爆炸碎片撞击球罐的数值模拟及影响因素分析

容器爆炸碎片是引发化工园区"多米诺事故"的重要因素。建立了球罐在球体、立方体、圆锥体3种爆炸碎片撞击下的数值分析模型,研究了球罐受到碎片撞击时的动力学响应过程,分析了碎片的形状、速度、入射角、转速及球罐内压等因素对撞击变形的影响。研究表明:罐壁在碎片撞击下产生的位移随碎片撞击速度的增大而增大;在相同工况下,立方体碎片对球罐壁面撞击位移最大,撞击位移随入射角的增大而减小,当入射角大于60°时,碎片对罐壁撞击变形几乎没有影响;碎片自身转速对撞击位移影响较小;球罐罐内压力对球罐最终撞击位移影响较小,仅影响其撞击变形过程。     

基于J-H模型陶瓷材料超高速撞击数值模拟研究

针对太空中碎片高速撞击航天器的问题进行研究,提出了基于J-H模型对球形弹丸高速撞击陶瓷板的局部穿孔行为进行数值模拟,利用ANSYS-AUTODYN动力学程序得出高速撞击超高温陶瓷靶板后的应力云图和损伤云图,由此可知,随着弹丸速度的增大,靶板内最大应力随之减小,但应力集中范围随着速度的增大而增大,板靶内温度应力增加,损伤区域直径也随之增大。且陶瓷破碎后形成的碎片云在速度很小时呈椭球状,随着速度增大碎片云趋向于圆形。     

双液滴同时撞击液膜的动力学演变

为了考察液滴的撞击对液膜变形行为的影响规律,利用CLSVOF(coupled level set and volume of fluid)方法模拟双液滴同时撞击平面液膜后的流动过程,获得了不同水平间隔距离、不同撞击速度的两液滴撞击平面液膜后的演变过程特点,通过分析不同时刻压力场分布,探索了两液滴水平间隔距离、韦伯数和撞击速度对双液滴同时撞击液膜后流动过程、形态及对水花高度和中心射流高度的影响。结果表明,碰撞速度较大时的中心液膜射流高度大于碰撞速度较小时的;We数较大时中心射流顶端将产生二次液滴;液滴间距对撞击后初始时(3 ms之前)撞击点两侧的开始水花高度没有明显影响。     

射流搅拌流场的数值模拟分析

喷射搅拌器广泛应用于油品储罐内的调和,喷嘴入射角度和入射速度对搅拌效果有很大影响。应用计算流体软件并根据标准k ε湍流模型与 SIMPLE算法,采用单因素敏感分析法分别对喷嘴的喷射角度、喷嘴直径及入射速度的射流流场速度分布进行数值模拟分析。结果表明：喷射距离随直径的增加而加大,随速度的增加而增大,在15~60°的角度范围内,随入射角度的增加先增大后减少;储罐内的速度流场分布随直径的增加先减少后增加,随速度的增加而增加,随入射角度的增加先增加后减少;射流产生的回流范围随直径的增加先减少后增大,随入射速度的增大而增大,随入射角度的增加先增大后减小。因此,相比于喷嘴直径,入射速度和入射角度对储罐内的搅拌效果和搅拌范围有更大的影响。     

激光沉积Stellite 6颗粒入射角度对涂层形成的影响

采用准静态下MTS拉伸实验,对Stellite6颗粒在Johnson cook材料模型中的物性参数进行标定;利用有限元分析软件ABAQUS模拟单个Stellite 6颗粒以相同速度不同入射角度撞击基体的变形行为,探讨粒子入射角度对粒子沉积形貌及基体凹坑深度的影响.模拟结果表明：Johnson cook材料模型可以很好的描述碰撞过程中粒子的变形行为,粒子入射角度的增大,不利于粒子与基体的有效结合;在粒子有角度撞击基体过程中,切向速度会使得粒子与基体之间产生相对运动,进而导致粒子与基体接触表面有摩擦力的产生,当颗粒与基体间摩擦力做功产生的积极作用大于颗粒切向滑移产生的消极作用,颗粒与基体可以形成有效结合.     

