冲击载荷下脆性空心颗粒破碎机理

为考察脆性空心颗粒在冲击载荷作用下的应变率效应和破碎行为的细观机理,以粉煤灰漂珠为研究对象,基于低速冲击实验和有限元数值模拟,对比了典型空心颗粒材料在不同加载速率下的力学响应特性和细观压溃行为,阐释了材料宏观应变率效应产生的细观机理,获得以下结果。（1）在0.001～300 s?1应变率范围,漂珠颗粒的破碎率和Hardin破碎势平均提升了约21%和10%～30%,材料比吸能提升了50%～125%,比吸能的额外增加主要与动态颗粒滑移产生的摩擦耗能相关。颗粒平均尺寸较大的试样体现出更强的应变率效应。（2）初始压溃阶段的应力应变响应特征的数值模拟结果与实验结果较吻合,低速冲击下动态二次压溃现象产生的细观机理为动态颗粒滑移和压紧行为对加载速率的依赖性。(3) 数值模拟表明,冲击加载下产生相同应变时颗粒的损伤程度和范围大于准静态加载,这与实验所得破碎势随应变率增加的结果一致。对比低速冲击实验的相对破碎势分析和细观数值模拟结果可知,脆性颗粒堆积材料在动态冲击下表现出的宏观应变率效应主要归因于颗粒压溃行为的率敏感性和动态加载下颗粒破碎能量利用率的降低。     

可破碎颗粒体在动力载荷下的耗能特性

采用离散元的数值方法, 通过连接键将若干小颗粒绑定为一个具有不规则外形的大颗粒体, 设置不同连接键强度模拟了颗粒体在外加动力载荷下破碎过程, 并探讨其中系统能量耗散特性. 计算结果表明, 颗粒体的破碎程度决定了系统能量耗散率, 即内部耗能占外界输入能量的比例. 破碎率越高, 颗粒间相互摩擦和碰撞越剧烈,系统能量耗散率越高. 同时, 在循环载荷下系统内颗粒体破碎绝大部分发生在加载初期, 随着颗粒体的分解破碎速率逐渐减小, 系统耗能能力也随之降低.      

水下爆炸冲击波载荷作用下冰层破碎特性及其影响因素

水下爆炸破冰是复杂的爆破工程,为了研究冰层在水下爆炸冲击波载荷作用下的破碎特性及规律,利用几何动力分析软件LS-DYNA对水下爆炸破冰的过程进行数值模拟,并将计算结果与实验结果进行对比,误差在8%以内,验证了数值模型的有效性。根据本文中的建模方法及建立的模型,计算不同的实验工况:实验场地环境不变,调整爆距分析不同爆距下冰层破碎特性;调整药量、爆距和冰厚,通过正交设计方法设计9组实验方案,应用灰色系统理论对3种因素进行分析,建立了各个因素与破冰半径之间的灰色关联度系数及灰色关联度。分析结果表明:药量为100 g,冰厚为29 cm,水深为2.9 m,爆距范围为0.3~1.5 m破冰的半径范围为0~1.1 m,最佳爆距范围在0.3~0.45 m之间;根据以上9种工况的分析可知,药量(100、200、300 g)、爆距(0.3、0.6、0.9 m)和冰厚(24、28、32 cm)对破冰半径的影响的主次关系依次为爆距、药量、冰厚。     

冲击载荷作用下准脆性连续体破裂问题研究

在连续体动力问题中心差分算法的基础上,引进准脆性材料的破坏准则,节点单元的破裂算法、离散子块的接触搜索及接触力计算等,对准脆性连续体在冲击载荷作用下的破裂破坏问题进行数值模拟.通过数值算例,给出结构在冲击载荷作用下裂纹产生和扩展的模拟结果图,初步验证程序的正确性和可应用性,为模拟连续体转变为非连续体这一复杂物理过程提出新方法和新思路.     

