基于有限质点法的结构碰撞行为分析

有限质点法是以向量式力学为基础的结构分析方法,它将结构离散为质点群,并以结构质点的真实行为模拟为基本思想,研究表明该方法在结构强非线性和不连续行为分析中有明显的优势。该文将其拓展至结构的碰撞行为分析中,根据结构的离散模型提出了结构单元的接触侦测方法,建立了碰撞模型,推导了碰撞力的计算公式和质点内力的修正公式,并编制了基于有限质点法的结构碰撞行为分析程序。通过对两个算例的模拟和分析,验证了该方法进行结构接触碰撞行为分析的有效性。     

圆柱碰撞冲击噪声理论分析与数值仿真

基于接触动力学相关理论和弹性体线接触理论模型,建立了圆柱碰撞冲击理论数学模型,结合声学理论对圆柱碰撞冲击辐射噪声进行了理论预估。采用有限元法与瞬态边界元法相结合的瞬态噪声数值仿真方法,对圆柱碰撞冲击噪声进行数值仿真,实现了瞬态冲击噪声辐射声波的可视化。分析结果表明圆柱碰撞冲击噪声主要由加速度辐射噪声产生,圆柱碰撞冲击噪声辐射声场具有明显指向性。对比理论分析结果、数值仿真结果以及Hertz点接触模型计算结果可知,理论分析结果与数值仿真结果吻合较好,而Hertz点接触模型将圆柱体线接触模型简化为点接触模型,导致接触时间延长,接触力和冲击噪声幅值降低。基于数值仿真方法及理论分析,研究了冲击速度及材料弹性模量对圆柱碰撞冲击噪声的影响。     

叶片冠间接触碰撞数值模拟及实验研究

研究了自带冠叶片冠间接触碰撞的动力学特性及减振机理。利用弹性力学理论对叶片冠间接触碰撞问题建立碰撞弹性力模型,叶片的冠间接触碰撞进行了数值模拟,并通过实验验证了理论分析的结果,进而得到了叶片接触碰撞系统的非线性响应特性及减振机理。     

含煤粉层的刨头-滑架体三维粗糙接触碰撞特性研究

三维间隙导致刨头-滑架体产生复杂的接触碰撞现象,煤粉层加剧了系统的动态特性.基于刨头与滑架体之间的几何结构特点,提出将三维多面体碰撞检测降维到二维多边形碰撞检测的方法,综合考虑表面粗糙度、煤粉层的影响,引入粗糙界面接触力模型以及含煤粉层接触力模型,并通过试验测得恢复系数,构建了刨头与滑架体间三维接触碰撞动力学模型,采用...     

基于精细积分法的相邻结构弹塑性地震碰撞分析

罕遇地震作用下,结构会不可避免进入塑性状态,并且相邻结构会产生碰撞现象。将相邻的复杂结构简化为多个单自由度结构,并在相邻结构间增加接触单元,以模拟多点碰撞。地震反应过程区分为分离状态和碰撞状态,分别建立了增量动力平衡方程和全量动力平衡方程,推导了分离状态增量动力平衡方程和碰撞状态全量动力平衡方程的精细积分法,并解决了滞回曲线界点的精确分析和分离-碰撞状态转换问题。设计了增量精细积分法和全量精细积分法相结合求解弹塑性地震碰撞反应的算法。通过算例分析,验证该算法能精确地模拟结构的材料非线性行为和碰撞行为。在此基础上,对接触单元模型进行参数化分析,结论有助于进一步理解相邻结构碰撞现象。     

桥梁地震碰撞分析中不同接触单元模型的对比分析

地震时邻梁间的碰撞是引起桥梁局部损坏甚至落梁的主要原因。为合理分析桥梁的地震碰撞响应, 基于所开发的结构精细化模拟分析平台FENAP, 对比分析了桥梁地震碰撞分析中不同接触单元模型的计算精度和适用条件。在FENAP平台上引入线性弹簧、Kelvin-Voigt、Hertz和Jan-Hertz-damp等四种接触单元模型, 建立了结构地震碰撞分析平台, 并通过数值验证以及对正弦波和地震动激励下的模型试验的数值分析, 对比分析了不同接触单元模型对结构碰撞响应的影响。研究表明:所建立的结构地震碰撞分析平台具有较高的计算精度和效率;在四种接触单元模型中, Kelvin-Voigt和Jan-Hertz-damp模型的计算精度和适用性更高, 而线性弹簧和Hertz模型, 由于未考虑碰撞过程中的能量损失, 仅适用于恢复系数较高的近似弹性碰撞情况。     

