基于FEM／SPH耦合的高压水射流扩孔效果分析

高压水射流加工技术在精密零件加工中的应用研究摘要：高压水射流加工技术是一种非传统的加工方法，在精密零件加工领域具有广泛的应用前景。

本文通过对高压水射流加工技术的原理、特点以及在精密零件加工中的应用进行深入研究，探讨了其在精密零件加工中的优势、局限性以及存在的问题，并提出了进一步研究和发展的方向。

1. 引言随着现代制造技术的不断发展，对精密零件加工精度要求的提高，传统的加工方法已经难以满足需求。

高压水射流加工技术作为一种新型的加工方法，以其无热影响区、无机械应力集中、无表面裂纹等特点，在精密零件加工领域引起了广泛的关注。

本研究旨在探讨高压水射流加工技术在精密零件加工中的应用研究，为提高零件加工质量和效率提供科学依据。

2. 高压水射流加工技术的原理与特点高压水射流加工技术是利用高速注入的水流作为切削工具，通过调节流量和压力来控制切削效果。

其原理主要包括切削力、流态力、热效应和材料去除效应等。

在精密零件加工中，高压水射流加工技术具有以下特点：1) 高效性：高压水射流加工技术可以在短时间内完成零件的加工，提高生产效率；2) 高精度：由于水射流加工过程中无接触切削，避免了机械变形和振动，能够保证零件加工的高精度；3) 环保性：高压水射流加工不产生有害气体和固体废料，对环境友好。

3. 高压水射流加工技术在精密零件加工中的应用3.1 轴类零件加工高压水射流加工技术在轴类零件加工中发挥了重要的作用。

由于轴类零件通常存在几何形状复杂、尺寸精度要求高等特点，传统的加工方法难以满足要求。

通过对高压水射流加工参数进行优化，可以实现对轴类零件的精密加工，提高加工效率和零件质量。

3.2 零件表面处理高压水射流加工技术在零件表面处理中具有独特的优势。

通过调节水射流的压力和流量，可以控制水射流对零件表面的冲击力和切削效果，实现去除表面污垢、清洁锈蚀、增加表面粗糙度等目的。

同时，由于高压水射流加工不产生热影响区，可以避免零件表面的烧伤和变形，保持零件的精密度。

金属基于FEM和SPH的切口过程的数值仿真和分析**********************************摘要——通过使用有限元法和SPH，在金属材料的切削过程模拟和切割机制耦合方法中对其结构进行了分析。

仿真结果表明，切削过程是一个塑性变形的过程，切削层材料由于刀具的挤压产生剪切滑移，产生挤压和摩擦，切割形成的冷却表层材料，是受塑性变形力的结果，形成残余应力;切削力迅速增大后减小，最终变化在一定范围内，最大有效应力在一定范围内处于不同的稳定切削阶段的最前沿。

关键词：金属切削;数值模拟，有限元法; SPH方法.I.导言金属切削过程是一个复杂的加工工艺。

它不仅涉及到弹性，塑性和断裂力学，而且涉及到摩擦学和热力学。

切割质量受许多因素影响，如工具的形状，切削参数，切削热，切削刀具磨损等[1]。

这是个非常不理想的定量分析和研究分析方法的削减机制。

它浪费了实验检错工时，增加生产成本。

作为金属切割新的研究方法，机制，计算机模拟方法更简便，高效。

其中，有限元方法是使用最广泛的金属切削仿真方法，并得到了一些重大的成就[2，3]。

有限元方法是一种网格方法。

分离的标准和断裂准则的芯片要人为地设置在金属切削模拟过程中，或在切削变形区的网格中将被扭曲。

这是不完全符合实际情况的一种方法。

无网格法的发展提供了一个问题的有效解决方案。

光滑粒子流体动力学（型号为SPH）是一种成熟的无网格方法。

仿真模型建立与SPH离散粒子的产生，在这么大金属切削变形过程中可有效解决[4-6]。

在连续介质的机械变形仿真中，有限元法的效率比SPH高，但不如在仿真过程中涉及到大变形，不连续的媒介。

因此，文件模拟金属切削基于LS - DYNA中的软件程序进行有限元方法和SPH耦合。

它补充了单一方法的缺点。

II.基本原则的SPH方法在SPH中，仿真模型建立离散粒子。

粒子的质量在固定的坐标系统中是固定的。

因此SPH方法类似于拉格朗日方法。

它的基本方程，也是能量守恒方程和固体材料本构方程。

基于SPH-FEM耦合算法的磨料水射流破岩数值模拟林晓东;卢义玉;汤积仁;敖翔;张磊【摘要】磨料水射流破岩是一个涉及诸多因素的非线性冲击动力学问题。

针对磨料水射流破岩过程的复杂性以及有限元分析法在处理超大变形问题时存在的网格畸变问题，基于光滑粒子（SPH）耦合有限元（FEM）的方法模拟了磨料水射流破岩过程，并结合模拟结果分析了在磨料浓度30％不同速度磨料水射流作用下岩石的损伤范围。

