特性。结果表明:在共振频率下,横摇幅值对压力峰值的影响最大;随着载液率的增加,壁面抨击压力双峰特性逐渐消失;当隔板尺度较小时,T型隔板更有利于降低压力的整体水平;双T型隔板可有效降低舱底冲击。

三维FEM与SPH结合算法在穿燃弹侵彻靶板中的应用研究

三维FEM与SPH粒子相结合的仿真算法在子弹侵彻靶板的研究中发挥了重要的作用,可以避免在强冲击计算中FEM网格出现大变形的问题,为了掌握三维FEM/SPH算法的优缺点,开展12.7 mm穿燃弹弹芯侵彻Q235靶板的数值仿真研究,选择二维FEM算法和三维FEM算法与其进行对比,通过分析侵彻深度、压力和塑性应变的影响范围、计算效率等,得到了以下结论:3种算法在计算侵彻深度方面相差无几,三维FEM算法相比其他算法计算的压力更加准确,而SPH粒子法不擅长计算靶板压力;子弹侵彻靶板过程中的侵蚀范围不超过5倍弹芯半径;二维FEM算法计算效率最高,适合用于调整模型和材料参数,而三维FEM/SPH结合的算法则更适合输出计算效果图。

基于土壤扰动的新型超深旋耕刀具仿真研究

为解决现有超深旋耕刀具作业时存在的土壤扰动大、表层土壤破碎度低的问题,采用SPH方法建立现有刀具-土壤作业系统模型,开展仿真研究,分析刀具对土壤的作用过程,从而揭示现有刀具作业时土壤扰动大、表层土壤破碎度低的原因;而后,开展超深旋耕刀具结构创新设计,构建3种新型刀具,并对其扰动效果进行仿真分析,优选出性能最佳的新型刀具,最后与现有刀具的作业性能做对比分析。研究结果表明:现有刀具的螺旋叶片触土面积大,对土壤的推挤和抬升作用大,是土壤扰动大的原因,而刀具上方的切割刀片数量少,难以切碎大幅扰动的表层土壤,导致其破碎度低;与原刀具相比,优选的新超深旋耕刀具对表层土壤的竖直方向扰动量减小了67%,且表层土壤的质量中值下降了42%,功耗幅宽比减小11.67%,能有效减小土壤扰动,提高表层土壤破碎度,同时降低功耗。

新型无叶粉垄刀具仿真设计研究

针对粉垄刀具作业功耗和切削阻力大及耕后表层土块大的问题,设计了一种新型无叶(螺旋叶片)刀具,采用SPH法建立3种线型新无叶刀具作业系统仿真模型,进行作业性能对比分析,优选一种线型新刀具,并与原刀具进行对比,且对优选新型无叶刀具作业过程进行分析。研究结果表明:与原粉垄刀具相比,新刀具功耗减少了8.4%,表层土壤破碎度减小了43.3%;新刀具作业后土壤表层破碎度较高,主要是由于新刀具耙齿切出细长条的土块后,土块可受到上层外部刀片和相邻刀具的上层外部刀片交错切削;刀具的切削阻力受外部刀片数量和分布、耙齿的宽度及底刀的结构等因素影响较大。研究结果可为粉垄刀具减阻优化提供理论依据。

基于DIC技术的3D打印牙齿劣化试验及无网格数值模拟方法研究

为了探究牙齿的裂隙性质(牙齿的裂隙长度及裂隙角度)对牙齿的断裂模式及承载能力的影响,利用3D打印技术打印不含裂隙牙齿模型、含不同裂隙长度牙齿模型(牙齿裂隙距离底部分别为1、2、3 cm)以及含不同裂隙角度牙齿模型(牙齿裂隙倾角为30°、45°及60°)。通过数字图像相关技术得到加载过程每一个时刻的牙齿模型表面的全场应变云图。利用改进的SPH法对不同方案下的牙齿模型的破坏过程进行数值模拟。结果表明:咬合力作用下牙齿模型主要产生沿预制裂隙扩展的拉伸裂纹以及沿着牙齿模型两侧的剪切裂纹。其中不含预制裂隙牙齿模型仅产生剪切裂纹,而含45°预制裂隙牙齿模型仅仅产生拉伸裂纹。同时,牙齿模型预制裂隙的存在极大降低了牙齿的峰值强度,对比不含预制裂隙牙齿模型,d=1、2、3 cm的峰值强度分别下降百分比为22.33%、31.79%、18.94%;θ=30°、45°、60°峰值强度分别下降10.78%、44.01%、34.3%。数值模拟结果表明:牙齿的拉伸裂纹的产生是由于预制裂隙尖端的高拉应力集中导致,而剪切裂纹的产生是由于牙齿拉伸裂纹产生之后,在牙齿模型两侧的低拉伸应力区中出现高拉伸应力集中导致。

