太空碎片知多少

正空间碎片是人类进行空间活动而遗留在太空中的各类废弃物,如发射火箭、卫星、飞船等产生的多余物,以及空间物体之间碰撞而产生的碎块等。据中国航天空间碎片观测研究中心发布,经过多年跟踪观测,他们目前发现直径10厘米以上的碎片有数万个,而小于1厘米的碎片更是难计其数。毫无疑问,空间碎片的破坏力和杀伤力很大,那些体积较大,速度又快的碎片与同样运行速度很快的航天器相撞,两个加速度的叠加将会对航     

建筑玻璃板在爆炸荷载下的破碎性能(Ⅰ)——理论模型

爆炸、恐怖袭击等事件的发生常常引起建筑物外表面门窗玻璃的破碎、跌落以及玻璃碎片的飞溅,除了爆炸冲击波对建筑物内的直接冲击造成的损害之外,爆炸引起的玻璃碎片的飞溅常常是造成建筑物内人员伤亡和财产损失的另一个主要原因。针对爆炸事故中玻璃碎片产生的次生灾害,重点探讨爆炸荷载下玻璃碎片的破碎性能及其危害范围。基于能量守恒原理,分析建筑玻璃板在爆炸荷载下的破碎特征,提出玻璃板破碎后产生的玻璃碎片的抛射速度理论模型;根据动力学方程,考虑玻璃碎片飞溅过程中速度变化的影响因素,研究玻璃碎片的抛射速度变化和飞溅距离,确立爆炸荷载下玻璃碎片的飞行轨迹。另一篇系列文章将通过现场的爆炸试验验证本文公式的准确性。     

基于碰撞数值模拟下桥梁基础设计研究

随着交通运输业的快速发展,一些大型的桥梁也逐渐增多,与此同时,船舶吨位日益增大,航行的速度向着高速化方向发展,通过航道的船舶数量越来越多,在外部环境影响的情况下,会出现船舶撞击桥梁的事件。桥梁撞击以及对其的防护问题引起了社会各界的广泛关注。解决桥梁的撞击问题,就需要对其撞击数值进行分析,以此来建立具有防护装置的船桥撞击模型,对桥梁基础防护进行设计,做好桥梁的防护工作。本文就撞击数值模拟下的公路桥梁基础设计问题进行研究。     

弹丸对混凝土薄板的冲击破坏效应

介绍高速弹丸冲击混凝土薄板后所产生的贯穿破坏效应,通过模型试验、数值模拟和量纲理论分析,取得了三者吻合较好的结果,并导出了计算弹丸穿透混凝土薄板后残余速度的经验公式。通过弹丸撞击有限厚度钢筋混凝土靶板的模型试验,获得了有关靶板冲击破坏的宏观图象及弹丸贯穿靶板后的残余速度。介绍了非线性三维动力有限元程序和混凝土材料的脆性损伤模型,对弹丸冲击效应试验中的靶板破坏过程进行了数值模拟,通过数值模拟计算,形象地再现了弹丸高速冲击作用下,钢筋混凝土靶板发生贯穿破坏的物理过程,数值模拟结果与试验中靶板的实际破坏图象十分吻合。通过量纲分析,得出了描述钢筋混凝土板冲击破坏效果各参数之间的无量纲关系,利用现场试验数据进行回归,导出了贯穿条件下的弹丸余速计算公式。     

弹丸撞击下花岗岩靶破坏效应实验与数值分析

对不同速度弹丸撞击花岗岩靶产生的弹坑深度和裂纹长度进行实验和数值分析。利用轻气炮进行五发实验,得到3种撞击速度下的弹坑直径、弹坑深度、靶板表面裂纹分布等破坏效应,并对撞击速度为654 m/s的正侵彻实验靶进行切割,得到靶板内部的裂纹分布情况。采用非线性动力学软件Autodyn对正侵彻花岗岩实验进行数值模拟。将Johnson-Homquist损伤本构模型(JH–2模型)与拉伸断裂软化模型相耦合,来模拟靶板内高应力区材料的压缩和剪切破坏效应,以及低应力区靶板在主拉伸应力作用下产生的损伤和裂纹扩展。相对于传统有限元计算中删除单元形成裂纹的处理方法,本文采用SPH算法,通过定义损伤来描述材料的压缩破坏以及由剪切和拉伸断裂形成的裂纹。模拟得到的弹坑尺寸以及裂纹长度与实验结果符合较好。根据模拟结果进行数值试验,拟合出不同撞击速度下的弹坑深度和裂纹长度的经验关系式。相关方法及材料模型参数可为后继实验和相关数值模拟提供参考。     

