基于SPH新方法铸造充型过程三维数值模拟

引入一种新的无网格光滑粒子流体动力学SPH方法模拟铸造充型过程,SPH方法能够避免网格法在求解过程中的网格扭曲和缠绕,并且改善网格法求解精度。基于SPH法的优势,建立了基本数学模型,编写了三维计算程序,并引用虚粒子边界解决三维情况下边界不易施加的问题。通过对底注式平板件铸造充型过程进行数值模拟,并将模拟结果与实验结果和基于网格法的ProCast模拟结果进行对比,验证了SPH方法在计算铸造充型过程中的可行性和有效性。     

基于SPH方法的低压铸造充型过程数值模拟

借助光滑粒子流体动力学(SPH)方法,对所建立的低压铸造充型模型进行了数值模拟,并将模拟结果与Win-cast软件的模拟结果进行对比。结果表明,SPH方法与Win-cast软件模拟结果基本一致,能够较准确地模拟低压铸造充型过程。     

基于SPH法的AZ31镁合金ECAP过程数值模拟

引入一种新的无网格法——光滑粒子流体动力学法(Smooth Particle Hydrodynamics,SPH),将问题域离散为一系列粒子,避免了由于网格的划分导致计算精度下降。通过建立数学模型并编写SPH方法程序,对AZ31镁合金ECAP过程在高挤压速度下的裂纹萌生和扩展进行数值模拟,并将模拟结果与有限元模拟结果及试验结果进行对比,验证了所建SPH程序的准确性及可行性。     

模具充型过程中光滑粒子流体动力学模拟(英文)

讨论了基于光滑粒子流体动力学(SPH)的压铸充型模拟的实施过程。建立了一种区分流体粒子和入流粒子的入流边界条件。对人工黏度和移动最小二乘法在处理压力振荡中的作用进行了对比。对最终模型在模拟压铸二维与三维的充型过程进行了验证。将SPH和有限差分的模拟结果与实验结果进行了对比研究。结果显示SPH与实验更为吻合,表明了SPH在描述充型过程流态方面的有效性与精度。     

铸造充型过程宏观数值模拟研究进展

综述了铸造充型过程宏观数值模拟研究的现状。给出了铸造充型过程宏观模拟所涉及的物理模型，并以三维带障碍物溃坝模型、平板件充型流动场为例，基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法进行了模拟计算。阐述了常见的网格划分类型和数值求解方法，对比了不同数学方法的特点。说明了铸造充型多相流模拟的研究情况，并指出进行流动场气、液、固三相流宏观数值模拟，能够准确地预测夹渣、冷隔、浇不足、气孔等铸造缺陷，可考虑采用多数学方法耦合的思路处理。SPH的公式构造并不受粒子分布的随意性的影响，可以自然地处理一些具有极大变形的问题。通过图形处理器技术(GPU)能够大幅提高SPH的计算效率。将人工智能机器学习技术和确定性物理建模相耦合，有助于优化传统的数值求解算法，提高精度，使模拟结果更接近于实际生产。     

基于GPU并行计算的风沙流SPH数值分析

在研究风沙流动方面,光滑粒子流体动力学方法(SPH)的无网格性有着独有的优势。利用SPH方法研究风沙流动时,需要将整个计算区域离散成数量庞大的单个粒子,因此计算规模大、计算效率低。为提高SPH方法的计算效率,采用支持并行计算的CUDA平台,利用GPU大规模并行计算技术,实现SPH方法数值模拟时的加速运算。以二维气沙两相耦合模型作为数值算例,利用GPU并行计算详细分析颗粒群的运动规律。比较在不同粒子数下CPU与GPU的计算效率以及GPU线程数对计算效率的影响。对所得结果进行统计分析后,得到了单颗沙粒的典型抛物线形和变异的跃移轨迹。模拟结果证明:SPH-GPU并行计算技术能够应用在风沙流结构的数值模拟研究中。     

基于SPH法的AZ31镁合金BP-ECAP过程三维数值模拟

光滑粒子流体动力学方法(Smooth Particle Hydrodynamics,SPH)在求解大变形问题方面具有优势。基于SPH法编写程序对AZ31镁合金的BP-ECAP过程进行三维数值模拟,并与相关研究文献进行对比,验证了编写的SPH法背压程序的正确性。对不同工艺参数下AZ31镁合金的背压-等通道挤压过程进行模拟,并从等效塑性应变及损伤值分布角度进行分析。模拟结果表明,选择恰当的背压值能有效地阻止镁合金变形过程中裂纹的萌生及扩展。     