其中磨料水射流采用SPH算法模拟，并通过修改关键字文件实现水与磨料两种不同组分，岩石采用H-J-C累计损伤模型。

研究表明：岩石冲蚀坑首先成漏斗状，随着冲蚀坑不断加深，最终形成“V”形剖面和圆形截面组成的“子弹”体；损伤值由冲蚀坑沿径向方向向外急剧减少，岩石的损伤半径与冲蚀坑半径随着射流速度减小而减小，两者之比在1．8-2．2之间。

计算结果与相关文献基本吻合，为研究磨料水射流破岩提供一种研究的方法。

%The process of rock breaking with abrasive water jet (AWJ)is a nonlinear impact dynamic problem involved in lots of factors.Aiming at the complexity of the process and the mesh distortion problem in dealing with large deformation problems using the finite element method (FEM),the process of rock breaking with AWJ was simulated here based on the coupling algorithm of smoothed particle hydrodynamics (SPH)and bined with the simulated results,the scope of rock damage under 30% concentration of AWJ at different speeds was analyzed.In the analysis process,AWJ was simulated with SPH,the two different combinations of water and abrasive were gained by editing a keyword file,the rock was simulated with FEM using HJC cumulative damage model.The results showed that the rockcrushing pit has a funnel shape firstly,with the erosion pit deepened,a "bullet"body is formed with a V-shaped cross-section and a circular cross-section ultimately;during this process,erosion damage decreases sharply from the pit in the radial outward direction;besides,rock erosion damage radius and the erosion pit radius decreases with decrease in jet velocity,and the ratio between them is within 1 .8$2.2.The simulated results were basically consistent with those in the relevant references.The results provided a study method for rock breaking with AWJ.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2014(000)018【总页数】7页(P170-176)【关键词】磨料水射流;破岩;SPH-FEM耦合;损伤【作者】林晓东;卢义玉;汤积仁;敖翔;张磊【作者单位】重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400030; 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆 400030;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400030; 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆 400030;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400030; 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆 400030;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400030; 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆 400030;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400030; 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆 400030【正文语种】中文【中图分类】TD311磨料水射流是磨料与高速流动的水，或者与高压水互相混合而形成的液固两相介质射流，因其切割破碎作业效率高、作业过程没有热反应区、不发生化学反应等优点，被广泛运用在石油化工、机械加工、采矿、隧道开挖等行业中［1－4］。

基于SPH与FEM的结构入水分析方法作者：李上明来源：《计算机辅助工程》2018年第05期摘要：建立基于光滑粒子动力学（smoothed particle hydrodynamics， SPH）、有限元法（finite element method， FEM）和无反射边界耦合的结构入水分析方法，将无限水域利用无反射边界条件截断成有限水域，将有限水域分为流体变形大的SPH区域、流体变形小的FEM区域和声学流体FEM区域，结构用FEM离散。

采用通用接触算法模拟SPH与FEM的耦合，采用声固耦合方法处理FEM区域之间的耦合，建立流固耦合的SPH-FEM分析方法。

该方法结合SPH模拟大变形的优点和FEM的高效性，可实现含自由液面变形、液体飞溅和无限水域等特点的流固耦合问题的模拟，为结构入水分析缩小离散区域、降低自由度和SPH粒子数等提供一种有效的分析方法。

关键词：入水；流固耦合；SPH；SPH-FEM耦合中图分类号：O353.4；TB115.1文献标志码：B0 引言飞机水上迫降、返回舱水上回收等问题均可认为是结构入水问题。

结构入水常面临局部损坏、器件失灵、姿态失控等问题。

随着现代军事和航空、航海领域的发展，结构入水受到越来越多的关注。

随着计算机性能的提高和数值计算方法的发展，数值方法已成为模拟结构入水过程的主要手段之一。

张岳青等[1]利用基于有限元网格和ALE算法的流固耦合算法进行飞船返回舱入水分析，杨衡等[2]利用有限元与势流理论分析结构入水过程及其载荷情况。

与有限元网格类方法相比，光滑粒子动力学（smoothed particle hydrodynamics， SPH）方法[3]因其能有效模拟大变形、界面跟踪问题，可避免网格畸变等优点，被广泛应用于结构入水问题中。

