基于离散元法的不同重力下颗粒物质冲击特性研究

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颗粒物质与人类生活密切相关,并广泛应用于各个工程领域。随着人类探索的脚步逐渐走向深空环境,不同重力下颗粒物质丰富的动力学行为及其机制日益成为当前和未来深空探测领域的重点研究问题。其中,研究颗粒物质在不同重力下的冲击演化过程及相应的力学行为,可以深入地了解与颗粒碰撞有关的复杂物理规律,从而指导飞行器硬着陆、星体地表采样等深空探测任务的科学实施,为颗粒材料在深空环境下工程应用提供理论基础。因此,本文建立了不同重力下颗粒物质受冲击作用的离散元模型。通过与地球重力下的冲击试验的结果对比,验证了该离散元模型在颗粒冲击问题中的适用性及合理性。利用CUDA-GPU并行运算开展不同冲击速度和重力加速度下大球撞击颗粒床过程的离散元数值研究。本论文的主要研究内容包括:(1)定量分析了重力加速度对于冲击物的位移,法向受力及持续碰撞时间的影响规律,同时探讨了冲击物的最终穿透深度与冲击速度和总下落距离的标度关系,在此基础上对冲击物的穿透减速过程做了区分。(2)研究了颗粒介质受垂直冲击后的动力学行为,主要分析了冲击速度和重力加速度对冲击成坑过程的影响,将原始三维冲击坑数据转换为二维轮廓,给出了冲击坑二维轮廓的最佳拟合曲线;同时讨论了冲击坑半径与无量纲重力标度的关系,并与实验室试验的结果进行对比。(3)分析了重力加速度和冲击速度对弹出颗粒动力学特征的影响,研究了弹出颗粒速度随弹出位置的变化规律;同时发现重力加速度对颗粒的弹出角度无影响;之后,分析了不同冲击速度和重力加速度对颗粒弹出质量的影响,最后给出了弹出颗粒速度和质量与无量纲重力标度的关系。
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