高速撞擊下冰球沖擊力學(xué)行為及材料響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究

在高速撞擊實(shí)驗(yàn)中，冰球的撞擊速度對(duì)其沖擊力和破碎特性有顯著影響。隨著速度增加，冰球在撞擊過(guò)程中產(chǎn)生的力顯著增大，破碎過(guò)程也加快。在較高速度下，冰球會(huì)完全破碎并形成微顆粒團(tuán)簇體。通過(guò)高速相機(jī)記錄和數(shù)值模擬，可以詳細(xì)分析冰球沖擊力學(xué)響應(yīng)情況，從而有效評(píng)估和改進(jìn)材料的抗沖擊性能。美能冰雹撞擊試驗(yàn)機(jī)通過(guò)氣壓發(fā)射不同直徑的人工冰球，撞擊組件，評(píng)估其抗沖擊能力。

冰球的不同速度對(duì)冰雹沖擊實(shí)驗(yàn)的影響

撞擊力的變化：隨著撞擊速度的增加，冰球在撞擊過(guò)程中產(chǎn)生的力也會(huì)增大。例如，在高速撞擊下，層狀結(jié)構(gòu)冰球的撞擊力高于單一性狀冰球，這是因?yàn)閷娱g結(jié)構(gòu)的存在延緩了冰球的破碎進(jìn)程，提升了其在沖擊方向傳遞動(dòng)量的能力。

破碎特性：冰球的破碎特性隨著撞擊速度的增加而變化。在較低的速度下，冰球可能不會(huì)完全破碎，而是在較高的速度下，冰球會(huì)更容易地完全破碎并形成微顆粒團(tuán)簇體。此外，當(dāng)沖擊速度大于100 m/s時(shí)，上下半球都呈粉碎狀破壞。

材料的響應(yīng)：冰球的不同速度對(duì)被撞擊材料的響應(yīng)也有顯著影響。例如，對(duì)于塑料薄膜，較高的撞擊速度會(huì)導(dǎo)致更大的破壞面積和更快的破壞過(guò)程。

數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性：在進(jìn)行冰球沖擊實(shí)驗(yàn)的數(shù)值模擬時(shí)，不同的撞擊速度需要被考慮進(jìn)去，以確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如，近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)方法能準(zhǔn)確模擬冰球沖擊過(guò)程下高應(yīng)變率破壞的完整過(guò)程，但在20～60 m/s速度范圍內(nèi)對(duì)沖擊載荷預(yù)報(bào)的幅值最大誤差為18.2%。

冰沖擊力學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值計(jì)算

根據(jù)研究顯示，冰球的動(dòng)態(tài)壓縮和劈拉強(qiáng)度在高應(yīng)變率下隨溫度降低而升高，冰在不同溫度及其不同應(yīng)變率下的動(dòng)、靜態(tài)劈拉強(qiáng)度不同。通過(guò)對(duì)冰球沖擊復(fù)合材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及其數(shù)值模擬,研究冰雹高速?zèng)_擊載荷作用下,力學(xué)響應(yīng)情況分析能夠有效規(guī)避冰雹沖擊傷害。

冰球沖擊過(guò)程記錄：

通過(guò)高速相機(jī)對(duì)沖擊過(guò)程進(jìn)行了拍攝記錄，在錄像截取冰球接觸靶板前的最后一幀定義為過(guò)程分析第一幀,0.1ms時(shí)刻。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出在 0.2ms時(shí)刻冰球開(kāi)始接觸，但是冰球并沒(méi)有瞬間完全破碎，可以看出冰球在剛接觸的瞬間只是球身的大部分位置出現(xiàn)了宏觀裂紋，但是還是保持著完整的球形狀；到0.3ms 時(shí)刻，冰球接觸更加完全，可以看到冰球開(kāi)始因?yàn)闆_擊產(chǎn)生的作用力而變形，冰球前端開(kāi)始出現(xiàn)破碎；到0.4ms 時(shí)刻，冰球基本只剩后半部分完整，此時(shí)冰球接觸部分因受沖擊而產(chǎn)生向四周傳遞的應(yīng)力波，逐漸吸收能量開(kāi)始回彈；最后1.2ms-1.4ms 區(qū)間內(nèi)，可以看到相鄰時(shí)刻的位置變化較為明顯（左上方光亮出可以看出），此時(shí)的處于彈性區(qū)域內(nèi)，反復(fù)出現(xiàn)前后回彈、擺動(dòng)的現(xiàn)象，直至能量耗散盡后回歸靜止。

經(jīng)過(guò)不同速度的沖擊實(shí)驗(yàn)，將每個(gè)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，分別得出了兩種尺寸冰球在不同速度下的載荷-時(shí)間關(guān)系，在沖擊過(guò)程中，纖維板會(huì)由于來(lái)回的振蕩導(dǎo)致載荷波動(dòng)。

25.4mm 冰球沖擊載荷與速度

由此得出冰雹沖擊試驗(yàn)可以得出高速?zèng)_擊條件下，冰球的破壞模式可能與常規(guī)情況有所不同。美能冰雹撞擊試驗(yàn)機(jī)旨在模擬真實(shí)環(huán)境下的冰雹沖擊情況，通過(guò)氣壓沖擊不同直徑大小的(人工制作的冰球用于模擬冰雹)冰球，驗(yàn)證組件的抗沖擊能力。

美能冰雹撞擊試驗(yàn)機(jī)

冰雹撞擊試驗(yàn)旨在模擬真實(shí)環(huán)境下的冰雹沖擊情況，基于IEC61215標(biāo)準(zhǔn)MQT17條款開(kāi)發(fā)通過(guò)氣壓沖擊不同直徑大小的(人工制作的冰球用于模擬冰雹)冰球，并以恒速撞擊組件，模擬冰雹氣候?qū)M件的影響，驗(yàn)證組件的抗沖擊能力。

功能特點(diǎn):

?高精度紅外線測(cè)速傳感器

?配置多種夾具，滿足不同結(jié)構(gòu)組件

?可滿足發(fā)射25、35、45、55、65、75mm直徑冰球的需求

通過(guò)對(duì)高速撞擊實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的研究，我們深入探討了冰球在不同速度下的沖擊力學(xué)行為及其對(duì)材料的響應(yīng)。美能冰雹沖擊試驗(yàn)機(jī)在模擬真實(shí)冰雹沖擊條件下，驗(yàn)證了組件的抗沖擊能力，并為改進(jìn)材料設(shè)計(jì)提供了寶貴的數(shù)據(jù)和分析方法。未來(lái)的研究將繼續(xù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件和數(shù)值模擬方法，以進(jìn)一步提升材料的抗沖擊性能，為實(shí)際應(yīng)用提供更可靠的保障。