C/SiC陶瓷基复合材料界面力学性能的离散元模拟

采用离散元法(DEM),用BPM(Bonded-particle model)模型分别建立并校准SiC陶瓷基体和碳纤维离散元模型,采用位移软化接触模型表征层间和纤维/基体之间的界面元损伤双线性本构关系。通过DCB试验(Doub-le cantilever beam virtual test)和微滴脱黏试验分别对其界面强度进行收敛试验,动态地观察了塑性变形、裂纹扩展及界面脱黏过程。结果表明,位移软化接触模型可以很好地表征界面损伤过程,采用离散元法可以很好地动态模拟较复杂复合材料的损坏过程。     

滚珠丝杠副滚珠循环系统的动力学研究和仿真

研究滚珠丝杠副的滚珠循环系统中的碰撞接触现象,根据赫兹接触理论和经典碰撞理论,并考虑滚珠和导珠管的几何外形、丝杠的转动速度等因素,建立滚珠和导珠管碰撞接触的动力学模型。在此基础上分析了滚珠的入口速度、材料密度对碰撞力大小、接触时间的影响。应用多体动力学软件Adams,根据实际物理参数,创建了导珠管和滚珠的几何模型,对钢珠在导珠管中的运动情况进行仿真模拟,获得了碰撞过程中滚珠的运动轨迹、速度、加速度以及碰撞力的变化情况。通过对不同参数的物理模型理论计算和仿真,分析了影响滚珠循环系统动力学的主要因素。理论计算和仿真、试验结果吻合较好,这对于优化导珠管结构,研究开发新型滚珠丝杠副有重要的意义。     

三质体斜碰撞振动的动力学和减振研究

将自带冠叶片组简化为三质量块-弹簧系统模型,质体间接触为斜碰撞。建立该系统的动力学方程并列写碰撞条件,采用数值模拟方法研究系统的动力学行为,探讨质块间隙、接触面倾角等参数对减振效果的影响。研究结果表明,质块间隙和接触面倾角大小对碰撞减振效果有很大影响,存在最优间隙和对碰撞减振效果不利的接触面倾角范围,工程设计中应予以考虑。在动力学方面,随着转速提高,质块振动响应会在混沌状态和周期运动状态之间发生拓扑结构的突变。     

局部集中质量接触单元法在梁式桥梁体与桥台碰撞问题模拟中的应用

近年来,模拟碰撞问题的接触单元法已经广泛运用于桥梁碰撞问题当中。其中集中参数接触单元法把碰撞两物体各自简化成质点,无法表达出碰撞应力波的传播现象;另一类Watanabe和Kawashima接触单元法,其碰撞单元的刚度是一种仅为满足精确模拟碰撞过程而采用的虚拟刚度,并无物理意义。针对梁式桥梁体与桥台的碰撞问题,该文首先提出一种新的碰撞问题模拟方法—局部集中质量接触单元法,然后详细地介绍了其在梁式桥梁体与桥台碰撞问题模拟中的应用,并通过试验验证了该方法模拟梁体与桥台碰撞的合理性。最后将该方法与两种接触单元法进行了比较,说明了该方法在模拟梁体与桥台碰撞问题中的优势。     

刨头间隙碰撞载荷下滑架体疲劳寿命试验分析

针对刨煤机中部槽滑架体在工作过程中出现的疲劳断裂现象,采用理论与试验相结合的方法,基于Winkler弹性地基接触模型,建立了刨头三自由度碰撞振动动力学模型.通过点到直线的距离算法作为检验碰撞的准则,构造了刨头与滑架接触碰撞判别条件.采用数值方法进行求解,得到刨头与滑架各点的最大碰撞力,并以此作为疲劳试验载荷,对中部槽滑架体进行疲劳寿命试验,得到了滑架体的疲劳寿命.研究结果表明:滑架体在最大碰撞力作用下,在立板前端产生初始裂纹,在发生静强度失效时,失效点倾向于立板后部下端.研究结果对提高滑架体疲劳强度提供了理论依据.     

