第一性原理研究取代基对含能材料撞击感度的影响

取代基的种类和位置会影响含能材料的分子结构和化学键强度,从而对其撞击感度产生影响.本文基于第一性原理计算方法分析了氨基基团和甲基基团对三硝基苯类含能材料撞击感度的影响.根据计算得到的弹性常数,通过Voigt-Reuss-Hill平均法计算得到了几种含能材料的体积模量B、剪切模量G、杨氏模量E和泊松比v.接着,尝试通过分析氨基和甲基取代基的种类和数量对力学参数、能带结构、态密度等性质的影响.在一定程度下,氨基个数与撞击感度之间呈负相关,与禁带宽度呈正相关,可以通过比较带隙值来判断一组含氨基的多硝基芳烃材料的撞击感度大小关系.相较于氨基,甲基数量与力学性能的相关性较氨基取代基更好,甲基数量变化对材料的总态密度能量影响更大;甲基数量与材料的撞击感度之间没有相关性但与禁带宽度呈负相关,无法通过带隙值的大小来确定一组含甲基的硝基芳烃类含能材料的撞击感度大小关系.

喷印金属微滴撞击粗糙表面的分子动力学模拟

研究金属微滴撞击固体表面的行为对预测微滴形态和实现高精度的喷印制造具有重要的意义.然而,由于微纳尺度下金属微滴撞击实验的难以开展,目前涉及金属微滴撞击粗糙表面的形态变化和热毛细效应机理尚不清楚.本文采用分子动力学模拟研究了镓铟微滴撞击粗糙表面的动态行为,定量分析了撞击速度、粗糙结构和不同温度对微滴撞击行为的影响.结果表明:随着撞击速度的提高,微滴先后呈现沉积、弹跳和破碎飞溅三种模式,且微滴的最大铺展因子与韦伯数呈幂函数关系.此外,通过修饰基底粗糙结构发现,结构间距或高度的变化对微滴的弹跳行为存在不同的影响机制,可以有效促使或抑制微滴的弹跳行为.最后,分析得出随着温度的提高,微滴的铺展直径会变大,产生的黏性耗散也会增大.研究结果对金属微滴撞击行为的有效预测提供了理论基础.

船桥撞击力的神经网络预测与经验公式研究

为了减少船舶与桥梁撞击对人身和财产安全造成的危害,研究船舶与桥梁撞击力的最大值及其与其他影响因素之间的关系具有十分重要的意义。该文首先利用ANSYS/LS-DYNA软件建立了船舶撞桥的有限元模型,计算了不同撞击速度和撞击角度下船桥撞击力的最大值,并将计算结果与各国规范进行比较;然后,利用反向传播(back propagation,BP)神经网络技术,结合仿真计算数据,在最大撞击力值、撞击速度和撞击角度这3个训练参数下,创建了船桥最大撞击力的预测模型;最后,通过分析撞击速度和角度的散点图,拟合了1个最大撞击力与撞击速度和角度关系的经验公式,并将经验公式、有限元仿真计算结果和神经网络预测结果进行比较,验证了经验公式的准确性。该研究为快速评估船桥撞击是否会导致灾难性后果提供了1种有效的方法。

轴向撞击作用下内充泡沫铝薄壁铝合金腔体最优尺厚比选择

内充泡沫铝薄壁铝合金腔体在防撞吸能领域已经具备广泛的使用价值,但在最优截面尺寸选择方面的研究与应用较少。为进一步研究铝合金内充泡沫铝腔体最优截面尺寸,通过有限元软件ABAQUS建立了常见的方形铝合金腔体在撞击作用下的有限元模型。结果表明:建立的有限元模型在模拟内充泡沫铝铝合金腔体抗撞击性能方面具有良好的拟合度,同时,针对现有市场中方形铝合金腔体多尺寸截面,提出尺厚比作为其截面选择参数,通过运用数值建模和非线性拟合工具,得出常见尺寸下组合截面吸能最大化的截面尺寸。研究得出的低、中、高3种撞击能量下的截面最优尺厚比可为结构防撞击装置的设计提供参考。

