坡面流及土壤侵蚀动力学(I)——————坡面流

坡面流是坡面土壤侵蚀的根本动力,是研究土壤侵蚀动力学过程的基础.本文简要介绍了坡面流的基本特征和水力学特性,综述了坡面入渗产流过程、坡面流阻力,以及坡面流运动的数学描述和预报模型等方面的研究进展.指出复杂坡面条件下的坡面流运动,以及从小尺度过渡到大尺度将是今后坡面流研究的重要发展方向.      

坡面降雨径流和土壤侵蚀的数值模拟

利用水力学原理建立了坡面降雨径流和土壤侵蚀模型，分别采用特征线法和有限差分法对径流量和土壤侵蚀量进行了求解，并针对具体降雨事件进行了模拟计算，计算结果与试验小区实测值基本一致．本研究表明水土流失随着降雨强度和坡度的增大而加剧，特别是坡度引起的土壤侵蚀     

土壤侵蚀的流体力学机制（Ⅱ）－风蚀

土壤的加速侵蚀已成为当前全球性环境灾害之一．对土壤侵蚀及其预防、控制的研究引起了人们的普遍关注．本文通过对国外文献的广泛调研,系统地分析与评价了有关土壤风力侵蚀的研究进展．      

土壤侵蚀的流体力学机制（Ⅰ）──水蚀

土壤的加速侵蚀对农业发展和人类生存构成了严重威胁,变为当前全球性环境灾害之一,因此,对土壤侵蚀及其预防、控制途径的研究引起了人们的普遍关注。本文通过对国外文献的广泛调研,系统地分析与评价了有关土壤水力侵蚀的研究进展。      

土壤侵蚀的流体力学机制（Ⅱ）－风蚀

土壤的加速侵蚀已成为当前全球性环境灾害之一．对土壤侵蚀及其预防、控制的研究引起了人们的普遍关注．本文通过对国外文献的广泛调研，系统地分析与评价了有关土壤风力侵蚀的研究进展．     

降雨冲刷对黄土公路边坡植物防护影响的试验研究

通过对裸露黄土公路边坡、厚层基材植草公路边坡、三维网植草公路边坡以及平台植树公路边坡的现场降雨冲刷试验,阐述了不同防护型式的公路黄土边坡在降雨条件下的坡面径流、含泥量以及坡面冲刷情况,得出了"降雨对边坡坡面的侵蚀过程,首先是从雨滴直接打击土体开始,进而引起溅蚀,分散土粒,紧接着发生超渗径流造成坡面冲刷。"以及"对坡面破坏最大的是坡顶上方来水"等重要结论。验证了坡面植物防护以及平台植树等防护方法可以有效降低降雨冲刷对坡面的侵蚀破坏,为黄土地区公路边坡植物防护的设计施工以提供了可靠的依据。     

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应用一维水沙耦合数学模型研究了可冲刷坡面上滚波的水动力学特性. 模型的基本控制方程 采用完整的、基于守恒定律的一维浅水动力学方程,运用能够捕捉激波和泥沙运动不连续性 的WAF TVD二阶数值格式离散控制方程. 通过复演定床滚波的运动特点,对模型进行了验证. 可冲刷坡面的滚波数值模拟结果表明,床面形态对滚波水动力学特性有显著的影响.     

沟谷坡面风沙起动规律研究

根据坡面风沙受力情况,以滚动模式建立了坡面风沙起动的风速公式.计算分析了相同风向条件下不同坡度风沙的起动风速和相同坡度条件下不同风向风沙的起动风速,并与平面风沙起动计算风速和实测风速进行了比较.计算分析表明,在风向一定时,坡面风沙更容易起动,风沙起动速率随着坡度的变陡而变小.在坡度一定时,风沙起动风速受到风向的影响很大,起动风速随风力与水平面垂线夹角的增大而增大.与平面相比,当风力与水平面垂线夹角小于90°时,坡面风沙起动流速比平面为小.在当风力与水平面垂线夹角大于90°时,起动风速比平面为大.当坡面为平面时,风沙起动公式与平面拜格诺起动公式完全一致.     

结构动力学有限元模型修正的发展——————模型确认

结构动力学有限元建模精度问题是力学分支中受到广泛关注的研究课题之一. 以提高建模精度为目标的有限元模型修正技术的发展日臻完善, 并已逐步在工业界得到应用. 然而模型修正技术未能全面解决建模精度中存在的问题. 近几年以美国三大国家实验室为代表的科技人员提出了模型确认技术, 以希望全面解决结构动力学建模精度问题. 本文以模型修正为基础, 讨论模型确认的相关问题以及与模型修正的关系.      