变工况下滚动轴承保持架碰撞接触动力学特性分析

滚动轴承保持架在运动过程中始终会与滚动体产生碰撞,尤其在变工况条件下更易表现出复杂的动态接触特性,对轴承使用性能和寿命产生重要影响。该研究以深沟球轴承6309为研究对象,考虑滚动体与内外圈、保持架之间动态接触关系,建立了滚动轴承耦合动力学模型,分别讨论了匀、加、减速及不同转速波动工况下滚动体与保持架间碰撞力幅值、次数及分布情况等接触特性变化。研究结果表明：变速工况下滚动体与保持架间碰撞次数增多;加速工况下滚动体与保持架兜孔前端碰撞力幅值明显小于后端碰撞力幅值,且承载区内滚动体主要与兜孔前端发生频繁碰撞,非承载内则主要与后端发生碰撞,减速工况则相反;相较于稳定工况,转速波动工况下滚动体与保持架间碰撞作用力要大得多,碰撞程度从小到大依次为三角波动工况、简谐波动工况、矩形波动工况。该研究结果可为保持架的设计和失效分析提供理论依据。     

考虑提离-滑移效应的核电结构-界面-地基相互作用模型研究

强震作用下,核岛公共筏基可能发生的提离-滑移对结构受力影响明显,精细模拟建基面的接触状态并将结构-界面-地基作为整体分析,有助于明确提离-滑移效应对结构地震反应的影响机理。采用罚函数法接触模型模拟筏基-地基间的接触力学行为,等价线性法描述地基土的动力非线性,黏弹性人工边界模拟半无限地基的辐射阻尼条件,建立考虑提离-滑移效应的结构-界面-地基相互作用模型。进而,以AP1000核岛厂房为例,考虑静-动力综合作用,对比筏基-地基绑定简化模型,结构加速度响应峰值及楼层谱的峰值和形状均发生了明显变化,表明强震作用下筏基提离-滑移对抗震安全性造成不利影响,在核电结构抗震设防时应加以考虑。     

含间隙运动副机构的动力学特性研究

为了研究间隙运动副对机构动力学特性的影响,综合考虑转动副轴向尺寸、材料非线性系数以及碰撞过程能量损耗等因素,建立了一种改进的非线性接触碰撞力模型,同时提出了一种用于描述间隙处摩擦作用的修正的库伦摩擦模型。以曲柄滑块机构为研究对象,将上述接触碰撞力模型和摩擦力模型嵌入到系统动力学模型中,进行了动力学仿真分析,研究了不同间隙、驱动载荷及摩擦系数对机构动力学特性的影响,并将仿真结果与试验测试数据进行了对比分析。结果表明：基于文中改进的非线性接触碰撞力模型、修正的库伦摩擦力模型仿真计算结果,与实验结果吻合较好,能够准确、有效地描述含间隙运动副机构的动态特性。     

基于计算接触力学的粗颗粒土体材料细观性质模拟

采用离散元等数值模拟方法研究粗颗粒土体材料的细观力学行为,是近年来岩土力学的热点研究课题。提出了一种基于计算接触力学的粗颗粒土体材料细观力学行为模拟分析新方法。该法将土体颗粒剖分成一定数量的单元,通过计算接触力学方法模拟颗粒间的多体接触行为,是一种基于有限元变分原理的隐式数值求解方法,具有严格的理论基础。和离散元法方法相比,该方法在描述颗粒本身的力学特性方面具有优势,可以计算得到颗粒内部的应力分布情况,从而为颗粒破碎等细观行为的模拟计算提供依据。利用所发展的粗颗粒土体多体接触有限元计算程序,进行了不同围压的常规三轴数值试验,模拟计算结果符合粗颗粒土体材料三轴试验的一般规律,初步验证了所提出的计算方法的适用性。     

