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。     

SPH和FEM耦合法模拟磨料水射流中单磨粒加速过程

针对Eulerian和ALE(arbitrary lagriange eulerian)方法仿真研究磨料水射流喷嘴中磨料粒子加速过程的局限性,提出采用SPH(smoothed particle hydrodynamics)耦合FEM(finite element method)的方法研究后混式磨料水射流喷嘴中低速磨料粒子在高速水射流作用下的流体动力学特性和磨粒加速后撞击靶材的全过程。水用SPH建模,磨料粒子、喷嘴和工件用FEM建模,通过接触算法实现SPH和FEM的耦合以模拟后混式磨料水射流加工的全过程。仿真研究了磨粒和水在喷嘴中各自的速度变化过程;单磨粒在喷嘴中的运动轨迹;不同直径的磨料粒子在不同水压作用下的速度变化过程;不同直径的磨粒在不同直径的混合管中出口速度的变化规律;磨料粒子在工件上的撞击深度。通过与相关实验及理论数据的比较,验证了仿真模型和结果的正确性。     

SPH耦合有限元方法的水射流弹塑性碰撞模拟

针对有限元分析（FEA）处理流固耦合及超大变形问题时所存在的困难,提出了光滑粒子流体动力学（SPH）耦合有限元的方法来模拟水射流与刚性表面和塑性表面的碰撞过程.在SPH计算中,采用计算几何中的Voronoi图给每个SPH粒子赋予质量,并采用可变光滑长度考虑大变形中粒子相互间距的变化.分析了水射流与刚性表面的弹性碰撞,给出了射流变形与压力传播过程.对于水射流与塑性表面的碰撞,将SPH方法与有限元方法通过接触算法加以耦合,其中水射流以SPH粒子建模,而目标体以有限元方法建模.通过该耦合模型研究了在不同射流速度下切割深度与成坑孔径的变化,为理解切割机理和优化工作参数提供了参考.     

自由表面流动的三维SPH数值仿真研究

使用三维光滑粒子动力学(SPH)方法研究了自由表面流动问题,使用自编的三维SPH程序完成了溃坝算例。三维SPH模拟结果与两维SPH结果及实验结果保持一致,验证了三维SPH方法的可行性.数值仿真结果表明,在三维溃坝过程中,流体的形状、位置、速度等主要物理现象可以很好地进行模拟.通过合理地设置输入条件、边界条件及状态方程等仿真控制参数,提出的三维SPH方法可以很容易地进行扩展,可以处理许多其它的三维流体仿真问题.     

光学元件研磨加工裂纹形成过程数值模拟

针对传统有限元方法过度依赖于网格,计算时磨粒和工件接触区域的网格畸变严重,很难模拟脆性材料加工中材料内部裂纹的形成过程这一问题,利用光滑粒子流体动力学法建立单个磨粒切削加工过程的FE/SPH耦合有限元模型,对熔石英材料研磨过程进行数值模拟,为脆性材料切削过程的仿真提供了新途径.系统分析研磨加工中亚表层裂纹的形成过程以及切削参数对亚表层裂纹深度的影响规律.仿真结果表明:磨粒刚开始切入工件时材料处于弹/塑性变形阶段,随后在磨粒的挤压及撕扯作用下,材料内部产生大量微裂纹,微裂纹的合并、连通和扩展最终形成了平行于工件表面的横向裂纹和垂直于工件表面的纵向微裂纹,导致工件材料的脆性断裂去除.     

基于FEM-SPH耦合的TBM滚刀切削仿真与试验研究

针对现有隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)滚刀切削过程有限元仿真难以复现密实核传力演化机制所致的"刀下超破、刀间欠破"问题,采用有限元方法(finite element method,FEM)和光滑粒子流体动力学(smooth particle hydrodynamics,SPH)相耦合的...     

