基于不可压缩光滑粒子流体动力学的旋转强制动边界问题研究

利用不可压缩光滑粒子流体动力学(Incompressible smoothed particle hydrodynamics,ISPH)方法,针对螺杆挤出数值模拟中提出的旋转强制动边界问题,采用FORTRAN语言编程,进行模拟计算。采用"静态粒子法"构建二维旋转强制动边界模型,同时构建基于相对运动假设的静边界模型。采用"参考压力法"解决了"张力不稳定性"。通过将旋转动边界模型的计算结果与静边界模型,以及商业软件FLUENT的计算结果进行比较研究,结果表明:该动边界处理方法简单有效,适当选取分辨率可以同时满足计算精度与运算速度的要求,选择具有高阶可导的核函数更佳。为三维复杂模型模拟奠定了基础。同时,该方法对于不同领域中的动边界问题的研究也具有一定参考价值。     

基于光滑粒子流体动力学的紫铜切屑形态研究

FEM存在网格变形和重构等诸多问题,难以解决切削过程中刀具前端材料出现的极端塑性变形以及高应变率问题。而无网格光滑粒子流体动力学方法能够解决FEM中由于网格变形所引起的畸变问题,从而模拟出各种材料的任意变形。目前针对SPH方法的切削仿真研究主要集中于工艺参数、材料本构等外部参数的敏感性分析,而对于SPH公式的选择、粒子密度等内部参数的敏感性分析较少。为此,本文通过使用Ls-Dyna仿真软件构建了基于SPH的紫铜正交切削仿真模型,并搭建了正交切削实验平台。针对显著影响紫铜切屑形态及计算精度的内部参数进行了研究,并与切削实验的切屑形态及切削力进行对比,结合仿真计算时间成本,最终确定粒子密度为216000pcs/mm³的重整化SPH更适合紫铜切削仿真实验研究。     

光滑粒子流体动力学方法研究

光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法在模拟大变形问题时具有明显的优势,但是由于粒子的不连续性,致使其计算精度较低.文中对光滑粒子流体动力学方法中函数及其一阶导数的核估计进行详细研究.讨论传统的SPH方法和改进的CSPH (corrective smoothed particle hydrodynamics)方法的离散思想,在Taylor展开的基础上引入修正的MSPH(modified smoothed particle hydrodynamics)方法,并推导一维和二维情况下函数的核估计和函数的一阶导数核估计的离散形式.最后通过数值算例,对三种不同的SPH方法的计算精度进行详细比较,结果表明,CSPH和MSPH方法可以极大提高边界粒子的计算精度,在二维情况下,MSPH方法的计算精度要优于CSPH方法.     

基于SPH法的土壤切削刀具三维数值模拟及优化

为优化刀具结构,减小土壤切削的功耗,采用大型动力学软件LS—DYNA中的光滑粒子流体动力学（SPH）求解器,结合MAT147材料模型就松土刀具对土壤的切割过程进行了三维动态仿真。建立了反旋凿切的数值模拟模型;并结合正交试验法对松土铲耕作条件进行了仿真。仿真结果表明：利用SPH方法对土壤材料进行大应变、高应变率的变形计算是有效的;定性地得到了耕宽与耕深的关系,且结合相关理论将可以更全面合理地对松土铲刀具结构进行优化。     

基于数值分析的挤出流动规律研究

采用有限元数值分析和最优化设计理论相结合的方法。以挤出流动的均匀性为评价指标，把基于参数化建模和有限元分析结果的优化设计方法作为分析工具，深入系统地分析了模具结构对塑料异型材挤出流动均匀性的影响规律．研究了型材截面形状、模具结构和挤出流动均匀性三者之间的内在联系和相互制约关系，为模具优化设计和生产实践提供指导。     

L型异型材挤出口模内聚合物熔体三维等温幂律流动的数值模拟

利用罚有限元法,采用幂律本构模型,对聚合物熔体在L型异型材挤出口模内的三维等温流动进行了数值模拟,分析了口模内熔体流动的速度场和应力场。分析表明：L型异型材挤出口模截面不能简单视作两矩形截面的几何组合,因为其上有三个特征流动区;过渡区对熔体在口模内的流动有非常大的影响,它不但影响成型区熔体的流动,而且对稳流区熔体的熔体的流动产生一定的影响：此外,因为在过渡区产生了熔体拉伸取向,需要一定的成型区长度使高分子链段充分松弛。     

