碎片云SPH方法数值模拟中的材料失效模型

光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics,SPH）被广泛应用于薄板超高速撞击碎片云的数值模拟。利用AUTODYN软件中的SPH模块,考察了无失效模型、Grady失效模型和最大拉应力失效模型3种方案下碎片云模拟结果,发现无失效模型时计算结果及材料表现与实验明显不符;相比于Grady失效模型,最大拉应力失效模型下材料更难失效,将小幅度减弱碎片云扩散程度,碎片总数减少,粒子聚集产生更大碎片,碎片云侵彻性能提高,增大模型失效阈值亦有上述表现。相比而言,Grady失效模型计算结果更符合实验,但2种失效模型间差异与撞击工况相关,材料破碎越充分差异越小。     

振动效应对铁路道砟剪切性能影响的离散元数值模拟

铁路道砟在传递移动列车载荷时会产生明显振动及接触迁徙行为,从而诱发道床的破碎劣化及非均匀沉降变形,道砟材料的抗剪性能研究对于碎石道床动力学行为及维养评估非常重要。为进一步探究铁路道砟的剪切力学特性,基于Minkowski Sum理论构造了扩展多面体单元,采用三维Voronoi切割算法生成了非规则扩展多面体道砟颗粒。通过最小投影方法对单元进行粒径识别和筛选,建立了符合铁路道砟级配要求的扩展多面体道砟模型数据库。对比了不同法向应力下铁路道砟准静态直剪试验及离散元模拟结果,验证了扩展多面体道砟接触参数的合理性。在此基础上,开展了振动效应下的道砟动态直剪离散元模拟研究,分析了振动角度、幅值及频率对道砟材料抗剪性能的影响。结果表明：构造的扩展多面体道砟离散元模型能够较好地反映非规则道砟间的强咬合互锁接触作用,并有效模拟直剪过程中的剪切应力–应变的变化及剪缩–剪胀行为。正则化下不同法向应力对应的铁道道砟剪切强度更适合采用幂函数拟合表示。振动场的存在会明显降低道砟颗粒的抗剪性能。当振动方向与剪切方向一致时（振动角度为0°）,道砟的剪切强度被明显削弱;随着振幅及频率的增大,道砟颗粒的剪切强度也会显著降低。该研究表明在实际碎石道床性能评估中,需要更多地关注铁路道砟的动态抗剪性能。

     

铁路道砟破碎特性的离散元分析

为降低有砟铁路轨道维护成本并提高乘客舒适度,对铁路道砟材料破碎机理深入研究具有重要作用。本文设计并开展了测量铁路道砟材料特征强度的试验,对道砟受压破碎过程的力和位移等数据加以分析;同时,通过三维激光扫描系统获取道砟三角网格多面体边界,依此采用颗粒平行粘结方式构造具有不规则真实外观的铁路道砟,并采用离散单元方法(DEM)数值模拟道砟径向加载破碎过程,分析应力应变曲线和粘结断裂数等数据以分析颗粒破碎机制。通过对多个道砟颗粒加载试验及数值模拟计算发现,随着道砟尺寸的增加,其有效压缩强度逐渐减小。道砟颗粒的有效压缩强度符合威布尔概率分布函数,并确定了其残存概率的平均强度和威布尔参量,试验和数值模拟结果相吻合。     

基于SPH方法粒子射流破岩数值模拟与实验研究

钻井液中加入体积分数为1%~3%的钢质粒子在钻头喷嘴处高速喷出冲击岩石,实现了粒子射流冲击和钻头机械联合破岩,有效提高了破岩效率。利用瞬态非线性动力学有限元模拟软件,基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法,考虑流体对粒子射流冲击的影响,建立了粒子射流冲击破岩的物理模型,获得了粒子射流参数对破岩体积的影响规律,进行了室内实验验证,验证了SPH方法的有效性。结果表明:粒子射流冲击岩石表面形成规则的V型冲击坑;同条件下粒子射流破岩体积是水射流破岩体积的2~4倍;随着粒子射流冲蚀时间的增加,粒子射流破岩体积不断增加,但破岩效率降低;粒子射流压力大于10 MPa后,粒子射流破岩效率迅速增大;喷射角度大于6°后,破岩效率迅速减小。     