弹丸撞击下花岗岩靶破坏效应实验与数值分析

 对不同速度弹丸撞击花岗岩靶产生的弹坑深度和裂纹长度进行实验和数值分析。利用轻气炮进行五发实验,得到3种撞击速度下的弹坑直径、弹坑深度、靶板表面裂纹分布等破坏效应,并对撞击速度为654 m/s的正侵彻实验靶进行切割,得到靶板内部的裂纹分布情况。采用非线性动力学软件Autodyn对正侵彻花岗岩实验进行数值模拟。将Johnson-Homquist损伤本构模型(JH–2模型)与拉伸断裂软化模型相耦合,来模拟靶板内高应力区材料的压缩和剪切破坏效应,以及低应力区靶板在主拉伸应力作用下产生的损伤和裂纹扩展。相对于传统有限元计算中删除单元形成裂纹的处理方法,本文采用SPH算法,通过定义损伤来描述材料的压缩破坏以及由剪切和拉伸断裂形成的裂纹。模拟得到的弹坑尺寸以及裂纹长度与实验结果符合较好。根据模拟结果进行数值试验,拟合出不同撞击速度下的弹坑深度和裂纹长度的经验关系式。相关方法及材料模型参数可为后继实验和相关数值模拟提供参考。     

基于PTS光栅扫描仪的模具点云获取工艺研究

模具增材再制造过程中,所得的点云结果常常出现碎片、空洞、噪点以及拼接精度较低等问题,不能满足后期实施增材再制造。从扫描角度、喷涂层数和光强3个方面对优质模具点云的获取作了研究。分别设计4种不同角度、6组喷涂层数以及4组光强的试验,比较相应的标记点识别、对比点云图的完整性以及拼接精度。结果表明,在该试验条件下,平面扫描角度0°、侧面扫描角度58. 1°、喷涂层数7层以及灰度值150所得到的点云拼接精度高,且扫描出的点云噪点较少,点云的完整性良好。     

钢框架结构竖向撞击响应数值模拟分析

多层钢框架结构在工程中得到较为广泛的应用。文中通过建立有限元数值模型,对竖向撞击荷载作用下多层钢框架结构进行数值模拟,分析其在撞击荷载作用下的结构响应,并分析撞击速度和撞击物质量对结构响应的影响。结果显示,竖向撞击下,多层钢框架结构受到一个极大的瞬时撞击力,受撞击处发生明显的振动,并产生较大的塑性残余变形。随着撞击速度或撞击物质量的增大,撞击力峰值随之近似呈线性增大,受撞处变形也随之增大,且增长趋势逐渐增强。     

超高速弹撞击岩石的地冲击效应等效计算

本文主要研究岩石中超高速撞击与浅埋爆炸的等效转换计算方法。基于超高速动能弹丸撞击岩石的地冲击效应与岩石中浅埋装药爆炸效应的相似性,将表面弹坑作为引起地冲击的震源,根据超高速撞击弹坑与浅埋爆炸弹坑辐射出的地冲击能量相等条件,建立超高速撞击与装药爆炸的地冲击效应的等效关系。通过理论推导,得到超高速撞击效应的等效装药量与无量纲撞击速度的关系,并给出能量换算系数与无量纲撞击速度的简化表达式。依据超高速弹体撞击花岗岩的试验结果,证明等效装药爆炸与超高速撞击的地冲击应力波形十分吻合,验证等效方法的有效性。计算分析表明当弹丸撞击速度足够大(Ma≥1.5)时,可以进行爆炸等效转换,撞击速度不断增大时,等效装药量不断增大,能量换算系数不断增大。根据本文提出的地冲击效应等效计算方法,得到5,10,15马赫撞击速度下不同弹丸质量与最小防护层厚度间的关系曲线。     

撞击速度对船桥碰撞作用的影响

船桥碰撞不仅会使桥梁结构受到损伤,同时桥梁的使用寿命和安全性能、抗震性能都会受到极大影响,通常还会造成严重的财产损失和人员伤亡等重大后果。因此对船桥碰撞作用的影响因素研究尤为重要。文章以某圆端形桥墩和驳船为例,利用有限元软件ANSYS、LS-DYNA和LS-PREPOST进行建模、计算和结果处理,通过分析不同撞击速度下船舶撞击桥墩的撞击力、应力和位移等结果,发现在碰撞过程中,随撞击速度的增大,撞击力升高的速度、最大撞击力、桥墩和船舶的应力和位移明显增大,甚至不止呈线性增加。因此,船舶通过跨海跨河大桥时应严格限速以保证桥梁和船舶安全。     