OGER等[4]应用弱可压缩SPH方法模拟研究楔形体入水问题，分析结果逼近解析解和试验值。

SHAO[5]应用不可压缩SPH方法模拟结构入水问题。

高压水射流加工机床的加工能力与工艺优化研究引言：近年来，高压水射流加工作为一种非传统的加工方法，逐渐受到了工业界的广泛关注。

高压水射流加工机床凭借其独特的特点，具有高速、高精度、高效率、无热影响等诸多优势，被广泛应用于模具制造、航空航天、汽车制造等领域。

本文将对高压水射流加工机床的加工能力与工艺优化进行研究，以期为加工行业提供技术支持。

一、高压水射流加工机床的加工能力高压水射流加工机床是一种利用高速射流水流冲击工件材料的非传统加工方法。

其加工能力主要体现在以下几个方面：1. 高速加工能力高压水射流加工机床通过高速喷射的水柱，能够达到高速加工的要求。

与传统机床相比，高压水射流加工机床可大大提高加工效率，缩短加工周期，特别适用于对加工时间要求较高的工件。

2. 高精度加工能力高压水射流加工机床通过调节喷头形状、加工参数等因素，可以实现高精度的加工。

伴随着技术的不断发展，现代高压水射流加工机床的加工精度已经达到亚毫米级别，满足了不同行业对于精度的要求。

3. 复杂形状加工能力高压水射流加工机床的加工过程不受工件形状的限制，能够对复杂形状的工件进行加工。

尤其在模具制造领域，高压水射流加工机床能够精确地加工出复杂的模具零件，提高了模具制造的效率和质量。

二、高压水射流加工机床工艺优化研究1. 工艺参数的优化高压水射流加工机床的效果与加工参数密切相关，因此，对于工艺参数的优化研究十分重要。

首先要确定合适的水射流压力、射流速度、喷嘴直径等参数，以保证加工质量和效率的平衡。

此外，还可以通过调整喷嘴与工件的距离、运动轨迹等参数，进一步优化加工效果。

2. 加工材料的选择与匹配不同材料的工艺性能差异较大，因此，在进行高压水射流加工之前，需要对加工材料的特性进行充分了解，并选择合适的加工方法。

对于不同材料，可以针对其特点，调整加工参数，改善加工效果。

此外，还可以通过工艺先进性材料的开发，进一步提高加工质量与效率。

3. 辅助工艺的引入为了进一步优化高压水射流加工机床的工艺，可以引入一些辅助工艺。

高压水射流加工技术在新能源设备加工中的应用分析现如今，随着环境保护和可持续发展的要求日益增加，新能源设备的需求量也呈现出快速增长的趋势。

而在新能源设备制造过程中，高压水射流加工技术作为一种绿色环保、高效能的加工方式，逐渐受到了广泛关注和应用。

高压水射流加工技术是利用高速、高压的水流通过细小喷嘴喷射到工件表面，通过水流的冲击力和剪切力来实现对工件的切削、清洗、抛光等加工过程。

相比传统的机械切削加工方式，高压水射流加工技术具有以下几个显著特点：首先，高压水射流加工技术具有高加工效率和高精度的特点。

在加工过程中，高压水流的速度和压力可以根据需要进行调节，能够实现对不同材料的快速切削和加工。

与传统加工方式相比，高压水射流加工技术无需刀具，避免了刀具磨损造成的加工精度降低问题，同时还能够减少工件变形和热影响区域的产生，提高了加工精度和表面质量。

其次，高压水射流加工技术具有较好的环境适应性和安全性。

水在自然界中广泛存在，是一种可再生资源，因此高压水射流加工技术不会对环境造成污染。

与传统的机械加工方式相比，高压水射流不会产生金属屑、废液等工业废料，确保了工作环境的清洁和安全。

再次，高压水射流加工技术适用范围广泛。

该技术可用于加工金属、陶瓷、玻璃、塑料等多种材料，不受材料硬度、脆性等因素的限制。

同时，高压水射流还能够实现复杂形状和小孔洞的加工，满足了新能源设备复杂结构和特殊要求的加工需求。

基于以上特点和优势，高压水射流加工技术在新能源设备加工中得到了广泛应用。

具体而言，高压水射流加工技术主要应用于以下几个方面：第一，太阳能电池板加工。

太阳能电池板是一种利用光能转化为电能的设备，其表面需要具有一定的光学反射和透光性能。

高压水射流加工技术可以通过调节水射流的速度和压力，对太阳能电池板的表面进行微米级的切削和抛光，提高其表面平整度和光学性能，从而提高太阳能电池的发电效率。

第二，风力发电设备加工。

风力发电设备中的关键部件如叶片、齿轮等，通常需要具有较高的强度和表面质量。

高压水射流加工技术在复杂曲面零件加工中的应用研究摘要：高压水射流加工技术是一种非常有效的加工方法，它可以应用于复杂曲面零件的加工中。

本文将介绍高压水射流加工技术的基本原理、加工方法以及其在复杂曲面零件加工中的应用研究。

研究表明，高压水射流加工技术在复杂曲面零件加工中具有多种优点并且能够获得良好的加工效果。

1. 引言复杂曲面零件在现代制造业中应用广泛，但是它们的加工难度相对较高。

传统的加工方法很难满足复杂曲面零件的精度和表面质量要求。

高压水射流加工技术因其高加工效率、低热影响、无损伤和环保特性被广泛应用于复杂曲面零件加工。

2. 高压水射流加工技术的基本原理高压水射流加工技术利用了水的高速喷射流动产生的动能来破坏工件表面的原材料结构，实现对工件进行切割、修整和打孔等加工。

高压水射流通过射流速度和流量的调节，可以实现对不同材料和不同形状的零件进行加工。

3. 高压水射流加工技术的加工方法高压水射流加工技术可以采用直流射流和旋转射流两种加工方法。

直流射流是指水射流直线喷射到工件表面进行加工，适用于表面切割和粗加工；而旋转射流是指水射流通过喷嘴的转动喷射到工件表面进行加工，适用于复杂曲面零件的细加工和修整。