基于线性互补问题的多体系统接触/碰撞动力学研究

多体系统往往包含大量的接触/碰撞行为,这些非光滑事件的存在造成了动力学方程的不连续或分段连续,给数值求解带来了很大的困难。为综合考虑平顺接触与碰撞,采用基于线性互补问题的非光滑动力学方法,首先在当前时刻为起点的短时间内对对缝隙函数进行均匀化,然后与法向接触力建立标准线性互补方程,最后将线性互补方程改造为一组非线性代数方程,通过非线性迭代可直接求解接触力。算例结果表明,采用该方法不需在接触状态发生改变时切换模型,且严格满足互补关系,保证了接触力的非负性。研究成果可成为求解多柔体系统接触/碰撞问题的新途径。     

基于两种接触模型的柔性体间多次微碰撞问题研究

由于柔性体的弹性振动,柔性结构间的一次宏观碰撞过程中,可能发生多次"接触-分离-接触"的微碰撞过程。多次碰撞行为往往会对结构造成各种形式的损害。为了能正确预测任意形状柔性体的多次微碰撞过程,基于三维实体有限元模型,分别采用罚函数法和附加约束法的接触模型,对一柔性杆撞击两端固支梁的问题进行研究,并分析了接触刚度、网格尺寸等参数对两种方法仿真结果的影响。数值结果表明,在罚函数法中,只有通过多次试算得到合适的接触刚度及网格尺寸,才能准确预测出多次微碰撞过程的碰撞次数、碰撞力峰值及碰撞持续时间,而附加约束方法无需选取接触刚度并且对网格尺寸的依赖性较小。     

纤维织物FEM-SPH耦合单胞模型及超高速碰撞特性

目前,对纤维织物超高速碰撞过程中的变形、断裂、破碎等力学行为已有较广泛的研究,但对碰撞过程中纱线间接触问题的分析尚未见公开文献报道。考虑纱线间的相互作用,建立了纤维织物的FEM-SPH耦合单胞模型,该模型不仅能够进行纤维织物超高速碰撞过程中的穿孔断裂、破碎、碎片云扩展等损伤行为分析,还能够进行纱线间的接触作用过程分析。结果表明,该模型分析结果与试验结果具有较好的一致性。      

大跨度悬索桥主引桥碰撞效应振动台试验及数值研究

为了研究大跨多塔连跨悬桥与引桥间的碰撞效应,以泰州长江公路大桥为背景,设计并制作1/40缩尺比例模型,进行了全桥振动台模型试验。主桥采用中塔与主梁间无连接的纵向约束结构体系,边跨梁每幅采用2个固定支座和4个聚四氟乙烯滑板支座,初始伸缩缝间隙为3 mm,试验分别测试了3条地震波下主引桥间的碰撞响应。振动台试验表明,主桥与引桥相互靠近运动时,主引桥间的碰撞会减小引桥梁位移及固定墩内力的需求;当主桥追逐引桥运动时,主引桥间的碰撞会增大引桥梁位移及内力的需求。数值模拟结果表明:采用SAP2000商业软件组合Kelvin单元,接触刚度取引桥梁轴向刚度的0.2倍时,能较好的模拟试验结果;接触刚度取值可为相似桥梁碰撞效应模拟提供试验参考。     

桥梁结构地震碰撞分析模型的碰撞刚度计算方法研究

针对桥梁结构地震碰撞模拟问题,文中分别推导了基于波动理论的直杆共轴碰撞模型和基于接触单元法的刚体碰撞模型中相应的最大碰撞变形的计算式,并基于二者相等的关系给出了Kelvin模型和Hertz-damp模型中相应碰撞刚度的计算方法,并对所建议方法的合理性和精确度进行了验证分析。研究结果表明,文中建立方法计算的Kelvin模型的碰撞刚度数值明显小于较短主梁的轴向刚度,这一点与以前学者基于实测数据分析得到的结论相一致。数值分析结果表明,相比以前的碰撞刚度计算方法,采用本文建议的方法确定Hertz-damp模型的碰撞刚度时,可以显著提升其碰撞模拟精确度。