基于流固耦合的水力瞬变三维模拟及管壁动态应力分析

水力瞬变也称为水锤,是由于管道内压力瞬间升高,压力波在管道内以声速传递的现象。紧随着压力波,管壁上产生动态应力,进而导致管道失效。基于ALE流固耦合方法模拟由于阀门突然关闭导致的管道中流体冲击波,并与一维水锤冲击波理论值进行了对比。在此基础上分析了不同约束条件下,距离管道末端一定距离,由于管壁变形和振动而产生的三维动态应力。发现在水锤波传播过该位置一段时间之后,管壁应力才达到最大值,此外管壁周向应力在动态应力中影响是最主要的。     

T型三通管路仿生降噪技术研究

依据仿生学原理将生物结构进行简化后应用到T型通水管路,基于有限元方法对仿生设计前后的T型管的声学模态进行了分析;采用CFD计算流体力学的方法对原管和仿生管进行流场计算;基于自主搭建的循环水管路系统噪声实验平台,测试原T型管原管的流噪声,以验证数值方法的可靠性;采用边界元方法对比分析了仿生织构管路和原管的流噪声。结果表明：与原管相比,仿生织构 T 型管在交界处的高速区域与低速区域面积在整个流体域的占比均减少,仿生织构极大降低了附近的速度梯度,显著抑制漩涡的产生,仿生管的出流段流场也更均匀,从而揭示了T型管仿生织构的降噪机理。较低流速下,仿生管对降低流噪声的改善效果低于1dB,对T型管流噪声的综合影响不大;较高流速下,仿生管降低流噪声接近7dB,综合改善效果十分明显;仿生织构的应用基本不会改变T型管的声学模态,对于仿生管耦合模态的第四阶、第五阶稍有变化,但随着壁面厚度的增加变化逐渐变小;对于流激振动噪声的控制,仿生织构设计仅适用于管壁较薄的T型三通管路,对管壁较厚的T型三通管路的降噪效果不明显。     

AZ31镁合金高应变速率轧制宏微观仿真

本工作通过构建宏观有限元模型和微观动态再结晶模型,对AZ31镁合金在300～400℃、平均应变速率为10～29 s-1的条件下进行高应变速率轧制宏微观模拟.对比实验结果的结论如下:随着平均应变速率的增加,模拟的轧板宽度方向等效应力差值和宏观边裂长度都减小,等效应力差值越大,边裂长度越长,宏观模拟结果与实验一致;采用微观动态再结晶模型、宏观有限元历史加载耦合元胞自动机(CA),模拟AZ31镁合金高应变速率轧制中的动态再结晶过程,微观模拟结果与实验吻合;随着平均应变速率的增加,再结晶越完全,使得应力集中被释放,边裂长度减小.通过建立AZ31镁合金高应变速率轧制多尺度宏微观仿真模型,能够精确模拟仿真高应变速率轧制过程,对镁合金高应变速率轧制的精确控制提供了新的思路.     

管道内冰浆流动压降特性模拟和实验研究

本文采用以颗粒相动力学为基础的Euler-Euler模型,利用FLUENT研究冰浆在水平直管、90°弯管和T型管中的流动压降特性(计算过程不考虑相变)。模拟结果显示,在管道入口处压降较明显,90°弯管拐弯后内侧压力小于外侧,T型管在分流直角拐角处出现压力最高点和最低点。冰浆流动实验发现,冰浆单位压降随流速和含冰率的增加而增大,且3种管型中直管压降最小,T型管压降最大。对比实验与模拟结果,单位压降随流速的变化趋势一致,且误差在20%以内,但在大流速时,模拟值大于实验值。     

SDC99钢淬火过程中应力和组织演变的有限元模拟

为了研究钢铁材料在淬火过程中内部组织和应力的变化,以自主研发的SDC99钢为研究对象,考虑相变潜热的影响,采用有限元方法对偏心圆环的淬火过程进行模拟仿真,并对淬火过程中模型的温度场、应力场和组织场的变化进行分析和研究.结果表明:经实验测定淬火过程中温度场及残余应力的分布与模拟结果吻合较好,偏心圆环上最大残余应力出现在45°及315°位置;模型硬度的分布与其马氏体含量分布趋势一致,模拟的硬度值略小于实测值.     

深冷处理消除铝合金板材残余应力的建模与仿真

介绍了用(热)弹塑有限元技术对铝合金板材深冷处理过程进行建模与仿真的基本原理.基于实验研究探讨了深冷处理数值模拟所需的7075铝合金材料的物性参数.运用ABAQUS6.5有限元软件,对7075铝合金板材深冷处理过程瞬态温度场与应力场进行了数值模拟.数值模拟得到的残余应力值与已发表文献的实验结果比较一致.最后分析了不同厚度铝合金板材的深冷处理应力消除效果.     

