磨料水射流作用下混凝土损伤场的数值模拟.pdf

M AI NTENANCE CONS TRUCTI oN AN D M ACHI NERY 文章编号 ： 1 0 0 0 0 3 3 X( 2 0 1 4 ) 0 7 0 0 7 3 0 4 磨料水射流作用下混凝土损伤场的数值模拟 杨 林 ， 涂滨镟 ， 曹希航 ( 重庆交 通大学 交通运输学 院， 重庆4 0 0 0 7 4 ) 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 AL E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 ； AL E算法 中图分 类 号 ： U4 1 8 6 文献 标 志码 ： B Nu me r i c a l S i mu l a t i o n o f Co n c r e t e Da ma g e F i e l d wi t h Ab r a s i v e W a t e r J e t YANG Li n，TU Bi n xua n，CA 0 Xi h a ng ( S c h o o l o f Tr a n s p o r t a t i o n，Ch o n g q i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y，Ch o n g q i n g 4 0 0 0 7 4，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Gi v e n t h a t u s i n g t h e a b r a s i v e wa t e r j e t s i mp a c t t o c r u s h o l d c e me n t c o n c r e t e p a v e me n t ha s t he a d v a nt a ge s o f l ow s ys t e m pr e s s u r e ，hi gh f l o w ，e n e r g y s a vi ng，e n v i r on m e nt al l y f r i e nd l y a nd e c o no mi c，t h e A LE a l g o r i t hm wa s a pp l i e d t o b ui l d a s i m u l a t i o n mod e l t h a t c o v e r s t he wh ol e p r o c e s s s i n c e t h e a b r a s i v e wa t e r j e t c o me s o u t o f t h e n o z z l e Th e e v o l u t i o n o f c r u s h i n g d e p t h wh i l e wa t e r j e t i mp a c t s t h e c o n c r e t e a n d t h e e f f e c t d i a g r a m we r e s t u d i e d wi t h d i f f e r e n t c o nc e nt r a t i on o f a br a s i v e，a nd t h e r e s u l t wa s c o mpa r e d wi t h e x pe r i m e n t a l d a t a，whi c h c o n f i r ms t he c o r r e c t n e s s of t h e s i mul a t i on mo de I a nd i t s r e s u l t s Ke y wo r d s ：p a v e me n t r e p a i r ；c o n c r e t e c r u s h i n g ；a b r a s i v e wa t e r j e t ；AL E a l g o r i t h m O 5 J 置 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 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 1 1 - n 基金项 目： 交通应用项 目研究项 目( 2 0 1 1 - 3 1 9 8 1 4 4 7 0 ) 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 AL E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l_ 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。 7 3 M AI NTENANCE C0NS TRUCT1 0N AND M ACHI NERY ( 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 A L E方 法简 介 在 AL E描述 中 ，计 算 网格 的运 动 规 律 可 以是 任 意 给 定 的 ，指 定 特 殊 的 网 格 运 动 规 律 可 以 将 AL E描述退 化 为 L描述 和 E描述 。 一 般 的 AI E描述 为 一 + a a a 式 中 ： X 为 L a g r a n g e物质 点 坐标 ； 1 7 为 E u l e r 空 间 点坐标 ； 叫 为物质点相对参照坐标系的运动速度。 1 2 AL E控 制方程 质 量 守恒方 程 ： ap ， a ap 一一 一训 动量 守恒方 程 ： r a 10 一 u t 十 扫 一 叫 zl0 一一 + ( + ) 能量 守恒方 程 ： 8 E ，8 E 10 万 一 十白 -wi p 变形 率 ： D 一寺( + ， ) 式中： |0 为介质密度 ； b 为介质体积 ； 为欧拉 坐标 ； t 为 时 间 ； P、 、 E 分 别 为 压 力 、 动力 粘 性 系 数 和 内能 密度 ； 叫 为 物质 与 网格 的相 对 速 度 ； 为 介 质 速度 张量 ， i 一1 ， 2 ， 3 ； 口 为 应力 张量 ； 为 Kr o n e c k e r函数 。 