Modeling of softsphere normal collisions with characteristic of coefficient of restitution dependent on impact velocity

This letter presents a theoretical model of the normal （head-on） collisions between two soft spheres for predicting the experimental characteristic of the coefficient of restitution dependent on impact velocity. After the contact force law between the contacted spheres during a collision is phenomenologically formulated in terms of the compression or overlap displacement under considera- tion of an elastic-plastic loading and a plastic unloading subprocesses, the coefficient of restitution is gained by the dynamic equation of the contact process once an initial impact velocity is input. It is found that the theoretical predictions of the coefficient of restitution varying with the impact velocity are well in agreement with the existing experimental characteristics which are fitted by the explicit formula.

入水角度对球体高速入水空泡特性影响研究

目的 针对球体高速入水过程中空泡的演化过程及运动特性展开研究,为弹体入水或空投鱼雷入水提供理论参考。方法 基于试验与数值模拟,主要讨论入水角度对球体高速入水过程中空泡生成、闭合、溃灭以及运动特性。结果 在球体入水过程中,根据入水空泡的形态特征,可以将入水过程分为入水冲击、空泡形成、空泡闭合和空泡溃灭4个阶段。在入水冲击阶段,球体头部承受的压力最大,且随着入水角度的减小,冲击阶段球体头部压力逐渐减小。在空泡闭合后,空泡的截面面积随着入水角度的增大而减小。在溃灭阶段,由于空泡溃灭夹断,会产生回射流,回射流的强度随着入水角度的减小而减小。在球体入水角度为30°时,溃灭夹断不会产生回射流。此外,球体以不同角度入水时,球体在水下的运动轨迹会发生不同程度的偏离,偏离程度随着入水角度的增大而减小,垂直入水时几乎未发生偏离。结论 入水角度对球体高速入水过程中空泡的演化过程及运动特性有较大影响,入水角度越小,球体入水后空泡截面积越大,总流动阻力系数Cd越大,且球体运动轨迹偏离越严重。

钢珠对某型发动机压气机一级转子叶片撞击损伤研究

基于钢珠撞击钛合金平板叶片进气边的试验数据,通过模拟撞击过程与撞击结果,确定了仿真所需要的材料参数与计算参数。此后,以某型航空发动机一级转子叶片为研究对象,采用塑性随动硬化本构模型,利用ANSYS/LS-DYNA软件模拟了飞机起飞、降落过程中,叶片最大工作状态下,不同速度钢珠对叶片进气边同一部位的撞击损伤。为定量描述损伤规律,提出了相对能量和临界损伤能量的概念,发现:相对能量不仅能够反映外物质量(大小)及相对速度对叶片损伤的总效果,而且就文中研究的叶片而言,相对能量与损伤深度及损伤宽度呈指数关系,叶片的临界损伤能量值为6.6J。

酸腐蚀作用对岩石的接触变形和损伤的影响

为了探索岩石受酸性环境腐蚀的非破坏性检测方法,用冲击球压法研究花岗岩、大理石在质量分数为6%的盐酸溶液中压入深度-冲击荷载关系、损伤半径-拉应力关系及接触损伤的规律。将未受酸液作用的试样进行球压试验后浸泡于酸液中进行损伤区扩展试验。对岩石压痕损伤区的形貌特点进行表征,阐明接触损伤对岩石材料的潜在危害。研究结果表明:在盐酸的持续作用下,花岗岩的表面弹性模量缓慢降低,大理石的表面弹性模量迅速降低,其中,90 d时花岗岩表面弹性模量下降52.7%;15 d时大理石表面弹性模量下降92.2%,未到90 d时,材料整体发生溶蚀;90 d时花岗岩的损伤区扩展31.9%,而大理石的损伤区在15 d时扩展了128.9%。

