THE DYNAMIC ANALYSIS OF THE INTERESTING EXPERIMENT OF ROLLING BALL

本文定量分析了"瑞利球"实验的动力学过程。"瑞利球"实验中构建了一个"怪坡",通过对两导轨的控制,使均质圆球看起来像在"爬坡"。文中据刚体运动原理构建了物理模型,并分析系统的受力情况和运动过程,导出了均质圆球"爬坡"的最大高度的公式。在忽略空气阻力与摩擦力情况下,当两导轨杆初始距离远小于圆球半径、小球刚好不能掉落时突然合拢两导轨使其平行、两导轨初始夹角等于两倍导轨倾斜角时,均质圆球可以达到最大高度和最远距离。     

小问题?

45.A,B两个同样的均质圆球(质量为M,半径为a)。A球可在光滑水平面上自由滑动,而A,B两球间的接触是完全粗糙的。初始时B球置于A球的最高点而系统保持静止。因受小扰动,B球开始运动。试证A,B两球在脱离之前其中心的连线O_1O_2与铅垂线     

小问题(十九)

.A,B两个同样的均质圆球(质量为M,半径为a)。A球可在光滑水平面上自由滑动,而A,B两球间的接触是完全粗糙的。初始时B球置于A球的最高点而系统保持静止。因受小扰动,B球开始运动。试证A,B两球在脱离之前其中心的连线O_1O_2与铅垂线 ...     

旋转圆球入水空泡特性与流场结构的大涡模拟研究

圆球旋转入水过程对于基于先导物投放的新型入水降载方式具有重要研究价值. 采用大涡模拟方法结合均质多相流模型和VOF界面捕捉算法, 对低弗劳德数条件下疏水圆球高速旋转入水的自由运动过程进行了数值模拟, 研究了转速对入水空泡演化、流场结构和水动力特性的影响. 采用动网格与滑移网格技术实现圆球的自由运动, 并基于试验结果对比验证了数值模拟的可靠性与正确性. 旋转运动的升力效应导致圆球入水弹道发生偏转并从水面携带横向楔形射流侵入空泡内部. 采用入水砰击速度与转速进行归一化分析, 结果表明入水转速的增加显著改变了圆球的动力特性: 水平方向的速度和位移以及升力峰值都随入水转速的增加而变大, 但升力峰值受到入水速度的限制; 而垂直方向的速度和加速度以及空泡断裂深度几乎不受转速增加的影响, 并且空泡深闭合发生前圆球转速变化不大. 入水转速的增加也使液面飞溅环和空泡断裂的非对称性增强, 在较低转速时发生空泡表面闭合, 而在较高转速时则发生空泡深闭合. 对于空泡深闭合模式, 入水转速的增加带来更强的横向楔形射流, 并且抑制了空泡断裂产生的高压以及相应涡结构的生成, 致使圆球在入水砰击阶段承受更低的侧向压力.      

存在填隙幂律流体时圆球间切向作用的近似解

在Reynolds润滑理论的基础上，导出了存在填隙幂律流体时，两刚性圆球有相对切向运动时流体压力的近似方程，并进一步求得了圆球所受阻力矩的近似积分表达式，给出了问题的数值解。结果发现幂流体的幂指数、颗粒间最小间隙以及颗粒的大小都是流体压力和颗粒间切向阻力的重要因素。与Godman等人的牛顿流体下圆球平行于平面缓慢运动时圆球所受阻力以及阻力矩的渐近解作的比较表明，本文的数值解优于渐近解。     

液滴冲击液面过程中变形特征的实验研究

用高速相机拍摄了液滴以不同速度冲击液面的运动过程,测量了冲击过程中典型时刻液坑、中心液柱、次生液滴和次生液柱的几何尺寸,对这些几何尺寸的最大值与韦伯数(We)的关系进行了回归分析,结果表明:空间上,液坑的最大垂直深度、液坑的最大水平长度、中心液柱的最大高度、次生液滴等效直径和次生液柱的最大高度随We数增加呈线性增加;次生液滴等效直径是初始液滴等效直径的1.2～2倍;当200We220时,次生液滴冲击液面没有次生液柱生成,当360We713时,有次生液柱形成,220≤We≤360为过渡区;时间上,We数越大,运动过程中液坑的大小和中心液柱的高度变化越快,液坑和中心液柱持续时间越长,中心液柱达到最大高度的时刻以及破碎生成次生液滴的时刻也越晚。     

