烧脑之问：撞击力有多大?

作为冲击加载的一种类型,撞击指的是一个具有质量m 的物体(或结构) 以某一初速度V0 撞到另一个物体(或结构) 的加载行为,以及由之产生的力学和物理现象。动量--冲量定理是求解撞击问题的基本方程,但仅由此定理并不能解出撞击后各物体的速度,所以刚体动力学中通常建议引进一个\恢复系数" 来求得解答。可是,恢复系数" 实际上并不是材料常数,而且仅凭动量-- 冲量定理和\恢复系数" 仍然不能得出撞击脉冲的参数,如峰值力、撞击时长和脉冲形状。本文基于冲击接触力学和结构冲击动力学,对确定撞击脉冲提出了一些思考,并指出工程中沿用的\动载系数" 是缺乏理论根据的,许多撞击问题值得深入探讨。     

winkler地基上弹性圆薄板受刚体撞击的动力响应

本文针对工程实际中所遇到的撞击问题,在事先仅知撞击体初始速度的条件下,研究分析了半无限粘弹性Winkler地基上的弹性圆薄板受刚体撞击的动力响应问题,推导出了关于撞击力F(t)的非线性Volterra积分方程,给出了薄板位移响应W(r,θ,t)的一般表达式,并给出了相应的数值求解方法。作为实例,本文对周边固定的弹性圆薄板在圆心处受刚球撞击问题进行了分析计算,并对某些参数的影响进行了讨论。     

winkler地基上弹性圆薄板受刚体撞击的动力响应

本文针对工程实际中所遇到的撞击问题,在事先仅知撞击体初始速度的条件下,研究分析了半无限粘弹性Winkler地基上的弹性圆薄板受刚体撞击的动力响应问题,推导出了关于撞击力F(t)的非线性Volterra积分方程,给出了薄板位移响应W(r,,t)的一般表达式,并给出了相应的数值求解方法。作为实例,本文对周边固定的弹性圆薄板在圆心处受刚球撞击问题进行了分析计算,并对某些参数的影响进行了讨论。     

小行星撞击地球的超高速问题

小行星撞击地球是人类生存面临的潜在威胁之一.在小行星进入地球大气与撞击地球表面过程中,存在烧蚀、解体、空中爆炸、火球、撞击成坑、反溅碎片云、地震以及海啸等一系列复杂的物理化学和力学现象.本文梳理和归纳了与这些现象相关的超高速空气动力学问题和超高速碰撞动力学问题.小行星进入地球大气的超高速空气动力学问题有:极高速($V = 12 ~ 20$km/s)进入条件下的气动力与轨迹,极高速进入条件下的小行星气动加热与烧蚀机理,极高速气动加热条件下的小行星结构传热与热响应,极高速进入条件下的高温气体效应,小行星进入过程的物理特征.小行星撞击地球的超高速碰撞动力学问题有:陆地撞击成坑与反溅碎片云,海洋撞击与海啸,撞击过程的地震效应.由于小行星撞击地球与超高速飞行器的再入过程在速度、材料和结构上存在较大差异,针对这些超高速问题,现有的研究手段在地面试验和数值计算两方面都存在不足.最后,从小行星进入地球大气的弹道方程、质量损失方程、解体判据和解体模型等出发,初步建立了小行星进入与撞击效应分析评估模型,并对Chelyabinsk和Tunguska两次流星事件进行了分析,重构了进入与爆炸解体过程,评估了空爆火球在地面所导致的超压和热辐射损伤.      