泥石流冲击力的野外测量

冲击作用是泥石流最为剧烈的一种破坏方式。泥石流的冲击力因此也成为泥石流工程防治和危险性分区中的重要参数。然而,由于其破坏力巨大,可靠的野外泥石流的冲击力数据比较少。2004年通过在云南蒋家沟建立的泥石流冲击力野外测试装置和新研制的力传感器以及数据采集系统,首次测得不同流深位置、长历时、波形完整的泥石流冲击力信号。原始信号经过低通滤波处理后,得到真实的泥石流冲击力数据。对数据的初步分析发现,在同等流速的条件下,连续流的冲击力要比阵性流的大得多。单就阵性流而言,泥石流的冲击力最大值也不是随流速而单调增加的,而应该跟它所携带的固体物质的大小有很密切的关系。最后,对不同位置的冲击力过程线的分析说明泥石流中中等粒径的石块多集中在龙头和流体表面,而大粒径的石块应该是在泥石流体中半悬浮运动。     

On the stochastic nature of compact debris flight

The stochastic nature of debris flight is investigated through a series of Monte Carlo simulations based on the debris flight equations for compact debris presented by Holmes (2004). Any given debris flight situation presents a number of uncertainties such as the size of the piece of debris and the time-varying turbulent wind flow. Current debris flight models are largely deterministic and do not account for such uncertainty in input parameters. The simulations presented model the flight of a single spherical particle whose diameter is given by a probability distribution function, driven by a turbulent wind with velocity fluctuations appropriate to the atmospheric boundary layer. The model predicts the mean and standard deviation of the particle flight distance and impact kinetic energy. Results show that introducing uncertainty in particle diameter, horizontal turbulence intensity, or vertical turbulence intensity leads to larger mean values for flight distance and impact kinetic energy, compared to the condition where there is no variability in input parameters. Introducing input parameter variability also leads to variability in flight distance and impact kinetic energy that is quantified in this study. While the simulations presented do not realistically characterize the complex flow within an urban canopy, the results provide significant physical insight into the influence of particle size variability and turbulence on the mean and standard deviation of the flight distance and impact kinetic energy.     

泥石流软基消能排导槽流速与消能特性试验研究

排导槽内泥石流流速是排导槽设计时需要考虑的重要参数之一。使用泥石流原样进行室内模型实验,探究了不同泥石流重度、肋槛间距、排导槽坡度下泥石流在排导槽内流速的变化规律和排导槽肋槛对泥石流的消能规律。研究得到如下结论:试验条件下,泥石流排导槽对泥石流流速的降低率随泥石流重度变化不大;泥石流在排导槽内平均流动速度随泥石流重度的增加而减少,随泥石流排导槽坡度的增大而增大,随肋槛间距的增加而增加;泥石流在排导槽内消能率呈现如下规律:单个肋槛平均消能率随泥石流重度的增大而增大,随排导槽坡度的增大而增大。不同肋槛间距下,泥石流在排导槽内整体消能率随肋槛间距的增大而降低,单个肋槛平均消能率随肋槛间距的增大而增大。根据本文研究相关成果,在进行泥石流排导槽设计时,通过合理设计排导槽横断面、坡度、肋槛等参数,能有效控制泥石流流速,达到降低泥石流冲击破坏的目的。     

考虑弹塑性变形的泥石流大块石冲击力计算

以Hertz接触理论为基础,考虑结构的弹塑性特性,给出泥石流大块石冲击力的计算方法。采用Thornton假设,即材料为理想弹塑性体,对Hertz接触理论进行弹塑性修正,推导考虑材料塑性的接触压力计算公式。为模拟泥石流大块石对构筑物的冲击,将构筑物假设成静止不动的平面,将大块石简化为以某速度运动的质点,建立基于修正Hertz接触理论的计算模型。计算结果表明,泥石流大块石在很小的冲击速度(小于1m/s)下就可能导致混凝土材料冲击接触面上产生塑性变形。考虑结构弹塑性特性后,冲击压力计算结果小于弹性冲击压力,更符合实际情况。     

BLU-109B模型弹在岩石介质中成坑效应试验研究

国外防护工程设计规范中基本上采用经验法评估各种弹体对岩石介质的毁伤问题,而在我国现行规范中尚未涉及该方面的问题。根据相似准则建立弹坑比例半径同弹体侵彻深度和弹体装药参数的函数关系。通过试验和数据回归分析给出BLU–109B钻地模型弹在岩石介质中爆炸成坑的经验公式,并根据试验结果总结出了同等介质条件下弹速和装药对弹坑半径、弹坑深度及弹坑体积的影响曲线。试验结果表明：弹坑半径大小主要取决于弹速、装药量和岩石介质力学性能。在靶体相同和同等装药条件下弹速是毁伤岩石的主要因素。当弹速低于450 m/s时,弹坑半径大小主要取决于侵彻弹坑半径;当弹速超过450 m/s时,弹坑半径的大小将取决于装药爆炸后所形成的弹坑半径,弹坑体积将随之迅速增加。     