玄武岩纤维布Whipple防护结构超高速撞击损伤分析

针对加入玄武岩纤维织物对Whipple防护结构损伤产生的影响进行了实验研究.探讨了将玄武岩纤维织物作为航天器空间碎片超高速撞击损伤防护结构的增强材料用于航天领域的可行性.实验采用的基本构形为Whipple防护结构,玄武岩纤维布按不同方案布置在结构中.实验分析表明,玄武岩纤维布的防护作用在于:其发生击穿破坏时,击穿孔处的纤维束产生的断裂和孔边处纤维束产生的变形消耗和吸收了撞击物的撞击能量;破坏时,玄武岩纤维束中逐次断裂的纤维丝与撞击物的撞击除了对撞击物产生切割作用外还在撞击物中产生高频的间歇冲击波,两者都对撞击物产生碎化作用;玄武岩纤维布自身的破坏不会再产生新的大碎片.     

爆燃驱动式射钉侵彻Q235靶板数值模拟

为研究爆燃驱动式射钉侵彻靶板深度的影响因素及规律,对直径7 mm的射钉垂直侵彻20 mm厚Q235靶板进行数值模拟.基于LS-DYNA有限元软件,选择Johnson-Cook本构模型和Gruneison状态方程对射钉侵彻靶板过程进行仿真模拟,并通过侵彻试验验证模型的合理性.采用所建立的仿真模型,模拟分析射钉的头部锥角和材料强度、炸药驱动力、射钉与靶板初始间隙等因素对Q235靶板侵彻深度的影响规律.结果表明:随着射钉头部锥角增加,侵彻阻力不断增大,射钉最大速度逐渐减小,侵彻深度及有效侵彻深度不断减小;射钉材料的静屈服强度低于700 MPa时,由于钉体发生明显的墩粗变形,侵彻深度较浅,而高于700 MPa时,射钉材料的静屈服强度对侵彻深度影响较小;炸药爆燃产生的气体压强低于150 MPa时,侵彻深度随气体压强增大近似呈线性增加,而高于150 MPa时,靶板背面变形使应力得到释放,侵彻深度显著提高;随射钉与靶板初始间隙增加,射钉在接触靶板前可获得更高的速度,侵彻深度不断增大,但超过20 mm后,初始间隙对侵彻深度基本没有影响.     

基于FLUENT的储罐内原油温度分布规律研究

储罐内原油温度的变化对准确计量原油容积影响较大,原油温度分布对整个库区的安全管理和生产运行也有极其重要的意义。从储罐内原油温度分布着手,采用FLUENT数值模拟的方法研究了储罐中心截面处不同位置的原油温度,得到了降温过程中的温度分布规律。结果表明,在降温的初始阶段,近罐壁处温度迅速下降,原油高温区位于截面中心偏上的两个矩形区域;当储罐内的原油温度场趋于稳定而尚未达到稳定时,高温区则位于罐中心底部和截面中心的连通区域;当储罐内原油温度场处于稳定状态时,高温区最终稳定停留在罐中心底部区域。     

新型空心球结构的压缩力学性能

提出新型空心球结构,该结构是将球体上穿孔的空心球按照体心立方体进行排列和连接.通过实验研究了3D打印的单胞和胞元组合结构的压缩力学性能,建立单胞结构的三维有限元数值模型,实验结果验证了有限元模型的有效性.通过数值模拟研究穿孔空心球壁厚和孔径对结构弹性模量以及初始屈服应力的影响.结果表明,单胞结构的变形行为包括弹性变形、坍塌变形以及结构的自接触行为;多胞组合结构的变形过程包括弹性阶段、大变形阶段以及致密化阶段,其中大变形是由结构的层层连续坍塌变形所导致的;结构的弹性模量和初始屈服应力随壁厚的增大而增大,随孔径的增大而减小;与壁厚变化相比,结构的力学性能对孔径变化更为敏感.     

