石英玻璃球压缩破碎的实验研究与数值计算

论文摘要

本文开展了石英玻璃球的静态压缩破碎实验和在不同冲击速度下,球体撞击刚性靶板实验。采用离散元软件PFC3D对实验过程进行数值模拟研究。结合实验和模拟分析了玻璃球不同的破碎模式及其破碎过程。利用MTS万能实验机对石英玻璃球进行静态压缩实验。实验表明:石英玻璃球的压缩破碎存在阶段性,最终发生“爆炸式”的破碎。根据实验获得球体的破碎载荷,可以计算出球体的临界破坏速度,并通过冲击实验和数值模拟进行了验证。使用高速气枪开展了同尺寸下石英玻璃球撞击刚性靶板的实验。验证了直径10mm石英玻璃球的临界破坏速度约为14m/s。实验表明:在不同速度下,石英玻璃球有不同的破坏模式。随着冲击速度的增加分别发生弹性碰撞、局部破坏、劈裂破坏、坍塌破坏、层裂破坏等破坏模式。采用离散元软件PFC3D对上述实验过程进行了数值模拟。模拟结果与实验现象比较吻合。石英玻璃球的静态压缩模拟获得球体破碎的压缩力与实验基本吻合。根据球体破碎的压缩力,可以将球体的破碎分为:“弹性压缩-局部破碎-爆炸式破碎”三个阶段,分析了在每个阶段球体内部微裂纹的生成情况,裂纹主要集中在“爆炸式破碎”阶段生成。冲击实验的模拟结果表明:在临界破坏速度下,球体以略低于冲击速度从刚性壁回弹;低速情况下,从撞击端开始依次形成“压缩破碎区-表面剥落区-剪切破坏区”三个区域,速度稍高时,由于剪切破坏区的扩展,致使球体最终碎裂为若干类似于“月牙状”的碎块;中速情况下,石英玻璃球发生“坍塌式”的破碎;高速下,球体内部会产生拉伸裂纹,发生层裂破坏。分析模拟实验中获取球体的撞击力,球体的运动速度以及球体内部裂纹的生成情况等,可以将石英玻璃球的破碎分为“弹性压缩-整体破碎-二次撞击”三个阶段,对每个阶段的破碎情况进行了分析。将模拟中破碎的碎块进行统计分析,发现破碎的碎块符合两参数Weibull分布,球体的破碎程度可以通过两Weibull参数进行量化。石英玻璃球斜撞刚性壁模拟结果表明:斜撞击下,可以将球体的冲击速度分解为垂直靶板的正撞速度和平行于靶板的平动速度。球体的破碎主要由正撞速度决定,在弹性范围内,平动速度不影响球体的破坏,对于非弹性碰撞,平动速度会减弱球体的破碎程度。石英玻璃球的压缩破碎实验可以定性地分析石英玻璃球的破碎过程,数值计算可以定量地研究球体的破碎机理,两者的结合对研究脆性材料的破坏特性提供了一种便捷的手段,为深入细致地研究脆性材料的冲击破碎提供了可能。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 脆性材料的研究现状
•     1.2.1 玻璃等脆性材料压缩破坏的研究现状
•     1.2.2 玻璃等脆性球体的研究现状
•   1.3 数值计算研究现状
•     1.3.1 有限元
•     1.3.2 离散元
•   1.4 本文的主要研究内容
• 2石英玻璃球压缩破碎实验
•   2.1 实验试件
•   2.2 静态压缩实验
•     2.2.1 静态压缩实验装置
•     2.2.2 静态压缩实验过程
•   2.3 冲击压缩实验
•     2.3.1 冲击压缩实验装置
•     2.3.2 冲击压缩实验过程
•   2.4 本章小结
• 3 实验结果分析
•   3.1 静态压缩实验分析
•   3.2 冲击压缩实验分析
•   3.3 本章小结
• 4 石英玻璃的离散元模型
•   4.1 离散元的基本理论
•     4.1.1 离散元的基本假定
•     4.1.2 离散元方法的基本方程
•     4.1.3 PFC的计算流程
•   4.2 离散元模型的参数标定
•     4.2.1 颗粒粘结模型的选择
•     4.2.2 颗粒粘结参数的标定
•   4.3 本章小结
• 5 石英玻璃球压缩破坏数值模拟
•   5.1 静态压缩破坏
•   5.2 冲击压缩破坏
•     5.2.1 弹性碰撞
•     5.2.2 非弹性碰撞
•   5.3 碎片统计分析
•     5.3.1 基于碎片形状分布的碎片统计
•     5.3.2 基于Weibull分布的碎片统计
•   5.4 本章小结
• 6 石英玻璃球斜撞刚性壁模拟
•   6.1 弹性斜撞
•   6.2 非弹性斜撞
•   6.3 基于Weibull分布的碎片统计
•   6.4 本章小结
• 7 总结与展望
•   7.1 主要结论
•   7.2 研究展望
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 方继松

导师: 周风华,郑宇轩

关键词: 石英玻璃,压缩破碎,破坏模式,离散元,碎片分布

来源: 宁波大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 数学,无机化工

单位: 宁波大学

基金: 国家自然科学基金(11390361,11272163)

分类号: TQ171.1;O242

DOI: 10.27256/d.cnki.gnbou.2019.000967

总页数: 73

文件大小: 4213K

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