光滑质点流体动力学方法中数值断裂的防止

为解决光滑质点流体动力学方法数值模拟过程中出现的数值断裂问题,提出一种基于Delaunay三角剖分及其对偶形式最近点意义下的Voronoi图的粒子产生和消除技术,对产生数值断裂的区域重新布点。同时讨论此技术实施过程中伴随的质量、动量和能量守恒问题的解决办法。通过典型数值算例的模拟分析可以看出,粒子产生和消除技术可以有效地解决数值断裂问题。当考察程序的相对运行时间随模型粒子数目的变化时发现,只使用粒子产生技术时,由于粒子数目大量增加使程序运行时间急剧增加。而同时使用粒子产生和消除技术时,由于粒子数目基本不变,使程序运行时间只增加百分之十左右。当考察在整个程序的运行过程中模型总能量的变化时发现,使用文中提出的守恒问题解决办法,可以基本保证能量始终守恒。     

纵流壳程换热器层流流动三维数值模拟

根据纵流壳程换热器的结构特点和流动特点,提出其简化的物理模型;基于粘性流体力学基本方程,采用计算流体力学和数值传热学方法,对纵流式换热器的运行工况进行简化和假设,建立了壳程层流流动与传热的数学模型。为改进收敛性和提高计算精度,用算子分裂法和二阶时间精度离散格式等改进算法,用三维等参单元导出了离散化非线性控制方程组,编制了数值模拟程序,对纵流式换热器壳程的流场进行了数值模拟研究。并利用两维激光多普勒测速仪对纵流壳程换热器7个截面上壳程流体的流速进行了测试,将数值解和实验解进行比较,验证了数值模拟的正确性。     

不可压流体自由表面流动的SPH数值模拟

根据SPH方法的原理提出了一套模拟流体自由表面流动的方法,场变量及其导数通过核函数插值求取,不需进行差分,也不需要网格,时间积分采用分数步长法,避免了不可压条件带来的压力计算不稳定问题。对流项通过粒子的运动求解,完全消除了数值扩散和自由表面模糊问题。可以模拟飞溅、融合等复杂自由表面现象,并对水坝坍塌这一典型自由表面流动问题进行了模拟,模拟结果与试验吻合良好。     

损伤零件冲击破坏的数值模拟

简要介绍了光滑粒子动力学方法的基本思想和基本方程，利用该方法编制程序对损伤零件的冲击破坏问题进行了数值模拟，并给出了用这种方法模拟三维冲击破坏的一个算例，对有关问题进行了讨论。     

基于SPH算法的驾驶室底部结构对爆炸冲击波响应数值仿真

针对地雷等简易爆炸装置在车辆驾驶室底部非接触爆炸问题,引入无网格光滑粒子流体动力学(Smoothed particle hydrodynamics,SPH)算法模拟爆炸冲击波作用下车辆底部结构的响应。以四边约束靶板为研究对象,分析靶板在爆炸冲击下的能量、应力变化和破坏形态,通过与传统的任意拉格朗日欧拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE)固流耦合分析法和经验公式计算结果对比,验证SPH算法应用于处理此类问题的可行性;利用SPH算法对爆炸冲击波作用下驾驶室底部结构进行数值仿真,分析车辆底部的油箱、电瓶支架、驾驶室地板、车架等关键结构的冲击响应,并与试验做出对比验证。仿真结果表明,基于SPH算法的爆炸仿真分析具有精度较高、建模简单、耗费计算资源少等优势,能够应用于爆炸冲击波作用下驾驶室底部板壳结构的响应研究,并为驾驶室底部结构抗爆炸设计提供参考。     

双螺杆食品挤压流动过程数值模拟

采用有限单元法对双螺杆食品挤压熔体的流动过程进行数值模拟.结果表明：物料熔体在流道内沿两螺旋槽环绕前进,整个过程长螺杆始终保持优先,啮合区剪切应力使物料熔体在两螺杆之间分流进而充分混合,最终转移至长螺杆后进入模具过渡段,该段熔体在螺杆头的转动影响下螺旋攀升,会形成涡流导致物料熔体滞留,是可能引起焦糊的原因.     