冲击载荷作用下韧——脆复合板结构中脆性材料破碎的实验和数值模拟

本文以冲击实验和有限元分析研究了韧－脆复合材料结构中脆性材料的破碎问题，材料的破碎图具有一定的分形特征，其分形维数随冲击载荷的增大而增加，基于实验结果的非线性动力有限元分析对这类破碎图样的演化给出了动态过程模拟。     

考虑颗粒形状和破碎的胶结钙质砂力学行为离散元模拟研究

质砂作为一种建筑材料,近年来广泛应用于我国南海岛礁工程建设中。本文通过建立考虑钙质砂真实颗粒形状和颗粒破碎的胶结钙质砂离散元模型,研究了二维剪切条件下试样的宏微观力学行为,包括应力-应变行为、颗粒破碎、胶结破坏、位移场和裂纹随剪应变的演化规律,讨论了颗粒形状、颗粒粒径范围、颗粒强度和水泥胶结强度对胶结钙质砂力学行为的影响规律。结果表明,钙质砂颗粒粒径区间越宽,胶结钙质砂的强度越高。同一级配条件下,考虑真实颗粒形状的胶结钙质砂试样比圆颗粒试样的强度更高,试样总体颗粒破碎率也更高。钙质砂颗粒的强度越高,胶结钙质砂的性能越好。但是提高水泥的强度对胶结钙质砂力学性能的影响并不显著。本文的研究结果可为实际工程中钙质砂的加固提供理论依据。     

爆炸塔内120kgTNT当量爆炸载荷的数值分析

爆炸塔设计中常采用等当量集中装药估算爆炸塔内部载荷。为研究该方法的合理性,本文采用有限体积方法离散求解积分型Euler方程组;利用瞬时爆轰模型描述炸药爆炸初场,分别计算了乳化炸药和TNT集中装药爆炸对爆炸塔的内部加载情况;给出了塔体及封头内壁面9个特征点的压力时间曲线。结果表明:可以采用集中装药模拟乳化炸药对爆心截面处的超压作用,但不可以采用集中装药模拟乳化炸药对封头中心处的超压作用。因为在封头中心处乳化炸药爆炸会聚产生的超压极值约为TNT集中装药的2倍;塔体柱段的爆心截面处与封头中心处为超压作用最强的部位,两处冲量大致相当;压力最大值出现在封头中心处,由反射冲击波会聚产生。建议塔体建筑设计时对封头中心处和塔体爆心截面处采取相应的防护措施。     

爆炸载荷下飞机典型加筋结构毁伤特性

为了探讨爆炸载荷下飞机典型加筋结构的响应规律,开展了爆炸实验,获得了飞机典型结构表面的反射超压历程,加筋结构的应变、位移等结构响应数据。并结合实验结果建立了高置信度的有限元模型,研究了所选结构的变形分布规律和塑性毁伤特性。结果表明,对于本文中选取的飞机加筋结构,塑性变形除了会开始于常见的加强筋中点外,还会开始于加强筋与加强筋联结处、加强筋与外框联结处。这主要是受加筋板的双向拉伸变形和应力集中的影响。进一步总结了随冲击波正压时间增长,能够引发加筋结构塑性变形的有效冲量和反射超压峰值阈值。研究结果对飞机气动外形、抗爆能力设计具有重要意义。     

不同加载速度下脆性颗粒的破坏特性

对直径为8mm的K9玻璃球进行了加载速度为2×10-7和2×10-6m/s的准静态单轴压缩实验以及加载速度为3.4、7.1和10.6m/s的动态单轴压缩实验,研究了K9玻璃单颗粒破碎强度的Weibull分布特性,结合破碎产物的形貌特征,分析了不同加载速度下脆性材料拉伸破坏机制和剪切破坏机制的转变过程,提出了一种拉剪耦合的时序破坏模型,由此揭示了加载速度与3个破坏区的关系。考虑拉伸和剪切失效准则,应用ABAQUS软件进行数值模拟,并初步验证了该破坏模型的冲击过程。研究结果对于认识脆性颗粒材料的动态破坏具有很好的参考意义。     