小行星撞击地球的超高速问题

小行星撞击地球是人类生存面临的潜在威胁之一.在小行星进入地球大气与撞击地球表面过程中,存在烧蚀、解体、空中爆炸、火球、撞击成坑、反溅碎片云、地震以及海啸等一系列复杂的物理化学和力学现象.本文梳理和归纳了与这些现象相关的超高速空气动力学问题和超高速碰撞动力学问题.小行星进入地球大气的超高速空气动力学问题有:极高速(V=12～20 km/s)进入条件下的气动力与轨迹,极高速进入条件下的小行星气动加热与烧蚀机理,极高速气动加热条件下的小行星结构传热与热响应,极高速进入条件下的高温气体效应,小行星进入过程的物理特征.小行星撞击地球的超高速碰撞动力学问题有:陆地撞击成坑与反溅碎片云,海洋撞击与海啸,撞击过程的地震效应.由于小行星撞击地球与超高速飞行器的再入过程在速度、材料和结构上存在较大差异,针对这些超高速问题,现有的研究手段在地面试验和数值计算两方面都存在不足.最后,从小行星进入地球大气的弹道方程、质量损失方程、解体判据和解体模型等出发,初步建立了小行星进入与撞击效应分析评估模型,并对Chelyabinsk和Tunguska两次流星事件进行了分析,重构了进入与爆炸解体过程,评估了空爆火球在地面所导致的超压和热辐射损伤.     

钨合金柱形弹超高速撞击水泥砂浆靶的侵彻深度研究

为探索钨合金柱形弹超高速撞击水泥砂浆靶的侵彻深度随撞击速度变化规律,利用二级轻气炮开展了?3.45 mm×10.5 mm的克级93 W钨合金柱形弹以1.82~3.66 km/s的速度撞击水泥砂浆靶的实验,利用CT图像诊断技术获得了侵彻深度和残余弹长随撞击速度的变化规律,对超高速撞击过程进行了数值模拟,结合数值模拟结果进一步分析了超高速撞击物理过程。结果表明:(1)超高速撞击条件下成坑是弹坑+弹洞型;(2)侵深-速度曲线呈现先增大后减小的现象,在弹速2.6 km/s附近存在侵彻深度极大值,约为8.5倍弹长,相对于中低速侵彻的深度并没有显著优势。(3)通过基于数值模拟得到的弹靶界面压力时程曲线将侵彻过程分为4个阶段,其中准定常侵彻阶段和第三侵彻阶段是决定总侵深的主要阶段。(4)随撞击速度增加,弹体侵蚀逐渐剧烈,此时准定常侵彻阶段的侵深变化不大,而第三侵彻阶段中的刚体侵彻部分大幅降低,导致总侵深大幅降低,使总侵深曲线呈现先增大后减小的现象。     

爆炸、冲击和非线性波

本文讨论了爆炸、撞击和非线性波领域内的三个问题:(1)非线性波现象。(2)正问题——爆炸和撞击机械效应的初边值问题。(3)反问题——由波的传播来研究材料的动力学特性。     

过冷水滴撞击螺旋桨桨叶表面的数值模拟

本文介绍了某型螺旋桨在不同飞行状态下.求解桨叶水滴撞击特性的数值方法.该方法对桨叶运动模型进行简化,并在对绕桨叶运动的气流场计算的基础上,采用拉格朗日方法求解气流场中水滴运动方程,得到水滴运动轨迹.进而,确定了水滴对桨叶的撞击特性参数,为桨叶防冰系统设计提供条件.主要结论如下:(1)在巡航状态下,桨叶沿展向方向上总收集系数Em和局部收集系数β不断增大;(2)在爬升状态下,随着爬升高度H不断增大,飞行速度V0不断增大,水滴撞击在桨叶表面的范围有所增加,而且β随之增大;(3)随着水滴平均有效直径(MVD)的增大,水滴撞击在桨叶表面的范围明显增加同时,β在桨叶表面同一位置的值也随之增大.     

圆柱形弹体Taylor撞击方法研究

研究了圆柱形弹体垂直撞击刚性靶体的Taylor撞击问题,提出了弹体撞击过程中未发生变形部分的速度变化规律,即二次非线性变减速运动,并通过弹体的运动方程对Taylor撞击进行了理论分析;同时利用再生核质点法(Reproducing kernel particle method,RKPM)对Taylor撞击过程进行了数值分析。利用该理论对五种具体材料进行分析,结果表明,解析结果与试验结果及数值分析结果吻合较好。     