基于近似因子分解法的挤压铸造充型过程数值模拟

充型过程数值模拟有助于了解型腔内金属液的流动形态。SOLA法是目前求解速度场和压力场最流行的方法之一,但SOLA法在求解速度场和压力场的过程中,需在动量方程和连续性方程之间进行反复迭代,计算效率低。本文采用近似因子分解法进行速度场和压力场的计算,根据挤压铸造的特点,考虑冲头的运动,建立基于有限差分法的流动场数值模拟程序,从而实现了对挤压铸造充型过程的数值模拟。为验证程序的正确性,对纯铝实验件挤压铸造充型过程进行了模拟计算,模拟结果与中国兵器科学研究院宁波分院齐丕骧研究员关于冲头速度控制的论述一致。     

激光熔凝过程的SPH法数值模拟

运用光滑粒子流体动力学(smoothed particles hydrodynamics,SPH)法建立了激光熔凝过程的数值模型。并应用该模型对AISI304不锈钢的激光熔凝过程进行数值模拟,分析在不同激光功率和扫描速度下对熔池速度场、温度场及其宽度和深度的影响。结果表明:熔池的最高温度相对激光光斑中心偏移一定的距离,且偏移距离随扫描速度的增加而增大,但随激光功率的增加则保持不变。同时也为研究激光熔覆的自由表面形貌的形成过程提供SPH理论基础和数值分析方法。     

基于有限差分法和光滑粒子法的镁合金充型模拟

针对Benchmark件,采用有网格方法(FDM)和无网格方法(SPH)进行充型过程数值模拟,并将模拟结果与WinCast计算结果进行了比对,从而验证了两种方法的有效性和正确性。由于SPH方法可通过追踪粒子的运动得到整个物理系统的特性,无需采用专门方法确定自由表面,在数学模型上具有一定优势。     

不可压缩SPH方法模拟非牛顿流边界设置

基于不可压缩SPH(ISPH)算法,针对螺杆挤出螺槽横截面内非牛顿流的计算,对镜像粒子法和静态粒子法两种边界设置方法进行研究。对比分析计算得到的速度场、粘度场、剪切应变率分布发现,使用静态粒子法计算的边界附近粒子的粘度场分布之所以不会剪切变稀,是因为剪切应变率计算的错误造成;而采用镜像粒子法则不会出现这种问题。该研究为不可压缩SPH方法在聚合物挤出加工模拟中的应用打下基础。     

爆炸焊接波状界面的形成和发展

为了研究在爆炸焊接过程中波状界面的形成机理,采用对不同强度基板的爆炸焊接实验与光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)数值模拟相结合的方式对试样界面形貌及其焊接过程进行了分析。实验发现,当焊接参数在可焊窗口以内时,强度较低的材料界面比较容易形成周期性波纹,而且数值模拟结果显示,在碰撞点离开后2个周期的范围内,界面粒子仍然具有较高的运动速度并沿界面持续运动形成界面波;而强度较高且表面光滑的材料则难以形成波状界面。结果表明:爆炸焊接波状界面的形成需要扰动的积累进而触发Bahrani刻入机理,而当界面缺少扰动时则难以形成波状界面;在碰撞点离开后的2个周期范围内,波状界面的熔融金属将沿界面持续运动,最终形成稳定的界面波。     

W-Ni-Fe三元合金等离子球化过程的SPH仿真研究

针对表面张力影响下的W-Ni-Fe三元合金,通过光滑粒子流体动力学(SPH)建立了仿真多元金属液滴碰撞融合过程的数值模型,获得了流体在等离子球化过程中的流场和温度分布。结果表明,W的占比越高、粒径越小、环境温度越高、Marangoni力越大,则球化度越好。根据SPH模拟结果选择了平均粒径1.5μm的W粉、平均粒径4.1μm的Ni粉和平均粒径2.4μm的Fe粉为原料,按照质量比W∶Ni∶Fe=90∶7∶3进行喷雾造粒,在等离子焰流温度为8000℃条件下球化,球化后的三元合金粉末球形度好,内部致密。球化后颗粒流动性为11.62 s/50 g,松装密度10.66 g/cm3,有利于使用铺粉方法进行3D打印。证实了SPH仿真结果可靠,该模拟结果可用于指导难熔金属W的等离子球化制备工艺。     

基于SPH方法的钢筋混凝土切削模拟研究

钢筋混凝土材料目前已得到广泛应用，但其加工切削过程十分复杂。为解决常规有限元模拟中网格变形尺寸有限的局限性，采用光滑粒子流体动力学（SPH）算法模拟研究金刚石磨粒对钢筋混凝土的切削破碎过程。在数值模拟中，根据金刚石出刃状态将其简化成方形、圆形2种磨粒，并以0.45 mm/ms的速度和0.1 mm的切削深度对钢筋、混凝土和不同组合的钢筋混凝土材料进行表面切削，分析不同情况下的基体碎屑形态特征、切削后基体材料表面形态变化、内部裂纹延伸变化以及磨粒切削面上的应力变化情况。模拟结果表明：SPH方法能够较好地模拟钢筋混凝土在切削过程中的裂纹扩展、碎屑形成和分离；磨粒在切削过程中受到间断性冲击后，会优先破坏混凝土和钢筋材料之间的连接强度，使2种材料逐渐分离，且磨粒以面切削方式进行加工时，相较于点切削方式，能够形成更大的破碎区域。     

