| 标题 | 磨料水射流作用下混凝土损伤场的数值模拟 |
| 范文 | 杨林+涂滨镟+曹希航 摘 要：基于磨料水射流冲击破碎旧水泥混凝土路面的方法具有系统压力低、流量大、节能、环保、节约成本等特点，采用ALE算法建立了磨料水射流破碎仿真模型，模拟了从磨料射流离开喷嘴到冲击破碎混凝土的全过程，主要分析研究了在不同磨料浓度下，磨料水射流冲击混凝土时的破碎深度演变情况以及破碎效果图。通过与试验数据的比较，验证了仿真模型和结果的正确性。 关键词：路面修复；混凝土破碎；磨料水射流；ALE算法 中图分类号：U418.6 文献标志码：B 0 引 言 水泥混凝土路面出现缺陷后，往往发展迅速，两三年内就不能满足行驶要求。采用局部破碎与局部修复的方法来恢复其结构与行驶性能并防止病害的进一步发展，是现阶段比较常用的方法。常规的破碎方式及机具包括人工凿除、长臂挖掘机、撞击式破碎机、拍打锤等，它们各有优缺点，但都不能达到人们在工作效率、对环境的影响和旧混凝土的回收利用等方面日益提高的需求。 磨料水射流因其工作压力低、流量大、效率高、环保性好、成本低等特点而具有很好的应用前景。它是在高速磨削技术和水射流技术的基础上发展起来的一项新兴特种水铣技术，利用磨料粒子与高速水射流束相混合形成的液固两相介质流体，经特定磨料喷嘴喷出，形成磨料水射，具有水铣速度高、水铣质量良好以及可水铣较厚的硬脆材料等优点。 本文采用ALE方法将模型设计成水、磨料的混合流体与混凝土的碰撞，充分考虑磨料、水、空气、混凝土四者之间的耦合作用，比模拟单颗粒子撞击物体更接近真实情形。数值模拟了在低压、大流量磨料水射流冲击作用和纯水射流冲击作用两种工况下混凝土的应力演变及破碎情况，深入讨论了混凝土材料内部的破坏过程。这为开发新的混凝土破碎机械提供了指导方向[1]。 1 材料模型 磨料射流破碎混凝土的过程是多相流体与混凝土之间非线性碰撞的动力耦合问题，其内部机制复杂。为了便于分析，对模型作如下假设。 （1） 磨料考虑成磨料浆，且与水均匀混合，不考虑磨粒形状对破碎的影响，忽略射流的边界层效应。 （2） 混凝土为各向同性且初始无损伤的均质材料，射流以一定的速度垂直射出。 1.1 ALE方法简介 1.3 几何模型及边界条件 混凝土模型的几何尺寸为50 mm×50 mm×50 mm，射流尺寸为Φ 38 mm×20 mm，射流喷嘴距混凝土的尺寸为6 mm。射流用完全塑性多物质实体单元，磨料当作流体来处理。混凝土选用弹塑性常应力实体单元。根据圣维南原理，在远离喷嘴的混凝土区域受射流冲击的影响很小，其网格可以设置得较疏一点；而在靠近喷嘴的区域网格需设置得较密一些，所有网格均以扫掠的方式产生。混凝土底端采用位移全约束固定，在 XOY对称界面上限制Z向位移，在 YOZ对称界面上限制X向位移，左右表面及上面为自由面。 1.4 材料模型 本文中的水和磨料采用状态方程计算压力。由于状态方程形式多样，一般采用半经验半理论的公式，方程中的主要参数由试验确定。 1.4.1 水、空气的流体模型 水、空气被认为是完全塑性材料，其状态方程如下 1.4.2 磨料的流体模型 1.4.3 混凝土的材料模型 目前，较常用的混凝土动态损伤本构模型主要有HJC、RHT、LLNL、Malvar、TCK等。本文针对低压大流量磨料水射流破碎混凝土过程的大变形、高应变率的特点，选取HJC模型。该模型的等效屈服强度是压力、应变率及损伤的函数；其损伤积累是塑性体积应变、等效塑性应变及压力的函数；而压力是体积应变（包括永久压垮状态）的函数。 HJC模型的等效屈服强度为 2 数值仿真 本模型涉及非线性冲击动力学问题，瞬态冲击作用会使网格严重变形，并且产生高幅值的冲击波。