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高速冲击下钢索波动行为SPH模拟研究

赵明基 王发展 黄克鹏

赵明基, 王发展, 黄克鹏. 高速冲击下钢索波动行为SPH模拟研究[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(8): 1183-1190. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200454
引用本文: 赵明基, 王发展, 黄克鹏. 高速冲击下钢索波动行为SPH模拟研究[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(8): 1183-1190. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200454
ZHAO Mingji, WANG Fazhan, HUANG Kepeng. Numerical Simulation of Behavior of Cable Wave under High-speed Impact via SPH Algorithm[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(8): 1183-1190. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200454
Citation: ZHAO Mingji, WANG Fazhan, HUANG Kepeng. Numerical Simulation of Behavior of Cable Wave under High-speed Impact via SPH Algorithm[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(8): 1183-1190. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200454

高速冲击下钢索波动行为SPH模拟研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200454
基金项目: 

陕西省自然科学基金重点项目 2011J2009

详细信息
    作者简介:

    赵明基(1996-), 硕士研究生, 研究方向为冲击动力学, zhao_ming_ji@163.com

    通讯作者:

    王发展, 教授, 博士生导师, wangfz10_1@163.com

  • 中图分类号: O39

Numerical Simulation of Behavior of Cable Wave under High-speed Impact via SPH Algorithm

  • 摘要: 针对高速冲击下钢索波动行为问题, 分别采用人工黏性与镜像粒子法相结合的SPH算法和FEM对冲击过程进行数值模拟, 得到了高速冲击下钢索应力波的传播规律。结果对比可知: 钢索中心处产生形变时粒子相互挤压, 内外两侧部分粒子产生反应力; 外侧产生断裂时, 波峰处粒子产生相切于应力传递方向较大主应力, 且中心带粒子呈圆弧状分布; 内侧未断裂时, 部分粒子产生绝对值较大的反应力; 完全断裂后, 中心处粒子主应力方向指向冲击方向; 冲击应力随着冲击角度的增大而减小, 随着摩擦因数的增大而增大。通过理论验证了仿真模型的准确性, 具有重要的工程借鉴价值。两种算法的系统总能量损耗相似, 但采用SPH算法对进行数值模拟计算的精度更高, 效率更高, 表明了SPH算法的优越性。
  • 图  1  镜像粒子法

    图  2  网格模型

    图  3  不同时刻下钢索的主应力矢量分布

    图  4  不同时刻下钢索的整体结构强度分布

    图  5  不同冲击角度下冲击速度与钢索冲击应力大小的关系

    图  6  不同摩擦因数下冲击速度与钢索冲击应力大小的关系

    图  7  在不同算法下不同冲击速度的系统总能量-时间历程曲线

    图  8  不同时刻下钢索的Mises应力分布(SPH算法)

    图  9  不同时刻下钢索的Mises应力分布(FEM算法)

    表  1  不同金属材料Mie-Gruneisen状态方程中的参数

    材料 ρ0/(kg·m-3) Γ c0/(m·s-1) λ
    7 890 1.587 3 075 1.294
    2 790 2.000 5 330 1.340
    8 960 2.000 3 940 1.489
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    表  2  不同冲击速度下的钢索波动参数(SPH算法)

    冲击速度/ (m·s-1) 波速名称 理论值/ (m·s-1) 仿真值/ (m·s-1) 误差/%
    260 纵波 5188.75 5 000.00 3.64
    横波 559.75 555.60 0.74
    弯折波 505.88 476.20 5.87
    270 纵波 5188.75 5 000.00 3.64
    横波 574.01 569.64 0.79
    弯折波 517.53 488.86 5.54
    280 纵波 5188.75 5 002.00 3.60
    横波 588.10 588.20 0.02
    弯折波 529.00 501.00 5.29
    290 纵波 5188.75 5 001.00 3.62
    横波 602.02 593.21 1.47
    弯折波 540.21 513.22 5.00
    300 纵波 5 188.75 5 000.01 3.64
    横波 615.78 606.11 1.57
    弯折波 551.37 526.30 4.55
    下载: 导出CSV

    表  3  不同冲击速度下的钢索波动参数(FEM算法)

    冲击速度/ (m·s-1) 波速名称 理论值/ (m·s-1) 仿真值/ (m·s-1) 误差/%
    260 纵波 5188.75 4 877.43 6.00
    横波 559.75 498.18 10.89
    弯折波 505.88 447.70 11.50
    270 纵波 5188.75 4 876.39 6.02
    横波 574.01 517.76 9.80
    弯折波 517.53 456.72 11.75
    280 纵波 5188.75 4 877.42 6.00
    横波 588.10 525.58 10.63
    弯折波 529.00 466.95 11.73
    290 纵波 5188.75 4 877.43 6.00
    横波 602.02 535.80 11.00
    弯折波 540.21 473.76 12.30
    300 纵波 5188.75 4 877.94 5.99
    横波 615.78 549.90 10.70
    弯折波 551.37 486.97 11.68
    下载: 导出CSV
  • [1] 张志春, 卞强, 展文豪, 等. 高速冲击问题的SPH粒子接触算法三维数值计算[J]. 兵器装备工程学报, 2018, 39(9): 1-6 doi: 10.11809/bqzbgcxb2018.09.001