基于SPH方法的罐式贮箱动力响应及稳定性研究

应用光滑粒子动力学(SPH)方法建立罐式贮箱模型,模拟在横摇激励下贮箱内的液体晃动。分析贮箱拓扑结构、防波板数目及防波板高度对贮箱壁面冲击压力及结构稳定性的影响。模拟结果表明:SPH方法可以很好地模拟液体晃荡强非线性特征,改进的梯形截面的罐式贮箱可以有效抑制液体晃动;在椭圆形贮箱中合理布置防波板可有效降低液体质心,减小倾覆力矩,更有利于罐式贮箱保持稳定。     

铸造充型过程光滑粒子流体动力学建模及数值模拟（英文）

建立了模具充型过程的光滑粒子流体动力学方法数值模型。为了表征模具固壁对充型流体的约束,建立了一种耦合固壁边界条件。在固壁表面设置了L-S斥力粒子;在固壁内部设置了若干层边界虚粒子,实现对流体粒子支持域的补充。通过冷态水模拟实验对计算模型进行了验证。计算结果与实验吻合良好,证明了本文模型的有效性。     

爆炸焊接法制备铟/铁复合板的实验与数值模拟

提出了一种通过在炸药与复合板之间增加一层速度调整板，以获得理想焊接条件的用于制备铟/铁复合板的新型爆炸焊接方法。通过理论方法计算了爆炸焊接参数，通过实验对炸药载荷的影响进行了研究。应用光滑粒子流体动力学（SPH）方法进行数值模拟以验证参数有效性，探究了结合界面的成型机理，并研究了压力和塑性应变的分布。结果表明，当炸药厚度增加时，界面波形结构更明显。界面剪切试验结果表明铟/铁复合板结合面抗剪切强度为16 MPa，比纯铟材料的抗剪切强度高，且三点弯曲试验之后复合板结合界面无裂纹。采用改进的爆炸焊接方法可以有效制备高质量铟/铁复合板。     

基于SPH结合FEM的喷丸残余应力数值模拟

针对以往有限元模型中弹丸数量较少且为规则阵列排布的缺陷,采用光滑粒子流体动力学法(Smoothed particle hydrodynamics,SPH)与有限元法(Finite element method,FEM)相结合的方法,对喷丸过程进行数值模拟;使用MATLAB对弹丸空间位置坐标进行随机化处理,形成了大量丸粒冲击工件表面的随机喷丸仿真模型。通过分析确定了喷丸饱和时间,研究了喷射角度、弹丸流量对残余应力场的影响。结果表明:在喷丸参数一定的条件下,存在相应的饱和喷丸时间;研究喷丸参数对残余应力的影响时,应在喷丸达到饱和时间之后提取残余应力值;喷射角度增大,残余压应力增大;开始时弹丸流量增大,残余压应力会有所增大,但当其达到饱和值后,残余压应力不再变化。     

轴承定位套热锻成形问题的无网格SPH法分析

基于配点型无网格理论和紧支试函数加权残量法理论基础,构造了满足一致性条件的核近似函数,在域内及域边界上节点满足平衡方程及力和位移边界条件的基础上,寻找稳定方案,并建立了三维弹塑性SPH模型。将所建模型运用到某重装企业的轴承定位套锻件生产研究中,对热锻过程中的材料特性参数、锻件尺寸参数等进行了全面的SPH法和FEM法模拟,通过与实验数据的对比分析,验证了SPH模型的正确性和SPH法在分析金属塑性成形过程的优越性,对实际生产具有一定的参考价值。     

基于SPH法的钢轨打磨单颗磨粒磨削仿真

为研究钢轨打磨过程中材料的去除机理,采用光滑粒子流体动力学（SPH）的方法,仿真模拟钢轨打磨过程中单颗磨粒的切削过程,分析单颗磨粒几何形状、切削深度、负前角对打磨磨削过程中切削力、切削力比的变化规律及工件材料应力、变形情况的影响。结果表明:由于单颗磨粒的推挤作用,工件材料流动后形成毛刺和磨屑,而棱锥形磨粒可以获得较好的磨削加工表面;切削力随磨粒切削深度的增加而增大;磨粒负前角增大时,切削力和切削力比都随之增大,且负前角越大磨屑呈越明显的锯齿状。