4. 高压水射流加工技术在复杂曲面零件加工中的应用研究4.1 表面修整与抛光高压水射流加工技术可以通过调节射流速度、射流角度和工件与喷嘴的距离，实现对表面不规则部分的修整和抛光。

研究表明，高压水射流加工技术可以获得良好的表面质量和高精度的加工效果。

4.2 孔洞加工高压水射流加工技术可以通过选择合适的喷嘴和调节水射流的参数，实现对复杂曲面零件的孔洞加工。

研究发现，高压水射流加工孔洞时具有优异的穿透能力和加工效率，并且不会产生开裂和弯曲等缺陷。

4.3 切割加工高压水射流加工技术在复杂曲面零件的切割加工中也具有广泛的应用。

通过调节水射流的速度和压力，可以实现对材料的有效切割。

研究表明，高压水射流切割零件的切口干净整齐，没有残留物和变形。

含预制孔容器内爆问题的FEM-SPH耦合算法模拟
胡廷勋;胡德安
【期刊名称】《振动与冲击》
【年(卷),期】2018(037)003
【摘要】考虑带预制孔容器内空气的影响,采用三维FEM-SPH自适应耦合算法程序对含预制孔容器在内爆载荷作用下的动态响应过程进行了模拟,与实验所得到的破坏特征参量吻合.同时也用LS-DYNA软件中ALE算法得到的计算结果与FEM-SPH自适应耦合算法得到的结果进行比较,进一步分析了FEM-SPH自适应耦合算法的有效性.FEM-SPH自适应耦合算法能够稳定再现内爆载荷作用下含预制孔容器的爆炸鼓包过程、预制孔毁伤破坏过程以及容器内空气运动过程,可以为容器内爆问题的数值模拟研究提供有效途径.
【总页数】7页(P210-216)
【作者】胡廷勋;胡德安
【作者单位】湖南大学特种装备先进设计技术与仿真教育部重点实验室,长沙410082;湖南大学特种装备先进设计技术与仿真教育部重点实验室,长沙410082【正文语种】中文
【中图分类】TH123=.3
【相关文献】
1.FEM-SPH耦合算法模拟铝液粒化的动态过程 [J], 徐啸雄;苍大强;刘晓明;李宇;宗燕兵
2.基于FEM-SPH耦合算法的船舶破冰数值模拟 [J], 胡昕;詹成胜
3.一种自适应轴对称FEM-SPH耦合算法及其在高速冲击模拟中的应用 [J], 肖毅华;胡德安;韩旭;杨刚
4.中心内爆引起的圆柱壳流固耦合问题数值模拟 [J], 张亚军;徐胜利
5.单轴压缩下含预制孔花岗岩试样破裂过程数值模拟 [J], 施洪良;李世珺;姜洪波因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

