重力驱动下运动物体在颗粒介质中的最大穿透深度

通过高速摄像的跟踪，研究了重力场中球形下落物体对松散颗粒床进行撞击并进入颗粒床内的运动过程.运用已得到的颗粒体系中运动物体的阻力模型，分析了物体质量对穿透深度的影响.研究表明，当物体与颗粒床撞击的初始速度较小时，物体在颗粒床中的最大穿透深度与物体质量呈近似线性关系. 实验得到的结果与模型符合很好. 关键词： 颗粒体系 阻力 动力学过程     

颗粒物质内自旋小球运动行为的数值模拟研究

针对大耳沙蜥在沙子中的运动行为,以球形物体为研究对象,利用3维离散元数值模拟程序LIGGGHTS模拟了旋转运动模式对颗粒物质中球形物体平动和上升/下降行为的影响,定量分析了旋转速度以及颗粒间摩擦系数等因素的具体影响.研究结果表明:球形物体与颗粒物质基底颗粒间的摩擦系数以及球形物体的自转角速度对球形物体的运动有明显影响,摩擦系数越大物体运动越明显,自转角速度越大物体运动越明显.该结果比较好地解释了沙漠生物外表具有鳞片的原因.     

颗粒介质的离散态特性研究

回顾了颗粒介质中应力的分布和传播模式以及物体在颗粒介质中运动所受阻力的研究进展，并报道了我们对颗粒体系中代表离散特性的颗粒尺寸效应对颗粒介质特性影响的研究.研究发现物体由于自身重量在颗粒介质中下沉的深度随着颗粒尺寸的增大单调减小；球体在下陷过程中受到的颗粒床的支撑力，除了在约1 mm范围的表面作用区域以外，与下陷深度之间满足很好的幂率关系，幂值在1.5—1.0之间，并且此幂值随着颗粒尺寸的增大而单调减小.颗粒床的支撑力与下陷深度的幂率关系可解释为颗粒介质内部应力结构重组的宏观反应结果. 关键词： 颗粒物质 离散介质力学     

不同振动模式下颗粒分离行为的数值模拟

利用三维离散元法对垂直方向上的直线、圆和椭圆振动模式颗粒分离过程进行了数值模拟研究,对直线振动时上层大颗粒的波动及圆和椭圆振动时出现的聚集、循环等现象的形成机理进行了分析,并讨论了振动强度对各振动模式下颗粒分离形态的影响规律. 研究表明,综合运用空隙填充、侧面驱动的颗粒运动和能量非均匀分布三种机理,并结合颗粒群的速度矢量分布情况能够较好地解释各振动模式下的颗粒分离行为. 振动强度对圆和椭圆振动模式的分离形态具有显著的影响,并在振动强度约为3时,各种振动模式均具有良好的颗粒分离效果和稳定的颗粒运动状态. 关键词： 振动模式 颗粒分离 离散元法 数值模拟     

粉末材料堆积的物理模型与仿真系统

研究了粉末材料堆积过程仿真的物理模型和系统,并探讨了适合多种不同粒径颗粒混合堆积过程仿真的高性能计算方法.在该仿真系统中,考虑了重力、接触力、阻尼力、摩擦力和范德瓦耳斯力等多种作用力的影响,集成了多种接触力模型和阻尼模型,使其适用于三维大规模粉末材料堆积过程的计算机仿真.利用该系统对粉末材料领域中的两个典型应用进行了模拟研究.模拟了两种相同密度不同粒径颗粒（粒径比为10）的混合堆积过程.当小颗粒数为大颗粒数的300倍时,得到最大的堆积密度（体积分数）为0.82.另外,还模拟了两种不同密度相同粒径颗粒的混合堆积过程.当堆积结束时,出现了明显的分离（segregation）现象和团聚现象.所研究的物理模型和仿真系统既可用于粉末材料堆积过程研究,亦可用于普通的球形物体堆积过程的模拟研究. 关键词： 粉末堆积 物理模型 仿真系统 离散元法     

