采用非连续体变形分析（DDA）方法对气冲造型过程的数值模拟

在铸造生产中粘土湿砂型的造型方法中,空气冲击造型过程有着 本身的特点：冲击加载,离散的材料体系和几何大变形。材料非线形、几何非线形、接触非线形并存,以及瞬态加载,使气冲造型的砂型紧实过程成为一个非常复杂的瞬态动力学问题。本文首次使用非连续变形分析（DDA）的方法建立了粘弹性本构非连续块体模型模拟松散型砂体系,对松散型砂在空气冲击作用下的密实过程进行了数值模拟,编制了二维DDA应用程序。并通过与相应的实验数据以及有限元方法的计算结果进行比较。     

压实造型过程的有限元数值模拟

在铸造生产的造型方法中,粘土砂湿型造型是涉及离散的材料体系、材料非线性、几何非线性、接触非线性等问题共存的一个复杂的力学过程,因此对造型过程进行数值模拟比较困难。采用有限元方法是求解非线性问题的的有效数值方法。采用ANSYS软件对湿砂造型中的压实造型过程进行数值模拟,取得了较好的结果。     

松散型砂静压造型应力场的量测与有限元分析

本文着重探讨型砂静压造型应力场的分布,既做了实际测定,也做了有限元分析,两者在一定程度上、一定范围内有较好的吻合。作为力学分析必不可少的基础工作,还测定了型砂压缩过程中的本构关系和砂体与边界的摩擦系数。可能由于型砂这种材料的特殊性,目前尚未见到针对型砂造型应力场进行有限元分析的报导,本文可以算做一种利用通用软件将有限元方法用于分析型砂应力场的尝试,期望能起到抛砖引玉的作用.     

基于FEM-SPH耦合的离心机抛填土料冲击行为数值分析

利用有限元(Finite Element Method,FEM)与光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)耦合的方法对离心机抛填土料动力响应进行分析,数值模型中离心机结构部件采用传统拉格朗日单元,土料采用无网格光滑粒子,实现了无黏性土料连续冲击离心机结构行为的数值再现。基于土料以5 m/s、10 m/s速度分别冲击离心机料斗与土料箱底算例进行分析,获得了离心机抛填结构在土料连续冲击作用下的应力分布和等效冲击载荷;在5 m/s速度冲击料斗冲击过程中,最大应力出现在离心机支撑装置横截面处,料斗结构上产生的最大等效应力为292 MPa;土料10 m/s冲击土料箱计算时,箱体底部铺设的橡胶垫层能降低冲击载荷幅值,实现对土料箱体结构的有效缓冲作用。数值分析结果表明,结合FEM高计算效率特点以及SPH耦合方法易于处理大变形优势,FEM-SPH耦合方法可以实现对土料类离散体冲击大变形行为数值模拟,有助于提高结构动态大变形响应过程模拟的逼真度和置信度。     

基于SPH-FEM耦合方法的落石冲击拱形钢筋混凝土棚洞数值模拟

与框架钢筋混凝土棚洞相比,拱形钢筋混凝土棚洞具有自重小、跨度大的优点,其常用砂土垫层来耗散冲击能量。针对有限元法(FEM)模拟拱棚洞砂土材料超大变形问题时所存在的困难,建立了有限元(FEM)与光滑粒子流体动力学(SPH)的耦合数值计算方法。利用SPH粒子模拟落石冲击区域的大变形砂土,为提高计算效率和精度,非冲击区域砂土用有限元单元模拟,并将混凝土、钢筋、岩石、冲击锤等划分成Lagrange标准有限元网格;然后基于耦合SPH-FEM方法建立了落石冲击拱形钢筋混凝土棚洞数值模型。研究结果表明:随着冲击能量的增大,冲击力峰值和拱中点位移峰值也逐渐增大;与足尺冲击试验结果对比,冲击力峰值和拱中点位移峰值最大误差均没有超过10%,验证了数值耦合模型的准确性;数值耦合模型形象再现了砂土成坑的物理过程,砂土垫层耗能占初始冲击动能的85%以上,说明砂垫层是一种很好的缓冲耗能材料。SPH-FEM耦合方法显示出了模拟拱形钢筋混凝土棚洞冲击问题的有效性。     

波在各向异性介质中传播规律的无网格法数值模拟

采用基于紧支距离基函数近似的配点型无网格方法对波在各向异性层状介质中的传播规律进行了数值模拟,得到了应力波的传播历程,并与冲击载荷作用下的有限元计算结果值进行了比较。该方法所得到的结果与有限元计算的结果吻合较好。说明该方法可以有效地模拟波在各向异性材料中的传播过程。     