超高速撞击下球形弹丸破碎特性仿真研究

以球形铝合金弹丸为研究对象，应用AUTODYN-3D软件，采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对球形弹丸撞击薄板后弹丸的破碎状态进行了研究。针对弹丸速度、直径及薄板厚度对弹丸破碎状态的影响进行了分析，根据仿真数据，拟合了弹丸破碎状态特性曲线，获得了弹丸发生破碎及发生完全破碎时的临界撞击条件。     

试论切削加工表面粗糙度影响因素及应对策略

工件表面粗糙度主要是由加工过程中刀具和零件表面间的摩擦、切屑分离时表面金属层的塑性变形及工艺系统的高频振动等原因形成的.经机械加工后的零件表面,不可能是绝对平整和光滑的,实际上存在着一定程度宏观和微观几何形状误差,一般用粗糙度值来表示,所以表面粗糙度是反映微观几何形状误差的一个指标.本文就对工件切削加工表面粗糙度影响因素进行了分析,并提出了相关应对办法,以此提高工件加工质量.     

球头刀高速铣削模具钢热力分布3D模拟

为了获得球头刀高速铣削模具钢在切削过程中的热力分布状态,为已加工表面的热力形成机制研究提供基础数据,利用基于拉格朗日算法的有限元工艺仿真系统DEFORM,对汽车覆盖件模具钢Cr12Mo V的高速铣削过程进行了3D有限元建模仿真.模型模拟了球头刀在倾角为15°时的切屑形成过程,预测的进给方向、跨距方向以及轴向方向的切削力与实验数据相符,在剪切面处模拟所得切削平均温度偏差在10%以内.模具表面切削区轮廓形状与高速铣削产生切屑形貌基本吻合,证明建立的3D模型能够较好地反应切削过程中的热力分布情况.     

纳米磨削分子动力学仿真Gear预测修正算法

纳米磨削是实现超精密加工的重要方法,纳米磨削能产生极其薄的切屑,实验证明纳米磨削的切屑厚度可以下降到1nm。因此可以使用分子动力学仿真来分析纳米磨削机理。运用Gear预测修正算法对磨粒原子和工件原子之间的相互作用进行了研究。建立了分子动力学仿真的运动方程,对其进行了数值求解,从而获得了工件原子变化后的位移和速度。     

两种SPH算法在模拟不可压缩流中的比较

基于二维腔剪切流模型,对弱可压缩光滑粒子流体动力学（WCSPH）和不可压缩光滑粒子流体动力学（ISPH）两种SPH算法进行了对比分析。分别使用了排斥力方法与静态粒子法来设置边界。结果显示：ISPH算法在计算速度场和压力场时,计算精度均较WCSPH算法高;时间步长不像WCSPH算法受声速的限制,计算效率更高。     

Two-phase smooth particle hydrodynamics modeling of air-water interface in aerated flows

The large deformations associated with air and water interactions are critical factors that affect the hydrodynamic characteristics of hydraulic structures. As a type of Lagrange meshless particle method, smoothed particle hydrodynamics (SPH) has been shown to have many advantages when modeling the interface flow and tracing the free surface because the particles inherit the velocity, mass, and density properties. Significant theoretical and numerical studies have been performed recently in this area. In the present study, a two-phase SPH framework was developed based on these previous studies and we explored its capacity to capture the main features of large density ratio aerated flows. The cohesive pressure was included only in the momentum equation of the air phase for additional amendments to ensure the stability and accuracy of the two-phase SPH model. Three case studies were performed to test the performance of the two-phase SPH model. A convergence study demonstrated the need to balance the CPU time consumption and the real-time requirements. A dam-break simulation based on pressure variation in the air pocket showed the superior analytical performance of the two-phase model compared with the single-phase model. The results of a hydraulic jump simulation were compared with the theoretical results in order to understand the collision between the solid and liquid using the SPH method more clearly. Thus, the consistency between the simulation and the theoretical and experimental results demonstrated the feasibility and stability of the two-phase SPH framework.     

