超高速碰撞下材料的破碎機(jī)理與防護(hù)設(shè)計(jì)

碎片云是高速碰撞的主要現(xiàn)象之一，其粒度及動(dòng)量分布構(gòu)成沖擊壓縮與后繼稀疏波作用下材料相變（如熔化）、破碎機(jī)理研究的基礎(chǔ)，亦是防護(hù)結(jié)構(gòu)彈道性能分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)的要素。 本項(xiàng)目發(fā)展了瞬態(tài)動(dòng)量測(cè)試技術(shù)，獲取了勻質(zhì)鋁合金及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料靶板受高速碰撞產(chǎn)生碎片云的動(dòng)量分布。實(shí)驗(yàn)表明在2-6km/s高速碰撞條件下，碳纖維復(fù)合材料靶板產(chǎn)生的碎片云擴(kuò)散性能顯著優(yōu)于鋁合金，且球形彈丸產(chǎn)生的碎片云擴(kuò)散性能優(yōu)于平板狀飛片。碎片云動(dòng)量測(cè)試數(shù)據(jù)為超高速碰撞數(shù)值計(jì)算模型的檢驗(yàn)與修正提供了依據(jù)。本項(xiàng)目應(yīng)用光滑粒子動(dòng)力學(xué)方法(SPH)開(kāi)展碎片云形成與擴(kuò)展過(guò)程的數(shù)值模擬。通過(guò)數(shù)值計(jì)算與碎片云動(dòng)量測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比，項(xiàng)目組優(yōu)化了計(jì)算模型的諸多參數(shù)，如粘性系數(shù)、破壞判據(jù)等。 碎片云模型是高速碰撞防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要研究?jī)?nèi)容。傳統(tǒng)Whipple結(jié)構(gòu)由緩沖層與后墻組成，其中緩沖層受撞擊產(chǎn)生微米尺度顆粒組成的碎片云，而后墻承受碎片顆粒離散與連續(xù)的沖擊作用產(chǎn)生侵徹坑、大變形與穿孔破壞。高速撞擊過(guò)程中尺度的變化是計(jì)算模型遇到的最大挑戰(zhàn)。對(duì)碎片云動(dòng)量測(cè)試的數(shù)值模擬亦表明，高達(dá)800萬(wàn)SPH粒子計(jì)算規(guī)模仍然無(wú)法精細(xì)表征碎片云前沿的動(dòng)量分布。本項(xiàng)目重點(diǎn)開(kāi)展兩方面的計(jì)算模型研究。首先，對(duì)于鋁合金Whipple結(jié)構(gòu)，碎片云模型由離散的SPH粒子與微塵埃（連續(xù)介質(zhì)）組成，采用平均化方法逐次縮減計(jì)算中的SPH粒子，研究碎片云與Whipple后墻作用的強(qiáng)沖擊、大變形與穿孔破壞三個(gè)不同時(shí)間尺度過(guò)程。其次，開(kāi)展了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的計(jì)算模型研究。由于纖維與基體材料的阻抗與強(qiáng)度失配，強(qiáng)沖擊作用下復(fù)合材料的壓縮與破壞具有強(qiáng)局域特征。利用SPH方法依據(jù)纖維織構(gòu)建立計(jì)算模型，復(fù)合材料各向異性本構(gòu)關(guān)系通過(guò)纖維與基體材料力學(xué)參數(shù)及其織構(gòu)確定，分別表征沖擊條件下材料變形與破壞的局域與非均勻特性。開(kāi)展了復(fù)合材料碎片云模型研究、防護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等工作，計(jì)算模擬了纖維強(qiáng)度、編織方式、排布等對(duì)防護(hù)性能的影響。 在極高速碰撞條件下，高速碎片云對(duì)Whipple結(jié)構(gòu)后墻產(chǎn)生顯著的侵徹破壞。項(xiàng)目組設(shè)計(jì)與制備了陶瓷梯度涂層靶板，應(yīng)用電炮裝置直接發(fā)射7km/s以上速度的碎片云撞擊靶板，實(shí)驗(yàn)表明3.2mm厚度的Ly12合金復(fù)合靶板，當(dāng)撞擊面采用0.2mm厚度的陶瓷涂層，顯著地提高了結(jié)構(gòu)抗侵徹性能。為防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能評(píng)估提供有意義的參考。

