高速撞击下冰球冲击力学行为及材料响应的实验与数值模拟研究

在高速撞击实验中，冰球的撞击速度对其冲击力和破碎特性有显著影响。随着速度增加，冰球在撞击过程中产生的力显著增大，破碎过程也加快。在较高速度下，冰球会完全破碎并形成微颗粒团簇体。通过高速相机记录和数值模拟，可以详细分析冰球冲击力学响应情况，从而有效评估和改进材料的抗冲击性能。美能冰雹撞击试验机通过气压发射不同直径的人工冰球，撞击组件，评估其抗冲击能力。

 

 

冰球的不同速度对冰雹冲击实验的影响

撞击力的变化：随着撞击速度的增加，冰球在撞击过程中产生的力也会增大。例如，在高速撞击下，层状结构冰球的撞击力高于单一性状冰球，这是因为层间结构的存在延缓了冰球的破碎进程，提升了其在冲击方向传递动量的能力。

 

破碎特性：冰球的破碎特性随着撞击速度的增加而变化。在较低的速度下，冰球可能不会完全破碎，而是在较高的速度下，冰球会更容易地完全破碎并形成微颗粒团簇体。此外，当冲击速度大于100 m/s时，上下半球都呈粉碎状破坏。

 

材料的响应：冰球的不同速度对被撞击材料的响应也有显著影响。例如，对于塑料薄膜，较高的撞击速度会导致更大的破坏面积和更快的破坏过程。

 

 

 

数值模拟的准确性：在进行冰球冲击实验的数值模拟时，不同的撞击速度需要被考虑进去，以确保模拟结果的准确性。例如，近场动力学方法能准确模拟冰球冲击过程下高应变率破坏的完整过程，但在20～60 m/s速度范围内对冲击载荷预报的幅值最大误差为18.2%。

 

 

冰冲击力学行为的实验研究与数值计算

根据研究显示，冰球的动态压缩和劈拉强度在高应变率下随温度降低而升高，冰在不同温度及其不同应变率下的动、静态劈拉强度不同。通过对冰球冲击复合材料进行了实验及其数值模拟,研究冰雹高速冲击载荷作用下,力学响应情况分析能够有效规避冰雹冲击伤害。

 

冰球冲击过程记录：

 

通过高速相机对冲击过程进行了拍摄记录，在录像截取冰球接触靶板前的最后一帧定义为过程分析第一帧,0.1ms时刻。

 

 

 

 

通过实验可以看出在 0.2ms 时刻冰球开始接触，但是冰球并没有瞬间完全破碎，可以看出冰球在刚接触的瞬间只是球身的大部分位置出现了宏观裂纹，但是还是保持着完整的球形状；到 0.3ms 时刻，冰球接触更加完全，可以看到冰球开始因为冲击产生的作用力而变形，冰球前端开始出现破碎；到 0.4ms 时刻，冰球基本只剩后半部分完整，此时冰球接触部分因受冲击而产生向四周传递的应力波，逐渐吸收能量开始回弹；最后 1.2ms-1.4ms 区间内，可以看到相邻时刻的位置变化较为明显（左上方光亮出可以看出），此时的处于弹性区域内，反复出现前后回弹、摆动的现象，直至能量耗散尽后回归静止。

 

经过不同速度的冲击实验，将每个实验的数据进行处理后，分别得出了两种尺寸冰球在不同速度下的载荷-时间关系，在冲击过程中，纤维板会由于来回的振荡导致载荷波动。

编号	冰球质量(g)	实际速度(m/s)	载荷(kN)
V88-1	7.96	85.25	5.00
V88-2	8.20	87.55	6.12
V88-3	7.84	88.11	6.80
V132-1	7.99	131.06	13.03
V132-3	8.08	130.04	12.22
V177-1	8.11	188.16	23.33
V177-2	7.97	185.36	22.91

25.4mm 冰球冲击载荷与速度

 

 

由此得出冰雹冲击试验可以得出高速冲击条件下，冰球的破坏模式可能与常规情况有所不同。美能冰雹撞击试验机旨在模拟真实环境下的冰雹冲击情况，通过气压冲击不同直径大小的(人工制作的冰球用于模拟冰雹)冰球，验证组件的抗冲击能力。

 

 

美能冰雹撞击试验机

 

 

 

冰雹撞击试验旨在模拟真实环境下的冰雹冲击情况，基于IEC61215标准MQT17条款开发通过气压冲击不同直径大小的(人工制作的冰球用于模拟冰雹)冰球，并以恒速撞击组件，模拟冰雹气候对组件的影响，验证组件的抗冲击能力。

 

功能特点:

 

•高精度红外线测速传感器

 

•配置多种夹具，满足不同结构组件

 

•可满足发射25、35、45、55、65、75mm直径冰球的需求

 

通过对高速撞击实验和数值模拟的研究，我们深入探讨了冰球在不同速度下的冲击力学行为及其对材料的响应。美能冰雹冲击试验机在模拟真实冰雹冲击条件下，验证了组件的抗冲击能力，并为改进材料设计提供了宝贵的数据和分析方法。未来的研究将继续优化实验条件和数值模拟方法，以进一步提升材料的抗冲击性能，为实际应用提供更可靠的保障。