为使其更接近真实物理状态，本文采用ALE 带侵蚀的罚函数耦合算法。为了使仿真过程不受流柱长度的影响，设置了关键字*SECTION_SOLID_ALE中的参数。根据试验条件利用关键字*INITIAL_VOLUME_FRACTION，设置了喷嘴初始网格中磨料的浓度。 试验设备的主要参数为：最大流量2 L·min-1，最大压力P=100 MPa，水喷嘴直径dw= 0 3 结果分析 3.1 磨料浓度与混凝土破碎深度的关系 根据上述方法对磨料水射流破碎混凝土的过程进行模拟。图2显示了不同磨料浓度下混凝土的破碎截面形状；图3是混凝土破碎深度随磨料浓度的变化曲线；图4是磨料浓度分别为0%、8%，且水铣速度为70 mm·s-1时混凝土内部的应力分布情况。 磨料水射流破碎混凝土所需的能量仅是纯水射流的1/10左右，磨料与水混合后的水柱在混凝土表面产生的压强远比纯水大得多，对混凝土具有极强的冲蚀能力；其次随磨料浓度的增加，磨蚀效果加强，破碎深度增加，这些都与试验结果基本吻合。 在混凝土浇筑过程中，不可避免地存在气孔、裂隙等缺陷，虽然这些缺陷和微细裂纹本质上是不连续和随机的，但在磨料磨蚀作用及高压水的水楔胀裂作用下，损失场内的这些部位应力比其他部位要大得多，应力集中明显。当应力超过一定数值后微细裂纹和缺陷就会发展，并且有可能出现一些新的微裂纹，同时微裂纹将不断汇集、连通而导致出现宏观裂缝，造成组织损伤。在外界因素继续作用下，上述过程不仅会继续发生，还会扩大并有可能引起宏观裂缝的失稳扩展。通过上述仿真分析及试验研究，可以看出在一定条件下磨蚀作用对混凝土损伤场的损伤比水楔胀裂作用产生的损伤要明显得多。 3.2 “水垫”效应 混凝土的破碎体积变化与时间的关系不是呈线性，当计算时间达到一定值后，破碎体积的变化趋于稳定。该现象可解释为混凝土的侵蚀发生在磨料射流与混凝土相互作用的很短时间内，随着切割深度的增加，在切槽内聚集的压力水将起到“水垫”缓冲作用，从而减弱水射流的侵蚀能力[6]。 4 结 语 本文给出磨料水射流破碎混凝土的数值仿真模型，并讨论了不同磨料浓度对混凝土破碎的影响。根据仿真结果得到以下结论。 （1） 磨料水射流破碎混凝土所需的能量与纯水射流破碎相比可以少1～2个数量级。 （2） 一定范围内随着磨料浓度的增加，混凝土的破碎深度也在增加。 （3） 由于“水垫”效应，当时间达到一定值后，混凝土破碎体积趋于稳定。 （4） 仿真与试验都表明，在国内现有的生产力下，研发用于混凝土水铣的磨料水射流设备是可行的，能够满足混凝土破碎性能要求。 上述仿真结果与试验结果相一致，验证了数值仿真模型和结果的正确性。 参考文献： [1] 李裕春，时党勇，赵 远，等.ANSYS11.0/LSDYNA基础理论与工程实践[M].北京：中国水利水电出版社，2008. [2] 杨桂通，张善元.弹性动力学[M].北京：中国铁道出版社，1988. [3] 巫绪涛，孙善飞，李和平.用HJC本构模型模拟混凝土SHPB实验[J].爆炸与冲击，2009，29（2）：137142. [4] 张若棋，丁育青，汤文辉，等.混凝土HJC、RHC本构模型的失效强度参数[J].高压物理学报，2011，25（1）：1522. [5] 曹德青，恽寿榕，丁刚毅，等.用ALE方法实现射流侵彻靶板的三维数值模拟[J].北京理工大学学报.2000，20（2）：171173. [6] 何 涛，杨 竞，金 鑫，等.ANSYS10.0/LSDYNA非线性有限元分析实例指导教程[M].