亚微米炸药的感度选择性

采用亚微米粉体炸药 (0 .1～ 1 m )与普通粉体炸药 (1 0 m )进行了落锤撞击感度和冲击片 (高压短脉冲 )起爆感度对比试验 ,发现亚微米粉体炸药有在常见环境力 (一般的撞击、摩擦 )条件下比较安全 ,而在特定激励 (冲击片 )作用下起爆可靠性提高的感度选择性特点 ,并从理论上对上述特性进行了探讨。研究表明 ,亚微米粉体炸药具有非常好的应用前景。     

PVC夹芯板在冲击载荷下的动态响应与失效模式

通过开展对泡沫金属子弹撞击加载聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)夹芯板的实验,结合三维数字图像相关性(three dimensional digital image correlation, DIC-3D)技术,研究固支夹芯板在撞击加载条件下的动态响应,获得夹芯板受撞击及响应的变形过程,并结合图像分别分析夹芯板整体及三层结构的变形和失效模式;研究子弹冲量与背板最终变形之间的关系和相似冲量下等面密度不同芯层密度的夹芯结构的抗撞击性能。结果表明:夹芯板的破坏和失效主要集中在泡沫金属子弹直接作用区域,背板挠度由中间向固定端逐渐减小,子弹冲量与背板变形近似成线性关系。在等质量的条件下,降低芯层密度、增加芯层厚度可以有效降低背板的变形,实验结果对聚合物夹芯结构的工程优化设计具有一定的参考意义。     

受撞击粘弹性基支弹性直梁的动力响应

本研究了半无限线性粘弹性Ｗｉｎｋｌｅｒ地基上的弹性直梁受低速运动物体撞击的动力响应分析问题，在不计撞击中应力波传播的条件下推导出了关于撞击力Ｆ（ｔ）的非线性Ｖｏｌｔｅｒｒａ分方程，得出了梁的横向位移Ｗ（ｘ，ｔ）的一般表达式，作为实例，本对两端简支弹性直梁受圆球对心横向撞击的问题进行了分析计算。     

椭球液滴撞击超疏水表面反弹过程数值分析

液滴在自由落体或受外力作用时常发生椭球形变,对其撞击超疏水壁面的运动形态及形成二次液滴有较大影响.本文假定具有不同轴向半径比值(AR)的椭球形液滴,采用耦合水平集-体积分数(CLSVOF)方法对椭球形液滴撞击超疏水平壁面进行数值模拟研究,对椭球形液滴撞击超疏水平壁面反弹过程运动形态和AR对二次液滴形成的影响进行分析.研...     

飞机撞击建(构)筑物研究进展

飞机撞击重要建(构)筑物会导致灾难性后果。本文从试验研究、理论分析、数值模拟等3个方面对飞机撞击建(构)筑物的国内外研究现状,相关研究难点、需要注意的问题和研究方向及趋势进行总结,包括:缩比试验的系统和验证,飞机撞击力模型,撞击所致局部破坏计算公式,飞机和建(构)筑物的精细化建模,撞击所致振动特性,撞击荷载和火荷载对结构的耦合毁伤效应,一般模型和精细化模型、解耦和耦合方法以及不同数值模拟程序计算结果的对比分析等方面,以期为后续研究提供参考。     

受撞击黏弹性基支弹性直梁的动力响应

本文研究了半无限线性黏弹性Ｗｉｎｋｌｅｒ地基上的弹性直梁受低速运动物体撞击的动力响应分析问题．在不计撞击体中应力波传播的条件下，推导出了关于撞击力Ｆ（ｔ）的非线性Ｖｏｌｔｅｒｒａ积分方程，得出了梁的横向位移Ｗ（ｘ，ｔ）的一般表达式．作为实例，本文对两端简支弹性直梁受圆球对心横向撞击的问题进行了分析计算．     

一种基于颗粒接触的二维无网格方法及其在高速冲击模拟中的应用

为解决基于连续介质力学的离散元方法(CDEM)在高速冲击模拟中因网格畸变导致的系统能量发散问题,提出了一种基于颗粒接触的二维无网格方法(PCMM)。该方法基于颗粒间复杂丰富的接触信息构建三角形单元,通过接触对的演化更新实现旧单元(满足删除条件的单元)的删除及新单元(满足创建条件的单元)的重建,通过在单元内引入流体弹塑性模型实现高速冲击问题的模拟。给出了三角形单元创建的3个必备条件:组成单元的3个颗粒必须彼此接触,任意一个内角必须在30°~150°之间,任意一条边长必须大于平均半径的0.5倍。弹性杆撞击、泰勒杆、碎片云、子弹入射靶板等算例的结果表明了PCMM方法在模拟高速冲击问题方面的正确性及合理性。     