利用冲击球压法评价混凝土表面的硬化特征

为了研究硬化阶段混凝土表面性能受环境影响而变化的特性,利用冲击球压技术研究了非常规养护制度下(室外、水中及5%Na2SO4溶液)混凝土的冲击荷载与压痕尺寸的关系、动态硬度及恢复系数,对混凝土材料的冲击压痕形貌进行了分析。结果表明:(1)水中养护的混凝土动态硬度和恢复系数较大,随着养护时间的延续增长最快;自然环境中放置的混凝土动态硬度和恢复系数最小,硬化初期这两项性能有一定的增长,但是在硬化中后期发生下降;(2)5%Na2SO4溶液中养护的混凝土硬化初期动态硬度和恢复系数较大,随养护时间的延续动态硬度缓慢增长,而恢复系数明显下降;整个试验证明,利用冲击球压技术评价混凝土的硬化程度是可行的。

岩石、混凝土受颗粒冲击后接触损伤形貌的特征

用自制的冲击球压装置研究了花岗岩、大理石、混凝土及砂浆在颗粒冲击下的压痕-冲击应力关系和接触损伤的规律,结果表明:花岗岩、大理石的压痕-冲击应力关系以线性为主,随着应力的提高材料发生突然断裂;混凝土和砂浆线性关系相对不明显,这在宏观形貌上表现为损伤区的形貌特点不同。对四种材料损伤形貌的微观分析表明:花岗岩、大理石受颗粒冲击后产生的损伤主要为拉应力导致的解理面、晶面的破坏以及裂纹沿相界面和孔隙的扩展,对其力学性能有较大的危害;混凝土和砂浆的损伤由过渡区开裂、骨料破裂和C-S-H的塑性滑移共同构成,对耐久性造成的隐患远大于对力学性能的影响。

钢球和刚性平面弹塑性正碰撞恢复系数研究

采用有限元法(FEM)研究了理想弹性和分段线性/幂指数强化材料钢球与刚性平面的弹性和弹塑性正碰撞。弹性碰撞FEM计算结果和Hertz理论计算结果吻合。弹性碰撞FEM计算结果说明波动效应在球体与刚性平面正碰撞中引起的能量损失可以忽略。弹塑性碰撞的FEM计算结果分别与Johnson和Thornton的理论模型计算结果进行了对比。弹塑性碰撞中,当碰撞速度大于临界速度时发生有限塑性变形,FEM计算结果表明恢复系数与[(v/vy)/(E*/σs)]-0.27成正比。

颗粒冲击引起混凝土材料的损伤

利用冲击球压法对标准养护室、室外、水以及5%Na2SO4溶液环境下的C30混凝土试件进行了试验。对混凝土应力—压痕尺寸关系和压痕形貌进行了评价和描述。试验结果表明:当冲击应力—压痕尺寸关系超过某一临界点后,压痕增大的速率远远大于应力的增长,Na2SO4溶液和水环境中的试件尤为明显;对压痕形貌的观察发现,室外和Na2SO4溶液中的试件其损伤最为强烈,具体表现为压痕周围发生了较为剧烈的颗粒脱落和松动。

球形弹丸超高速正撞击薄板破碎状态实验研究

利用闪光x射线照相系统拍摄了直径6．35mm的铝球以2．23～5．26km／s的速度正撞击薄铝板的过程并对该过程进行了分析，研究了弹丸从塑性变形到完全破碎的发展过程。给出了球形弹丸内部应力波传播的定性描述，提出弹丸形态变化包括3个阶段。在塑性变形阶段，弹丸变形随撞击速度和板厚的增大而增大；弹丸主体部分发生临界破碎时的撞击速度随薄板厚度增大而减小，当板厚超过一定值时，该速度基本相同，不受板厚影响；在完全破碎阶段，随撞击速度的增加，弹丸主体部分材料的径向速度增大，碎片尺寸减小，数量增多。

