面向柔软材料表面的液滴冲击的解析-数值耦合方法性能评估

液滴冲击固体表面在工程应用中常导致 erosion 问题，包括飞机表面侵蚀、风力叶片前缘侵蚀和蒸汽涡轮机械叶片侵蚀。在实际应用中，冲击固体表面材料的硬度各异，从刚性金属涂层到柔软材料不等。文中已开发出用于模拟液滴冲击表面及相应材料分析的解析-数值耦合模型（ANCM）。然而，ANCM 模型的解析冲击压力解假设了刚性固体表面。在本研究中，我们通过将 ANCM 计算结果与实验和基于平滑粒子流体动力学（SPH）的数值模拟进行比较，来评估 ANCM 模型用于柔性材料（尿胶制品）液滴冲击的性能。参数化研究探讨了 ANCM 模型在低杨氏模量的极软材料液滴冲击中的适用范围。结果发现，对于杨氏模量为 47,400 Pa 或更硬的材料，这涵盖了大多数工程应用，所开发的 ANCM 模型在假设刚性表面的情况下表现如预期。对于更柔软的固体材料，SPH 模型中的液体与演化表面几何相互作用，减轻了冲击强度。解析冲击载荷由 ANCM 估计，独立于表面几何，因而以非物理的方式提供恒定的冲击冲量。结果表明，ANCM 模型在总接触力和表面变形方面存在临界杨氏模量值 E=10,000 Pa，当材料模量低于此值时，模型在总接触力和表面变形上出现过冲，导致形成陡峭的壁坑。