基于瑞利波光学相干断层扫描的非均质生物组织弹性测试技术

生物组织的弹性可以为病理生理学的研究和疾病的诊疗提供重要信息,然而目前对结构复杂的生物组织各成分的弹性模量进行定量表征的技术较为匮乏。本文研究了基于瑞利波加载和光学相干断层扫描(OCT)对非均质生物组织的弹性进行定量测试的技术,提出了利用OCT探测瑞利波速度的实验技术和相位分析方法,进而通过瑞利波速度与介质弹性的关系获得了被测物体的弹性模量。结合瑞利波在分层介质中传播的频散特性,对分层仿体不同层的弹性进行了测试。将测得的仿体各成分的弹性模量与各成分单独的拉伸实验结果进行了比较,两种测试结果吻合较好,证明了基于瑞利波加载和OCT对分层生物组织弹性定量测试的可行性。本研究提出的瑞利波OCT弹性测试技术为非均质生物组织的弹性定量表征提供了简单有效的手段,具有应用于在体皮肤弹性测试的潜力。     

基于状态空间理论的功能梯度圆球瞬态热传导分析

基于状态空间理论研究功能梯度圆球的球对称瞬态热传导问题。根据热传导方程和热流密度的定义,取温度场和热流密度为系统的状态向量,通过将圆球分层和在时域内应用差分格式对控制方程进行离散,建立了系统的状态方程,给出了功能梯度圆球瞬态热传导问题的半解析解。算例分析表明:本文解不但结果正确、计算效率高,而且适用于材料参数沿径向任意梯度变化的圆球瞬态热传导分析。     

AN ANALYSIS OF TRANSIENT HEAT CONDUCTION FOR FUNCTIONALLY GRADED SPHERES BASED ON STATE SPACE THEORY1)

基于状态空间理论研究功能梯度圆球的球对称瞬态热传导问题。根据热传导方程和热流密度的定义,取温度场和热流密度为系统的状态向量,通过将圆球分层和在时域内应用差分格式对控制方程进行离散,建立了系统的状态方程,给出了功能梯度圆球瞬态热传导问题的半解析解。算例分析表明：本文解不但结果正确、计算效率高,而且适用于材料参数沿径向任意梯度变化的圆球瞬态热传导分析。     

高速冲击载荷下梯度金属泡沫夹芯梁的动态响应与失效

采用泡沫弹冲击加载实验对梯度金属泡沫夹芯梁结构开展了不同冲击强度下的动态响应和失效研究,分析了由三种不同密度泡沫铝组成的等面密度的五种不同梯度的夹芯结构在夹支边界条件下的抗高速冲击性能,结合三点弯曲实验,研究梯度效应对夹芯结构抗冲击性能的影响。研究表明：密度梯度对结构的失效过程和失效模式有着明显的影响,且夹芯梁结构的初始失效模式对结构整体响应和主要的能量吸收机制起着主导作用;当冲击条件不足以使得均质芯材发生压缩时,均质及负梯度夹芯结构初始失效模式为整体弯曲变形,低强度芯层位于前两层的梯度结构随着冲击强度的变化出现不同程度的局部芯层压缩;当冲击强度较低时,梯度结构通过丰富的局部失效表现出明显优于均质结构的抗冲击变形能力;当冲击强度大于临界值时,均质结构具有更好的抗冲击变形能力。通过合理地设计密度梯度实现逐层压缩吸能,能够有效的提升防护结构的抗冲击性能。     