1 3几 何模 型及 边界 条件 几何 模 型如 图 1所 示 ， 根 据 试 验 条 件 采 用 1 4 模 型进行 分 析 ， 简化 计算 。 7 4 喷嘴 空气 图 1 仿真模型 混 凝土 模型 的几何 尺寸 为 5 0 mm5 0 mm5 0 mm， 射 流 尺寸为 3 8 mm2 0 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 X0 y对称 界面上限制 Z 向位 移 ， 在 Y O Z 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 fD 。 C 。 1 + ( 1 一 鲁) 一 导 P一 一+ 1 - ( s 一S z ( ) ， 0 + d ) E “一 卫 一 1 f0 o 式 中 ： C为冲 击 波 速 度 与 质 点 速 度 72 。曲线 的截 距 ； S 、 S 。 、 S 。 分 别 为 一 。曲线 的斜 率 系数 ； 7 。 为 G r u n e i s e n常数 ； a为 ) ， 。和 的一 阶体积 修 正量 。 1 4 2 磨料 的流体 模 型 磨料 也被 视为 完全 塑 性 材料 ， 其 压 力 P与 密度 J0的关系式 为 P C ( 10一 ID ) 式 中： c 。为 固体磨料声速 ； p 为初 始含水磨料 密 度 ， 且有 D 一 ( 1 -0 o ) ID +a o p V 。 一 式 中： lD 为固体磨料 的密度 为水 的密度 ； V 为 初始含水磨料水的体积百分 比； 为初始含水磨料 总体积 。 设磨 料 材料 的密度 变化 率 为 一 从 而 可求 出磨料 的线 性多项 式 形式 的状 态方程 为 P C lD M AI NTENANCE CoNS TRUCT1 0N AND M ACHI NERY 式 中 ： C 0 为 9 0 3 k m S 一 。 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 HJ C、 RHT、 L L NL 、 Ma l v a r 、 T C K 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 HJ C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 。 HJ C模型的等效屈服强度为 一 E A( 1一D) + B P ( 1 + C I n e ) 度 ； S 为 量纲 一 化 的 最 大 等 效 屈 服 强 度 ； P 为 量 纲一 化 的压力 ； e 为 等 效应 变 率 ； D 为损 伤 因子 ( 0 D 1 ) ； A 为量 纲一 化 的 内聚 强度 ； B 为量 纲 一化 的压 力硬 化系数 ； N 为压 力硬 化指数 ； C为应变 率 系 数 ； 损伤因子 D 由等效塑性应变和塑性体积应变累 加得 到 。 HJ C模 型 的 状 态 方 程 将 混 凝 土 压 缩 和 拉 伸 分 开考 虑 。压缩 阶段 分为 3个 区 ， 即线弹性 区、 塑性过 渡区、 完全密实区； 拉伸阶段仅考虑了损伤因子的线 弹 性 区 。 2 数值仿真 式 中 ： 为 量 纲 一 化 的 等 效 强 度 ， 一 l旦 且 利 用 L s D Y N A 软 件 建 立 磨 料 水 射 流 破 碎 混 凝 S ； 为 真 实 等 效 强 度 ； l厂 为 准 静 态 单 轴 抗 压 强 土 的仿真 模型 。工 艺参数 来 自试验 ， 如 表 1 所 示 。 表 1 数值仿真参数 组列 压力 MP a 靶距 ram 磨料浓度 流量 ( Lrai n ) 流速 ( m s 一 ) 平均流速 ( m s ) l 5 6 O 7 1 5 1 7 0 9 7 O 2 2 4 O 6 O 7 1 1 0 3 7 0 0 5 7 00 3 5 6 5 7 0 7 0 6 9 8 7 O 4 5 6 8 7 2 5 1 72 2 7 O 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 AL E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 *S E C T I ONSOLI D AL E中 的参 数 。根 据 试 验 条 件 利 用 关 键 字 *I NI TI AL VOLUM EF R AC TI O N， 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 rai n _ 。 ， 最 大压力 P一1 0 0 MP a ， 水 喷嘴 直径 d 一 0 2 8 mm， 混 砂管 直 径 d 一0 8 mm， 混砂 管 长 度 为 7 6 mm， 靶 距 为 8 mI T l ， 磨 料 为 8 0 的 石 榴 石 ( 粒 度 为 0 1 8 ram) ， 试件为 C 4 O混凝土 ( 1 o o mm1 0 0 mm1 0 0 mm， 抗 压强 度 4 O MP a ) 。 采用 单 一变 量 法进行 试 验 ， 共 测 4组数 据 ， 每组 做 3次试 验 。首 先 在 靶 距 8 mm、 磨 料 浓 度 0 Y oo 、 水 铣 速度 7 5 mm rai n 的条 件 下 ， 测 试 混 凝 土 的 破 碎深度 ； 其次在磨料浓度 5 、 靶距 8 mm、 水铣速度 7 5 mm rai n 的条件下 ， 测 试 混凝 土破 碎深 度 ； 再 在 磨料 浓度 7 、 靶 距 8 mm、 水 铣 速度 7 5 mm rai n 的条件 下 ， 测 试 混 凝 土 破 碎 深度 ； 最 后 在 磨 料 浓 度 1 O 9 6 、 靶 距 8 mm、 水铣 速度 7 5 mm mi n 的 条 件 下 ， 测试 混凝 土破 碎深 度 。 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 7 0 mm s 时混 凝土 内部 的应 力分 布情况 。 从 图 2 4可 以看 出 ， 磨 料水 射流 破碎混 凝 土所 需 的能 量仅 是纯水 射 流 的 1 1 0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 7 5