考虑弹丸侵蚀的垂直侵彻混凝土模型及算法研究

现有试验表明:当弹丸侵彻速度低于1000m/s时,因侵彻过程中与混凝土会发生摩擦碰撞,其中损失的质量的总量与弹丸初始侵彻的动能成线性关系。本文利用此侵蚀规律提出了一种考虑弹丸侵蚀的垂直侵彻混凝土靶侵彻模型及算法,此模型中弹丸侵彻阻力由空腔膨胀理论模型计算。采用本文的模型预测了弹丸侵彻混凝土过程中的弹丸头部形状的变化、质量损失、侵彻深度等,将模型计算结果与实验数据对比发现,侵彻深度误差小于10%,质量损失误差在15%以内,表明了模型具有良好的精度和实用性。     

关于经典Appell-Hamel例——————分析力学札记之九

 不可积分微分约束系统动力学有Appell-Chetaev模型和Vacco模型,对经典Appell-Hamel例两个模型有同样解.     

动能侵彻弹体的质量侵蚀模型分析

通过对高速侵彻弹体的质量侵蚀实验现象进行分析,建立了质量侵蚀的工程理论模型,可对动能侵彻弹体头部侵蚀后的头形和质量侵蚀进行预期. 讨论弹体质量侵蚀的主要影响因素,认为弹体动能(或质量和速度)以及混凝土骨料硬度对弹体的质量侵蚀有显著影响,给出了更一般化的弹体质量侵蚀与撞击函数$I$的关系. 通过图形分析明确弹体的质量侵蚀主要发生于头部,并且侵蚀后的弹头仍接近尖卵形,可以通过头形变化预期弹体的质量损失.      

考虑摩擦因数变化的弹体高速侵彻混凝土质量侵蚀模型研究

弹体在高速侵彻混凝土介质时,由于弹靶之间强烈的局部作用,导致弹体发生质量损失和弹头钝化。为进一步探究弹体高速侵彻混凝土靶质量侵蚀效应及其影响因素,基于热熔化机制及变摩擦因数模型,考虑弹体侵彻过程中头部形状变化,修正了弹体高速侵彻混凝土质量侵蚀模型。为验证模型的可靠性,基于30 mm弹道炮平台,开展了卵形弹体高速(700～1 000 m/s)侵彻典型混凝土靶体实验,获得了弹体高速侵彻质量侵蚀结果。结合理论模型对本文实验及文献实验数据进行了对比分析计算,验证了本文修正模型的可靠性。结果表明:弹体侵彻过程中,滑动摩擦项占总摩擦力的10%～40%,它对弹体侵彻过程的影响不能被忽略;考虑摩擦因数变化的质量侵蚀模型预测结果与已有实验数据吻合得较好;与本文实验数据的最大误差不超过7%,能较准确地预测不同工况下弹体的质量损失。     

落地四坡房屋表面风致雪漂移效应分析

为了获得落地四坡房屋表面积雪分布规律,根据风雪运动机理选取适当的雪粒粒径、积雪密度、沉降速度等条件,考虑积雪侵蚀沉积等影响因素,基于Euler-Euler多相流理论,使用FLUENT软件Mixture多相流模型模拟了立方体周围积雪及高低屋盖模型表面积雪分布,并与实测进行了比较,确定了湍流物理方程、数值风洞尺寸、细部网格及数量、壁面条件等各计算参数设置。以风速、风向角为参数,模拟落地四坡房屋屋面积雪分布得出:随着风速增加,屋面积雪量不断减少,15m/s风速下屋面积雪呈完全侵蚀状态,低风速下屋面积雪更多;屋面各区域积雪漂移随着风向角的改变不断改变,总体表现为侵蚀状态沉积区域较少;在5m/s风速下落地四坡房屋的迎风面各区域积雪分布系数在0.5以下,迎风屋顶各区域积雪分布系数基本为0,背风屋顶各区域积雪分布系数变化幅度高达0.8,背风面各区域积雪分布系数整体保持在0.9附近。得到了5m/s风速下区域积雪分布系数表,可为该类房屋的设计使用提供理论依据。     

风沙环境下钢结构表面涂层冲蚀行为与侵蚀机理研究

风沙环境的侵蚀和劣化作用严重影响着基础设施的安全耐久性.本文根据风沙环境特点,利用气流挟沙喷射法对钢结构涂层进行冲蚀试验,研究了涂层在风沙环境下的冲蚀磨损特性、冲蚀行为和侵蚀机理.结果表明:涂层磨损量随沙剂量和冲蚀速度的增加而增加;侵蚀机理为在低角度冲蚀下,涂层主要受微切削作用,而在高角度冲蚀下,主要受冲蚀挤压变形作用,由于涂层强度低而韧性较好,其在低角度冲蚀下的磨损更为严重.     