基于点云技术的景观空间密度量化方法研究

点云技术的发展为景观空间的精确量化与精准设计提供了重要机遇。选取过往研究中多通过人工实地调研与经验估算的“景观空间密度”指标,利用点云等数字技术优化其量化方法。首先,以无人机倾斜摄影与地面激光雷达扫描生成的点云模型为基础,通过点云体元化得到景观要素的三维形态,进而计算出总体空间密度;其次,利用Grasshopper对空间密度的三维分布加以可视化;最后以东南大学梅庵周边景观空间为例,探讨该方法的实用性。由此发现,基于点云技术的景观空间密度量化方法在数据采集处理的效率、计算结果的精度以及结果的可读性等方面有显著优势,有利于更加直观、准确地为景观空间设计提供针对性的优化策略。     

The debris flight equations

This paper presents a mathematical analysis of the equations of debris flight. In particular the two-dimensional motions of two types of debris are considered—compact and sheet debris. The equations of motion for debris flight are derived in a generalised dimensionless form that reveals the fundamental controlling parameters of the problem. Simplified forms of the equations are then derived for compact and sheet debris, and the large time asymptotic solutions derived for velocities and energies. Numerical solutions of the equations of motion are presented for a range of the controlling dimensionless parameters that are typical of full-scale conditions. The results are compared as far as possible with experimental data. The results for compact debris are well defined and the predicted dimensionless velocities and trajectories are a function of a single dimensionless parameter. For the sheet debris, however, the situation is much more complex, and the results show a level of sensitivity to boundary conditions and the values of the controlling parameters that is typical of chaotic systems. For such objects debris flight can take a number of forms with clockwise, anti-clockwise or no rotation taking place. The resulting dimensionless trajectories and velocities are widely spread. The effect of simulating atmospheric turbulence on the flight of both types of object was also considered, and it was shown that if the gust wind speed during the course of the debris flight is used as the normalising velocity, the variations in trajectory, although noticeable, are not particularly large. A discussion of how this analysis could be used in the design process is then presented, conclusions are drawn and suggestions made for further work.     

泥石流堆积体边坡失稳机理的试验与稳定性分析

泥石流堆积体边坡失稳现象由于其组成物质、形成年代和堆积部位等方面的特点,与其他岩土边坡失稳有不同的表现。根据泥石流堆积体的形态特点与沉积特征,利用条块侧向推力正弦变化的Spencert条分法进行泥石流边坡稳定性的分析,对山地工程减灾分析有意义。利用Spreadsheet自嵌Visual Basic Application编译器编写了描述沿深度变化土体物理参数的稳定性分析程式。程序从确定性分析开始计算边坡稳定性系数,并利用Spreadsheet的约束优化功能寻找可能的圆弧滑动面,在此基础上计算最可能的非圆弧滑面,最后与实际观测滑面稳定性分析进行对比现场试验人工降雨造成超渗产流,实时测得的数据表明,在距表层土体50 cm以下含水量变化很小,边坡并没有产生明显的后缘张裂隙,在集中降雨导致超渗产流的情况下,泥石流堆积体边坡失稳主要是表层50 cm深度以内土体含水量变幅大的土层中发生,而在50 cm以下深度范围内土体基本保持稳定。程序分析表明,随着给定的滑动土层厚度的增加,安全系数逐步降低,只有平均土层深度为2.4 m才有完全满足约束条件的最优非圆弧滑面。研究结果表明,条分法已经不能适用于强降雨条件下泥石流堆积体边坡失稳机理的研究。     

基于水系三维模型及分形理论对泥石流活动强度的研究

 泥石流的水系结构能够直观地反映出泥石流本身的发育状态和活动程度,为定量描述泥石流水系结构从而对泥石流的活动强度进行分析,基于GIS系统提取出泥石流水系的三维化数据,根据分形理论自编Matlab程序测定出金沙江流域泥石流三维水系模型的盒维数值,确定水系结构的量化指标,并结合松散物源量、泥沙补给段长度比等指标对研究区内的泥石流进行分析,得出泥石流的活动强度与各影响因素之间深层次规律。随着泥石流活动强度的增长,其影响因素也会跟着增加。而且,在活动强度为15和21处时,活动强度和影响因素的关系曲线均出现拐点。对泥石流活动强度的界定提出新的判据。通过上述方法对金沙江流域的泥石流进行研究,结果发现,矮坝沟的活动强度最大,这一结论与实际相符,验证该方法的科学性和合理性,为泥石流灾害的评估提供新的手段和依据。