层状结构冰球的高速撞击特性实验

为研究冰雹在不同撞击速度下的破碎特性及致损能力,通过空气炮加载技术,开展了单一性状冰球和层状结构冰球高速撞击刚性靶实验,利用测力杆记录了两种类型冰球在不同撞击速度下的撞击力时程曲线,并结合高速摄影技术研究了两类冰球的高速撞击破碎特性。实验结果表明:两类冰球高速撞击刚性靶的宏观破碎特性相似,在碰撞初始阶段冰球已完全破碎,形成微颗粒团簇体,反向溅射角呈随撞击动能增大而增大的趋势;与单一性状冰球撞击力曲线相比,层状结构冰球撞击力曲线中出现二次上升信号,推测是由于破碎界面在层间界面发生偏折,小球未完全破碎再次撞击测力杆所导致;高速撞击下层状结构冰球的撞击力高于单一性状冰球,推测是由于层间结构的存在延缓了冰球的破碎进程,提升了其在冲击方向传递动量的能力,进而产生了更高的撞击力。研究结果有助于深化对冰雹在高速撞击下的破坏力学行为的认识,同时可为飞行器结构防护、冰雹撞击安全设计研究等提供参考。

钨球打钢靶数值仿真研究

通过对钨球垂直撞击钢靶的数值仿真 ,获得了模拟钨球撞击钢板的整个物理图象 ,并给出了多种人们所关心的侵彻过程和物理场的演化数据 。

风沙跃移中颗粒与多粒径床面碰撞的数值模拟

采用考虑颗粒碰撞的欧拉-拉格朗日数值模拟方法,对风沙跃移中颗粒冲击多粒径床面的碰撞过程进行了数值计算。在模型中,对气相采用欧拉方法建立控制方程,对离散颗粒采用拉格朗日方法模拟,颗粒间碰撞作用采用软球模型描述。计算结果表明该模型可以模拟风沙运动中颗粒冲击多粒径床面的动态运动过程。而且在多粒径非均匀床面上的颗粒起跳具有较大的随机性。这有助于进一步揭示风沙运动中颗粒碰撞起跳机理。

与冲蚀有关的粘着与犁沟摩擦系数

提出一种与冲击磨损有关的有效摩擦系数,它被定义为冲击过程中,每一瞬间的切向有效摩擦力与法向载荷之比.有效摩擦力被表示为剪切项与犁沟项之组合.剪切项依赖于剪切金属接合点的状态——滑移或滚动.犁沟项依赖于冲击物在冲击途中使靶材料发生移动的状态.此有效摩擦系数被应用于研究刚性球自由斜冲击延性靶问题.在忽略剪切项仅计及犁沟项的情况下,研究表明,Hutchings实验中的有效冲击摩擦系数是冲击过程与初始冲击角的函数,就时间平均而言,大于Hutchings为拟合计算与实验结果所取的摩擦系数常值0.05.有迹象表明,对于与固粒延性冲蚀有关的刚性球自由斜冲击延性靶问题,在一定条件下,有效摩擦系数主要由犁沟效应确定.

钨球高速侵彻低碳钢板成坑直径的计算模型

为研究钨球对低碳钢板高速侵彻成坑直径的分析方法.采用12.7mm弹道枪和57.5mm/14.5mm二级轻气炮加载方式,进行了Φ6mm和Φ7mm钨球以600~2 400m/s撞击速度侵彻不同厚度Q235A钢板实验,根据实验现象分析了弹—靶作用过程,对不同侵彻速度下钢板上侵彻孔边缘进行了扫描电镜（SEM）观察.研究结果表明,撞击速度在1 000m/s时,靶体破坏以动态断裂为主,当撞击速度达到1 500m/s以上时靶体破坏以塑性流动为主;据此,同时考虑钨球塑性变形、靶体动态屈服和塑性流动,建立了钨球高速侵彻低碳钢板成坑直径的计算模型,模型计算结果与实验偏差在12%以内.