几种高分子材料的磨粒侵蚀机理

本文采用自行设计制造的磨粒侵蚀试验台对聚氨酯、丁苯橡胶、尼龙6和聚四氟乙烯4种高分子材料的磨粒侵蚀行为进行了试验研究,并且通过扫描电镜对试样磨损表面进行了观察分析,分别提出了这4种高分子材料磨粒侵蚀的物理模型和物理过程,阐明了它们的磨粒侵蚀机理:具有一定动能的固体颗粒对材料表层产生微切削;微观裂纹的萌生与扩展导致材料表层微观剥落;材料的力化学分解和热分解;材料表层局部塑性变形发展成塑性断裂而从表面脱落。     

侵蚀滑移计算方法的改进

将二维拉格朗日有限元程序LTZ-2D中侵蚀滑移的计算方法进行了改进.将单元侵蚀判断标准由单一的累积塑性应变标准改为累积塑性应变、单元的硬化因子以及单元相对于滑移线的变形角度的综合判断标准.同时,利用本文的改进算法对侵彻问题进行了数值模拟.计算结果显示,采用改进后的侵蚀滑移计算方法不仅很好地显示了侵彻过程中弹靶的接触面,...     

磨损与动力学耦合的行星传动齿轮动力学研究

行星齿轮磨损会导致齿轮齿侧间隙非线性增大、传动精度下降、齿面冲击力增大, 进而会导致齿轮传动系统振动加剧, 因此需要对行星齿轮的齿面磨损与动力学耦合特性进行研究. 本文构建了齿轮非线性磨损与考虑齿轮齿侧间隙的非线性动力学耦合计算模型, 对行星传动齿轮磨损动力学特性进行了研究. 首先建立齿轮啮合非线性动力学模型, 获得齿轮运行过程中的非线性啮合力; 进一步将非线性啮合力与齿轮齿面磨损模型相结合, 研究齿轮齿面磨损分布规律; 并根据齿轮磨损后的齿侧间隙对齿面重构, 同时对齿轮动力学模型进行更新; 进而得到行星齿轮传动中动态啮合力和磨损特性的变化趋势, 并获得齿轮传动系统齿轮齿向振动响应. 数值计算结果表明, 行星齿轮磨损导致齿轮在单?双齿交替啮合时产生的冲击增大, 同时太阳轮?行星轮啮合齿对对磨损较为敏感, 齿面啮合条件剧烈恶化, 是造成行星齿轮传动性能退化的主要原因, 本文研究结果为行星齿轮传动系统运行状态评估与可靠性预测提供了理论基础.      

强酸侵蚀对钠钙硅玻璃表面改性及其磨损性能研究

使用水接触角测量仪、红外光谱仪、纳米压痕仪和显微硬度计,探究了侵蚀处理时间对钠钙硅玻璃在强酸(pH=1,HCl溶液)和纯水侵蚀条件下机械化学性能的变化规律. 采用多功能往复式摩擦磨损试验机,以SiO₂球为对摩副,分析了钠钙硅玻璃在不同侵蚀条件下的磨损行为. 研究发现:经去离子水侵蚀24和50 h后,钠钙硅玻璃的机械化学性能变化不明显,而经强酸侵蚀的钠钙硅玻璃的断裂韧性显著增大,但其纳米硬度、等效弹性模量、维氏硬度和在潮湿空气(RH=50%)下的磨损性能降低. 酸性液体对钠钙硅玻璃性能的影响与Na+析出后玻璃表面形成的侵蚀层密切相关. 与纯水环境相比,钠钙硅玻璃表层Na+在强酸侵蚀时更易被析出,表面化学结构变成“富SiO₂”,同时玻璃表面变得更亲水,磨损过程产生的磨屑易于吸附在摩擦界面,从而导致界面磨损形式由摩擦化学磨损转化为黏着磨损,最终使钠钙硅玻璃的耐磨性降低.      

混凝土骨料对高速侵彻弹体质量侵蚀的影响分析

高速侵彻时，弹靶之间发生强烈的局部作用，引起弹体头部发生质量侵蚀，从而影响弹体的侵彻性能。在弹体侵彻过程中，混凝土中的骨料对弹体的质量侵蚀有显著影响。本文通过对高速侵彻混凝土弹体的质量侵蚀实验数据进行分析，进一步分析讨论了混凝土骨料对弹体质量侵蚀的影响。将混凝土靶体视为骨料和砂浆基质混合的二相复合材料，引入混凝土骨料的体积分数χ和骨料的剪切强度τ₁代替骨料的莫氏硬度H，给出无量纲骨料修正因子β，建立了修正的弹体质量损失工程模型。模型预测结果与现有的实验数据符合得很好，更准确地表征了混凝土骨料对弹体质量损失的影响。