基于SPH-FEM的磨粒加速過程及材料去除機(jī)理研究.pdf

1、本文采用數(shù)值仿真方法研究后混式磨料水射流切割工藝中，噴嘴內(nèi)磨料粒子在高壓水射流的作用下液固兩相混合并實(shí)現(xiàn)磨料粒子從低速進(jìn)入到高速射出的運(yùn)動(dòng)過程。還研究了磨料粒子撞擊金屬靶材及金屬材料的微觀去除機(jī)理。采用有限元法(FEM)中的Lagrange算法仿真水射流的超大變形問題時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的網(wǎng)格畸變現(xiàn)象，不利于計(jì)算的進(jìn)行。而在應(yīng)用Euler和ALE算法時(shí)，由于兩種算法均不能模擬離散磨料粒子和水射流之間相互作用而形成能量傳遞過程，故本文提出采用

2、光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(SPH)耦合有限元(FEM)的建模方法以模擬后混式磨料水射流噴嘴內(nèi)磨料粒子的加速和靶材在磨粒撞擊下的材料微觀去除機(jī)理。
　　 第一部分研究在噴嘴中磨料粒子受高壓水作用下的混合和加速過程。其中高速水射流采用SPH粒子建模，磨料粒子和噴嘴用FEM建模，并通過LS-DYNA中的接觸算法實(shí)現(xiàn)SPH和FEM的耦合以模擬磨料和水射流相互作用的過程。仿真研究了磨粒和水在噴嘴中各自的速度變化過程;磨粒在噴嘴中的運(yùn)動(dòng)軌跡;不同

3、直徑的磨料粒子在不同水壓作用下的速度變化過程;磨粒直徑和混合管直徑對磨粒出口速度的影響規(guī)律。通過與相關(guān)實(shí)驗(yàn)及理論數(shù)據(jù)的比較，驗(yàn)證了仿真模型和結(jié)果的正確性。通過對影響磨料粒子出口速度的三個(gè)主要因素的研究，即磨料粒子直徑、水射流壓力和混合管直徑，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方差分析，分析了三者對出口速度影響的顯著性。
　　 第二部分研究磨料水射流切割中不同形狀磨料粒子撞擊工件時(shí)金屬材料的微觀去除機(jī)理。本部分中磨料粒子仍為有限元模型，采用了球型

4、和帶尖角兩種形式的磨粒用以研究金屬材料的犁削和切削兩種材料去除機(jī)制?？紤]工件在切除過程中會(huì)發(fā)生塑性大變形甚至可形成切屑脫離工件的現(xiàn)象，如采用有限元法建立工件模型將會(huì)導(dǎo)致求解的困難，故金屬工件采用SPH粒子法建模。最終，利用該模型研究了兩種不同形狀的磨料粒子在不同角度和速度下撞擊工件的過程。通過與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。
　　 本文通過基于磨料水射流加工的整體建模，即包括噴嘴、磨料粒子、高壓水和工件和不同形狀