北京：机械工业出版社，2007. [责任编辑：王玉玲] 摘 要：基于磨料水射流冲击破碎旧水泥混凝土路面的方法具有系统压力低、流量大、节能、环保、节约成本等特点，采用ALE算法建立了磨料水射流破碎仿真模型，模拟了从磨料射流离开喷嘴到冲击破碎混凝土的全过程，主要分析研究了在不同磨料浓度下，磨料水射流冲击混凝土时的破碎深度演变情况以及破碎效果图。通过与试验数据的比较，验证了仿真模型和结果的正确性。 关键词：路面修复；混凝土破碎；磨料水射流；ALE算法 中图分类号：U418.6 文献标志码：B 0 引 言 水泥混凝土路面出现缺陷后，往往发展迅速，两三年内就不能满足行驶要求。采用局部破碎与局部修复的方法来恢复其结构与行驶性能并防止病害的进一步发展，是现阶段比较常用的方法。常规的破碎方式及机具包括人工凿除、长臂挖掘机、撞击式破碎机、拍打锤等，它们各有优缺点，但都不能达到人们在工作效率、对环境的影响和旧混凝土的回收利用等方面日益提高的需求。 磨料水射流因其工作压力低、流量大、效率高、环保性好、成本低等特点而具有很好的应用前景。它是在高速磨削技术和水射流技术的基础上发展起来的一项新兴特种水铣技术，利用磨料粒子与高速水射流束相混合形成的液固两相介质流体，经特定磨料喷嘴喷出，形成磨料水射，具有水铣速度高、水铣质量良好以及可水铣较厚的硬脆材料等优点。 本文采用ALE方法将模型设计成水、磨料的混合流体与混凝土的碰撞，充分考虑磨料、水、空气、混凝土四者之间的耦合作用，比模拟单颗粒子撞击物体更接近真实情形。数值模拟了在低压、大流量磨料水射流冲击作用和纯水射流冲击作用两种工况下混凝土的应力演变及破碎情况，深入讨论了混凝土材料内部的破坏过程。这为开发新的混凝土破碎机械提供了指导方向[1]。 1 材料模型 磨料射流破碎混凝土的过程是多相流体与混凝土之间非线性碰撞的动力耦合问题，其内部机制复杂。为了便于分析，对模型作如下假设。 （1） 磨料考虑成磨料浆，且与水均匀混合，不考虑磨粒形状对破碎的影响，忽略射流的边界层效应。 （2） 混凝土为各向同性且初始无损伤的均质材料，射流以一定的速度垂直射出。 1.1 ALE方法简介 1.3 几何模型及边界条件 混凝土模型的几何尺寸为50 mm×50 mm×50 mm，射流尺寸为Φ 38 mm×20 mm，射流喷嘴距混凝土的尺寸为6 mm。射流用完全塑性多物质实体单元，磨料当作流体来处理。混凝土选用弹塑性常应力实体单元。根据圣维南原理，在远离喷嘴的混凝土区域受射流冲击的影响很小，其网格可以设置得较疏一点；而在靠近喷嘴的区域网格需设置得较密一些，所有网格均以扫掠的方式产生。混凝土底端采用位移全约束固定，在 XOY对称界面上限制Z向位移，在 YOZ对称界面上限制X向位移，左右表面及上面为自由面。 1.4 材料模型 本文中的水和磨料采用状态方程计算压力。由于状态方程形式多样，一般采用半经验半理论的公式，方程中的主要参数由试验确定。 1.4.1 水、空气的流体模型 水、空气被认为是完全塑性材料，其状态方程如下 1.4.2 磨料的流体模型 1.4.3 混凝土的材料模型 目前，较常用的混凝土动态损伤本构模型主要有HJC、RHT、LLNL、Malvar、TCK等。本文针对低压大流量磨料水射流破碎混凝土过程的大变形、高应变率的特点，选取HJC模型。该模型的等效屈服强度是压力、应变率及损伤的函数；其损伤积累是塑性体积应变、等效塑性应变及压力的函数；而压力是体积应变（包括永久压垮状态）的函数。 HJC模型的等效屈服强度为 2 数值仿真 本模型涉及非线性冲击动力学问题，瞬态冲击作用会使网格严重变形，并且产生高幅值的冲击波。