1 长春理工大学机电工程学院，吉林 长春 130022
2 光学国际科技合作基地（光学），吉林 长春 130022
目前，基于激光粉末床熔融（LPBF）增材制造的成形件会不可避免地存在一定程度的气孔缺陷，为探究该缺陷的形成机理，以AlSi10Mg为研究对象，采用离散元法（DEM）和计算流体力学（CFD）对激光增材制造过程中单层和多层成形的熔池流场进行了数值模拟。通过调节激光功率和扫描间距，分析了加工参数对LPBF单道、多道和多层缺陷的影响机制。结果表明：低功率时，熔道易产生球化、扭曲、气孔等缺陷，而高功率时飞溅现象加剧；对于多道成形，扫描间距过大会使搭接区形成气孔缺陷，扫描间距过小将加剧积热效应。对于层间转角为67°、采用棋盘格扫描策略的多层打印，单棋盘格熔道两端的高度不同和道间沟壑是影响铺粉表面粗糙度的主要因素，凹凸不平的铺粉表面会影响铺粉层的厚度均一性，在激光能量不足时导致层间产生气孔，进而影响层间结合质量；适宜的能量输入有助于形成粗糙度小的铺粉平面和足够的熔深，减少层间气孔缺陷。
激光技术 激光粉末床熔融 缺陷 计算流体力学 离散元法 中国激光
2023, 50(20): 2002303
界面过渡区是混凝土结构中力学性能最薄弱的区域, 其强度直接影响混凝土的力学性质, 骨料强度及均匀性同样是混凝土结构设计需重点关注的参数。本文基于离散元方法, 研究了骨料强度、界面过渡区强度、骨料均匀性及尺寸对混凝土强度及变形的影响规律。结果表明: 骨料破碎为试样内部微裂纹的扩展与合并提供了新的路径, 大量网状裂隙面的形成加速了试样的破坏; 试样的峰值强度及弹性模量随界面过渡区强度的增加呈线性增加趋势, 界面过渡区强度的增加可减小试样的径向变形, 随界面过渡区强度提高, 混凝土应力应变曲线的峰后段逐渐由韧性向脆性转变; 骨料强度对峰值强度影响较小, 对弹性模量几乎没有影响。骨料均匀性好的试样的径向变形小于均匀性差的试样, 试样的峰值强度及弹性模量随骨料尺寸增加而增加, 但是增加幅度远低于界面强度对峰值强度带来的提升。
界面过渡区 骨料破碎 骨料强度 骨料特征 破裂机理 离散元方法 interface transition zone aggregate crushing aggregate strength aggregate characteristic fracture mechanism discrete element method
中铁十九局集团 矿业投资有限公司，北京 100161
露天矿台阶爆破时，爆堆表面形态与内部质点的运动轨迹是露天矿精准采矿的重要影响因素，尤其对于矿化不均匀的矿体。针对爆堆空间形态三维分布规律是露天矿爆破效果评价难点的问题，以太钢袁家村铁矿项目为背景，开展台阶爆破爆堆形态计算分析研究，提出了一种基于离散元的计算方法。该方法利用三维激光扫描技术获取台阶岩体节理产状，进而建立台阶节理分布模型，结合单孔爆破药量与起爆模式开展台阶爆破过程爆堆空间形态数值分析研究，通过对各爆破点附近的单元进行监测，从而确定各质点运动轨迹；通过数值软件模拟台阶爆破后爆堆的三维形态；最后利用爆堆实际的形态与坡面角比对验证数值计算结果的准确性。结果显示：经过数值分析计算的爆堆高度、爆堆前冲距离、爆堆破面角与无人机现场实际测量数据较为吻合；模拟的爆堆内部1、2号点前冲距离较大分别为26.1 m、14.71 m，5、6号点的前冲距离较小分别为9.18 m、9.83 m且运动较为平缓。通过对爆堆空间形态数值分析，可以为露天矿的精准采矿提供理论基础。
露天矿 爆堆形态 台阶爆破 离散元 数值分析 open-pit mine muckpile profile bench blasting discrete element method numerical analysis