爆炸荷载作用下大型箱涵安全性的SPH-FEM耦合分析崔溦;卢珊珊;宋慧芳;张社荣【摘要】The response of underground structures to blast loading is an important topic in civil engineering. A fully coupled SPH-FEM numerical analysis technology was used to simulate the response of a large-scale box culvert under blasting load, in which SPH method was adopted to model the great deformation of near field soil, while FEM was used to model the far field soil and structure response. The results show that the coupled SPH-FEM analysis technology can achieve calculation accuracy and efficiency, and the simulation results present formation of crater and propagation process of impulse wave. There is an obvious difference in stress and deformation of box culvert under different locations of detonation. Especially at the central position of wall, there is an obvious effect of soil flow on reload and change of stress under different locations of detonation.%爆炸冲击荷载对地下结构物影响是工程界关注的重点问题.采用SPH与FEM耦合的数值分析技术,SPH法用于模拟爆破近域的土体大变形,FEM法用于模拟远场土体和结构物响应,研究了爆炸冲击荷载对大型输水箱涵安全性的影响,研究结果表明:SPH与FEM耦合分析技术可以满足计算精度与计算效率要求,计算结果较好地揭示了爆坑形成和冲击荷载的传播过程；不同爆炸位置下箱涵受力和变形存在较大差异,尤其是边墙中间位置,受土体变形流动影响,不同爆炸位置会引起明显的二次加载和拉压变化.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2012(045)009【总页数】7页(P838-844)【关键词】大型箱涵;爆破;SPH-FEM耦合技术;响应【作者】崔溦;卢珊珊;宋慧芳;张社荣【作者单位】天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072【正文语种】中文【中图分类】TU472.9地下结构物的安全性是工程界关注的重要问题．以南水北调中线工程的大型输水箱涵为例，其单孔净尺寸达到4.4,m×4.4,m，一旦受到损坏，将直接影响到沿线20多座大中城市的用水安全．爆炸冲击荷载作用下，地下结构物的响应与地面结构物有很大不同，其最主要的差别在于必须考虑土与结构物的相互作用．虽然修正后的单自由度分析方法可以近似考虑这种相互作用，但在模型建立、参数选择以至计算结果上都存在较大复杂性和不确定性[1]．数值分析方法可以精确模拟爆炸冲击下地下结构物的响应，但现有的研究方法，无论是有限元、有限差分还是它们之间的耦合算法，一般将爆破过程与结构物响应割裂开来，直接将爆破荷载以压力的形式施加到结构物上，其计算精度难以得到保证[2-3]．精确模拟地下结构物爆破响应的主要难点在于数值模型必须包含药包周围的大变形土体与地下结构物的复杂体型，且要在计算精度与计算效率上都能满足工程要求[4]．笔者以 SPH法模拟药包周围土体，以拉格朗日有限元法模拟复杂结构物，通过二者之间耦合研究大型输水箱涵在爆破荷载作用下的响应，以为工程设计与维护提供一定参考．1 SPH与FE耦合算法在采用常规有限元方法分析爆炸引起的大变形问题时，由于网格的剧烈扭曲经常会导致计算困难，为了克服这种困难，光滑粒子流体动力学(SPH)作为一种重要的无网格法得到了较为广泛的应用[5]．SPH法把连续的物理量用多数粒子的集合来进行插值求解，连续体的运动用有限数量的粒子运动来离散化，由于没有使用网格，因此不会发生界面变形大所引起的计算溢出问题．计算空间导数时不需要使用任何网格，而是通过一个称为“核函数”的积分核进行“核函数估值”近似，将流体动力学基本方程组转换成数值计算的SPH方程，整个流场离散成一系列“粒子”，所有力学量(密度、速度、压力、内能等)由这些粒子负载，这些粒子可以按计算公式，亦即按流体动力学运动的规律任意地运动．在 SPH法中，每个粒子 I与在和它相距给定距离范围内(一般假定为2,h，h为光滑长度)的其他所有粒子J发生相互作用．SPH法要引入一个特殊函数W(x-x′,h)作为核函数，场函数经过核函数“光滑化”再在整个求解域上积分，便得到了场函数的核估计．对场函数 f，其核估计表示为式中x和x′均为位置矢量．图 1给出了核估计的基本概念．细节问题可参见文献[6]．SPH法在模拟复杂体型的类似于墙的结构物时，由于相对于结构尺寸时墙体厚度较小，也就需要较小颗粒和时间步长，在计算效率与精度上，该方法受到一定限制．采用SPH与FE耦合技术，在材料小变形和结构复杂区域采用有限元模拟，在爆炸近域采用SPH模拟，可以克服上述缺点，并保证计算精度．SPH颗粒和FEM网格有2种耦合方法，一种是通过可以相对滑动的接触面连接，另一种则是固接．在本次分析中，由于SPH颗粒和FEM网格的交界面位于土介质内，颗粒与网格之间不存在相对变形而固接在一起，因此根据运动方程，其他颗粒传递到交界面颗粒上的力与有限元网格传递到交界面颗粒上的力相同．图 2给出了 SPH粒子与传统拉格朗日有限元网格之间的固结耦合关系．图1 SPH法的核估计Fig.1 SPH approximation图2 SPH与FEM的耦合关系Fig.2 Coupling of SPH and FEM2 材料模型2.1 TNT冲击波是爆破过程的重要特征．在本次研究中，炸药状态方程用JWL(Jones-Wilkins-Lee)方程来描述．JWL状态方程可表示为式中：v为比容，1/vρ=；e为比内能；1C、1r、2C、2r和ω为常数，且对于常规爆破来说，它们的数值可以由动力试验来确定．本次数值分析所用 TNT的材料参数如表1所示．