铝球弹丸高速撞击薄壁钢管穿孔行为的数值模拟

针对高速撞击结构的局部化毁伤特性,利用LS-DYNA3D动力学程序,采用光滑粒子流体动力学和有限元网格耦合算法(SPH-FEM),对铝球弹丸高速撞击45#钢薄壁圆钢管的局部穿孔行为进行数值模拟。结果表明:随着撞击速度的增加,穿孔直径也呈线性增加;撞击速度在2.0~3.0km/s范围时,模拟得到的穿孔形态尺寸与试验吻合较好;高速撞击过程中产生大量碎片粒子,弹丸动能绝大部分转化为碎片粒子的动能和内能。     

基于凸模结构的内筋壳体旋转挤压成形折叠缺陷研究

针对旋转挤压成形易产生折叠缺陷的问题,利用刚塑性有限元法对镁合金内筋壳体旋转挤压成形过程进行了数值模拟,对比分析了在不同形状的凸模作用下变形区金属流动规律、节点应变和折叠角,探讨了折叠产生的原因.结果表明:折叠缺陷是由于凸模间隙区金属受凸模轴向-周向加载产生凸起,凸起金属受凸模周向加载作用与壳体内侧壁金属汇流;变形区凸起金属轴向流动速度沿径向方向呈递减趋势时无折叠缺陷产生,反之则产生折叠缺陷;增大过度圆角和梯形工作带设计可以避免折叠缺陷产生.     

粗糙表面接触的弹性、弹塑性、塑性分形模型

在M－B模型的基础上考虑了材料的弹塑性变形过程和接触界面磨擦的作用建立了粗糙表面接触的弹性、弹塑性、塑性分形模型。分析表明,M－B模型适用于理想的弹性－塑性材料;磨擦副接触界面间的磨擦力对接触状态有较大的影响。磨擦力的作用使临界弹性接触面积增大,从而增大了弹塑性和塑性菜的可能性以及实际接触面积中弹塑性和塑性接触面积的比例;材料的应变硬化程度对接触状态有一定的影响,硬化程度越高,接触状态越趋于弹性接触,硬化指数越大,硬化程度越弱,实际接触面积中弹塑性和塑性接触面积的比例越大。     

应用液压阻尼系统(HDS)控制储罐地震响应

为了有效地提高立式圆柱钢制储罐的抗震性能,采用液压阻尼系统(HDS)控制储罐的地震响应.建立了HDS-储罐力学分析模型和储罐的控制目标,通过时程分析法研究了HDS控制参数对储罐动力特性和地震响应的影响规律.结果表明:增大α、c0(液压缸内截面与管路内截面的面积比、阻尼系数),均可提高阻尼比;增大k0(HDS系统中液体的刚度系数)阻尼比降低.增大α,圆频率比减小;增大k0,圆频率比增大,c0的改变不影响圆频率.增大α、k0,c0都能减小有控储罐的位移和绝对加速度反应峰值,有效地减小储罐的地震响应;其中c0的影响最大.HDS对储罐的液固耦合点位移和倾覆力矩控制效果良好,达到50%以上,烈度可降低一度进行储罐的抗震设计.     

多喷嘴撞击流混合器径向流场数值模拟研究

为优化撞击流混合器结构,采用Fluent软件,对不同初始速度下的水平三向撞击流混合器径向流场特性进行数值模拟研究,并与两喷嘴对置式混合器进行对比.研究表明:水平三向撞击流混合器径向速度呈双峰分布,峰值点关于撞击点对称,随着初始速度的增大,峰值点位置不发生改变;三喷嘴混合器径向湍动能和湍流耗散率均呈单峰分布,峰值点即为撞击点;在相同初始速度下,三喷嘴混合器湍动能和湍流耗散率最大值分别为两喷嘴混合器湍动能和湍流耗散率最大值的2.21和2.06倍;4种初始速度下,水平三向撞击流混合器撞击点附近15 mm范围内的湍动能值均大于两喷嘴混合器的湍动能最大值     

内压下薄壁锥壳圆筒过渡段变形特征研究

大锥顶角薄壁锥壳是大型储罐常见罐顶结构。内压作用下,锥壳圆筒过渡段可能会发生屈曲,其变形较复杂。采用千分表和应变计实验测量了壁厚为1.2mm,圆筒内径为950mm,半锥顶角分别为60°和75°的锥壳圆筒过渡段在内部升压过程中的应变及径向位移变化,并且采用3D扫描仪获得表面初始和终态几何形貌。采用有限元分析方法对扫描获得的锥壳圆筒模型(含有真实初始几何形状偏差),进行材料与几何双非线性模拟计算。结果表明:薄壁锥壳圆筒过渡段,在内压作用下将产生明显的屈曲变形,而其屈曲行为具有稳定特征。对含真实初始几何偏差的计算模型进行双非线性模拟所得变形的结果与实验测量值吻合度较好,同时模拟计算得到的过渡段屈曲后形貌(位置、波数和形状)与实验结果相近,其波形呈现一定周期性,但分布并不均匀。     