南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016
研磨抛光后产生的工件亚表面损伤是评价工艺优劣及确定加工余量的主要参考，因此对亚表面损伤准确的预测有助于提高加工效率。采用离散元法对典型的软脆材料硫化锌固结磨料研磨过程中产生的亚表面损伤进行模拟，预测不同粒径金刚石加工工件后的亚表面微裂纹层深度。利用角度抛光法将工件抛光出一个斜面，作为亚表面损伤观测平面，通过盐酸的腐蚀使亚表面微裂纹显现，在金相显微镜下寻找微裂纹消失的终点位置并转换成亚表面微裂纹层深度，对仿真结果进行实验验证。结果表明：粒径为5、15、25、30 μm的磨粒造成的亚表面微裂纹层深度预测值分别为2.28、3.62、5.93、7.82 μm，角度抛光法实测值分别为2.02、3.98、6.27、8.27 μm。以上结果表明磨粒粒径对硫化锌亚表面损伤情况有很大的影响，随着磨粒粒径的增大，亚表面微裂纹深度增加，微裂纹数量增多。离散元法预测值与实测值偏差范围处在5%~15%之间，利用离散元法能有较为准确的预测软脆材料硫化锌加工后的亚表面损伤情况，为其研抛工艺的制定提供参考。
软脆材料 硫化锌 离散元法 亚表面损伤 soft brittle material ZnS discrete element method subsurface damage 红外与激光工程
2022, 51(5): 20210303
南京航空航天大学 机电学院, 江苏省精密与微细制造技术重点实验室, 江苏 南京 210016
研磨过程中亚表面损伤层深度的正确预测是研磨工艺参数制定的重要依据。针对固结磨料的研磨特点, 选择两种典型光学硬脆材料(镁铝尖晶石和石英玻璃), 采用离散元仿真技术, 分别建立了两种材料的二维离散元模型, 分析了工艺参数对光学硬脆材料亚表面损伤(裂纹)层深度的影响。而后, 采用角度抛光法测量了镁铝尖晶石和石英玻璃的亚表面损伤层深度, 进行了实验验证。结果表明: 采用固结磨料研磨时, 磨粒粒径对光学硬脆材料亚表面损伤的影响相当显著, 在相同研磨工艺条件下, 随着磨粒粒径的增大, 亚表面损伤层深度和微裂纹密集程度明显增加。离散元仿真结果与实验结果的对比表明: 采用离散元技术可以对光学硬脆材料的亚表面损伤深度进行快速有效的预测, 从而为后续的研磨抛光工艺提供参考与指导。
光学硬脆材料 固结磨料研磨 离散元法 亚表面损伤 optical hard brittle material fixed abrasive lapping discrete element method subsurface damage
1 中国科学技术大学 核科学技术学院， 合肥 230027
2 中国工程物理研究院 核物理与化学研究所， 四川 绵阳 621900
3 中国科学技术大学， 合肥 230027
固态氚增殖包层是聚变堆及聚变-裂变混合堆产氚包层的重要候选结构之一，其球床通道内载气流动特性将影响氚提取效率。利用离散元方法（DEM）生成随机填充增殖剂球床，通过径向孔隙率分布验证其合理性，计算流体力学（CFD）模拟计算其通道内气体流场特征。模拟得到：球床内吹扫氦气流速随孔隙率波动并随入口流速增大而均匀增大，通道内氦气流向及流速变化显著，Blake-Kozeny方程可良好预测该随机填充球床通道压降。
氚增殖球床 离散元方法 计算流体力学模拟 流场 压降 tritium breeder pebble bed discrete element method computational fluid dynamics simulation flow field pressure drop 强激光与粒子束
2015, 27(9): 096001