鸟撞击叶片时载荷因素的数值模拟分析

鸟与叶片的撞击过程是一个复杂的加载过程。为了将其简化,以建立一个简单且合理的鸟撞击载荷模型,需要分析鸟撞击载荷的各种因素对叶片响应的影响。本文通过计算机数值模拟进行上述工作。以矩形悬臂板模拟实际叶片,以冲击载荷模拟鸟撞击载荷,采用有限元法计算悬臂板在冲击载荷下的非线性瞬态响应。从鸟撞击载荷的冲量、时间因索、空间因素三个方面分析了冲量、加载持续时间、力-时间函数、初始冲击压力、加载位置、载荷的空间分布以及载荷类型等七种因素对叶片响应的影响。本文得出的结论为合理简化鸟撞击加载过程及建立鸟撞击载荷模型提供了参考与依据。     

改进SPH方法在陶瓷材料层裂数值模拟中的应用

为了探讨铝飞片撞击陶瓷材料时的层裂现象,采用改进SPH方法模拟应力波在陶瓷材料中的传播。结果表明,当离散粒子分布不均匀时,数值模拟计算的自由面速度时程曲线与实测曲线吻合良好。对比CSPM方法,改进SPH方法的精度更高。提出适用于数值模拟的陶瓷材料损伤演化方程,对脉冲载荷下陶瓷/钢层合板层裂的破坏过程进行数值模拟,结果表明,由于陶瓷的波阻抗高于钢的,且抗压强度远高于抗拉强度,因此拉应力引起的层裂破坏是主要的。即使在材料内部传播的只是弹性压缩波,当弹性波到达材料界面时,由界面反射引起的卸载波也能导致陶瓷发生层裂破坏。     

铁路车轴过盈配合面微动损伤分析及有限元仿真

基于全尺寸铁路车轴疲劳试验,观察并分析了微动区损伤形貌及损伤机理.基于测量的磨损轮廓建立有限元模型,计算分析了微动磨损对过盈配合面微动参量及轴向应力的影响.结果表明:轮座近加载侧存在1个宽度约为20 mm的微动损伤区,根据形貌特征可以分为3个区域.仿真得到的微动滑移区宽度与损伤区宽度基本一致,张开区宽度略小于磨损区.未磨损时,接触压应力、摩擦剪应力及轴向应力峰值均出现在接触最边缘;在微动磨损作用下,接触压应力、摩擦剪应力、轴向应力峰值出现在磨损-未磨损边界,且轴向应力数值在磨损区由负变正.磨屑的存在为接触面提供承载平台,在一定程度上抑制应力集中向内部转移.     

应力波数值计算中的SPH方法

对一维波动方程的SPH(smoothed particle hydrodynamics)格式和有限差分格式进行比较,并采用SPH法模拟了一维应力/应变波, 获得1个可衡量SPH法模拟应力波准确性的重要指标。结果表明,SPH法模拟应力波传播中采用的光滑长度必须不小于粒子间距;采用B-样条核函数和高斯型核函数能够获得良好的应力波图像,而二次型核函数不能,因此二次型核函数不适用于冲击动力学的数值计算。     

基于SPH的动力松弛法

光滑质点流体动力学方法(SPH;Smoothed Particle Hydrodynamics)是一种新的纯Lagrangian方法,由于该方法在计算空间导数的时候不需要借助于网格,从而避免了Lagrangian网格在处理大变形问题时的缠结和扭曲问题.传统上,SPH方法主要用来模拟天体问题以及流体或固体的动力问题.动力松弛法(DR;Dynamic Relax-ation)通过采用虚拟质量和虚拟阻尼将一个静力问题转化为动力问题,最早用于解决潮汐问题.DR方法从数学的角度来说是一种求解线性方程组的方法,并不涉及连续结构的离散.所以采用网格方法离散时,DR方法同样受到网格变形导致计算精度下降的困扰.论文采用SPH离散连续体,然后用DR方法求解结构的平衡状态,并根据SPH的特点,提出一种加速收敛的新型计算方法.     

高速碰撞数值计算中的SPH自适应粒子分布法

针对传统光滑粒子法在计算高速碰撞问题时会出现近邻粒子逸出核函数影响域而产生数值破坏这一缺陷,提出了一种根据粒子间距变化自动添加、合并粒子的SPH自适应粒子分布算法。采用该方法对Taylor碰撞和超高速碰撞问题进行了数值模拟,结果表明,该方法可以有效地消除计算中出现的数值破坏,提高计算精度。     

SPH 方法在聚能装药射流三维数值模拟中的应用

采用有限元软件LS-DYNA中的SPH 算法实现聚能装药射流形成过程的三维数值模拟。将SPH方法和FEM 方法与理论计算结果相比较。研究结果表明:SPH 数值模拟计算过程十分稳定,避免了有限元数值模拟过程中的网格扭曲、缠绕和物质穿透等问题,而且计算精度比有限元方法更高;采用SPH 方法计算的射流速度、射流长度与有限元计算结果和理论计算结果的误差均小于5%,因此该方法对于模拟诸如聚能装药等多介质、大变形问题十分有效;初始相邻粒子数N 的最佳取值范围为600~1800,在该范围内计算结果的误差小于3%,且计算效率高。     