微型反应堆高速撞击下核临界安全的初步分析

微型反应堆可作为月球表面动力、航天器动力等用于太空探索,反应堆发射前需要对发射事故的影响进行安全分析。反应堆高空坠落并撞击到混凝土是主要的临界安全分析场景,高速撞击后反应堆可能重返临界。本文以两种简化的反应堆模型高速撞击场景为例,利用连续介质力学有限元程序ABAQUS与粒子输运蒙特卡罗程序耦合,完成了纯燃料堆芯垂直撞击地面和带径向反射层和屏蔽层圆柱堆30°倾角撞击地面的模拟,预测了两种场景反应堆高速撞击下keff随时间变化的物理特性。结果表明:纯燃料反应堆垂直撞击地面的keff增加最高可达1000×10^(-5),而具有反射层和屏蔽层反应堆30°倾角撞击地面的keff增加最高为200×10^(-5)。均匀密度变化条件下,采用表面非结构网格与内部非结构网格的蒙卡程序的计算结果符合较好,内部非结构网格能够更真实地捕捉材料的非均匀密度变化效应。本文的研究为微型反应堆高速撞击下的临界安全研究奠定了重要基础。

岩崩坡面撞击碎裂特征离散元模拟

岩崩坡面撞击破碎是运动轨迹难以预测的重要原因,其中坡体几何特征是影响破碎块体运动变化特征的关键因素。为了研究岩崩撞击破碎过程及坡体几何特征对岩崩块体运动特征的影响,利用离散单元法(PFC^(2D))模拟技术,通过统计典型岩崩灾害点岩体结构与坡体几何特征,建立了岩崩自由落体-撞击破碎-运动堆积模型,剖析了在不同坠落高度、撞击角度条件下岩崩坡面撞击碎裂过程,获得了块体运动速度、裂纹数量和冲击力变化曲线,同时采用双参数Weibull分布对碎裂块体破碎程度进行了描述。实验结果表明:破裂过程分为接触-解体、挤压-碎裂及独立运动3个阶段;岩体碎裂由撞击点开始,沿结构面先出现解体,再产生新断裂面的岩石破碎;块体速度、裂纹数量和冲击力的骤变均发生在接触-解体与挤压-碎裂阶段,块体速度骤降,呈现出“阶梯效应”,冲击力骤升,表现为“双峰现象”,同时随着坠落高度增加或撞击角度减小,“阶梯效应”与“双峰现象”更为明显;同一撞击角度条件下,坠落高度的增加使得撞击动能增加,进而增大了破碎程度,导致粒径分布范围与特征粒径尺寸的减小;同一坠落高度下,撞击角度的增加,意味着接触面积的减小,进而降低了破碎程度,导致粒径分布范围与特征粒径尺寸的增大。研究成果对揭示岩崩坡面撞击碎裂机理及预测块体运动轨迹提供了技术支撑。

墩顶撞击作用下高铁桥墩动力行为研究

以往关于桥墩在侧向撞击下的力学行为研究主要关注车辆或驳船的撞击作用,即撞击位置在桥墩中部或墩底。然而,在实际工程中桥墩也可能在墩顶处遭受撞击,例如地震中发生于抗震挡块处的撞击。文章以高铁桥墩为研究对象,通过试验和数值模拟的方法探究缩尺桥墩在墩顶撞击作用下的动力响应。试验结果表明,一个典型的撞击过程包括3个阶段:碰撞阶段I、碰撞分离阶段和碰撞阶段Ⅱ。在碰撞阶段I,撞击荷载主要由构件中的惯性力来平衡;在碰撞阶段Ⅱ,撞击荷载由惯性力和恢复力共同平衡。因此,在发生同等墩顶位移的条件下,构件所承受的撞击荷载会远大于静力荷载,且该现象对于碰撞阶段I尤为显著。数值模拟结果表明,由于惯性效应导致的振动,构件在撞击作用下与在静力作用下的内力发展显著不同。在拟静力作用下,沿桥墩的弯矩呈三角形分布;而在撞击作用下,桥墩截面弯矩发生显著振荡。