圆柱基体热障涂层热冲击下失效的瞬态应力分析

用等离子喷涂方法在合金圆柱体上制备了热障涂层,并用水冷的方法进行了热冲击实验,试样的失效现象为轴向的开裂和剥落.利用有限元分析工具对热障涂层的热冲击进行模拟,通过对涂层内部应力随时间分布的分析发现:热冲击过程中陶瓷层表面的周向应力随着时间由拉转变为压,冷却初期陶瓷层的周向拉应力值较大,超过了陶瓷层的抗拉强度,因而淬冷初期的周向应力是导致轴向裂纹萌发的主要原因;陶瓷层与粘结层接触面上的径向拉应力与粘结层的氧化生长引起界面开裂;轴向裂纹和界面开裂共同导致陶瓷层的剥落.     

基于单胞模型复合材料性能预测的储液容器抗冲击性

基于复合材料的性能预测, 对空投柔性储液容器的抗冲击性和动态响应进行了研究。针对该类材料结构具有周期性的特点, 在单胞有限元模型基础上, 应用周期性边界条件加载方法, 通过数值模拟预测了复合材料的宏观性能和力学参数。以此为基础, 采用基于任意拉格朗日欧拉(ALE)描述的流固耦合方法, 通过数值仿真研究了装水量80%(体积分数)的柔性容器空投冲击的动态响应, 并将获得的结果与物理实验进行了对比, 证明了本文中采用的性能预测方法、 有限元模型和流固耦合技术的合理性和有效性。      

无铅焊点在跌落冲击载荷下动态特性研究

针对JEDEC标准板的局限性,设计一种圆形PCB,建立其三维有限元模型,运用ABAQUS有限元分析软件对设计板在跌落冲击载荷下的动态特性进行模拟仿真,找到封装中焊点的薄弱环节,得出焊点的应力状况与PCB板的挠曲变形存在一致的对应关系,验证PCB板在跌落冲击过程中弯曲振动导致的交变应力是焊点破坏的原因.     

无铅焊点在跌落冲击载荷下动态特性研究

针对JEDEC标准板的局限性，设计了一种圆形PCB，建立了无铅焊点三维有限元模型，运用ABAQUS有限元分析软件对设计板在跌落冲击载荷下的动态特性进行模拟仿真，找到了封装中焊点的薄弱环节，得出焊点的应力状况与PCB板的挠曲变形存在一致的对应关系，验证了PCB板在跌落冲击过程中弯曲振动导致的交变应力是焊点破坏的原因。     

Stress intensity factors for long axial surface cracks at the outer wall of a pipe loaded by stress gradients

By means of the finite element method crack opening displacements were calculated for long axial surface cracks at the outer wall of a pipe. The wall thickness to inner radius ratio of the pipe was 1 to 10. Following a procedure introduced be Mattheck et al. weight functions were evaluated by means of the finite element results. Using these weight functions it is possible to calculate stress intensity factors for arbitrary radially varying stress distributions. In this paper stress intensity factors were evaluated for a constant hoop stress loading as well as for stress distributions with a linear and a quadratic dependence on the radius.     

动态镦粗过程的动力显式有限元分析

为了研究金属的三维动态锤锻成形过程,基于连续介质力学及有限变形理论,建立了一种有限元模型.采用动力分析方法,在运动方程中加入惯性力项考虑锤锻中显著的惯性效应;根据设备的工作原理按照能量守恒定律计算变形期间的锤头速度;同时,将变形视为一个绝热过程计算变形期间试样内部的温度升高.基于建立的模型开发了动力显式有限元分析程序,模拟了铅块试样在落锤打击下的动态镦粗过程,给出了试样内部的位移、等效应变、等效应力和温度分布规律.将变形后试样几何形状、成形载荷-时间曲线和锤头速度-时间曲线的计算结果与实验结果相对比,表明了开发程序计算结果的准确性.     

不同起爆方式对水下深孔爆破危害效应影响的数值模拟

文章以连续介质力学和动力非线性有限元理论为基础,推导炸药、水底介质和水的多物质ALE(multi-material arbitrary lagrangian eulerian)控制方程,采用多物质ALE算法模拟了水下深孔爆破产生的水中冲击波、水底介质中应力波及爆破振动传播过程,并模拟了装药不同位置起爆时对爆破危害效应的影响。不同起爆方式产生水中冲击波由小到大的顺序为:顶端起爆,两端起爆,中间起爆,底端起爆;而爆破振动由小到大的顺序为:底端起爆,中间起爆,顶端起爆。     