表1 炸药的材料参数Tab.1 Material parameters for TNT密度/(g·cm-3) 爆速/(m·s-1) ω C1/kPa R1C2/kPa R2比能/(kJ·m-3) C-J压力/kPa 1.63 6.93×103 0.35 3.737,7×108 4.15 3.734,71×106 0.9 6×106 2.1×107 2.2 土土用冲击状态方程和基于 D-P准则的弹塑性模型来描述，并定义其拉伸极限．对于冲击荷载，即使在冲击速度约 2倍于初始声速 0c和冲击压力达到 100,GPa 量级的情况下，Rankine-Hugoniot状态方程都可以表示为采用 D-P准则和拉伸极限来描述土的强度特性．为了避免土的剪胀问题，采用非关联的流动法则，其塑性势函数定义为式中Y为屈服极限．本次数值分析采用土体的具体参数如表2所示．表2 土的材料参数Tab.2 Material parameters for soil密度/(g·cm-3) 剪切模量/kPa 黏聚力/kPa Φ/(°) Gruneisen gamma系数c0/(m·s-1) S 1.92 2.2×105 100 15 0.11 1.614×103 1.52.3 混凝土冲击荷载下混凝土响应是一个复杂的非线性和率相关过程，在目前分析中，以RHT模型应用最多，RHT模型可以分为强度模型和状态方程模型2部分[7]．对于压碎材料来说，强度模型主要包括弹性极限函数、破坏函数和残余强度函数3部分．在硬化阶段之后，混凝土塑性应变导致的材料损伤和强度降低表示为在该模型中，状态方程采用 P-α模型描述，其主要假定是在相同的压力和温度条件下，多孔介质材料的比内能和相同密度实心材料是一致的，该模型重点关注高应力下的混凝土性态，但同时也可以提供低应力状态下压缩过程的合理描述．混凝土模型的主要参数如表3～表5所示.表3 混凝土的RHT模型物理参数Tab.3 Physical parameters for RHT model of concrete初始密度0ρ/(g·cm-3)基准密度sρ/(g·cm-3) 比热容cV/(J·(kg·K)-1)2.3×103 2.75×103 6.54×102表4 混凝土的RHT模型强度参数Tab.4 Strength ntensity parameters for RHT model of concreteA N n1n2min fε 1D 2D tf/MPa cf/MPa 1.6 0.61 0.036 0.032 0.01 0.04 1.0 3.5 35表5 混凝土的RHT模型状态参数Tab.5 State parameters for RHT model ofconcret eA/MPa 2A/MPa 3A/MPa 1T/MPa 2T/MPa n 1 3.5×1043.9×104 9×103 3.5×104 0 3.02.4 钢筋在本次分析中，钢筋采用率相关的John-Cook弹塑性模型模拟．屈服应力表示为在本次分析中，直接将钢筋和混凝土单元共结点连接，钢筋材料参数如表6所示．表6 钢筋材料参数Tab.6 Parameters used for reinforcement steel bar密度/(g·cm3) 弹性模量/kPa 比热容Vc/(J·(kg·K)-1) 剪切模量/kPa 0Y/MPaB/MPa C n m roomT /K meltT /K 7.9 2.0×108 4.5×102 8.2×107 3.5×102 2.75×102 0.022 0.36 1.0 3.0×102 1.8×1032.5 接触面模型根据 Huck的试验成果，当土与结构物的接触面比较粗糙时，接触面应力超出土的最大剪应力时发生破坏，且高压力时接触面的强度特性与土体属性非常接近[8]．基于上述原因，本次分析将土与混凝土箱涵之间接触面按完全连接考虑．2.6 边界条件为满足辐射条件，数值模型中土为透射边界．透射边界条件允许应力波通过物理边界传输而没有反射[5]．假定边界的法向速度矢量为 un，边界处压力 p采用计算式如下：式中：pref 和 uref 分别为相关压力和速度分量；I为材料阻抗．3 数值模型图3给出本次分析的SPH-FEM耦合模型，考虑无水工况，模型共包含钢筋混凝土箱涵、土体、炸药3种介质，并近似按二维轴对称平面应变问题分析．炸药及周边土体采用 SPH模拟，箱涵及周边土体采用FEM模拟，为了提高计算效率，近炸药及箱涵周边土体 SPH和 FEM 网格较密，距离较远则网格逐渐稀疏，FEM网格大约8万个，采用二维四结点平面单元，高斯积分法；SPH粒子大约2万个．图3 SPH-FEM耦合模型Fig.3 SPH-FEM coupled model图 4给出本次分析模型的具体尺寸及计算中监测点的位置．TNT质量为 80,kg，埋深为 d(1,m，2,m)，距箱涵最小水平距离为 h(6,m，8,m)．箱涵单孔净尺寸为4.4,m×4.4,m，钢筋布置及其他尺寸如图4所示，钢筋保护层厚度为50,mm．图4 模型布置Fig.4 Configuration of model4 结果分析4.1 爆坑形成图 5给出不同埋药深度下土中爆坑形成过程．从图 5中可以看出，随着埋药深度的增加，爆坑形态发生明显变化，并逐渐由可见爆坑向爆腔过渡．数值模拟很好地揭示了爆破鼓包的运动过程和表面土体的层状剥离现象．在埋药深度1,m情况下，以抛掷爆破为主，形成爆坑最大直径约为 3.8,m．在埋药深度2,m情况下，以松动爆破形式为主．在地面形成比较明显的松动破坏区，主要为自由面的反射拉伸波所引起，最大空腔直径约为 4.2,m．根据Henrych[9]针对不同属性土、不同爆破方式下的爆腔经验公式计算得到爆腔直径分别为 3.67,m和4.18,m，与数值模拟结果吻合较好．图5 不同埋药深度下爆坑形成过程Fig.5 Crater formation under different buried depths4.2 土中爆炸冲击波传播图 6给出了爆破后土中速度时程曲线．图中测点位置如图 4所示，其中测点 8、9位于 SPH网格内，测点 10、11位于 FEM 网格内．从图 6中可以看出，随着与药包距离增加，速度峰值逐渐减小；药包近域的压力变化具有冲击波的特征，单峰值且持续时间很短，随着与药包距离增加，速度变化开始具有应力波的特征，幅值减小且持续时间增加．通过与文献[9-10]对比可以看出，无论是测点 8、9还是测点 10、11，速度时程曲线特征与试验和理论计算结果一致，表明本文所采取的分析方法是较准确的．图6 土中冲击速度时程Fig.6 Velocity time history in soil4.3 混凝土损伤图7给出不同爆破距离下箱涵损伤分布．从图7中可以看出，损伤严重区域主要出现在边墙与底板和顶板交界处，主要为冲击荷载引起的压损伤．爆炸距离对箱涵累积损伤有较大影响，随着水平距离h和埋深d的增加，累积损伤区域逐渐减小．