颗粒分层过程三维离散元法模拟研究

采用软球干接触模型对球形及非球形颗粒的分层过程进行了三维离散元法模拟研究,从颗粒间作用力、转动力矩和能量变化的角度分析了颗粒分层机理,讨论了颗粒的粒度比对分层速度的影响规律.结果表明,分层过程中,大颗粒比小颗粒活跃,非球颗粒由于具有较高的动能而比球颗粒活跃,在一定程度上弥补了颗粒形状对分层过程的影响.大颗粒间的平均法向、切向作用力、平均力矩及平均动能均大于小颗粒.颗粒分层速度随着粒度比的增加而显著增大,当粒度比大于临界粒度比3时,分层速度的增幅减缓.     

不同振动模式下颗粒分离行为的数值模拟

利用三维离散元法对垂直方向上的直线、圆和椭圆振动模式颗粒分离过程进行了数值模拟研究,对直线振动时上层大颗粒的波动及圆和椭圆振动时出现的聚集、循环等现象的形成机理进行了分析,并讨论了振动强度对各振动模式下颗粒分离形态的影响规律. 研究表明,综合运用空隙填充、侧面驱动的颗粒运动和能量非均匀分布三种机理,并结合颗粒群的速度矢量分布情况能够较好地解释各振动模式下的颗粒分离行为. 振动强度对圆和椭圆振动模式的分离形态具有显著的影响,并在振动强度约为3时,各种振动模式均具有良好的颗粒分离效果和稳定的颗粒运动状态.     

风沙运动问题的SPH-FVM耦合方法数值模拟研究

针对离散颗粒模型和欧拉-欧拉双流体模型在求解气粒两相流动问题中存在的不足,提出了一种新方法——SPH-FVM耦合方法,并应用于风沙运动过程的数值模拟计算.新方法基于拟流体模型,采用光滑粒子流体动力学方法(SPH)对离散颗粒相进行求解,追踪单颗粒运动轨迹,采用有限体积法(FVM)求解连续气体相,捕捉流场特性,两相间通过曳力、压力梯度、体积分数等参量进行耦合,建立了两种不同坐标系下方法间的耦合框架.对SPH粒子所承载的物质属性进行了重定义,改造成了适用于离散颗粒相求解的光滑离散颗粒流体动力学模型(SDPH),阐述了SPH粒子与离散相中颗粒之间的关系,推导得到了拟流体SPH离散方程组.模拟了风沙运动中沙粒跃移过程和自由来流风速作用下沙粒的运动过程以及沙丘在风力作用下缓慢向前蠕移的过程,分析了颗粒的运动轨迹,流场中沙粒水平速度分布规律以及气体速度场在沙粒反作用下的变化情况等,与实验结果相符合,结果表明该方法不仅精度较高,而且计算量较小,适于求解风沙运动问题乃至其他气粒两相流动问题.     

运动物体在颗粒介质中的阻力形式

物体由重力驱动在颗粒介质中的运动过程，从动力学上可以用等效重力、颗粒床的黏性阻力及静压阻力来描述.通过求解此动力学模型，找到了一个能够控制颗粒系统处于不同阻尼状态的参量Γ，Γ的表达式直接反映了黏性阻力项和静压阻力项的竞争.这种竞争使得颗粒介质能够处于不同阻尼状态，表现出不同的表观阻力行为.根据理论分析结果设计实验，实现了对颗粒介质体系阻尼状态的调节，验证了理论模型给出的运动物体在颗粒介质中受到的阻力形式. 关键词： 颗粒体系 阻力 动力学过程     

基于Matlab电磁聚焦的动力学仿真

阐述了电磁聚焦的基本原理,基于Matlab平台使用离散动力学的方法对电子在显像管中的电磁聚焦过程进行了仿真计算.仿真结果显示,偏转电场的目标是使得电子在进入磁场之前在同一电场聚焦点具有不同大小的偏转速度,使得电子束在磁场中能够形成运动轨迹聚焦.该离散动力学的仿真方法基于牛顿运动定律,所以可以推广到所有符合牛顿运动定律的粒子运动,有很广的使用范围.     