基于ALE的大型输水隧道地震动响应并行数值分析

提出基于ALE （Arbitrary Lagrangian-Eulerian）方法的输水隧道地震动响应并行数值分析方法,采用ALE方法模拟内水和隧道的相互作用,提出基于耦合负载均衡的并行计算方法加快求解速度,采用显式中心差分法完成方程求解。针对某大型输水隧道,建立内水-隧道-土体耦合的全三维数值模型,分析其在非一致地震激励下的动力响应。模型中考虑材料非线性、接触及流固耦合非线性等实际情况,并采用PML （Perfectly Matched Layer）建立人工边界模拟无限区域。在曙光5000A超级计算机上,利用所提方法,完成该大规模非线性问题的求解。通过与附加质量法对比,验证ALE方法模拟内水-隧道耦合的可行性;分析输水隧道地震激励下的应力及变形情况;讨论内水量及变形缝对隧道动力响应的影响;分析并行计算效率。结果表明：环向应力较大值出现在靠近工作井的截面,隧道结构满足强度要求;隧道截面变形量处于安全范围内;满水隧道较空隧道承受更大应力;变形缝可以降低隧道的动力响应;所提并行计算方法可以获得较好的并行效率。     

一种改进型方钢管柱与钢梁连接节点抗震性能研究

该文主要讨论了一种改进型方钢管柱与钢梁连接节点的抗震性能。通过对3个试件进行低周反复荷载试验,研究了是否采用T型件和梁截面高度比两个设计参数对节点域剪切承载力和变形能力的影响。在试验基础上,采用MSC.Marc 2012有限元软件进行了数值模拟分析,有限元模型能够较好地模拟试验试件的各项性能。试验和有限元分析结果表明：改进型高低梁柱异型节点试件应力集中主要发生在T型连接件与梁2的焊接处;虽然两种节点各部分的变形分担率十分接近,但改进型高低梁柱异型节点的剪切承载力和耗能能力分别提高了20%和200%。文末提出了T型连接装置的计算模型和设计方法,为今后实际工程应用提供了参考依据。     

Dynamic response of flexible container during the impact with the ground

In order to understand and improve the crashworthiness of airdropped flexible containers, this paper presents the work of numerical simulations about the dynamic behaviour of the container under impact loading. A finite element model of the container is constructed and used to predict the dynamic response of the container. Water movement and sloshing in the container are modelled using the multi-material ALE method; interaction between the container and the fluid is studied by the penalty method. Mechanical properties of the fabric composite are obtained by applying periodic boundary conditions on the unit cell model. Numerical results are compared with experiment data for the validation of the model and the approaches. With a range of system parameters, numerical tests show that the shoulder of the container is the most vulnerable part during the impact. Both the drop heights and the amount of water have great effects on the crashworthiness of the container. The maximum dynamic stress of the container is proportional to the drop height. The amount of water in the container influences the failure of the container.     

基于混合模型方法的大型输水隧道水锤冲击响应数值分析

针对大型输水隧道水锤分析响应分析中由于超大计算规模和非线性强流-固耦合计算造成的数值计算困难,该文提出将混合模型方法应用到大型衬砌输水隧道水锤冲击响应的数值模拟中,通过该方法不仅可以得到输水隧道全程水锤压力,也可以得到关键区域衬砌环管片结构响应。模型中流场部分通过FLUENT计算得到流场节点压力和速度,然后通过初始条件或边界信息施加到结构部分进行LS-DYNA计算,水锤计算时流-固耦合通过基于ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)描述的罚函数实现。该文对上海某大直径双线输水隧道在水锤作用下的结构响应进行了分析,结果呈现了水锤压力在长距离输水隧道内的传播以及对衬砌结构的影响。     

Consistent arbitrary Lagrangian Eulerian formulation for large deformation thermo-mechanical analysis

Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) method is widely used for simulation of large deformation problems, such as metal forming. However, in many such applications, modeling of the heat generation and transfer in conjunction with the stress analysis is necessary. In this work, a fully coupled dynamic ALE formulation is developed. The ALE form of energy balance equation is derived, and is coupled with the dynamic, rate dependent ALE stress analysis. The proposed formulation is used for simulation of a few thermo-mechanical problems. The effectiveness and efficiency of the ALE method is verified by comparing the results of this simulation with available experimental and numerical results.     

Structural integrity analysis of HDPE pipes for water supplying network

A problem of reliability of polymer pipes manufactured with the high‐density polyethylene (HDPE) for drinking water supply was considered. The safety of the pipelines network was analyzed with taking into account two main factors: arising of sudden overpressure (water hammer phenomenon) and presence of defects on pipe surface. Based on elastoplastic fracture mechanics and using of J‐integral approach, the numerical model of cracked pipe was developed and verified by direct experimental test. The formula for calculation of crack initiation pressure, which is the function of pipe size and size of external surface defect, was derived. The validity of this relation was proved for pipes of diameter 450 to 800 mm. It was also shown that the pressure peaks of the water hammer phenomenon are quickly damped because of the high deformability of the polyethylene pipes and the defect depth that is equivalent to 40% of pipe wall thickness can be considered as acceptable. The applicability of developed tools was demonstrated under analysis in the real state of South Tunisian water supply network.