图7 不同爆破距离下混凝土损伤分布Fig.7 Distribution of damage in concrete at different detonation distances4.4 箱涵响应图8给出不同爆炸距离下箱涵变形情况．图8 混凝土变形时程曲线Fig.8 Concrete deformation time history curves从图 8中可以看出，不同测点变形时程差别明显．从测点1、2、3的水平向变形来看，不同爆炸距离下变形规律基本一致，边墙中间位置水平变形最大，最大量达到 12.5,mm，出现在最近爆炸距离(D＝1,m、h＝6,m)情况，残余变形量为不可回复的塑性变形，而边墙与顶板底板交界处变形较小．从测点 1、4、6、7的竖向变形来看，不同爆炸距离下变形规律存在一定差别，爆炸深度越大，箱涵整体将呈现一定向上移动趋势．图9给出不同爆炸距离下箱涵应力变化情况．从图 9中可以看出，各测点应力时程差别明显．从测点1、2、4的水平向应力来看，变化规律基本一致．在冲击峰值之后，存在较长时间的摆动现象，主要为结构自身响应引起．水平向应力最大值为-33,MPa，出现在最近爆炸距离(D＝1,m、h＝6,m)情况．边墙中间位置的应力时程与边墙和顶板交界处的应力时程明显不同，存在明显的二次加载现象，主要为箱涵周边土体流动变形导致压应力增加引起[11]．从测点 1、2、4的竖向应力来看，变化规律存在较大差别．测点 1存在较为明显的冲击峰值，2、4点则不明显．不同爆炸距离下测点2的应力时程差别较大，拉压应力的变化与埋深密切相关．图9 混凝土应力时程曲线Fig.9 Concrete stress time histories curves5 结论(1) 采用 SPH 法模拟爆破近域土体大变形，FE法模拟远域土体及箱涵结构，爆破后40,ms计算时间约为 14,h，具有较好的计算效率，计算模型较好地揭示了土中爆坑形成和冲击波传播过程，计算精度满足要求．(2) 不同爆炸位置下箱涵结构爆破响应存在较大差异，尤其是边墙中间位置，受土体变形流动影响，存在较为明显二次加载现象，且爆破位置对其拉压变化影响明显．【相关文献】［1］ Wdidlinger P，Hinman E. Analysis of underground protective structures[J]. J Struct Eng，1987，114(7)：1658-1673.［2］ Lu Yong，Wang Zhongqi，Chong Karen. A comparative study of buried structuresin soil subjected to blast load using 2D and 3D numerical simulations[J]. Soil Dynamicsand Earthquake Engineering，2005，25(4)：275-288.［3］ Wang Zhongqi，Lu Yong，Hao Hong. A full coupled numerical analysis approachfor buried structures subjected to subsurface blast[J]. Computers and Structures，2005，83(4/5)：339-356.［4］杜义欣，刘晶波，伍俊，等. 常规爆炸下地下结构的冲击震动环境[J]. 清华大学学报：自然科学版，2006，46(3)：322-326.Du Yixin，Liu Jingbo，Wu Jun，et al. Blast shock and vibration of underground structures with conventional weapon[J]. Journal of Tsinghua University：Science and Technology，2006，46(3)：322-326(in Chinese).［5］王吉，王肖钧，卞梁. 光滑粒子法与有限元的耦合算法及其在冲击动力学中的应用[J]. 爆炸与冲击，2007，27(6)：522-528.Wang Ji，Wang Xiaojun，Bian Liang. Linking of smoothed particle hydrodynamic method to standard finite element method and its application in impact dynamics [J]. Explosion and Shock Waves，2007，27(6)：522-528(in Chinese).［6］ Liu G R，Liu M B. Smoothed Particle Hydrodynamics：A Meshfree ParticleMethod[M]. London：World Scientific，2003.［7］王政，倪玉山，曹菊珍. 冲击载荷下混凝土动态力学性能研究进展[J]. 爆炸与冲击，2005，25(6)：519-524.Wang Zheng，Ni Yushan，Cao Juzhen. Recent advances of dynamic mechanical behavior of concrete under impact loading[J]. Explosion and Shock Waves，2005，25(6)：519-524(in Chinese).［8］ Huck P J，Saxena S K. Response of soil-concrete interface at highpressure[C]//Proceedings of the Tenth International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Stockholm，Sweden，1981：141-144.［9］ Henrych J. The Dynamics of Explosion and Its Use[M].Amsterdam：Elsevier Scientific Publishing Company，1979.［10］ Wang Z，Hao H，Lu Y. A three-phase soil model for simulating stress wave propagation due to blast loading[J]. Int J Numer Anal Geomech，2004，28(1)：33-56. ［11］ James T，Baylot P E. Effect of soil flow changes on structures loads[J]. J Struct Eng，2000，126(12)：1434-1441.。

