球形物冲击下的颗粒缓冲性能研究.doc

球形物冲击下的颗粒缓冲性能研究作 者 姓 名：冯君夫指 导 教 师：张英杰 讲师单 位 名 称：理学院专 业 名 称：工程力学东 北 大 学2013年6月Research on Shock-Absorbing Capacity of Granular Materials under Sphere Impactby Feng JunfuSupervisor: Lecturer Zhang YingjieNortheastern UniversityJune 2013毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：球形物冲击下的颗粒缓冲性能研究设计(论文)的基本内容：（1）采用离散单元模型，对球形物体冲击下颗粒物质的缓冲性能进行数值模拟在不同颗粒粒径、球形物大小、球形物密度以及冲击速度等因素下进行离散元计算，分析各参数对颗粒系统缓冲性能的影响2）设置试验方案，以高速摄像拾取图像并进行Matlab数值计算为思路，在不同颗粒粒径、球形物大小、球形物密度以及冲击速度等因素开展试验研究3）分析离散元模拟和试验结果，比较不同情况下盛颗粒容器底部受力以及球形物受力，探究球形物冲击下颗粒物质的缓冲性能影响因素，冲击力变化趋势和冲击力峰值异同。

4）翻译一篇相关的英文文献，译文要准确充分地表达原文的意思，但要求不赘述，要符合中文的语法和表达习惯毕业设计（论文）专题部分：题目： 设计或论文专题的基本内容：学生接受毕业设计（论文）题目日期2012—2013学年第一学期第20周指导教师签字：2013年1月11日-i-东北大学毕业设计（论文） 摘要球形物冲击下的颗粒缓冲性能研究摘要球形物冲击作用下的颗粒缓冲耗能机理十分复杂在冲击荷载的作用下，颗粒间的摩擦、粘滞作用以及颗粒飞溅等现象使冲击动能得到有效的耗散颗粒结构会延迟冲击时间，并将瞬时冲击力转化为分布力进而降低冲击力峰值，起到缓冲作用本文依据颗粒接触理论，主要对球形物冲击下缓冲性能影响因素进行研究分析研究同时运用了DEM离散元模拟和开展相应试验的方法，获得球形物和桶底冲击力时程曲线，并对不同球形物在不同条件下的缓冲性能进行数值比较与分析试验中利用高速工业数字摄像机连续拍摄冲击过程，并利用Matlab程序对图像拾取和分割。