冲击球压技术研究材料局部损伤和弹塑性特征

冲击球压技术是基于赫兹接触理论发展起来的研究材料力学性能的新方法,尽管起步较晚,但是对材料力学性能特征和变化的研究是非常有效的。概述了近40年利用冲击球压技术分析材料局部损伤和评价材料弹塑性特征的理论和研究进展,重点阐述了利用冲击球压技术和赫兹接触理论评价材料恢复系数和动态硬度特征及变化的可行性、敏感性和精确性。结合研究现状对冲击球压技术中隐含的问题进行了划分,并展望了未来冲击球压技术的发展方向。

刚性球体三维高速垂直自由入水载荷

入水结构体在从空中弹道转入水下弹道的入水阶段,其周围的流体将呈现出强非线性性质,本文针对传统基于Wagner理论的结构体入水载荷计算模型不能很好描述流体三维流动的情况,基于无黏不可压流体流动模型,考虑流体弹性,采用微元边界运动等效方法对运动边界进行分段分析,计及入水过程中系统的动能损失,根据能量守恒,对刚性球体高速垂直自由入水过程中流体的三维流动进行了理论分析,建立了基于无黏不可压弹性流体的刚性球体垂直高速入水载荷计算模型,并与基于多介质任意拉格朗日欧拉方法的有限元模型进行了对比分析,验证了该方法的可行性。基于此模型,本文进一步分析了入水载荷的影响因素。该方法提供了一种计算结构体垂直高速入水载荷的思路,具有一定的理论意义和工程应用价值。

风沙跃移运动的数值模拟

根据纳维-斯托克斯方程,分析风沙流的特征和风沙运动的基本规律,推导出流体相控制方程。采用离散单元法和硬球模型对单颗沙粒碰撞规律进行分析。微观上通过建立风沙运动颗粒碰撞的数学模型,如跃移颗粒在空间上的碰撞等,得出颗粒的运动规律,同时模拟出颗粒的受力状况、沙粒速度随高度的变化规律以及输沙量随高度的分布状况。

舰用电机空中爆炸动态响应数值仿真分析

为了对舰用电机进行抗爆能力评估,使用流固耦合算法和显式动力分析软件LS-DYNA对整个结构进行了空中爆炸的数值模拟。用球面加载法对结构进行全方位的爆炸载荷加载,通过计算找出了结构中的薄弱部位并得到了结构各部位的动态响应曲线。针对薄弱部位进行了部分的改进并提出相关建议。数值模拟的结果表明:此方法能够较好地模拟冲击波的传播过程,并有效地评估结构的抗冲击能力,得到的计算结果能为电机附属设备的抗冲击计算提供输入条件。同时本文研究对于舰用大型设备的抗爆设计有一定的参考价值。

电视对彝族村落社会流动的影响——基于布里莫村的民族志调研

运用参与观察、问卷调查、个人访谈、焦点组访谈等研究方法,对彝族村落的媒介消费状况,电视对村民社会流动的影响等问题进行调研。研究发现,彝族村落的媒介消费呈现出"非立体化"和"单一化"的态势;电视对其社会流动产生了重要影响,但这种影响是"隐性"的,具体表现为:在水平流动中,对村民由农村流向城市具有诱惑作用;在垂直流动和代际流动中,对村民上升流动的决策形成产生了潜移默化的影响。

球与细长圆锥杆纵向碰撞问题动力学分析

基于波传播法对球与细长圆锥杆纵向碰撞动力学问题进行研究.建立了考虑非线性弹性接触变形的球与圆锥杆纵向碰撞的动力学方程,通过引入分段求解的思想,提出了球与圆锥杆碰撞动力学方程的求解算法.通过对钢球与铝圆锥杆低速碰撞问题进行数值仿真,讨论了不同锥度和质量比等因素对碰撞力和动力学响应的影响,研究了不同锥度条件下应变波传播性质,为今后实验和数值研究提供了理论参考.研究结果表明:圆锥杆锥度和质量比等参数对碰撞力和圆锥杆上速度响应作用明显;由截面不等引起的锥度对应变波传播造成的影响不可忽视.