铝合金/UHMWPE组合靶板高弹速撞击防护特性研究

为了对某种圆柱形铝合金弹丸1.8~2.0 km/s高弹速撞击进行防护,使用了一种包含两层铝合金板和防护板的组合靶板结构。分别以面密度同为20 kg/m^(2)的氧化铝(Al_(2)O_(3))/超高分子量聚乙烯(UHMWPE)板、碳化硼(B_(4)C)/UHMWPE板和单一UHMWPE板作为防护板,开展了二级轻气炮高速撞击实验。在AUTODYN软件中,针对UHMWPE板建立了一种分层式数值模型,对该弹丸1.92 km/s撞击单一UHMWPE板作为防护板的组合靶板进行了数值模拟。研究结果表明,在组合靶板中,以单一UHMWPE板作为防护板,其性能好于同等面密度下的Al_(2)O_(3)/UHMWPE防护板,对后续二次撞击的防护能力好于同等面密度下的B_(4)C/UHMWPE防护板。所建立的UHMWPE板分层式数值模型可以获得与实验状态较为一致的仿真结果。

桥墩受侧向撞击作用下静力简化分析方法

为了深入探究钢筋混凝土桥墩受侧向撞击时的静力简化方法,基于桥墩受撞击作用与静力作用下产生的侧向变形效应相等,建立了桥墩弯曲应变能和剪切应变能的计算公式.针对不同截面形式和不同约束条件下的桥墩模型,分别得出了桥墩在正弦、三角形和矩形撞击荷载波形作用下的等效撞击力简化公式,并分析了撞击力峰值和等效值之间的关系.结果表明:当矩形截面桥墩撞击点距墩底距离与截面长度的比值小于3.7,或圆形截面桥墩撞击点距墩底距离与截面半径的比值小于6.2时,需充分考虑桥墩剪切应变能的影响;荷载波形对等效撞击力取值影响较大,当撞击荷载波形接近正弦、三角形和矩形波时,等效撞击力系数的建议值分别为0.64、0.52和0.91.研究结果可为桥墩等效撞击力取值提供参考依据.

双组分层撞击流反应器流场时空演化数值模拟

为了研究双组分层撞击流反应器流场时空演化规律,利用大涡模拟方法进行数值模拟。结合第三代涡识别方法在空间尺度上,对轴向面、周向环面和径向面的速度场、涡量场进行分析;在时间尺度上,揭示速度场、涡量场和涡当地旋转轴的演化规律。结果表明:轴向面和径向面的涡强度呈多峰分布,周向环面涡强度的变化分为增强-稳定-增强3阶段。以XOY面作为研究参考,在两层喷嘴间依据涡发生位置的变化和多尺度涡的碰撞、破碎情况,涡发生期分为6个阶段,涡演化周期分为12个阶段,可据此预测反应器内部流型变化和流场所处阶段。

基于振荡射流的撞击流反应器流动及混合特性研究

为了研究振荡射流撞击流反应器内流场特性,利用SST k-ω湍流模型,建立振荡射流撞击流反应器数学模型且与试验进行对比。通过分析速度场、湍流动能分布、压力场和湍流黏度分布规律来研究撞击流反应器内部流动特性,揭示混合性能变化规律。结果表明:在轴向上,速度、湍动能和压力呈多峰分布趋势且随着入口速度的上升而不断增大。在径向上,振荡器混合室内部涡旋中心受喷嘴小尺度涡旋干扰不断变化,从而影响流体振荡,使流场内产生4种流型。该反应器在35 s后混合均匀,混合强度达到0.95以上。研究结果丰富了流体振荡特性理论,为新型反应装置的开发提供理论参考。

