高速旋转碟片碎裂的原因?

如题所述

是振动变形造成的。振动的激励源是电机。看视频可以看出,在盘片破裂前,盘片表面已经扭曲得不成样了,熟悉振动模态的同志可以看出这大概是盘片的三阶模态(一阶和二阶分别是绕x轴和绕y轴的摆振)。至于为什么激励源是电机而不是空气,看慢动作中可以看到振型绕电机轴转动的速度很慢,说明振动的频率跟电机的转频非常接近,这可以说明振动的激励源是电机,估计是常见的动平衡问题。若盘片整个是自由的,那么在三阶模态的波峰和波谷位置每处的应力应该是相同的,破裂位置应该随机; 但由于盘片内孔有缩紧垫片压着,导致从内孔到附近的变形实际上和自由状态不一样,内孔附近的应变更加均匀,从内孔到边缘的应力梯度程上升趋势,在边缘处应力梯度最大,也就是边缘处的波谷和波峰的应力比内圈要大,所以先破裂的也就会是边缘了。

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第1个回答  2017-12-02

离心力引起的最大应力在内缘处,因此证明了离心力不是引起碎裂的原因。下面来说明涡激共振。1940年,美国华盛顿州的塔科玛峡谷上花费640万美元,建造了一座主跨度853.4米的悬索桥。建成4个月后,于同年11月7日碰到了一场风速为19米/秒的风。虽风不算大,但桥却发生了剧烈的扭曲振动,且振幅越来越大(接近9米),直到桥面倾斜到45度左右,使吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而塌毁,坠落到峡谷之中。以冯卡门为代表的流体力学家认为,塔科玛桥的主梁有着钝头的H型断面,和流线型的机翼不同,存在着明显的涡旋脱落,应该用涡激共振机理来解释。20世纪60年代,经过计算和实验,证明了冯·卡门的分析是正确的。塔科玛桥的风毁事故,是一定流速的流体流经边墙时,产生了卡门涡街;卡门涡街后涡的交替发放,会在物体上产生垂直于流动方向的交变侧向力,迫使桥梁产生振动,当发放频率与桥梁结构的固有频率相耦合时,就会发生共振,造成破坏。卡门涡街交替脱落时会产生振动,并发出声响效应,这种声响是由于卡门涡街周期性脱落时引起的流体中的压强脉动所造成的声波,如日常生活中所听到的风吹电线的风鸣声就是涡街脱落引起的。另外,流体力学书上说并不是只有流体绕流圆柱体时才会产生卡门涡街,事实上,只要发生边界层脱离,就可能出现卡门涡街,那么旋转的碟片周围是可能产生涡街的。视频中转速很高时,可以听到蜂鸣声,这种声音与我们用力挥舞长棍时发出的声音很像,所以光盘旋转可能使空气产生卡门涡街视频中可以看到,碟片的凹凸也是环形有规律的分布,并且随着时间有规律的变化,这似乎进一步暗示可能产生了涡街。

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第2个回答  2017-12-01

涡激共振的可能性很大。我只是学固体力学的,流体不太懂,只能答到这里了。我希望知乎上的主修流体力学或者空气动力学的同志们多多关注一下这个问题,尝试着给出定性分析,最好能用CFD等模拟出碟片周围的卡门涡街。光盘的破坏不是强度理论中的最大应力引起的,而是由于振动(无论是空气引起还是装配引起的),产生交变应力,从而产生疲劳裂纹,由断裂力学可知,有了裂纹后,应力并不需要达到强度理论中的临界应力,材料便可被破坏。视频中外缘处的弯曲程度最大,该处的交变应力也最大,最容易产生疲劳裂纹。外缘处疲劳裂纹一旦产生,由盘面弯曲产生的应力再加上离心力产生的内应力足以使裂纹迅速扩展。

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