水玻璃酯硬化自硬砂的应用

通过造型材料，对砂温及厂房内气温的要求，混砂质量及型砂工艺来控制生产现场的型模质量。     

不同冲击速度条件下矩形巷道围岩变形-开裂过程数值模拟

利用自主开发的拉格朗日元与变形体离散元耦合的连续-非连续方法,开展了不同冲击速度条件下矩形巷道围岩变形-开裂过程的数值模拟研究。当岩石单元的应力满足剪切开裂判据时,考虑了应力脆性跌落效应,在此过程中,围压保持不变。为了检验该方法的正确性,开展了单轴压缩条件下岩样变形-开裂过程的数值模拟研究。针对矩形巷道围岩的计算表明:①冲击速度低时载荷-位移曲线呈单峰特点;冲击速度高时载荷-位移曲线呈多峰特点;②冲击速度低时围岩的开裂呈渐进性特点;冲击速度高时围岩的开裂呈间歇性特点,这与在冲击过程中围岩中过去形成的一种较为稳定的结构(拱)被打破,并在其外围形成了新的稳定结构(拱)有关;③在模型相同垂直方向位移时,冲击速度低时围岩两帮的开裂深度较大,这说明冲击速度低时应力的传递较为均匀,冲击速度低时的结果(例如,V形坑内岩石碎块涌入巷道)与围岩的片帮类似;冲击速度高时的结果(例如,岩石碎块的弹射现象)与岩爆类似。     

六边形蜂窝芯异面类静态压缩力学行为的仿真分析

目的研究六边形蜂窝芯材异面类静态压缩载荷的数值模拟方法及相关力学行为。方法基于蜂窝单元阵列的方法,构筑了单双壁厚六边形蜂窝芯材异面类静态压缩有限元数值计算模型和分析方法。结果借助于该模拟方法,分析计算了不同结构参数条件下单双壁厚六边形蜂窝芯材的异面变形模式、变形曲线和类静态峰应力值,并绘制了相应的图、压缩力位移曲线和数据表格。结论将计算结果与现有的实验和理论计算结果作对比分析可知,计算结果与已有结果吻合较好,证明了所提出的有限元分析方法的可靠性。     

混凝土SHPB试验的数值模拟

利用有限元分析软件LS-DYNA对混凝土的分离式霍普金森压杆(SHPB)冲击压缩过程进行了数值模拟,再现了混凝土试件在冲击试验过程中的应力波形、应力波震荡现象、应力-应变曲线以及试件的破坏过程,模拟结果与试验实测结果具有较好的类似性。模拟研究还发现:在SHPB冲击试验的过程中,混凝土试件内部应力波经历了多次来回震荡后近似稳定,混凝土试件的破坏稍微滞后于应力峰值,混凝土试件的破坏是从周边脱落开始,最后发展到试件中间。     

纵向超声波辅助微注塑方法

微注塑过程中,聚合物熔体在微小腔体中流动时充模阻力比常规注塑大,这影响了熔体填充效果,同时热量损失的不均衡性和不确定性容易导致注塑精度不高．提出了纵向超声波辅助微注塑方法,并对超声波振动对聚合物熔体的作用机理进行了探讨,分析了超声换能器结构对应力、振幅和响应频率的影响．基于对微注塑过程的模拟结果,开发了纵向超声波辅助微注塑装置．通过在微注塑过程中纵向超声波对熔体的能量作用降低熔体黏度,改善了熔体流动和充填性能．为了验证超声波辅助微注塑的效果,进行了菲涅尔透镜实际注塑实验．实验结果表明,相同的注塑工艺条件下,超声辅助微注塑过程中聚合物熔体的充填性能提高了6．91％．     

A Random Pairing Collision Model (RPCM) for Improving the DEM Simulation of Particle-Bed Collisions in Aeolian Sand Transport

The impact of sand particles with bed is the key process in aeolian sand transport. In this article, the discrete element method (DEM) is embedded to the large-eddy simulation (LES) method for simulating the wind-blown sand two-phase flow. A numerical model is developed to stochastically describe collisions between sand particles and bed within the DEM approach. Statistical features of major simulated motion parameters are undertaken and compared with measured data to verify the model. The probability distribution of the kinetic energy restitution coefficient is normal, and the probability density functions of the impact and lift-off angles are consistent with reported results. The probability density functions of three-dimensional impact and lift-off velocities are addressed in further detail.     

爆破漏斗形成过程的DDA模拟分析

对于块体等非连续介质在外力作用下运动或破坏规律的模拟,有限元(FEM)和离散元(DEM)法有一定的局限性,而非连续变形分析方法(DDA)更适用。本研究中,利用二维DDA对有、无节理面强度两种情况下一半无限域内球形药包爆炸时爆破漏斗的形成过程进行了动态模拟,并对模拟结果进行了分析和比较。结果表明,用DDA法模拟被节理分割的岩体在爆炸载荷作用下块体的运动规律具有独特的优越性,但它还不能模拟爆炸近区的特征。     