一种新型机床导轨自润滑材料的研制

本文详细介绍了一种新型的机床导轨材料——FQ-1导轨板。该导轨板是由钢背、青铜球粉、聚四氟乙烯及填料复合而成。性能试验证明,它具有减摩、防爬、抗振等优越性能。经15种200余台机床的装机试用,结果表明,该导轨板用于数控、精密机床和测量机上,可以提高机床定位精度、调整灵敏度、运动平稳性以及有减少机械摩擦损耗的效果。应用FQ-1导轨板还可简化机床结构、缩短装配周期、降低机床的制造与维护费用。并可部份代替静压导轨与滚动导轨。推荐首先在中、小型机床的各向导轨和大型机床的横梁刀架导轨上使用。     

斜冲击界面动力学研究

讨论了界面受到斜冲击时的动力学问题。有效冲击摩擦系数被处理成冲击过程及初始冲击角的函数 ;界面的法向响应描述计及弹性接触、弹性变形极限以及依赖于应变、应变率及温度的完全塑性接触 ;界面在冲击过程中的构形变化也予考虑 ,并采用平均应变、应变率及最大温升的概念与估算。这种新的斜冲击界面动力学模型用于数值模拟刚性球对于延性靶的斜冲击实验 ,计算与实验比较 ,结果是令人满意的。     

焊接金属空心球单轴压缩实验研究

球基轻质多孔材料的单球基元有多种构建形式,四点焊接金属空心球(Metal Hollow Sphere, MHS)是其中一种特殊类型.对四点焊接的金属空心球进行了单轴压缩实验.由于其中某些空心球在焊接时出现了孔洞,故分别做了完整和焊接出现孔洞的两种情况下的多组实验,得出了焊缝与水平面夹角θ成不同角度时压缩的名义应力-应变曲线.对比了各种夹角θ情况下的弹性模量、屈曲应力.根据实验结果,得出了θ=45度时其首次屈曲应力最大的结论.通过简化模型给出了其原因,并定性地分析了二次屈曲的问题.另外,结合实验现象分析了金属空心球在压缩时的屈服和屈曲过程.同时,对焊接完整和焊接出现孔洞两种情况进行了对比,发现有孔洞时其首次屈曲应力更低.以上结果对球基多孔材料的研究具有参考价值.     

岩石碎屑流运移堆积过程数值模拟

岩石高速远程崩滑是一种特殊的、危害性很大的地质灾害,崩滑后期形成的高速岩石碎屑流具有很高的运移能力,破坏力极强。以岩石碎屑流为研究对象,重点模拟岩石碎屑流形成后,碎屑流的运移堆积过程和最大运移堆积距离。利用二维颗粒离散元数值模拟方法,建立碎屑流二维运动堆积模型,分析了岩石碎屑流初始高度、体积、加速斜面坡度、堆积底面摩擦系数以及堆积底面地表起伏程度对于岩石碎屑流最大运移堆积距离的影响。实验结果显示:岩石碎屑流运移堆积过程体现出了碎屑流物质的离散性和流动性; 碎屑流最大堆积距离随高度、体积、斜面坡度增大而增大; 随堆积底面摩擦系数、堆积底面地表起伏程度增大而减小。     

在质量块冲击作用下刚架大挠度响应的实验研究

本文报道刚架跨中受到以不同速度运动的质量块冲击时动态大挠度响应的实验研究工作,实验测取了冲击点位移、速度随时间变化的曲线及某些关键点的动态应变历史,由此描述了在响应过程中,质量块与刚架间动量动能的传递过程,找出了塑性区域形成和扩展的规律。研究表明:初始撞击接近于理想非弹性,动态荷载不宜简化为瞬时冲量,此时初始冲击动能与刚架所能吸收的最大弹性能之比即便很大,响应中弹性成分仍占有很大的比例,能量比率作为判断是否宜于采用刚塑性解答的条件已不再充分;刚架在初始撞击中吸收的能量和冲量与初始动能和动量之比,仅与刚架承受初始撞击的相当质量和冲击物质量之比有关,而与冲击速度无关,文中给出了二者的关系式。     

