SPH和FEM耦合法模拟磨料水射流中单磨粒加速过程 - 山东大学学报.PDF

　第４１卷　第５期 山　东　大　学　学　报　（工　学　版） ２０１１年１０月　 　 　　 Ｖｏｌ．４１　 Ｎｏ．５　　 　ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＨＡＮＤＯＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＳＣＩＥＮＣＥ） Ｏｃｔ．２０１１　 　文章编号：１６７２３９６１（２０１１）０５０１１４０７ ＳＰＨ和ＦＥＭ耦合法模拟磨料水射流中 单磨粒加速过程 王建明，余丰，刘飞宏，张刚 （山东大学机械工程学院，山东 济南２５００６１） 摘要：针对Ｅｕｌｅｒｉａｎ和ＡＬＥ（ａｒｂｉｔｒａｒｙｌａｇｒｉａｎｇｅｅｕｌｅｒｉａｎ）方法仿真研究磨料水射流喷嘴中磨料粒子加速过程的局限 性，提出采用ＳＰＨ（ｓｍｏｏｔｈｅｄｐａｒｔｉｃｌｅｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ）耦合ＦＥＭ（ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ）的方法研究后混式磨料水射流 喷嘴中低速磨料粒子在高速水射流作用下的流体动力学特性和磨粒加速后撞击靶材的全过程。水用ＳＰＨ建模， 磨料粒子、喷嘴和工件用ＦＥＭ建模，通过接触算法实现ＳＰＨ和ＦＥＭ的耦合以模拟后混式磨料水射流加工的全过 程。仿真研究了磨粒和水在喷嘴中各自的速度变化过程；单磨粒在喷嘴中的运动轨迹；不同直径的磨料粒子在不 同水压作用下的速度变化过程；不同直径的磨粒在不同直径的混合管中出口速度的变化规律；磨料粒子在工件上 的撞击深度。通过与相关实验及理论数据的比较，验证了仿真模型和结果的正确性。 关键词：磨料的混合与加速；ＳＰＨ耦合ＦＥＭ；磨料水射流加工；撞击深度 中图分类号：Ｏ２４２２１；Ｏ３５８　　　文献标志码：Ａ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｉｎｇｌｅｐａｒｔｉｃｌｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｂｙ ＳＰＨｃｏｕｐｌｅｄＦＥＭｆｏｒａｂｒａｓｉｖｅｗａｔｅｒｊｅｔｃｕｔｔｉｎｇ ＷＡＮＧＪｉａｎｍｉｎｇ，ＹＵＦｅｎｇ，ＬＩＵＦｅｉｈｏｎｇ，ＺＨＡＮＧＧａｎｇ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ２５００６１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇＥｕｌｅｒｉａｎａｎｄａｒｂｉｔｒａｒｙＬａｇｒａｎｇｅＥｕｌｅｒｉａｎ（ＡＬＥ）ｇｒｉｄｂａｓｅｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｐｒｅｍｉｘｅｄａｂｒａｓｉｖｅｗａｔｅｒｊｅｔ（ＡＷＪ）ｉｎａｃｕｔｔｉｎｇｈｅａｄ．Ｓｍｏｏｔｈｐａｒｔｉｃｌｅｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ （ＳＰＨ）ｃｏｕｐｌｅｄｗｉｔｈｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ）ａｌｇｏｒｉｔｈｍｗａｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈａｎｅｗＡＷＪｍｏｄｅｌ，ｂｙｗｈｉｃｈ ｔｈｅａｂｒａｓｉｖｅｐａｒｔｉｃｌｅｃｏｕｌｄｅｎｔｅｒｉｎｔｏｔｈｅｍｉｘｉｎｇｃｈａｍｂｅｒｉｎａｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｃｏｕｌｄｂｅａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄｉｎｔｈｅｆｏｃｕｓｔｕｂｅｂｙ ａｈｉｇｈｓｐｅｅｄｗａｔｅｒｊｅｔｆｒｏｍｔｈｅｏｒｉｆｉｃｅ．ＳＰＨｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｍｏｄｅｌｔｈｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄｗａｔｅｒｊｅｔａｎｄｔｈｅＦＥＭｗａｓａｐ ｐｌｉｅｄｔｏｍｏｄｅｌｔｈｅｄｉｓｃｒｅｔｅａｂｒａｓｉｖｅｐａｒｔｉｃｌｅ，ｃｕｔｔｉｎｇｈｅａｄａｎｄｗｏｒｋｐｉｅｃｅ．Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ，ｔｈｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆａｂｒａｓｉｖｅａｎｄ ｗａｔｅｒｊｅｔｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓａｌｏｎｇｔｈｅｆｏｃｕｓｔｕｂｅｗａｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｔｈｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｏｆａｓｉｎｇｌｅａｂｒａｓｉｖｅｐａｒｔｉｃｌｅｉｎｔｈｅｆｏｃｕｓｔｕｂｅ ｗａｓｓｉｇｈ