进而得到球形物加速度时程曲线，并比较不同情况下加速度峰值结果表明：在小范围内，相同密度的球形物直径越大，加速度峰值越小，且减小速率逐渐变缓，即对球体大小变化不再敏感；相同直径的球形物密度越大，加速度峰值越小，且大致减小相应倍数这与离散单元模拟所得结论基本一致以上研究揭示了颗粒材料在冲击耗能方面的基本力学行为，为其在缓冲减振领域中的应用提供了参考依据 关键词：颗粒材料，冲击荷载，缓冲性能，离散元模拟，Matlab图像处理-ii-东北大学毕业设计（论文） AbstractResearch on Shock-Absorbing Capacity of Granular Materials under Sphere ImpactAbstractThe mechanism of shock-absorbing energy consumption under sphere impact is very complicated. Under impact loads, the kinetic energy of impact object can be dissipated effectively by the inter-particle friction, viscous force and splash of particles. With the prolonging of impact duration and the extending of local impact in temporal-spatial domains, the impact load can be reduced effectively with shock-absorbing effect of granular materials. Based on the contact theory of the granular materials, influential factors of the shock-absorbing capacity under sphere impact is mainly simulated and analyzed. The discrete element model (DEM) and the corresponding experiment are adapted to simulate the interaction between impact object and granular bed. And we also compare and analyze the interaction under different sphere impact and other various conditions. A high-speed camera is used to shoot the process of impact in this experiment, and a Matlab program for pickup and segmentation of the images been shoot. In this way, we obtain the curves between the acceleration sphere objects and time which can be used to compare different maximum of the acceleration in various conditions. In the small range, the larger the diameter of sphere in the same density, the smaller the acceleration maximum is. In addition, the rate of decreases slows gradually. Correspondingly, the bigger the density of sphere in the same diameter, the smaller the acceleration maximum is, which is substantially reducing by multiple. This result is basically the same with that simulated by discrete element model (DEM). The research above can reveal the basic mechanical behaviors of granular materials under impact loads, and can also be aided to the engineering applications in impact absorption of granular materials.Keywords: granular materials, sphere impact, shock-absorbing, discrete element simulation-iii-东北大学毕业设计（论文） 目录目录任务书 i摘要 iiAbstract iii第1章 绪论 11.1 论文研究背景和意义 11.2 国内外研究现状 11.3 论文研究内容 3第2章 冲击荷载下的接触模型理论分析 52.1 DEM离散元程序流程 52.2 颗粒间接触受力 72.3 颗粒与边界间接触受力 102.4 颗粒碰撞后运动状态 122.5 本章小结 14第3章 颗粒缓冲性能离散元模拟 153.1球形冲击物作用下颗粒物质缓冲性能离散元模拟 15 3.1.2 颗粒离散单元模型 15 3.1.2冲击过程的离散元模拟分析 163.2颗粒缓冲性能的影响因素分析 183.3本章小结 21第4章 颗粒物质缓冲性能试验及图像处理 234.1基于Matlab的试验图像分割预处理 23 4.1.1图像平滑 23 4.1.2 灰度调整 244.2图像阈值分割技术 25 4.2.1阈值分割原理 25 4.2.2图像分割方法 25 4.2.3 图像二值化 25 4.2.4 最大方差自动取阈值（自适应二值化） 264.3球形冲击物作用下颗粒缓冲性能试验 27 4.3.1颗粒缓冲性能试验方案和装置 27 4.3.2试验图像识别及Matlab数据处理 28 4.3.3 试验下缓冲性能分析与验证 334.4 本章小结 34第5章 结论与展望 355.1 论文总结 355.2 研究工作展望 35参考文献 37结束语 40附录A 英文文献翻译 41附录B 英文文献原文 -v-东北大学毕业设计（论文） 第1章 绪论第1章 绪论1.1 论文研究背景和意义颗粒物质指的是粒径在一微米以上的离散体系，分子间作用力不再显著并且在该尺度下不适用于布朗运动，颗粒物质在自然界、日常生活及生产和技术中普遍存在。

例如：自然界中沙石、土壤、浮冰、积雪等；日常生活中的粮食、糖、盐等；生产和技术中的煤炭、矿石、建材以及不少药品、化工品也为颗粒物质很多其他离散态物质体系，例如散装货物输送、地球板块运动及公路上车辆的流动等也常作为颗粒体系来处理可以说，颗粒物质是地球上存在最多、最为人们所熟悉的物质类型之一颗粒物质是一种复杂的能量耗散体系在外部荷载冲击作用下，颗粒之间的非弹性碰撞和接触摩擦都会消耗大量的能量，具有很好的缓冲耗能作用[1-2]在冲击过程中，颗粒间会产生强烈的挤压，存在塑性变形和粘滞作用此类过程的发生都是不可逆的，使冲击动能转化为热能[3-4]冲击还会造成颗粒的飞溅，亦将冲击动能转化为颗粒的动能颗粒物质所具有强耗散、多碰撞、排列松散等一系列特性，使其可以成为一种会有发展前景的缓冲材料在颗粒系统内，力链结构是有效的作用力传播途径和方式，并可将点荷载快速地转化为分布荷载，并受颗粒的材料性质和排列方式的影响有关力链结构的演化规律，人们进行了大量系统研究无论其是符合椭圆方程、双曲线方程，还是抛物线方程，其均具有将集。