利用连接尺度方法的颗粒材料破碎数值分析

基于已有的颗粒材料连接尺度方法(BSM)[1-2],发展了在细尺度上采用离散颗粒集合体模型与离散单元法(DEM)并引入了颗粒破碎模型,而在粗尺度上采用Cosserat连续体模型与有限单元法(FEM)的BSM。仅在有限局部区域内采用DEM从细观层次关注颗粒材料破碎现象,而在全域采用储存空间和花费时间较少的FEM,同时在粗细两个尺度采用不同的时间步长。讨论了颗粒材料发生破碎时,颗粒材料结构的承载能力与微结构的演变。数值算例结果说明了所提出可模拟破碎的BSM的可用性和优越性,以及颗粒破碎对颗粒材料微观力学行为的影响。     

Numerical simulation study on particle breakage behavior of granular materials in confined compression tests

In order to study the fragmentation law, the confined compression experiment of granular assemblies has been conducted to explore the particle breakage characteristic by DEM approach in this work. It is shown that contact and contact force during the loading process gradually transform from anisotropy to isotropy. Meanwhile, two particle failure modes caused by different contact force states are analyzed, which are single-through-crack failure and multi-short-crack failure. Considering the vertical distribution of the number of cracks and the four characteristic stress distributions (the stress related to the maximum contact force, the major principal stress, the deviatoric stress and the mean stress), it is pointed out that the stress based on the maximum contact force and the major principal stress can reflect the distribution of cracks accurately. In addition, the size effect of particle crushing indicates that small size particles are prone to break. The lateral pressure coefficient of four size particles during the loading process is analyzed to explain the reason for the size effect of particle breakage.     

Numerical study of coarse coal particle breakage in pneumatic conveying

Pneumatic conveying of coarse coal particles with various pipeline configurations and swirling intensities was investigated using a coupled computational fluid dynamics and discrete element method. A particle cluster agglomerated by the parallel-bond method was modeled to analyze the breakage of coarse coal particles. The numerical parameters, simulation conditions, and simulation results were experimentally validated. On analyzing total energy variation in the agglomerate during the breakage process, the results showed that downward fluctuation of the total particle energy was correlated with particle and wall collisions, and particle breakage showed a positive correlation with the energy difference. The correlation between the total energy variation of a particle cluster and particle breakage was also analyzed. Particle integrity presented a fluctuating upward trend with pipe bend radius and increased with swirling number for most bend radii. The degree of particle breakage differed with pipeline bending direction and swirling intensity: in a horizontal bend, the bend radius and swirling intensity dominated the total energy variations; these effects were not observed in a vertical bend. The total energy of the particle cluster exiting a bend was generally positively correlated with the bend radius for all conditions and was independent of bending direction.     

钢化玻璃冲击波毁伤效应测试结果分析

为研究爆炸冲击波对钢化玻璃的毁伤阈值,开展了钢化玻璃冲击波毁伤效应实验。对每一发实验进行了爆炸参数测试,获得了冲击波超压随时间变化历程的实验数据。通过对实验数据的处理与分析,得到了爆炸冲击波基本参数,包括正反射超压、冲击波到时、正压作用时间、正反射冲量、负反射超压、负压作用时间和负反射冲量等。将实验结果与CONWEP计算结果进行了比较,比较结果表明二者误差很小,证明冲击波测试结果准确可靠。对冲击波正负反射参数进行了比较,结果表明冲击波正反射参数明显高于冲击波负反射参数。

     

Effect of particle breakage on the behavior of simulated angular particle assemblies

