【摘 要】
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液滴冲击弹性固体表面的现象存在于广泛且用途广泛的自然和工业领域,全面了解基底弹性和液滴冲击之间的相互作用可以更好地减少冲击损失,充分利用冲击。因此,开展有关液滴冲击弹性基底的冲击动力学的系统研究具有很好的工程应用价值和科学意义。本文采用实验、理论和数值模拟相结合的方法研究了液滴冲击微梁导致其发生大变形,由于该过程涉及到大变形、非线性和多物理场耦合等问题,故而目前关于该领域的研究正处于方兴未艾之态。
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液滴冲击弹性固体表面的现象存在于广泛且用途广泛的自然和工业领域,全面了解基底弹性和液滴冲击之间的相互作用可以更好地减少冲击损失,充分利用冲击。因此,开展有关液滴冲击弹性基底的冲击动力学的系统研究具有很好的工程应用价值和科学意义。本文采用实验、理论和数值模拟相结合的方法研究了液滴冲击微梁导致其发生大变形,由于该过程涉及到大变形、非线性和多物理场耦合等问题,故而目前关于该领域的研究正处于方兴未艾之态。首先本文通过量纲分析和能量守恒原理建立了液滴冲击微梁的理论模型框架。在这个框架中,首先通过量纲分析得到液滴和钢球冲击情况下梁最大挠度的关系表达式。然后通过能量守恒原理得到液滴冲击下梁最大挠度的理论解,并将其退化到钢球冲击下的理论解。最后以刚性球冲击导致梁发生小变形为例,得到该情况下的理论解的表达式,并与量纲分析结果进行比较。结果表明,退化得到的理论解与量纲分析一致,从而证明该理论模型框架的正确性。接下来采用实验和数值仿真的手段研究了钢球和液滴冲击微梁。在钢球部分中,通过仿真结果与大、小变形模型结果进行比较,证明了大变形模型更加准确;并根据量纲分析得到的三个无量纲数,讨论他们对最大挠度的影响。在液滴部分中,本文通过实验结果与大、小变形模型结果进行比较,也得到了与钢球冲击的同样结论;另外,本文运用SPH数值仿真手段来研究超出实验以外的内容,从而拓宽了研究的范围。通过分析液滴直径和梁变形挠度的时间历程关系图,揭示了形貌多样性的原因。本文的分析加深了液滴冲击弹性基底的理解,并在微纳米器件的结构设计和微纳米打印等领域有更广泛的应用。
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