石英玻璃球撞擊剛性壁的破碎過程

方繼松，王 珠，熊 迅，鄭宇軒，周風華

（寧波大學沖擊與安全工程教育部重點實驗室，浙江 寧波 315211）

球體的沖擊破碎是顆粒物質力學的基本問題。球體結構材料廣泛存在于日常生活和工程應用中，例如煤粒破碎[1-2]、落石災害[3]、化工產品[4]等。研究球體材料在沖擊載荷下的破碎，對于提高顆粒物質的加工技術、節約能源、促進經濟發展、有效監控及預防自然災害等具有重要價值。

早期國內外研究人員對單顆粒的沖擊破碎開展了大量的實驗研究，研究的重點是顆粒的臨界破碎速度、顆粒的破碎模式、碎片形貌以及碎塊的統計特征等。Andrews等[5-6]對鈉鈣玻璃球和陶瓷球進行了研究，在臨界速度下，球體從剛性靶板回彈；超過臨界速度后，鈉鈣玻璃球碎裂為大量尺寸不均的細小碎片，而陶瓷球則碎裂為若干大小均勻形似“月牙狀”的碎塊，并將鈉鈣玻璃球體破碎歸因于球體壓縮端的剪切應力，而將陶瓷球體碎裂歸因于球體中部的沖擊拉伸應力。Salman等[7-9]對不同類型材料和大小的脆性球體進行試驗，結果表明大部分脆性材料的破壞模式是相似的，即：在中低速下，球體的局部裂紋擴展導致局部破碎，在撞擊端形成壓縮平臺；在高速下，球體碎裂為大量難以識別的粉狀碎片。Chau[10]、Wu[11]等根據沖擊動能的轉換分析了脆性球體破碎后碎塊的統計特征。

在數值計算方面，易洪昇等[12]使用ABAQUS軟件模擬了沖擊過程中的球體內部應力情況，由于顆粒破碎涉及大變形，采用有限元方法會出現網格畸變問題，因此不適合模擬大變形和損傷現象。……