为使其更接近真实物理状态，本文采用ALE 带侵蚀的罚函数耦合算法。为了使仿真过程不受流柱长度的影响，设置了关键字*SECTION_SOLID_ALE中的参数。根据试验条件利用关键字*INITIAL_VOLUME_FRACTION，设置了喷嘴初始网格中磨料的浓度。 试验设备的主要参数为：最大流量2 L·min-1，最大压力P=100 MPa，水喷嘴直径dw= 0 3 结果分析 3.1 磨料浓度与混凝土破碎深度的关系 根据上述方法对磨料水射流破碎混凝土的过程进行模拟。图2显示了不同磨料浓度下混凝土的破碎截面形状；图3是混凝土破碎深度随磨料浓度的变化曲线；图4是磨料浓度分别为0%、8%，且水铣速度为70 mm·s-1时混凝土内部的应力分布情况。 磨料水射流破碎混凝土所需的能量仅是纯水射流的1/10左右，磨料与水混合后的水柱在混凝土表面产生的压强远比纯水大得多，对混凝土具有极强的冲蚀能力；其次随磨料浓度的增加，磨蚀效果加强，破碎深度增加，这些都与试验结果基本吻合。 在混凝土浇筑过程中，不可避免地存在气孔、裂隙等缺陷，虽然这些缺陷和微细裂纹本质上是不连续和随机的，但在磨料磨蚀作用及高压水的水楔胀裂作用下，损失场内的这些部位应力比其他部位要大得多，应力集中明显。当应力超过一定数值后微细裂纹和缺陷就会发展，并且有可能出现一些新的微裂纹，同时微裂纹将不断汇集、连通而导致出现宏观裂缝，造成组织损伤。在外界因素继续作用下，上述过程不仅会继续发生，还会扩大并有可能引起宏观裂缝的失稳扩展。通过上述仿真分析及试验研究，可以看出在一定条件下磨蚀作用对混凝土损伤场的损伤比水楔胀裂作用产生的损伤要明显得多。 3.2 “水垫”效应 混凝土的破碎体积变化与时间的关系不是呈线性，当计算时间达到一定值后，破碎体积的变化趋于稳定。该现象可解释为混凝土的侵蚀发生在磨料射流与混凝土相互作用的很短时间内，随着切割深度的增加，在切槽内聚集的压力水将起到“水垫”缓冲作用，从而减弱水射流的侵蚀能力[6]。 4 结 语 本文给出磨料水射流破碎混凝土的数值仿真模型，并讨论了不同磨料浓度对混凝土破碎的影响。根据仿真结果得到以下结论。 （1） 磨料水射流破碎混凝土所需的能量与纯水射流破碎相比可以少1～2个数量级。 （2） 一定范围内随着磨料浓度的增加，混凝土的破碎深度也在增加。 （3） 由于“水垫”效应，当时间达到一定值后，混凝土破碎体积趋于稳定。 （4） 仿真与试验都表明，在国内现有的生产力下，研发用于混凝土水铣的磨料水射流设备是可行的，能够满足混凝土破碎性能要求。 上述仿真结果与试验结果相一致，验证了数值仿真模型和结果的正确性。 参考文献： [1] 李裕春，时党勇，赵 远，等.ANSYS11.0/LSDYNA基础理论与工程实践[M].北京：中国水利水电出版社，2008. [2] 杨桂通，张善元.弹性动力学[M].北京：中国铁道出版社，1988. [3] 巫绪涛，孙善飞，李和平.用HJC本构模型模拟混凝土SHPB实验[J].爆炸与冲击，2009，29（2）：137142. [4] 张若棋，丁育青，汤文辉，等.混凝土HJC、RHC本构模型的失效强度参数[J].高压物理学报，2011，25（1）：1522. [5] 曹德青，恽寿榕，丁刚毅，等.用ALE方法实现射流侵彻靶板的三维数值模拟[J].北京理工大学学报.2000，20（2）：171173. [6] 何 涛，杨 竞，金 鑫，等.ANSYS10.0/LSDYNA非线性有限元分析实例指导教程[M].