对双螺杆挤出机的模拟研究

通过流体分析软件ANSYS对塑料双螺杆挤出机的熔体输送段以及模口挤出段进行了流场模拟,做出了模口特性曲线、螺杆特性曲线和挤出机的有效工作图.利用该图可以讨论螺杆和模口的联合设计,丰富挤压理论,促进挤出理论的进一步发展,为双螺杆挤出机的设计,以及对现有设备的更有效利用提供理论依据和实践指导,该方法为研究开发工作节约大量的资金和能源,缩短了开发周期.     

Numerical Study of Impact Behaviors of Angular Particles on Metallic Surface Using Smoothed Particle Hydrodynamics

Modeling and studying the impact behaviors of angular particles is critical in understanding the mechanisms of erosive wear on solid surfaces. This article focuses on effective mesh-free model based on the smoothed particle hydrodynamics (SPH) method to simulate impacts of angular particles on metallic surfaces. The predicted results are compared with the available experimental data, and good agreement has been achieved. Our simulations under different incident conditions successfully reproduce the general impact behaviors of angular particles, including rotating behavior and rebound behavior, which enables detailed examinations of erosion mechanisms. We find that the rotating behaviors are mainly determined by initial orientation and impact angle, whereas impact velocity has little effect. For backward impact involving a prying-off action, there generally exsits a critical impact velocity below which the cutting process would never be finished, which may result in a rebound angle greater than 90°. Further, multiple and overlapping impacts are simulated to reveal the effect of a pre-created crater on the subsequent impact. The results demonstrate the ability of the present model to handle the extremely deformed surface by overlapping impacts. The proposed SPH model and the present study could be useful in the study of erosive wear on the surface of metal devices that carry granular substances.     

煤粒在螺旋离心泵内运动数值模拟分析

利用计算流体力学（CFD）FLUENT软件对煤粒在螺旋离心泵内部的运动进行了数值模拟分析,获得了煤粒在螺旋离心泵内的运动轨迹和速度变化规律。螺旋叶轮独特的大角度叶轮包角使煤粒进入叶轮后,实现了多级加速的作用,证明了螺旋离心泵在煤粒输送中具有很好的增速效果。     

挤压机螺杆与机筒磨损的分析

螺杆挤压机正越来越广泛地应用于加工谷物早餐、休闲食品等方面。但是,挤压机的关键部件螺杆与机筒属易损件,一旦产生较大磨损,将会直接影响产品的质量与产量,如果被磨损螺杆与机筒的更换周期太短,将会大大增加食品挤压加工的成本。为此,对螺杆与机筒的磨损原因、材料选择、磨损速率以及磨损后可采取的措施进行了分析。     

考虑反向螺旋的双螺杆磨浆机挤压建模

轴向力和功耗是双螺杆磨浆机设计的重要参数,目前尚无理论计算方法。根据实验观察和分析,固体料塞是影响双螺杆磨浆机轴向力和功耗的主要因素。料塞一般出现在双螺杆磨浆机反向螺旋和正、反向螺旋的结合区域。考虑反向螺旋中料塞的作用,根据力平衡原理建立了反向螺旋料塞的剪切模型和流动模型,根据该模型可以求解双螺杆磨浆机螺杆扭矩、功耗、轴向力和流率。与实验测量结果相比,当反向螺旋扣数、反向螺旋狭槽宽度变化时,理论计算和测量结果有较好的一致性。该研究对双螺杆磨浆机的优化设计具有重要的意义。     

基于SPH法的CBN磨粒切削过程数值模拟

采用光滑粒子流体动力学法进行CBN磨粒切削过程仿真。该方法解决了网格法模拟材料分离时的网格束缚问题。通过切削过程中磨粒与工件材料的应力场变化以及离散SPH粒子的运动情况,分析了CBN磨粒的磨损机理以及工件材料的切削变形机理。研究结果表明:磨粒的顶部与挤压面棱边接触应力集中,易发生磨耗与微破碎磨损;工件材料受磨粒的推挤发生弹塑性变形而沿磨粒的侧向及前方隆起,并于磨粒的前方挤出而形成切屑。
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浅析单螺杆挤出机用螺杆的径向挠曲与磨损的原因

以150mm螺杆为例,分析了单螺杆塑料挤出机的螺杆在机筒中静止和工作状态下的挠曲情况,由此进一步分析和讨论了磨损的原因,并推荐了设计依据。