水环境中高压水射流成孔的数值模拟程树范【摘要】为研究水环境中射流速度对成孔深度、成孔直径及射流周边岩体的影响,基于岩石Holmquist-Johnson-Cook(HJC)模型,采用有限元显式动力分析软件LS-DYNA建立了水域中高压水射流成孔的数值模型,模拟了射流成孔过程.结果显示:随着射流速度的增加,成孔深度从最开始的显著增加,转变为缓慢增加,最后稳定;成孔直径与射流直径之比受射流速度影响不大,始终保持在1.5～1.8;水环境中应力波衰减速度快,射流过程对其周边岩体影响较小.研究结果对于高压水射流技术的水下应用有指导作用.【期刊名称】《煤矿爆破》【年(卷),期】2019(037)001【总页数】4页(P16-19)【关键词】高压水射流;岩石动力学;HJC模型;数值模拟【作者】程树范【作者单位】西安科技大学力学系,陕西西安710054【正文语种】中文【中图分类】TD7130 引言射流技术因其具有安全洁净的特性而被广泛应用于石油、页岩气、煤炭等燃料资源的开采[1],但由于射流成孔是一个复杂的非线性动力学过程,且涉及的影响因素较多,致使其破岩机制一直未能准确确定[2]。

单纯解析描述的力度十分有限,难以解析描述复杂问题,是工程上常见的问题。

采用高效的数值计算方法,基于较少假设,模拟实际射流过程也是探索射流成孔特性的一个重要途径。

由于岩石类材料的力学性质复杂,冲击成孔过程历时短暂,试验难度大,数值模拟技术作为有效的辅助手段,逐渐成为重要的研究方向。

雷光宇等[3]通过对射流数值模型的分析,从岩石损伤的角度研究了高压射流成孔过程,认为射流直径和射流速度是影响成孔效果的主要因素。

CHEN 等[4]采用有限元方法研究了射流成孔的速度的阈值问题,发现射流速度低于下限阈值时无法有效成孔,达到上限阈值后成孔深度不再明显增加。

LIU 等[5]将光滑粒子流动力学与传统有限元方法相结合,分析了射流成孔特性,重点研究了射流角度对成孔深度的影响。

基于SPH-FEM耦合算法的磨料水射流破岩特征及影响研究刘志江
【期刊名称】《吉林水利》
【年(卷),期】2024()2
【摘要】磨料射流是一种高效、绿色的破岩方式,其辅助机械刀具破碎岩石能显著降低刀具的磨损,提高破岩掘进效率。

为揭示磨料射流冲击作用岩石的损伤破碎特征,明确其高效破岩参数,本文基于SPH-FEM耦合算法建立了磨料射流冲击岩石的数值模型,获得了磨料射流冲蚀深度、面积及岩石损伤宽度的变化规律。

结果表明:5种不同工况下,冲蚀坑都大致呈“V”型;磨料浓度的增加,对主裂纹的萌生及发育具有促进作用;磨料水射流较纯水射流具备更大的冲击能量,导致更大的冲蚀深度及更大的破碎面积。

本研究条件下,磨料最优浓度为23%,该研究成果对磨料射流高效切割及破碎岩石的参数优化选取等具有重要意义。

【总页数】4页(P54-57)
【作者】刘志江
【作者单位】上饶市科信水土保持监测有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TD311
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流冲击破岩数值模拟研究4.磨料质量分数对预混合磨料水射流破岩效果的影响5.磨料水射流辅助与常规工况下滚刀破岩特性对比研究
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