北京：机械工业出版社，2007. [责任编辑：王玉玲] 摘 要：基于磨料水射流冲击破碎旧水泥混凝土路面的方法具有系统压力低、流量大、节能、环保、节约成本等特点，采用ALE算法建立了磨料水射流破碎仿真模型，模拟了从磨料射流离开喷嘴到冲击破碎混凝土的全过程，主要分析研究了在不同磨料浓度下，磨料水射流冲击混凝土时的破碎深度演变情况以及破碎效果图。通过与试验数据的比较，验证了仿真模型和结果的正确性。 关键词：路面修复；混凝土破碎；磨料水射流；ALE算法 中图分类号：U418.6 文献标志码：B 0 引 言 水泥混凝土路面出现缺陷后，往往发展迅速，两三年内就不能满足行驶要求。采用局部破碎与局部修复的方法来恢复其结构与行驶性能并防止病害的进一步发展，是现阶段比较常用的方法。常规的破碎方式及机具包括人工凿除、长臂挖掘机、撞击式破碎机、拍打锤等，它们各有优缺点，但都不能达到人们在工作效率、对环境的影响和旧混凝土的回收利用等方面日益提高的需求。 磨料水射流因其工作压力低、流量大、效率高、环保性好、成本低等特点而具有很好的应用前景。它是在高速磨削技术和水射流技术的基础上发展起来的一项新兴特种水铣技术，利用磨料粒子与高速水射流束相混合形成的液固两相介质流体，经特定磨料喷嘴喷出，形成磨料水射，具有水铣速度高、水铣质量良好以及可水铣较厚的硬脆材料等优点。 本文采用ALE方法将模型设计成水、磨料的混合流体与混凝土的碰撞，充分考虑磨料、水、空气、混凝土四者之间的耦合作用，比模拟单颗粒子撞击物体更接近真实情形。数值模拟了在低压、大流量磨料水射流冲击作用和纯水射流冲击作用两种工况下混凝土的应力演变及破碎情况，深入讨论了混凝土材料内部的破坏过程。这为开发新的混凝土破碎机械提供了指导方向[1]。 1 材料模型 磨料射流破碎混凝土的过程是多相流体与混凝土之间非线性碰撞的动力耦合问题，其内部机制复杂。为了便于分析，对模型作如下假设。 （1） 磨料考虑成磨料浆，且与水均匀混合，不考虑磨粒形状对破碎的影响，忽略射流的边界层效应。 （2） 混凝土为各向同性且初始无损伤的均质材料，射流以一定的速度垂直射出。 1.1 ALE方法简介 1.3 几何模型及边界条件 混凝土模型的几何尺寸为50 mm×50 mm×50 mm，射流尺寸为Φ 38 mm×20 mm，射流喷嘴距混凝土的尺寸为6 mm。射流用完全塑性多物质实体单元，磨料当作流体来处理。混凝土选用弹塑性常应力实体单元。根据圣维南原理，在远离喷嘴的混凝土区域受射流冲击的影响很小，其网格可以设置得较疏一点；而在靠近喷嘴的区域网格需设置得较密一些，所有网格均以扫掠的方式产生。混凝土底端采用位移全约束固定，在 XOY对称界面上限制Z向位移，在 YOZ对称界面上限制X向位移，左右表面及上面为自由面。 1.4 材料模型 本文中的水和磨料采用状态方程计算压力。由于状态方程形式多样，一般采用半经验半理论的公式，方程中的主要参数由试验确定。 1.4.1 水、空气的流体模型 水、空气被认为是完全塑性材料，其状态方程如下 1.4.2 磨料的流体模型 1.4.3 混凝土的材料模型 目前，较常用的混凝土动态损伤本构模型主要有HJC、RHT、LLNL、Malvar、TCK等。本文针对低压大流量磨料水射流破碎混凝土过程的大变形、高应变率的特点，选取HJC模型。该模型的等效屈服强度是压力、应变率及损伤的函数；其损伤积累是塑性体积应变、等效塑性应变及压力的函数；而压力是体积应变（包括永久压垮状态）的函数。 HJC模型的等效屈服强度为 2 数值仿真 本模型涉及非线性冲击动力学问题，瞬态冲击作用会使网格严重变形，并且产生高幅值的冲击波。为使其更接近真实物理状态，本文采用ALE 带侵蚀的罚函数耦合算法。