ANPyO/LLM-105混晶及其造型粉性能和应用研究

研究了ANPyO与LLM-105混晶及其造型粉的性能和应用。以二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂,采用重结晶法制备了ANPyO/LLM-105混晶,通过扫描电镜、TG、真空安定性、安全性能等测试对ANPyO/LLM-105混晶进行了结构表征和性能表征。结果表明,SEM测试显示ANPyO/LLM-105混晶形状规则,表面光滑。ANPyO/LLM-105混晶的TG曲线图形与ANPyO、LLM-105的TG曲线图形接近。混晶200℃,48 h真空安定性测试放气量为0.21mL/g,撞击感度138 cm,摩擦感度30%,冲击波感度7.0 mm。以F2311为黏结剂,采用水悬浮法制备了混晶造型粉,通过耐热性、爆速、起爆和穿深测试对造型粉进行了性能表征。结果表明,造型粉混合炸药爆速为7 350 m/s(1.75g/cm3);装药压力5.50 MPa,装药密度为1.77 g/cm3时,可被油田导爆索稳定起爆,穿深为142 mm×10.0 mm。总体来说,ANPyO/LLM-105混晶及其混合炸药安全性能和爆炸性能与ANPyO相当,冲击波感度略高于ANPyO。     

Micro-mechanical modeling the densification behavior of titanium metal matrix composites

Vacuum hot pressing has been used for the development of Ti-MMCs using foil–fiber–foil method, and a unified micro-mechanical model has been presented to determine the densification behavior. The effects of processing conditions on the consolidation, together with microstructural evolutions of the materials have been investigated. The explicit representation of fiber array, which is coupled with deformation behavior of matrix materials, is modeled in finite element simulation to determine the effect of geometrical arrangements on densification process. The approach is then used to model the densification behavior of porous plastic materials using the parameters obtained, and comparisons are made with experimental data. As shown by the results, either increasing temperature or pressure leads to increasing densification rate but the conditions should be determined by the precisely controlled geometrical arrangements with processing conditions. Further experimental investigation of the densification behavior of SiC/Ti–6Al–4V composites using thermo-acoustic emission analysis has been performed, and the results obtained are compared with the model predictions. Good comparisons are achieved.     

Discrete element modelling and simulation of sand mould manufacture for the lost foam process

This paper presents a numerical model of mould manufacture for the lost foam casting process. The process of mould filling with sand and sand compaction by vibration are modelled using spherical (in 3D) or cylindrical (in 2D) discrete elements. The motion of discrete elements is described by means of equations of rigid body dynamics. Rigid particles interact among one another with contact forces, both in normal and tangential directions. Numerical simulation predicts defects of the mould due to insufficient sand compaction around the pattern. Combining the discrete element model of sand with the finite element model of the pattern allows us to detect possible distortion of the pattern during mould filling and compaction. Results of numerical simulation are validated by comparison with experimental data. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

浸塑成型中冷却时间的优化

采用数学建模的方法对浸塑成型中制件的冷却过程进行了模拟。通过对浸塑件冷却过程中的传热作合理简化,建立传热过程的扩散方程,并由边界条件的齐次化等数学方法,推导出确定浸塑件冷却时间的计算方程。将方程应用于聚氯乙烯(PVC)浸塑件冷却时间的计算与确定,并对比经验公式做了讨论与分析。结果表明,通过公式计算确定的冷却时间可以减少生产中脱模困难的问题,降低制件的后收缩率,达到优化浸塑工艺和改善制件性能的目的。     

模压工艺对玻璃纤维增强聚丙烯复合材料层合板力学性能的影响

利用热模压工艺制备玻璃纤维增强聚丙烯（GF/PP）复合材料层合板,通过差示扫描量热（DSC）法试验分析,确定相变参数,运用ANSYS有限元分析,将复合材料热力学参数与温度的非线性关系定义到材料特性中,研究模压成型过程中温度场变化情况,为模压成型工艺制度的确立提供理论指导和依据。以压缩强度、层间剪切强度和冲击韧性作为力学性能评价指标,采用响应曲面法探讨和分析制备工艺对GF/PP复合材料层合板力学性能的影响,得到最优模压工艺制备参数,获得最高复合材料层合板力学性能,为GF/PP复合材料自动铺放奠定铺放工艺基础。试验结果表明:模压加热工艺参数对复合材料层合板力学性能的影响度（从大到小）依次为:热压温度、热压时间、热压压力。较优的模压加热工艺参数为:热压温度228℃、热压时间6 min、热压压力1.1 MPa,在此工艺条件下制备的GF/PP复合材料层合板,层间剪切强度为31.12 MPa,压缩强度为100.96 MPa,冲击韧性为2.27 kJ/cm2。      

夹芯结构复合材料构件VARI工艺仿真计算与成型实验

对于大尺寸夹芯结构或复杂形状夹芯结构复合材料的VARI工艺成型过程的模拟仿真计算,如果采用传统的建模方法,则建模困难,模拟仿真计算量大,效率不高。针对此问题,本文提出了一种简单方便的等效建模法。以矩形泡沫夹芯结构复合材料构件的铺层设计为基础,采用等效建模法建立了实体CAD模型和有限元网格模型,并利用PAM-RTM模拟软件对夹芯结构复合材料构件的VARI工艺成型过程进行了模拟仿真计算,结合工艺成型实验进行了实验验证,并对制品的密度、树脂含量和力学性能等进行了测试与表征。结果表明:由等效建模法仿真计算所得理论充模时间与实测充模时间基本一致,且仿真计算所得树脂流动前锋位置曲线与工艺成型实验测试值也比较吻合;VARI工艺成型对夹芯结构复合材料制品性能的分布均匀性有一定影响。