水平对置撞击流反应器强化液-液萃取及传质特性

为了研究撞击流技术强化水相从煤油相中萃取乙酸,考察操作条件和溶液性质对萃取效果和传质特性的影响,测定液滴分散程度,利用响应面法优化萃取工况。结果表明:随煤油相进口体积流量和相比(水相与煤油相的体积流量比)的增加,分散相液滴粒径分布范围先缩小后扩大,Sauter平均直径d32先减小后增大。萃取率和总体积传质系数随煤油相进口体积流量的增加、水相黏度的增加和表面张力的减小而先增大后减小,随相比的增加呈先增后减再增加的趋势。各因素对萃取率的影响程度为:相比>煤油相进口体积流量>十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)质量浓度,且交互作用显著。最佳工况下萃取率为93.11%,较传统萃取工艺提高了5.11%。

横向气流作用下液滴垂直撞击壁面动力学模拟

为研究气流对液滴碰撞不同壁面后形状变化的影响,采用VOF方法,模拟了液滴在流速为0.1 m/s的横向气流作用下,以0.22和0.44 m/s的初始速度撞击不同润湿性壁面的行为,壁面接触角分别取为60°、70°、90°、120°和160°.结果表明,液滴的撞击速度和壁面接触角显著影响其形态变化.液滴的撞击速度对其铺展过程的推进速度有直接影响,高速撞击能够迅速促使液滴达到最大铺展状态.接触角的增大导致液滴达到最大铺展直径的时间缩短,并快速达到最大铺展状态.在横向气流场中,液滴的润湿面积相较于无气流场增加了0.95%~9.91%.研究结果揭示了气流对液滴行为的影响,为优化空气处理设备中的液滴管理提供了实际指导.

射弹高速撞击下结构冲击响应建模方法

装备受到外界打击可能造成失效,以往的研究多集中在打击部位的损伤破坏,而对于打击引起的冲击波及其在装备内传播研究较少,而后者同样能够导致装备失效。本文针对结构在高速撞击下的冲击响应问题开展了建模方法研究,提出了结构在高速打击下的冲击源建模方法,并通过理论分析给出了建模方法的适用条件。利用传统的有限元技术,结合本文的冲击源建模方法,可以有效地对结构高速撞击下的冲击响应进行仿真,通过试验验证了方法的适用性。

基于场协同原理的涡发生器强化撞击流反应器混合性能分析

为了提高撞击流反应器的混合性能,采用数值模拟的方法分析了置入矩形翼涡发生器后撞击流反应器内的流场特性与混合特性,并且优化了矩形翼涡发生器参数。研究了矩形翼涡发生器尺寸参数与位置参数对撞击流反应器混合强度的影响,以及涡发生器位置参数对反应器内速度分布和湍动能分布的影响,运用传质场协同原理分析了设置矩形翼涡发生器和未设置矩形翼涡发生器的撞击流反应器内速度场和浓度场的协同性。结果表明,随着径向间距r的增加混合强度呈现出先增后减的趋势,当翼宽h、转轴间距d和迎流攻角β逐渐增加时混合强度波动变化,在矩形翼涡发生器的翼宽h=10 mm,转轴间距d=8 mm,径向间距r=30 mm,迎流攻角β=30°时,反应器内混合强度最大,得到的混合效果最佳;在两股流体充分撞击的情况下,撞击流反应器内径向射流区域的速度分布呈现为“双峰”分布规律,涡发生器位置参数的改变可以提高径向速度,在转轴间距d=8 mm、迎流攻角β=30°时径向速度最高,反应器内径向射流区域的湍动能分布呈现出“单峰”分布规律,但涡发生器位置参数的变化对于湍动能分布的影响不大;从场协同的角度分析可知,矩形翼涡发生器的加入改变了撞击流反应器内径向射流的速度大小和方向,进而改善了撞击流反应器内速度场与浓度场的协同性,提高了撞击流反应器的混合性能。

我国应对近地小行星撞击风险和动能撞击偏转研究的若干进展

近地小行星(NEA)撞击地球是人类长期面临的重大潜在威胁,基于监测预警和风险评估,实施在轨处置是防范化解NEA撞击风险的最佳途径。本文概述了国际近地小行星撞击风险应对的现状与发展趋势,介绍了2020年我国启动应对近地小行星撞击风险工作以来的主要进展。着重从实验、数值仿真和理论建模3个方面介绍了我国在动能撞击偏转在轨处置技术研究的若干进展,展望了我国即将实施的首次近地小行星动能撞击防御演示验证任务,提出了在轨处置体系能力与技术深化研究建议。

