压裂液返排期间放喷油嘴的磨损规律研究

压裂液返排期间,由于支撑剂的回流返吐导致放喷油嘴磨损严重,不仅增加了更换油嘴的成本,而且影响压裂施工效果。为了延长放喷油嘴的使用寿命,基于光滑粒子流体动力学(SPH)和有限元(FEM)的耦合方法,对压裂液返排期间放喷油嘴的磨损规律进行数值模拟研究。以磨损速率为判断标准,优化设计了放喷油嘴的内流道结构,优选了油嘴材料,探讨了支撑剂质量分数和粒径对油嘴磨损程度的影响。研究结果表明:放喷油嘴收缩段与直线段的过渡段和出口处的磨损最严重,优选油嘴的内流道结构为流线形,收缩段长度为25 mm,整体长度为42 mm,材料为陶瓷;随着支撑剂质量分数和粒径的增加,放喷油嘴的磨损速率均呈现先增大后减小的规律;优化的放喷油嘴耐磨性强,使用寿命长,可保证压裂液返排施工高效进行。研究结果可为高压高含砂条件下的耐磨油嘴设计提供参考。     

基于SPH-FEM算法的爆炸焊接界面参数及波形生长机理研究

使用SPH-FEM耦合算法对钛-钢、钢-不锈钢、铜-钢、钛-铝4种常见爆炸复合组合进行了数值模拟,理论分析了材料JC强度方程和SG强度方程的适用应变率范围。探讨了爆炸焊接静态参数基复板厚度和动态参数碰撞速度、动态弯折角对界面温度和压力的影响,借助数值模拟手段研究了界面波形形貌,漩涡和少量飞溅熔化块的生长机理。结果表明,随着复板厚度和碰撞速度的增加,界面温度、压力和波形尺寸明显增加,动态弯折角和基板厚度的改变并不能影响界面温度,界面波形生长遵循着“主逆次顺”运动规律。     

地应力对岩石爆破开裂及爆炸地震波的影响研究

深部岩体爆破开挖是高地应力和炸药爆炸产生的动应力共同作用的结果。采用SPH-FEM耦合数值模拟方法,研究了地应力场对岩石爆破开裂及开裂区外地震波能量的影响。结果表明:随着地应力水平的提高,岩石爆破破碎区的范围缩小、裂纹扩展速度降低,非静水地应力场中破碎区内裂纹主要沿最大主应力方向扩展,但地应力对爆破粉碎区的形成几乎没有影响;地应力作用下爆破开裂区形态改变影响了爆炸地震波的能量及传播特性,随着地应力的增大,更多的炸药爆炸能转化为地震波能量,产生的高频地震波随距离衰减更快,且小主应力方向上的爆炸地震波能量更大。研究成果可为深部岩体爆破优化设计提供理论参考。     

基于不同算法的Ti/SS316爆炸焊接数值模拟研究

目的 研究不同基复板间隙对爆炸焊接质量的影响,对钛(Ti)/不锈钢(SS316)的爆炸焊接过程进行数值模拟研究。方法 利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,结合光滑粒子流体动力学-有限元耦合法(SPH-FEM耦合算法)和拉格朗日-欧拉耦合法(ALE算法),对钛(Ti)/不锈钢(SS316)爆炸焊接过程进行三维数值模拟,通过不同算法得到不同基复板间隙下的碰撞速度、碰撞压力及碰撞角,并将模拟结果与试验及理论计算结果进行对比。结果 当间隙为5、10、15 mm时,SPH-FEM耦合算法和ALE算法的复板碰撞速度均落在爆炸焊接窗口内,表明纯钛(Ti)和不锈钢(SS316)均能成功实现焊接,没有脱落与鼓包。与SPH-FEM耦合算法相比,ALE算法下的碰撞速度、碰撞压力和碰撞角的模拟结果和理论计算结果更加吻合,可信度更高。结论 ALE算法的模拟结果与试验结果吻合,且与理论计算结果的误差更小,表明ALE算法用于纯钛(Ti)和不锈钢(SS316)爆炸焊接是有效的。     

高强弹体侵彻白麻花岗岩靶体的数值模拟研究

为了研究白麻花岗岩在高强度弹体中高速侵彻条件下的力学损伤响应,运用显式动力学有限元分析软件LS-DYNA,应用经SHPB试验验证的HJC材料模型,开展了弹头形状系数为3、直径为?20 mm、长径比为6的刚性弹体以不同初速度侵彻白麻花岗岩靶体的一系列数值模拟研究。同时,针对传统有限元方法难以解决材料大变形导致的网格畸变等问题,采用SPH-FEM耦合方法对靶体进行建模。通过改变弹体配置,研究了不同弹头形状对弹体侵彻性能的影响。模拟结果表明：SPH-FEM方法可以有效模拟岩石靶体受高速冲击的力学损伤响应。由不同撞击速度与侵彻深度的关系得到了有关白麻花岗岩侵彻深度的经验公式,其中侵彻深度与撞击速度呈正比,经验公式可用于相似强度岩体的侵彻深度预测。当初速度为50,100,150,200,250,300 m/s时,平头弹侵彻深度分别为卵形弹侵彻深度的16.7%、27.8%、35.1%、32.1%、36.1%和40.5%,平头弹的侵彻性能远低于卵形弹,且侵彻损伤区域较小。     