基于改进SPH的皮肤表面血流模拟算法

针对现有血流真实感绘制中采用的动力学模型精度较低的问题,提出一种基于改进光滑粒与动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)的皮肤表面血流模拟算法。首先对血液模拟算法进行分析,选取Casson流体作为血液流动现象的流体动力学模型;然后,根据Casson流体的动力学方程的特点,对传统的SPH方法进行改进,并用改进后的方法对血液流动现象进行数值计算;最后将得到的血液粒子运动学信息用于模拟皮肤表面的血流过程。试验结果证明,该方法降低了传统方法的复杂度,提高程序的计算精度,为虚拟手术中对皮肤切口出血的仿真研究提供了新思路。     

脆性材料裂纹动态扩展规律的研究

为了研究脆性材料中动态裂纹的扩展规律,本文采用PMMA(有机玻璃)作为试件材料,通过钢板冲击实验和拉格朗日与SPH耦合模拟算法进行研究。在保持其他条件一致的情况下,通过改变冲击速度和初始裂纹角度进行分组实验,然后完全对应实验的冲击条件和试件状态进行分组模拟,最后对比分析。得出主要结论有：脆性材料动态裂纹的扩展形态主要是翼型扩展,还有非翼型的次生裂纹出现,翼型裂纹扩展方向竖直向下,次生裂纹扩展方向趋于水平;动态裂纹的扩展长度随冲击速度以指数趋势增长;试件中次生裂纹的出现,很大程度增加了裂纹扩展长度;翼型裂纹的扩展角度随着初始裂纹角度的增大而减小;拉格朗日与SPH耦合算法,能够逼真显示动态裂纹中翼型裂纹的扩展形态等等。     

刀具前后角对切削力和切削温度的影响

为研究刀具前、后角的变化对45号钢的正交切削性能的影响,应用有限元方法模拟了切削过程,分析了不同的刀具前、后角分别对切削力和切削温度的影响．仿真结果表明,影响切削力和切削温度的主要因素是刀具前角,刀具后角的影响相对较小．     

流体动力学的SPH模型面向对象设计及其实施

提出并实现了一种面向对象的光滑粒子流体动力学（SPH）模型。采用统一建模语言（UML）进行SPH模型的软件体系结构建模,并分析说明各模块类以及类之间关系。其中SPH模型的最根本类是由问题域模块类和主控模块类组成的。问题域模块类是由文件操作类、粒子类、材料类、容器类、边界粒子类和数组存储类组成的。主控模块类是由近似函数类和粒子系统方法类组成的。在此体系结构下,采用C＋＋语言结合OpenGL图形库进行SPH模型的编码,实现了在特定容器中进行SPH流体流动的3D仿真可视化实验。研究工作表明,面向对象方法适合于SPH模型的框架设计和代码编制,所编制的SPH模型程序可以对流体动力学问题进行初步的科学计算及其可视化。     

An improved form of smoothed particle hydrodynamics method for crack propagation simulation applied in rock mechanics

The simulation of crack propagation processes in rock engineering has been not only a research hot spot among scholars but also a challenge. Based on this background, a new numerical method named improved kernel of smoothed particle hydrodynamics(IKSPH) has been put forward. By improving the kernel function in the traditional smoothed particle hydrodynamics(SPH) method, the brittle fracture characteristics of the base particles are realized. The particle domain searching method(PDSM) has also been put forward to generate the arbitrary complex fissure networks. Three numerical examples are analyzed to validate the efficiency of IKSPH and PDSM, which can correctly reveal the morphology of wing crack and the laws of crack coalescence compared with previous experimental and numerical studies.Finally, a rock slope model with complex joints is numerically simulated and the progressive failure processes are exhibited, which indicates that the IKSPH method can be well applied to rock mechanics engineering. The research results showed that IKSPH method reduces the programming difficulties and avoids the traditional grid distortion, which can provide some references for the application of IKSPH to rock mechanics engineering and the understanding of rock fracture mechanisms.