高速物体撞击过程理论研究

基于现有高速运动物体模型的研究现状,以分析高速物体撞击目标物这一过程为目的,建立了适用于撞击过程的地面坐标系、撞击物坐标系以及撞击物速度坐标系,并推演了相关坐标系之间的转换关系。以此为基础,基于撞击作用原理建立了撞击过程的理论模型。模拟计算了撞击物形状、撞击角度以及目标物厚度等条件的变化对撞击效果的影响。经理论计算得到了在撞击过程中,撞击角度越贴近正面,击穿效果越好,难度越小;目标物的厚度越大,击穿难度越高的结论。为高速物体击穿损伤过程的研究提供了理论依据。

水-空气耦合介质中冰载荷对闸墩的撞击影响研究

西北干寒地区长距离输水工程中河道修建的闸墩受到冰载荷撞击破坏,为确保冬季安全稳定供水,需进行冰载荷对闸墩撞击破坏力学特性研究。该文采用任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)流固耦合(fluid structure interaction, FSI)方法模拟不同碰撞工况下冰体楔入闸墩碰撞过程,并通过对比实验,验证了冰材料模型参数和ALE算法的适用性,分析了网格尺寸对撞击力的影响。研究结果表明:计算得到冰载荷对闸墩撞击力极值与实验值具有良好的吻合性,表明该模拟所采用的冰材料模型参数、ALE算法和网格尺寸能够较准确模拟冰载荷对闸墩的作用力;闸墩损伤变形与冰排破损主要集中在碰撞接触区,接触区撞击力大小受到“水垫效应”的影响,空气介质对撞击力影响较小;不同冰厚和冰速工况下撞击力时程曲线呈现“Sawtooth”(上下波动)现象,撞击力加载-卸载时间较短;冰排楔入闸墩的过程中,撞击力极值出现在0°正碰接触区,在冰速1.2 m/s~3.0 m/s范围内,撞击力逐渐减小,在不改变冰速工况下,随着冰厚的增加,墩体结构响应越大,冰速和冰厚两种影响工况下闸墩顶端位移均为周期性振动。其仿真结果拟为西北干寒地区冰期河道中墩体结构安全提供指导。

月面建造结构的微流星体撞击防护分析研究与展望

为应对微流星体的超高速撞击对未来月球基地带来的巨大挑战和威胁,概述了微流星体环境对月面结构所带来的潜在危害,梳理和归纳了不同的月面防护结构类型及其组成、建造方式和特点等,并重点分述了微流星体对月面防护结构撞击作用的3种分析方法,分析了不同月面防护结构抵御微流星体超高速撞击的防护效果,同时总结了不同的月面防护结构超高速撞击分析方法的局限性,最后提出了结论,并对未来的研究方向进行了展望,为未来月面建造结构的防护设计、模拟试验和分析计算等提供一定的参考和借鉴。

顶部水平撞击作用下钢墩柱等效碰撞力研究

通过对钢墩柱的水平撞击试验,探讨了撞击质量和速度对碰撞响应的影响;基于ABAQUS/Explicit有限元软件模拟,进一步探究了试件长细比、锤头材质及轴压比对试件动力响应的影响规律。在上述基础上,基于能量原理,提出了一种计算水平撞击作用下钢墩柱等效碰撞力的方法。结果表明:碰撞力随撞击质量和速度增加而增大,且受撞击速度的影响更显著;随试件长细比减小,碰撞力峰值增大,墩顶位移减小;较小的轴压力有利于提高试件的抗撞击能力。试件在铝制和钢制锤头撞击下的动力响应相似,相比而言,在橡胶锤头撞击下响应明显减小。将该方法计算的等效碰撞力以拟静力的方式施加于墩柱,得到的墩柱应变与位移等响应与撞击作用下的响应峰值误差在15%以内。