为了使仿真过程不受流柱长度的影响，设置了关键字*SECTION_SOLID_ALE中的参数。根据试验条件利用关键字*INITIAL_VOLUME_FRACTION，设置了喷嘴初始网格中磨料的浓度。 试验设备的主要参数为：最大流量2 L·min-1，最大压力P=100 MPa，水喷嘴直径dw= 0 3 结果分析 3.1 磨料浓度与混凝土破碎深度的关系 根据上述方法对磨料水射流破碎混凝土的过程进行模拟。图2显示了不同磨料浓度下混凝土的破碎截面形状；图3是混凝土破碎深度随磨料浓度的变化曲线；图4是磨料浓度分别为0%、8%，且水铣速度为70 mm·s-1时混凝土内部的应力分布情况。 磨料水射流破碎混凝土所需的能量仅是纯水射流的1/10左右，磨料与水混合后的水柱在混凝土表面产生的压强远比纯水大得多，对混凝土具有极强的冲蚀能力；其次随磨料浓度的增加，磨蚀效果加强，破碎深度增加，这些都与试验结果基本吻合。 在混凝土浇筑过程中，不可避免地存在气孔、裂隙等缺陷，虽然这些缺陷和微细裂纹本质上是不连续和随机的，但在磨料磨蚀作用及高压水的水楔胀裂作用下，损失场内的这些部位应力比其他部位要大得多，应力集中明显。当应力超过一定数值后微细裂纹和缺陷就会发展，并且有可能出现一些新的微裂纹，同时微裂纹将不断汇集、连通而导致出现宏观裂缝，造成组织损伤。在外界因素继续作用下，上述过程不仅会继续发生，还会扩大并有可能引起宏观裂缝的失稳扩展。通过上述仿真分析及试验研究，可以看出在一定条件下磨蚀作用对混凝土损伤场的损伤比水楔胀裂作用产生的损伤要明显得多。 3.2 “水垫”效应 混凝土的破碎体积变化与时间的关系不是呈线性，当计算时间达到一定值后，破碎体积的变化趋于稳定。该现象可解释为混凝土的侵蚀发生在磨料射流与混凝土相互作用的很短时间内，随着切割深度的增加，在切槽内聚集的压力水将起到“水垫”缓冲作用，从而减弱水射流的侵蚀能力[6]。 4 结 语 本文给出磨料水射流破碎混凝土的数值仿真模型，并讨论了不同磨料浓度对混凝土破碎的影响。根据仿真结果得到以下结论。 （1） 磨料水射流破碎混凝土所需的能量与纯水射流破碎相比可以少1～2个数量级。 （2） 一定范围内随着磨料浓度的增加，混凝土的破碎深度也在增加。 （3） 由于“水垫”效应，当时间达到一定值后，混凝土破碎体积趋于稳定。 （4） 仿真与试验都表明，在国内现有的生产力下，研发用于混凝土水铣的磨料水射流设备是可行的，能够满足混凝土破碎性能要求。 上述仿真结果与试验结果相一致，验证了数值仿真模型和结果的正确性。 参考文献： [1] 李裕春，时党勇，赵 远，等.ANSYS11.0/LSDYNA基础理论与工程实践[M].北京：中国水利水电出版社，2008. [2] 杨桂通，张善元.弹性动力学[M].北京：中国铁道出版社，1988. [3] 巫绪涛，孙善飞，李和平.用HJC本构模型模拟混凝土SHPB实验[J].爆炸与冲击，2009，29（2）：137142. [4] 张若棋，丁育青，汤文辉，等.混凝土HJC、RHC本构模型的失效强度参数[J].高压物理学报，2011，25（1）：1522. [5] 曹德青，恽寿榕，丁刚毅，等.用ALE方法实现射流侵彻靶板的三维数值模拟[J].北京理工大学学报.2000，20（2）：171173. [6] 何 涛，杨 竞，金 鑫，等.ANSYS10.0/LSDYNA非线性有限元分析实例指导教程[M].北京：机械工业出版社，2007. [责任编辑：王玉玲] |
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