非均匀泡沫金属材料在冲击载荷下的变形模拟

提出一种二维非线性弹塑性质量-弹簧-连杆模型,该模型将泡沫金属材料离散成许多质量块,质量块在受载方向由非线性弹塑性弹簧连接,垂直于受载方向由可延伸的弹性连杆铰接。采用该模型模拟并分析了层非均匀泡沫金属材料及局部不均匀泡沫金属材料在冲击载荷下的变形特性,说明了非均匀性对泡沫金属材料冲击变形的影响。     

高速铁路碎石道砟振动的离散元模拟

道砟振动对其磨损、破碎和道床累积变形有显著影响,为揭示高速车辆移动荷载作用下道砟动态响应特性,建立有砟道床离散元模型,开展车辆-轨道耦合动力学计算得到离散元模型输入荷载,模拟分析高速车辆以不同速度通过时有砟道床的振动响应,并与车辆-轨道耦合动力学计算结果进行对比分析。结果表明,轨枕、道砟和道床块振动位移波形相似,位移幅值沿道床深度方向减小,道床块振动位移与轨枕底面以下0.3m处道砟的振动位移相当;轨枕、道床块振动速度与加速度随行车速度提高而增大;受道砟颗粒间复杂相互作用的影响,道砟振动加速度会出现突变。道床离散元模型能合理反映道砟颗粒的振动响应特性,道床块模型体现了道床层在有砟轨道结构中的动力传递与减振特性,两种道床模型的计算结果具有一定的相似性。     

Numerical simulation of droplet coalescence based on the SPH method

In this paper, the smoothed particle hydrodynamics (SPH) method is employed in modeling and numerical simulation of droplet coalescence. Considering the effect of tangential force on boundary material, besides normal force, tangential force is also introduced in the continuum surface force (CSF) model. The formation of droplet, the coalescence processes of two droplets and three droplets are simulated by the modified CSF model. The validity of the modified model is verified from the aspects of the morphological change of the droplet, the smoothness of free surface and the conservation of the centroid of the system. Compared with finite element method, the results of the modified CSF model show that tangential force plays a crucial role in the CSF model when dealing with model boundary with curves and sharp angles.     

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。     

A coupled WC-TL SPH method for simulation of hydroelastic problems

A coupled weakly compressible (WC) and total Lagrangian (TL) smoothed particle hydrodynamics (SPH) method is developed for simulating hydroelastic problems. The fluid phase is simulated using WCSPH method, while the structural dynamics are solved using TLSPH method. Fluid and solid components of the method are validated separately. A sloshing water tank problem is solved to test the WCSPH method while oscillation of a thin plate and large deformation of a cantilever beam are simulated to test the TLSPH method. After validating each component, the coupled WC-TL SPH scheme is used to simulate two benchmark hydroelastic problems. The first test case shows the evolution of water column with an elastic boundary gate, and the second one investigates the breaking water column impact on elastic structures. The agreement between WC-TL SPH results and literature data shows the ability of the proposed method in simulating hydroelastic phenomena.     

混凝土中化学-热-湿-力耦合过程的数值方法

提出了一个火灾下混凝土中化学-热-湿-力耦合过程分析的两级数学模型. 混凝 土模型化为充满两种非混溶孔隙流体的非饱和变形多孔多相介质. 数学模型基于控制干空 气、湿份及基质溶解物的质量守恒、混凝土介质混合体的动量守恒和焓(能量)守恒的耦合 偏微分方程组. 模型中特别考虑到了高温下的脱盐过程. 构造了一个用于数值模拟 化学-热-湿-力耦合行为的有限元求解过程的混合弱形式. 并且针对其中具有非自伴随算子特性的 双曲线控制方程的空间离散进行了特殊考虑. 数值结果例题显示所发展的数学模型和数值方 法在重现火灾条件下的混凝土中化学-热-湿-力耦合行为的有效性.     

基于SPH 法的爆炸螺栓冲击特性研究

由于爆炸螺栓解锁过程具有瞬时性、变形大等特点,同时接触爆炸过程中交界面处介质阻抗相差 较大,因此基于计及材料强度的SPH 方法,在控制方程的粒子近似过程中将其转化为粒子密度及质量对物理 量近似过程影响较小的形式,建立了爆炸螺栓三维SPH 数值模型,分析了爆炸螺栓解锁过程中的冲击特性。 同时,通过与LS-DYNA软件的计算结果进行对比,验证了本文所建立数值模型的准确性和可靠性。