超高速碰撞下材料破碎的顆粒尺度與速度分布由沖擊載荷、材料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)等諸多因素決定，對(duì)于實(shí)驗(yàn)原位診斷與數(shù)值仿真均具有挑戰(zhàn)性。對(duì)于纖維類(lèi)防護(hù)結(jié)構(gòu)，沖擊波作用下纖維響應(yīng)的特征時(shí)間尺度與空間尺度分別用纖維直徑d與d/Ds表征，Ds為沖擊波速度，從而纖維材料的沖擊動(dòng)力學(xué)行為具有強(qiáng)局域性。本項(xiàng)目從防護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)出發(fā)，設(shè)計(jì)高速碰撞分解實(shí)驗(yàn)研究碎片云展開(kāi)特性；在AUTODYN程序二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)上建立恰當(dāng)?shù)牟牧蠑嗔涯Ｐ?、碎片云展開(kāi)模型，以及碎片云與結(jié)構(gòu)單元高速撞擊的計(jì)算模型，從而結(jié)合理論模型、數(shù)值仿真，與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以研究勻質(zhì)與纖維類(lèi)細(xì)觀非均勻材料的斷裂與破碎機(jī)理。高速碰撞時(shí)材料的破碎與展開(kāi)是Whipple型防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，基于破碎模型模擬防護(hù)單元的沖擊響應(yīng)過(guò)程，本項(xiàng)目希冀建立結(jié)構(gòu)單元超高速撞擊的防護(hù)性能評(píng)估流程，為纖維材料防護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

本課題通過(guò)超高速磨削試驗(yàn)及理論分析對(duì)典型金屬材料超高速下的變形地為和磨削表現(xiàn)進(jìn)行了研究。探討了超高速?zèng)_擊成屑和表面創(chuàng)成機(jī)理，提出了磨削參數(shù)與材料應(yīng)變率及磨削輸出的理論聯(lián)系，研究了砂輪有效磨粒前角的變化對(duì)磨粒與工件材料摩擦作用的影響，建立了高效深磨傾斜運(yùn)動(dòng)熱源的基本傳熱模型，揭示了超高速深磨的基本傳熱規(guī)律及對(duì)工藝過(guò)程的影響。制造了新了磨削液供液系統(tǒng)，確定了超高速磨削的供液方式及基本參數(shù)，初步搞清了典型金屬材料超高速磨削的工藝規(guī)律。本課題研究完善了超高速磨削理論，發(fā)展了超高速磨削工藝技術(shù)，已發(fā)表論文9篇，受到國(guó)內(nèi)高度重視。本課題的研究取得多方面成果，圓滿完成了課題研究工作。

用碰撞時(shí)產(chǎn)生的巨大碰撞力來(lái)產(chǎn)生巨大瞬時(shí)力，如各種沖壓機(jī)、打樁機(jī)、炮彈穿甲等。相反地，有時(shí)要 避免巨大碰撞力的危害，采用各種緩沖裝置，如彈性體或液壓緩沖器，以延長(zhǎng)碰撞時(shí)間，從而減小碰撞力。碰撞已成為現(xiàn)代工程技術(shù)中一個(gè)重要的力學(xué)問(wèn)題。巨大的碰撞力和連續(xù)作用的碰撞，對(duì)材料的強(qiáng)度和疲勞有很大影響。此外，儀表、裝置和設(shè)備應(yīng)保證在其載體受到碰撞和沖擊載荷時(shí),能夠正常工作，不致松動(dòng)、失靈和損壞。

散射

在粒子物理，原子物理或者當(dāng)一個(gè)光子作為碰撞物之一時(shí)，碰撞也稱(chēng)為散射，散逸或漫射。當(dāng)一個(gè)粒子在碰撞中向另一個(gè)能級(jí)躍遷時(shí)，也稱(chēng)作非彈性碰撞（非彈性散射）。當(dāng)多數(shù)光子參與一個(gè)非彈性散射時(shí)會(huì)改變其總波長(zhǎng)。相關(guān)請(qǐng)參閱散射和散射原理。

碰撞反應(yīng)碰撞

反應(yīng)碰撞來(lái)自反應(yīng)，如化學(xué)反應(yīng)或通過(guò)高能粒子在量子物理學(xué)中的碰撞產(chǎn)生新的粒子。在此必須注意，碰撞前后不同的粒子提供了能量和動(dòng)量。在碰撞過(guò)程中速度變化的同時(shí)也存在粒子質(zhì)量和數(shù)量的變化。

反應(yīng)碰撞的一種類(lèi)型如“電負(fù)性交換”：一個(gè)原子，分子或離子，一個(gè)或多個(gè)電子交換的原子物理學(xué)過(guò)程。很可能在此過(guò)程中一個(gè)電子給其中一個(gè)碰撞物帶上正電性。如太陽(yáng)風(fēng)中的正電子（參見(jiàn)高能離子）通過(guò)彗星周?chē)臍鈱訒r(shí)被捕獲并發(fā)出x射線。