The scaling and dynamics of a projectile obliquely impacting a granular medium

In this paper, the dynamics of a spherical projectile obliquely impacting into a two-dimensional granular bed is numerically investigated using the discrete element method. The influences of projectile’s initial velocities and impacting angles are mainly considered. Numerical results show that the relationship between the final penetration depth and the initial impact velocity is very similar to that in the vertical-impact case. However, the dependence of the stopping time on the impact velocity of the projectile exhibits critical characteristics at different impact angles: the stopping time approximately increases linearly with the impact velocity for small impact angles but decreases in an exponential form for larger impact angles, which demonstrates the existence of two different regimes at low and high impact angles. When the impact angle is regarded as a parametric variable, a phenomenological force model at large impact angles is eventually proposed based on the simulation results, which can accurately describe the nature of the resistance force exerted on the projectile by the granular medium at different impact angels during the whole oblique-impact process. The degenerate model agrees well with the existing experimental results in the vertical-impact cases.     

岩石、混凝土和土抗侵彻能力数值计算与分析

利用LS-DYNA3D软件数值计算了弹体侵彻岩石、混凝土和土问题,分析在不同碰撞速度条件下的弹体响应和靶体抗侵彻能力。碰撞速度小于900 m/s时,弹体侵彻岩石的减加速度峰值约是侵彻混凝土的2倍,而侵彻混凝土的减加速度峰值约是侵彻土的6倍。减加速度峰值高则稳态侵彻过程短,弹体能量消耗很快。碰撞速度超过1.5 km/s时,随靶体材料的强度、密度逐渐减小,侵彻深度和孔径逐渐缓慢增加,岩石、混凝土和土3种靶体材料相比,最大侵彻深度增加41%~62%,最大扩孔口径增加16%~25%。     

A microstructure model for finite-element simulation of 3D rectangular braided composite under ballistic penetration

The non-delamination feature of 3D braided composites under transverse impact leads to their potential application in the field of ballistic impact protection. One of the effective ways to investigate the ballistic impact damage of the 3D braided composite is to simulate the penetration process by numerical method, such as finite element method. However the numerical simulations of ballistic impact damage are seldom conducted based on the microstructure level. This paper presents a microstructure model for simulating ballistic impact damage of 4-step 3D braided rectangular composite penetrated by a rigid steel projectile. The microstructure model is based on the same yarn spatial configuration with that of the braided composite and also on the assumptions of the braided yarns appear straight inside the braided preform, bending and then change to other directions only at the surface. The ballistic perforation of the braided composite specimen by a cylindrical-conically steel projectile has been simulated with finite element method. The comparisons between FEA and experimental results show the validity of the microstructure model, especially for the penetration resistance and impact damage of the composite. Compared with the other continuum models of the braided composite, the microstructure model can simulate impact damage more precisely. The velocity history and acceleration history of projectile, and impact damage development of the composite in FEM simulation indicate the different damage and energy absorption mechanisms of the braided composite compared with those of laminated composite.     

基于离散元方法的颗粒材料缓冲性能及影响因素分析

在冲击荷载作用下, 颗粒材料通过颗粒间的摩擦及非弹性碰撞可有效进行能量耗散实现缓冲作用. 本文采用离散元方法对冲击载荷下颗粒材料的缓冲过程进行数值分析, 研究不同厚度下颗粒材料的缓冲性能. 计算结果表明: 颗粒层厚度H是影响颗粒材料缓冲性能的关键因素, 并存在一个临界厚度H_c. 当H < H_c时, 冲击力随H的增加而降低; 当H > H_c时, 冲击力对H的变化不敏感并趋于稳定值. 此外, 在不同颗粒摩擦系数和初始密集度下对缓冲过程的离散元分析表明, 光滑和疏松颗粒材料具有更好的缓冲性能. 最后, 对颗粒材料在冲击过程中的力链结构和底板的压力分布进行了讨论, 以揭示颗粒材料缓冲性能的内在机理.     