Many attempts have been made to find various relationships for different parameters and some kinds of constitutive models for studying the behavior of particulate media. All these models are based on concepts of continuous media. Using a numerical method such as discrete element method, one can figure out what is happening through a discontinuous media where soil particles play the main role in introducing the shear strength and deformation characteristics. The behavior of the media with breakable particles is studied in this paper and compared with that of the assembly with non-breakable particles. In this paper, the hyperbolic elastic model is investigated for the assembly of polygon shaped particles in two different test series. In addition, evolution of different macro parameters of the assembly such as volume strain, angle of friction, angle of dilatancy and elastic modulus is studied during the simulation tests both for non-breakable and breakable soil particles. At the end, a parametric study is performed on the effect of strength of particle breakage on the assembly behavior.     

基于双折线抗力模型的空爆荷载梁式构件振动位移研究

为研究双折线抗力模型对空爆荷载梁式构件振动位移的影响,提出了柔性、刚性两类梁式构件正向弹塑性振动及回弹阶段弹塑性振动的分析法。应用等效单自由度法建立了各阶段振动方程并依据不同的初始条件推导出了各阶段的理论解。采用此理论解和代表性塑性强化系数,开展了双折线抗力模型中不同塑性强化程度对两类梁式构件正向弹塑性振动及回弹阶段弹塑性振动位移的典型工况验证。研究结果表明：基于双折线抗力模型位移理论解的适用范围更广;随着双折线抗力模型塑性强化系数的增大,两类梁式构件的最大弹塑性位移、残余变形均逐渐减小,且残余变形降低程度高于最大弹塑性位移;塑性强化系数增大到一定程度,梁式构件回弹阶段将出现塑性振动位移,进一步降低残余变形,无塑性回弹位移的理想弹塑性抗力模型会高估空爆荷载下梁式构件的残余变形。

     

爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动力响应及破坏形态分析

对基于Timoshenko梁理论建立的非线性动力有限元法作了改进。根据压区理论得到混凝土的平均剪应力和平均剪应变关系,建立了能反映箍筋的抗剪作用的材料模型;此外,对结构在爆炸荷载作用下可能出现的各种响应现象进行了描述,以准确地预测梁破坏时不同位置截面上钢筋和混凝土的受力、变形及破坏情况。应用改进的材料模型,对爆炸荷载作用下的五个钢筋混凝土试验梁的动力响应和破坏形态进行了数值模拟,结果表明,该数值方法能较好地模拟钢筋混凝土梁的弯曲、弯剪和剪切等破坏形态。     

Numerical study of rate-dependent strength behavior under ramp and shock wave loading

The main objective of the current study was to gain a detailed understanding on the rate-dependent strength behavior under ramp and shock wave loading. A forward, numerical-simulation-based cause and effect analysis was used to address the research objective. The apparent strength associated with shock and ramp wave loadings with different risetimes and shapes was investigated. It was shown that intrinsic material strength could vary with pressure, temperature, and deformation history, but the apparent strength, which was larger than the intrinsic strength, was a result of the interaction between the rate sensitivity of the strength and the rate of the external loading. The degree of interaction led to different levels of mechanical and thermal dissipations and their partition, which was manifested by different temperature, stress, and deformation histories.     

横向爆炸载荷下薄壁圆管的动态响应

采用实验研究、理论分析和有限元模拟相结合的方法,研究了横向爆炸载荷作用下薄壁圆管的动态响应。利用弹道冲击摆锤系统,对圆管在爆炸载荷下的动力响应进行了实验研究,分析了薄壁圆管的变形模式;基于地基梁模型,建立了横向爆炸载荷作用下圆管跨中挠度的理论模型,并进行了无量纲化;通过有限元模拟,分析了圆管的几何参数对其变形模式和跨中挠度的影响,并与理论结果进行了对比。研究结果表明：随着TNT药量增加圆管的变形区域和跨中挠度增大;圆管的长径比、厚度及爆炸载荷参数对圆管的变形模式有较大影响;理论预测、有限元模拟结果与实验结果吻合较好。