钛合金板爆炸断离效果的研究

航空发动机叶片的丢失模拟试验对于机匣包容设计具有重大意义,该试验的难点在于如何控制转子叶片达到允许的最高转速时发生断离。为研究人为断离发动机转子叶片的最佳分离结构,采取爆炸分离的方法,设计了在断离处两侧开Ⅴ型槽下中心开单孔和中心开双孔两种结构TC4钛合金板的静态模拟试验。TC4钛合金板选用规格为100 mm×80 mm×23 mm,采用AUTODYN数值模拟软件进行仿真计算,并结合试验对比两种结构5个方案的板材损伤及附加动能大小。结果表明:方案Ⅱ、Ⅴ未成功断离,方案Ⅲ对样板损伤较大,方案Ⅰ、Ⅳ能较好地分离样板;在相同装药量情况下,双孔结构板材断裂后位移量明显大于两侧开Ⅴ型槽中心开单孔结构的材断裂后位移量。进一步分析得出:Ⅴ型开槽结构可以降低爆炸对板材的损伤,提高炸药能量利用率,降低对板材的附加动能,相较于双孔结构峰值速度降低20%,逸散速度降低40%。研究成果可为探究断离TC4钛合金板最佳结构提供参考。

高压射流破冰仿真研究

风力发电技术领域中风机覆冰已成为制约风电机组安全运营的重大隐患.为研究连续高压射流对冰层的冲击破碎,将该过程简化为细长圆柱,对有限大的冰块冲击破碎的过程,基于SPH方法建立高压射流破碎冰层有限元模型,观察射流撞击冰块发生失效破碎时冰块的碎裂程度.模拟了随时间变化的应力波演化以及与之相对应的冰层破坏效果.分析了不同射流速度、射流角度以及喷嘴口径对射流碎冰程度的影响,并为满足高效、节能的除冰方法选择射流速度为80m/s、射流角度为75°、喷嘴口径为2 mm的射流方式.

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。

冲击载荷下姿轨控贮箱流固耦合响应分析

含推进剂贮箱在高量级冲击载荷作用下会产生强烈的流固耦合振动,严重时可能引起结构破坏。为准确预示充液贮箱的冲击响应,揭示贮箱内流固耦合振动机理,采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法与结构有限元方法,建立了充液贮箱耦合动力学模型,计算了不同载荷量级与充液比的贮箱加速度时程,并与实验结果进行对比。结果表明:高量级、高充液比下贮箱的加速度响应发生剧烈波动;就计算贮箱而言,满充液比下,载荷量级达到-3 dB时出现波动,峰值为5.33 g;0 dB载荷量级下,充液比达到75%时出现波动,峰值为7.82 g;0 dB载荷量级下满充液贮箱的波动最为剧烈,峰值计算值达到24.24 g,该值与实验结果对比,误差仅为2.78%。通过分析冲击过程中流体与结构的运动规律可知,冲击后加速度响应波动是由流体和贮箱壳体二者分离后产生的剧烈碰撞所引发。

基于SPH方法的孤立波数值模拟

文中应用DualSPHysics开源代码平台,基于Goring理论采用推板造波方法构建二维数值造孤立波水槽,探究粒子间距D p对数值模拟孤立波的影响.采用6种粒子间距D p分别对2种波高的孤立波进行了数值模拟,显示了2个监测点处数值模拟与解析解的波形对比,计算和分析了不同D p下、4个监测点处的波高与理论波高的误差.结果表明:粒子间距D p=0.01 m时数值模拟精度较高同时计算耗时较少,并将此种粒子间距D p的数值模拟结果与物理试验测量结果进行了对比,二者吻合程度好.

基于SPH方法的空调进气口进水量分析及优化

由于雨刮臂摆动频次与导水槽及空调外循环进风口结构不匹配等因素,部分车型在淋雨工况下,有水滴甚至水流沿空调进风口进入空调系统,导致空调出现异味,甚至有水渗漏进入乘客舱,出现严重的感知质量问题。采用SPH方法,考虑雨刮臂运动、车身姿态及气流效应工况下,借助PreonLab软件仿真,复现某车型淋雨场景下的水管理质量问题,通过在空调外循环进风口位置增加挡板,显著减少了溅入空调箱的雨水量,并在实车淋雨试验中得到验证。方法能在车辆开发阶段发现并整改车辆在淋雨场景下的流通路径设计不合理等问题,可改变目前车辆淋雨场景水管理质量控制主要依托实车测试的现状,也可应用于车辆水管理的其他性能质量的控制,如涉水、雨污等。

考虑液体晃动冲击特性的油罐车追尾碰撞响应分析

为了研究油罐车在追尾碰撞过程中的动态响应和油罐内部液体晃动问题,以卡车和油罐车追尾碰撞为研究对象,采用光滑粒子流体动力学方法探究相对碰撞速度和充液比对罐体损伤特性的影响,同时研究充液比为60%、70%、80%、90%四种工况在三种常见相对碰撞速度下,罐体碰撞加速度峰值和罐内液体晃动冲击力变化。结果表明:罐体损伤程度随相对碰撞速度增大而加剧,反比于充液比;当相对碰撞速度为最大值60 km/h且油罐车空载时,罐体碰撞变形最大位移和最大应力均为最大,分别是64.19 mm和545.4 MPa;罐体碰撞加速度峰值和罐内液体晃动冲击力随充液比增加而减小,其中最易发生失效的部位为封头T2和隔舱板G,所受最大应力值分别是357.8、248.4 MPa。