不同爆破模拟方法下S波产生机制的比较

爆破地震波中的剪切波(S波)是爆破破坏建筑物的重要因素,研究S波的产生机制和传播特征具有重要意义。基于LS-DYNA的动力有限元计算,分别采用弹性均质模型、弹塑性损伤模型以及SPH-FEM耦合分析方法研究并验证了瞬时爆轰条件下柱状药包S波的形成机理。研究结果表明:弹性均质条件下,药包中截面上只有P波没有S波,在弹塑性损伤条件下有S波的产生,而SPH-FEM耦合分析方法中该现象更加明显,同时SPH-FEM工况下,P波、S波到达时间差更接近理论时间差,计算结果验证了P波在传播过程中遇岩石界面会产生S波,不同数值模拟方法可明显影响计算结果。研究成果可为S波的研究方法及形成机制提供参考。     

基于SPH的平面曲线铝合金薄板滚压成形数值仿真与试验研究

滚边压合是实现车身门盖件内外板高质量连接的装配工艺，其成形机理及质量预测一直是关注的重点。为定量揭示胶黏剂对轻质薄板成形的影响机理，引入光滑粒子法（Smoothed particle hydrodynamics，SPH）模拟胶黏剂，建立能满足工程实际的预测模型，并与传统欧拉法（Euler）进行了对比，验证了方法的可行性。以典型曲线轮廓结构为研究对象，采用有限元法（Finite element method，FEM）模拟铝合金薄板，建立SPH-FEM耦合的数值模型，对含胶滚压过程进行仿真，并通过试验进行了验证。然后，采用响应面法建立了胶层黏度、挤压速度和胶层厚度参数对成形质量交互影响的数学模型。研究表明，与无胶层相对比，有胶层的外板缩进值和最大塑性变形降低。胶层厚度对成形质量的影响显著，胶层黏度次之，滚压速度相对较小。基于SPH的建模方法解决了含胶滚压成形难以量化的问题，为工艺优化和提升制造精度提供了重要的理论依据。     

基于SPH-FEM耦合算法的埋地输气管道近场爆炸冲击动力响应

利用ANSYS/LS-DYNA和LS-PREPOST前后处理模块,建立基于光滑粒子流体力学-有限单元法(SPH-FEM)耦合的土中爆炸模型。结果表明,土中爆炸波峰值压力随比例爆距的衰减规律与经验曲线基本一致,且瞬时爆腔尺寸也和相关经验描述吻合较好,从而验证了方法的可行性与准确性。针对X80大口径高压输气管线在土中近场爆炸的冲击响应过程,建立管-土-炸药耦合模型,分析起爆后不同时刻爆腔形状的演变过程(从球状到椭球状),得到不同时刻管体扰动(变形与受力)与土壤介质压缩形态的内在联系,详细描述管体迎爆面、背爆面测点的位移及应力特征,并反映最大冲击应力的截面分布情况及其在不同时刻的出现位置,最后,基于应变极限判断受冲击管道的失效情况。研究采用的耦合算法可为管道防爆研究提供新思路,对爆炸灾害下管体及周边结构的风险评估提供基于模拟分析的定量依据。     

混凝土重力坝水下接触爆炸下的毁伤特性分析

采用常规有限元法研究接触爆炸下的结构破坏特性时,往往将由于网格高度畸变而导致计算中断或错误的结果。考虑炸药、流体、结构之间的动态耦合及混凝土的高应变率效应,采用SPH-FEM耦合方法,其中SPH法用于模拟爆炸近区的坝体大变形,FEM法用于模拟远场坝体响应,构建了混凝土重力坝水下接触爆炸的全耦合模型,对水下接触爆炸下的大坝动态响应及毁伤特性进行分析。研究表明,采用SPH-FEM耦合分析技术可以较好地揭示水下接触爆炸下大坝冲坑形成及其毁伤特性;水下接触爆炸冲击荷载作用下大坝受损程度比水下非接触爆炸时严重,在研究水工大坝抗爆性能时,应重点关注水下接触爆炸下的大坝毁伤特性。     

基于SPH-FEM方法的水下近场爆炸数值模拟研究

针对结构水下近场爆炸载荷作用响应求解难点,通过改进的三维轴对称光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)计算获得近场爆炸载荷后传输给非线性有限元软件ABAQUS,利用声固耦合模型对结构响应进行时域非线性计算,形成预报水下近场爆炸载荷对结构毁伤的SPH-FEM模型,实现从药包起爆、结构大幅变形、局部撕裂直至完全剪切破坏的全过程模拟,对载荷时历曲线进行试验验证。计算背空矩形钢板在近场爆炸载荷的响应表明,数值结果与试验值吻合良好。SPH-FEM模型计算效率高、可操作性强,易推广至大型复杂结构受水下近场爆炸毁伤的分析与评估。