基于能量传递的弹体撞击湿颗粒材料相互作用模型及液体迁移研究

本文通过离散元法(DEM)建立考虑液体迁移的湿颗粒材料撞击模型，系统研究了弹体与间隙液体特性对侵彻深度和速度轨迹的影响。基于撞击过程中的能量传递演化，提出了球形弹体与湿颗粒材料的相互作用模型，并通过降阶经验力律方程计算碰撞阻力项系数h(z)，验证了模型有效性。研究还揭示了颗粒材料对弹体的冲击阻力演化规律及液体桥、液膜和总液体体积的分布特征，为工程应用中的弹体侵彻问题提供了微观尺度解释。

　　

Highlight

能量转移与耗散

颗粒堆积体中，粒子间相互作用形成了复杂而关键的网络状结构——力链(force chain)。它能表征力的传递路径，同时也是应力的主要承载结构。当受到球形弹体冲击时，颗粒堆积体中的力链会发生显著变化，其演化过程展示了冲击波的传播特征。

Foundation and modelling

能量转移研究表明，弹体主要通过法向碰撞将动能传递给颗粒材料。颗粒堆积体中形成的力链结构响应冲击持续扩展，将冲击波传递至更大范围。在弹体与颗粒材料的碰撞界面处，力链垂直于球形弹体表面。

Liquid migration under impact

对于湿颗粒材料的冲击，本研究考虑了颗粒间的液体迁移现象，给出了冲击下颗粒材料中液体桥(liquid bridge)、液膜(liquid film)和总液体体积的分布与演化。在DEM模型中，液体桥力在颗粒堆积体生成后被激活，液体以液膜形式分配给球形颗粒并确保系统稳定。

Conclusions

通过离散元法对湿颗粒材料中弹体冲击的数值模拟研究，得出以下结论：

1. 力链是颗粒材料中承载外力的主要结构。冲击后力链网络迅速重组，形成以弹体为中心的辐射状分布；

2. 液体迁移显著影响冲击能量耗散机制，液体桥的断裂与重组导致额外的能量耗散途径；

3. 提出的相互作用模型能准确预测h(z)系数，验证了惯性阻力项与法向碰撞能量的直接关联。