冲击速度对开孔泡沫金属冲击动力学性能影响

利用有限元软件ANSYS中的LS-DYNA模块,建立起了泡沫金属胞元方孔模型,采用能更好反应实际情况的幂函数塑性模型,研究了冲击速度对泡沫金属冲击动力学性能的影响,对泡沫金属在冲击载荷作用下的应力传递和分布以及变形过程进行了数值模拟,分析了冲击速度对泡沫金属应力传递和分布以及变形的影响。研究表明,随着初始撞击速度的提高,泡沫铝屈服强度有所提高,应力传递速度和接触端面处的泡孔变形速度加快。     

关于受内压圓筒形壳体与半球形封头、半椭球形封头连接时边界力P_ο和边界弯距M_ο的求解问题

本文是前文的续篇。本文阐述了无因次系数法求解受内压圆筒形壳体与半球形封头、半椭球形封头连接时边界力Po和边界弯距Mo计算公式的来源和应用,并附有查取各无因次系数的图线。同时,还与国内外所应用的其它计算方法作了比较。在讨论受内压圆筒形壳体与平板封头连接的边界力Po和边界弯距Mo的求解问题时,作者曾推荐既准确又简便的无因次系数法。按照同样的原理,在求解受内压圆筒形壳体与半球形封头以及受内压圆筒形壳体与半椭球形封头连接的边界力Po和边界弯距Mo时亦可应用无因次系数法。     

石膏颗粒材料的破碎演化规律

为分析石膏颗粒材料在荷载作用下破碎的分形演化规律,对其进行了等围压、等平均主应力和各向等压固结3种应力路径下的三轴试验,并通过筛分法对试验后石膏颗粒材料的粒径分布进行了分析。试验结果表明,石膏颗粒材料在荷载作用下的破碎程度随初始围压的增大而增大,初始为分形分布的石膏颗粒材料在受荷破碎后,其粒径分布亦具有分形特征。表征粒径分布的分维值与围压和平均主应力之间均呈良好的双曲线关系,分维值渐近值约为2.5。分维值与相对颗粒破碎指数存在显著的线性关系,可作为表征颗粒破碎程度的指标。     

残余应力及其表征参数对材料滚动接触性能的影响

为了深入研究残余应力对滚动接触的影响规律,建立了圆柱滚子轴承二维有限元简化模型,在施加不同残余应力的基础上进行弹塑性分析,并对残余应力的表征参数如梯度、大小和深度等进行了影响研究。结果表明：残余压应力能使弹性变形阶段的接触应力和塑性变形阶段的塑性应变下降;等大的残余拉应力则使二者增大更大的比率。通过参数研究发现：残余压应力梯度越小,塑性应变越小,残余拉应力梯度越接近0,塑性应变越小;残余压应力越大,塑性应变越小,残余拉应力越大,塑性应变越大;残余压应力加深一定值能够降低滚动接触塑性应变,从而提高疲劳寿命,残余拉应力的加深则会引起塑性应变和疲劳损伤的增大。     

液滴撞击圆柱外表面蒸发换热的数值模拟

为进一步研究液滴撞击加热壁面过程中的破裂现象及不同参数对液滴蒸发换热的影响,采用CLSVOF方法和相变模型对液滴撞击加热圆柱外表面进行三维数值模拟.模拟过程中考虑了壁面温度、接触角以及撞击速度对液滴蒸发换热的影响.结果表明:液滴产生破裂的位置与液滴撞击壁面时的速度有关,当撞击速度较小时,破裂产生于液滴中心处;当撞击速度较大时,破裂处位于中间和边缘两部分液体之间.液滴撞击壁面后,在三相接触线和液滴破裂处附近产生了蒸汽旋涡,强化了液滴与壁面间的换热,增加了液滴侧的壁面热流密度.短时间内壁面温度对液滴蒸发量的影响较小,但撞击速度与接触角对其蒸发量的影响较大,且接触角越小,撞击速度越大,壁面平均热流密度越大,液滴蒸发量越大,有利于液滴与壁面间的换热.