    ZHANG Z C, BIAN Q, ZHAN W H, et al. High velocity impact simulation using SPH contact algorithm[J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2018, 39(9): 1-6 (in Chinese) doi: 10.11809/bqzbgcxb2018.09.001
    [2] 肖毅华, 张浩锋, 胡德安, 等. 基于改进PIB搜索法的SPH方法在高速冲击模拟中的应用[J]. 振动与冲击, 2015, 34(23): 88-92 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZDCJ201523017.htm

    XIAO Y H, ZHANG H F, HU D A, et al. Application of SPH with modified PIB search algorithm to high-velocity impact simulation[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(23): 88-92 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZDCJ201523017.htm
    [3] 赵光明, 宋顺成. 非线性侵彻动力过程的再生核质点法[J]. 爆炸与冲击, 2010, 30(4): 355-360 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BZCJ201004004.htm

    ZHAO G M, SONG S C. An improved reproducing kernel particle method for nonlinear dynamical penetration process[J]. Explosion and Shock Waves, 2010, 30(4): 355-360 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BZCJ201004004.htm
    [4] ZHANG Z L, LIU M B. Smoothed particle hydrodynamics with kernel gradient correction for modeling high velocity impact in two-and three-dimensional spaces[J]. Engineering Analysis with Boundary Elements, 2017, 83: 141-157 doi: 10.1016/j.enganabound.2017.07.015
    [5] SUN P N, TOUZÉ D L, OGER G, et al. An accurate SPH Volume Adaptive Scheme for modeling strongly-compressible multiphase flows. Part 2: extension of the scheme to cylindrical coordinates and simulations of 3D axisymmetric problems with experimental validations[J]. Journal of Computational Physics, 2021, 426: 109936 doi: 10.1016/j.jcp.2020.109936
    [6] WANG W, WU Y J, WU H, et al. Numerical analysis of dynamic compaction using FEM-SPH coupling method[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2021, 140: 106420 doi: 10.1016/j.soildyn.2020.106420
    [7] MARKAUSKAS D, KRUGGEL-EMDEN H. Coupled DEM-SPH simulations of wet continuous screening[J]. Advanced Powder Technology, 2019, 30(12): 2997-3009 doi: 10.1016/j.apt.2019.09.007
    [8] SCAZZOSI R, GIGLIO M, MANES A. FE coupled to SPH numerical model for the simulation of high-velocity impact on ceramic based ballistic shields[J]. Ceramics International, 2020, 46(15): 23760-23772 doi: 10.1016/j.ceramint.2020.06.151
    [9] YOUNG J, TEIXEIRA-DIAS F, AZEVEDO A, et al. Adaptive Total Lagrangian Eulerian SPH for high-velocity impacts[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2021, 192: 106108 doi: 10.1016/j.ijmecsci.2020.106108
    [10] VARAS D, ZAERA R, LÓPEZ-PUENTE J. Numerical modelling of the hydrodynamic ram phenomenon[J]. International Journal of Impact Engineering, 2009, 36(3): 363-374 doi: 10.1016/j.ijimpeng.2008.07.020
    [11] VARAS D, LÓPEZ-PUENTE J, ZAERA R. Numerical analysis of the hydrodynamic ram phenomenon in aircraft fuel tanks[J]. AIAA Journal, 2012, 50(7): 1621-1630 doi: 10.2514/1.J051613
    [12] VARAS D, ZAERA R, LÓPEZ-PUENTE J. Numerical modelling of partially filled aircraft fuel tanks submitted to Hydrodynamic Ram[J]. Aerospace Science and Technology, 2012, 16(1): 19-28 doi: 10.1016/j.ast.2011.02.003
    [13] ST-GERMAIN P, NISTOR L, TOWNSEND R, et al. Smoothed-particle hydrodynamics numerical modeling of structures impacted by tsunami bores[J]. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 2014, 140(1): 66-81 doi: 10.1061/(ASCE)WW.1943-5460.0000225
    [14] 初文华, 明付仁, 张健. 三维SPH算法在冲击动力学中的应用[M]. 北京: 科学出版社, 2017: 16

    CHU W H, MING F R, ZHANG J. Application of three-dimensional SPH algorithm in impact dynamics[M]. Beijing: Science Press, 2017: 16 (in Chinese)
    [15] MONAGHAN J J. Simulating free surface flows with SPH[J]. Journal of Computational Physics, 1994, 110(2): 399-406 doi: 10.1006/jcph.1994.1034
    [16] SHIN Y S, LEE M, LAM K Y, et al. Modeling mitigation effects of watershield on shock waves[J]. Shock and Vibration, 1998, 5: 782032
    [17] LIBERSKY L D, PETSCHEK A G, CARNEY T C, et al. High strain Lagrangian hydrodynamics: a three-dimensional SPH code for dynamic material response[J]. Journal of Computational Physics, 1993, 109(1): 67-75 doi: 10.1006/jcph.1993.1199
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-11-02
  • 刊出日期:  2022-08-25

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