方管在高速撞击下的能量吸收能力

本文报导了速度约为100m/sec的子弹高速撞击铝合金方管的实验,表明在这种撞击条件下仍与准静态实验中一样,方管仍呈现“开裂与卷曲”的变形破坏模式,并证实了在高速碰撞下方管仍是一种极好的能量吸收装置.理论分析表明,在这种撞击条件下惯性力仍是不重要的;计入了应变率效应之后,理论预计的方管承载能力与实验符合良好.     

撞击在刚性靶上的圆柱壳稳定性实验研究

本文通过四种材料(AM、A_3)、三种几何尺寸(R/h=5,6.7,10)的共81个圆柱壳,在39—166m/s速度范围的撞击实验,确定了塑性动屈曲理论中比较流行的初缺陷分析的适用范围;同时把作者在[15]中提出的第二失稳临界速度的概念和理论判据,用到圆柱壳撞击刚性靶的问题上,着重研究了大于或等于第二失稳临界速度(Vc_2)时的特征,根据应变率反向的判据,按照ε_2反向计算了V_(c2),其结果与实验值相符。实验中发现当大于上述计算得到的V_(c2)时,撞击速度相对轴向缩短率的曲线会出现跳跃,圆柱壳因局部产生很大的失稳变形而破坏.同时还发现这种破坏形式在撞击初期已形成雏形,这样可以通过计算的半波数而采用某些方法,例如加肋等,防止破坏雏形的形成,从而提高V_(c2),这一点可能给工程设计提供一个可循的依据.     

受轴向撞击复合材料管的渐进破坏

玻璃—环氧圆柱壳 (管 )的撞击试验表明它的破坏是渐进过程。在低加载速率范围假定圆柱壳与均质圆柱杆具有相同的轴向破坏过程基础上 ,通过建立它们之间的刚度等效关系 ,复合材料圆柱壳的破坏问题简化为一维碰撞问题。根据一维应力波传播的理论 ,提出了圆柱壳受轴向撞击破坏的简化模型 ,分析了这一破坏过程中的能量变化。结果表明本文所提模型能较好地描述圆柱壳受轴向撞击渐进破坏。     

基于偏转距离近似模型的动能撞击小行星防御任务脉冲轨道优化研究

小行星撞击对地球上的生命存在重大潜在威胁,动能撞击是目前最易实现且成熟度最高的防御方案.动能撞击任务的一种轨道优化指标为最大化偏转距离(即小行星被偏转前后近地距的改变量),若用数值积分的方法精确计算偏转距离, 会导致优化效率较低.在动能撞击任务的设计初期, 可以对动力学模型及偏转距离的计算方法进行简化,以提升优化效率. 本文首先将高精度模型简化为二体模型,分析了两种经典偏转距离解析模型的适用条件,同时提出一种基于近地点时刻预估的偏转距离近似模型; 考虑运载约束,将化学推进变轨简化为脉冲推力变轨,建立了直接转移(两脉冲及三脉冲)和行星借力飞行转移(单次及两次借力)的动能撞击轨道优化模型,利用遗传算法求解了优化问题. 以偏转小行星Apophis为例, 相比于解析模型,验证了本文提出的近似模型可以同时提升最优性、降低求解复杂性. 优化结果表明,三脉冲直接转移方案与两脉冲直接转移方案的最优偏转效果基本一致,借力飞行转移方案相比于直接转移方案对偏转距离的提升效果并不明显.在动能撞击任务的前期设计中, 可以基于二体模型进行防御效果的快速评估,虽然对计算偏转距离存在一定误差, 但对防御窗口的优化结果影响不大. 进一步,数值求解偏转距离时, 可通过引入主要引力摄动项(金星、地球、木星)修正二体模型,使其与高精度模型之间的求解误差在1%以下.