基于SPH-FEM耦合方法的磨料水射流冲击力特性数值研究：考虑磨料形状、相互作用及破碎行为

为解决磨料水射流(AWJ)加工过程中磨料形状、相互作用及破碎行为对冲击力特性的影响机制问题，研究人员采用耦合光滑粒子流体动力学(SPH)与有限元法(FEM)建立创新模型，揭示了磨料粒径、浓度、速度等参数对冲击力波动及能量效率的作用规律，为提升AWJ加工效能提供理论支撑。

　　

磨料水射流(AWJ)技术因其环保、高效的特点，已成为现代材料加工领域的重要方法，广泛应用于油气开采、岩石破碎等工程场景。然而，传统AWJ建模方法将磨料颗粒简化为连续流体，忽略了其实际不规则形状、颗粒间相互作用及动态破碎行为，导致冲击力预测精度不足。这一局限严重制约了AWJ能量利用效率的优化。

中国石油大学（北京）的研究团队在《Powder Technology》发表论文，创新性地采用耦合光滑粒子流体动力学(SPH)与有限元法(FEM)方法，首次构建了考虑磨料形状、相互作用及破碎行为的AWJ-材料相互作用模型。通过理论模型验证（误差仅6.87%），系统分析了磨料粒径(0.1-0.3 mm)、质量浓度(2-10%)、冲击速度(200-400 m/s)、入射角(30°-90°)及靶体形状对冲击力特性的影响。研究发现：磨料破碎会显著增加冲击力波动幅度；当冲击角为60°时，水冲击力占比最低（<15%），而90°垂直冲击时磨料能量传递效率最高。这些结论为优化AWJ工艺参数组合提供了关键理论依据。

关键技术方法包括：1) 基于SPH方法离散化建模磨料颗粒，避免网格畸变；2) 采用Johnson-Holmquist本构模型描述磨料动态破碎；3) 通过ALE-FEM耦合验证模型精度；4) 建立多参数正交实验体系分析冲击力特征。

研究结果：
几何与网格
通过随机分布SPH粒子模拟真实磨料空间分布，引入接触算法捕捉颗粒-颗粒/靶体相互作用，解决了传统流体假设的局限性。

AWJ冲击力特性
高速摄影显示磨料在300 m/s冲击下发生剧烈破碎（图7），导致冲击力波动系数达1.82。水冲击力占比随浓度增加呈指数下降，6%浓度时占比不足20%。

模型局限性
靶体刚性假设忽略了材料变形，且磨料球形简化未考虑实际不规则形态，未来需引入离散元法(DEM)提升精度。

该研究首次实现了AWJ加工过程中磨料微观行为的精细化模拟，建立的SPH-FEM耦合框架为复杂多相流冲击问题提供了新范式。特别在页岩油径向水平井CO₂驱替等能源领域（基金号52374018），该成果对提高射流破岩效率具有重要工程指导价值。作者Huan Li等强调，后续研究将聚焦磨料缺陷建模与靶体损伤耦合机制，进一步推动AWJ技术在深地工程中的应用。