水泥砂浆抗弹性能研究

对于水泥砂浆的抗弹性能研究,目前很少考虑靶体所处的应力状态,为此基于自研的真三轴静载混凝土侵彻实验装置和水泥砂浆抗弹性能实验结果,讨论了水泥砂浆在不同应力状态下的开坑深度和开坑阻力。应用侵彻深度的经验公式和基于HJC模型的有限元数值计算方法,对比分析了水泥砂浆侵彻实验,结果表明,对于低速冲击过程,采用UMIST公式和HJC模型的数值分析对开坑深度的预测较为有效。应力状态对开坑深度有明显的影响,即随着侧限增加,水泥砂浆的三轴强度提高,弹丸的开坑深度减小。应用基于HJC模型的数值分析方法,研究了弹丸开坑过程中弹体内的加速度波形和y轴支撑杆上的波形,结果表明:弹丸开坑过程对两种波形都有影响,其中y轴支撑杆上的波形可以更好地反映开坑过程。虽然数值模拟结果与实验波形的趋势基本一致,但是应力幅值有一定的差异,说明基于HJC模型的数值分析对开坑阻力的计算能力尚待提高。     

Penetration and blown air effect in granular media

Sand is known to oppose an increasing resistance to penetration with depth. This is different from what happens in liquids since granular media, usually nonthermal systems, oppose solid friction to the motion. We report another striking and "counterintuitive" difference between the penetration dynamics observed in sand and in liquids. When pushing a top-closed shell (e.g., an upside down glass) into a liquid, the trapped air increases the buoyancy and opposes the penetration. It is more difficult to push a top capped cylinder than an opened one vertically into liquids. In contrast, the penetration is considerably easier in dense sand when cylinders are top capped. In this discrete and biphasic medium, the trapped air escapes from the shell, fluidizes the sand, and eases the motion.     

长径比对长杆弹垂直侵彻能力影响机制的研究

 以长杆弹垂直侵彻半无限靶为研究对象,利用量纲理论,分析了影响侵彻深度的主要因素,采用经验公式和数值仿真对长杆弹侵彻机理进行了系统研究。结果表明：要达到同样的侵彻效率,长径比的增加会增大单位侵彻深度所耗的能量密度;对于具有相同体积的不同弹体,侵彻深度随长径比增加而增大,直至达到某一最大值。研究发现,造成这种现象的主要原因是侵彻过程中后续不稳定阶段产生的漏斗形弹坑和高温影响弹体侵彻,虽然交界面对侵彻深度的影响较大,但与长径比对侵彻效率的影响无明显关系。     

土介质对低速弹丸的抗侵彻性能实验研究

 通过低速条件下弹丸对硬土、中硬土和中软土不同土介质侵彻性能的实验研究,得到了弹丸对土介质垂直侵彻的弹道特点和不同弹丸速度对不同性能参数土介质的侵彻深度,拟合得到了不同土介质中侵彻深度随弹丸动压增加呈线性增加的无量纲关系式;基于低速弹丸对不同土介质具有不同侵彻性能的实验研究方法,可有效标定不同土介质抗侵彻性能和弹丸侵彻不同土介质性能;通过实验数据与Young侵彻公式计算结果的比较分析,验证了Young公式在侵彻深度小于弹丸直径3倍时的有效性。     

Infinite penetration of a projectile into a granular medium

An object falling in a fluid reaches a terminal velocity when the drag force and its weight are balanced. Contrastingly, an object impacting into a granular medium rapidly dissipates all its energy and comes to rest always at a shallow depth. Here we study, experimentally and theoretically, the penetration dynamics of a projectile in a very long silo filled with expanded polystyrene particles. We discovered that, above a critical mass, the projectile reaches a terminal velocity and, therefore, an endless penetration.