TiNi合金冲击相变过程中温度变化规律的实验研究

针对初始SME(shape memory effect)和PE(pseudo-elastic)状态TiNi合金试样,采用带有红外测温系统的SHPB冲击压缩装置,实时测量了冲击相变过程中两种材料试样表面瞬态温度,并根据实验结果计算了相应的温度变化。实验结果表明,冲击加载相变过程中,温度随相变应变的增大而升高,当应变最大时,温度最高;卸载过程中,对初始PE状态试样,温度降低,对初始SME状态试样,温度保持最高温度不变或降低,这同加载最高温度有关;卸载完成后,两种试样温度均高于其初始温度。计算温度结果表明,相变耗散功对加、卸载相变过程中温度变化的作用不可忽略。     

高温和高压对乙烷在氧气中爆炸极限影响的实验研究

获得高温、高压下可燃介质爆炸极限数值,对完善复杂工况下可燃介质燃爆安全理论、构建可燃介质爆炸防护技术提供支持。搭建了适用于开展高温、高压工况的20 L球形爆炸实验装置,测量了初始温度为20～270 ℃,初始压力为0.5～2.6 MPa下乙烷在氧气中的爆炸极限,分析温度、压力单因素对乙烷在氧气中的爆炸极限的影响以及温度和压力双因素的耦合影响。结果表明,随着初始压力和初始温度的提高,乙烷在氧气中的爆炸极限逐渐扩大。在温度小于140 ℃时,在高压和低压两种情况下,压力对乙烷爆炸上限的影响基本一致。在温度高于140 ℃时,压力的升高使乙烷爆炸上限升高,但其影响的效果逐渐减小。在初始压力小于1.6 MPa时,温度的升高使乙烷的爆炸上限升高,但其影响的效果变化很小。在压力大于1.6 MPa,温度高于140 ℃时,温度的升高使乙烷的爆炸上限升高,且其影响的效果逐渐增大。温度和压力的升高均使乙烷的爆炸下限降低,但其影响较小。初始温度和初始压力对乙烷在氧气中爆炸极限的耦合作用略小于两个因素作用的和,但大于单个因素的作用。通过拟合得到了C₂H₆/O₂爆炸极限随初始压力、初始温度变化的定量规律。     

格子Boltzmann方法分析气泡的运动及其相互作用

利用格子Boltzmann方法对气泡在液体中的运动规律及相互作用的气液两相流问题进行了研究;采用了基于自由能模型且适用于大密度比多相流问题的Z-S-C模型,计算模拟了处于不可压缩流体中的气泡在浮力作用下的运动特性;通过算例验证了Z-S-C模型的可行性;研究了不同放置位置两气泡的运动形态及其相互作用情况,分别分析了沿y方向同轴放置的两气泡间距变化对合并过程和沿x方向并列放置的两气泡的间距变化对气泡相互作用的影响。结果表明:两气泡的初始间距在一定范围内时,初始间距对上升过程中气泡间的相互作用具有重要影响;当初始间距超过一定量值时,上升过程中两气泡相互独立,不存在相互作用。     

玻璃弹珠中的趣味动力学

用手去推倾斜的V形槽中排成一列的刚体小球,实验表明,小球的运动具有不稳定性,即初始球数为奇数时,第2个小球(从下向上数)会首先从V形槽中被挤出;而球数为偶数时,第3个小球会首先被挤出．对于这种有趣的现象,考虑接触间存在库仑摩擦,进行了数值模拟,得到了与实验完全一致的结果,并得到了小球转动的一些规律．最后根据实验以及数值模拟结果总结了小球被挤出难易程度与模型参数之间的一些关系．     

球壳结构馈通增长的瑞利-泰勒不稳定性

利用小扰动分析法 ,导出不可压缩球壳结构的馈通增长方程 ,数值模拟了高压气体驱动外表面有初始扰动的明胶球壳的瑞利 泰勒不稳定性模型。计算结果表明 :对于低波数扰动 ,外界面比较稳定 ,内表面的馈通增长较快 ,具有比较明显的三个演化阶段和波形反转现象。高波数扰动的增长恰好与低波数相反。球壳会聚结构比柱壳会聚结构的界面稳定性要好些。