多体系统斜碰撞动力学中的结构柔性效应

本文针对重力场下作大范围回转运动的柔性梁与一固定斜面发生斜碰撞的情况,建立起系统含碰撞的一致线性化的动力学方程。根据Ｈｅｒｔｚ接触理论和线性切线接触刚度建立碰撞接触模型。针对结构不同刚度的情况进行了仿真计算,由仿真算例的计算结果可以看出,结构的柔性对碰撞过程中的微运动具有明显的作用,同时对降低由于碰撞而引起的能量损耗和减少碰撞作用力起到一定的效果。     

柔性多体系统碰撞动力学研究

摘 要：针对工程中常见的柔性多体系统碰撞过程,详细的分析了柔性多体系统的接触碰撞条件,基于非线性等效弹簧阻尼模型建立了柔性体的碰撞模型,并基于库仑摩擦模型考虑两体碰撞时的切向摩擦作用。在此基础上把柔性体碰撞模型综合到柔性多体系统动力学方程中,建立了含接触碰撞的柔性多体系统动力学模型,此模型适用于一般含碰撞的多体系统。仿真算例以柔性梁在重力场中的接触碰撞过程为对象进行动力学仿真,研究柔性梁碰撞前、碰撞过程及碰撞后的动力学特性和动态响应,以及碰撞过程碰撞力的变化规律,并与刚性梁在重力场中的接触碰撞过程进行详细的比较和分析,结果表明基于非线性等效弹簧阻尼模型建立的柔性多体系统碰撞动力学模型可以有效的分析接触碰撞过程的动力学性能,验证了模型的有效性和正确性。     

刚体碰撞约束柔性体局部撞击载荷特征分析

目的 掌握碰撞局部撞击载荷及其特征,为产品安全防护设计、碰撞响应分析与评估提供理论基础。方法 抽象刚体碰撞柔性体的共性特征,分别将被撞击柔性体的碰撞局部刚度特性和整体结构效应表征为弹簧力-位移关系,建立系统的二自由度刚-柔碰撞动力学模型,应用数值方法系统分析刚柔碰撞局部撞击载荷的特征及不同因素的影响。结果 获得了刚体初始碰撞速度、柔性体碰撞局部刚度特性与整体结构效应等主要因素对局部撞击载荷时程、冲量、峰值和脉宽等撞击载荷特征的影响规律。结论 深化了刚-柔碰撞局部撞击载荷的认知,为防护结构设计提供了理论基础。     

空间圈套式绳索捕获动力学建模及接触碰撞分析

空间圈套式绳索捕获机构由于具有大容差、软接触的特性,已经逐渐被应用于太空中大型航天器的捕获任务中。柔性钢丝绳作为该捕获机构的执行元件,在捕获过程中的动力学特性对捕获任务有直接的影响。提出了一种基于拉伸/扭转弹簧-质点模型的柔性钢丝绳动力学建模方法,并在此基础上通过引入虚拟弹簧的概念,实现了对空间圈套式绳索捕获过程的模拟。建立了以柔性钢丝绳离散段长度、偏转角及俯仰角为变量的柔性钢丝绳动力学方程;在此基础上,分析了捕获机构的几何约束并计算了柔性钢丝绳的初始状态;通过曲面函数拟合的方式确定了目标载荷与柔性钢丝绳之间的接触刚度系数,并进一步的利用Hertz-阻尼模型完成了对动态接触力的计算。仿真结果表明该方法可以模拟空间圈套式绳索捕获过程中柔性钢丝绳的运动状态并对接触碰撞力进行评估。     

粗糙表面微凸体模型构建与接触特性分析

基于粗糙表面形貌测量试验，提出一种采用二次函数回转体等效微凸体的办法，建立微凸体接触半径与接触变形的解析关系，弥补了半球体模型单一曲率半径的缺陷；然后根据几何模型，重新推导出单个微凸体在弹性、弹塑性和完全塑性三种变形阶段的接触表达式，并应用接触力学理论和概率统计方法，建立粗糙表面的微观接触模型；最后将所建模型与CEB模型、ZMC模型以及KE模型的仿真结果进行了对比，验证了所建模型的有效性，并揭示了塑性指数、微凸体尺寸参数对接触特性的影响规律。研究表明：相比于半球体模型，二次函数模型对微凸体轮廓的拟合效果更好，能够在载荷较大的情况下，更加精确地进行结合面接触特性分析；塑性指数是影响接触刚度的主要因素，塑性指数越大，其接触面积越小，抵抗变形的能力越弱；微凸体尺寸参数对接触刚度的影响较小，微凸体直径与高度的比值越大，接触面积和接触刚度越大。     

基于粗糙表面分形表征新方法的结合面法向接触刚度模型

如何有效预测结合面的接触刚度,是机械结构设计研究的一个重要课题。结合面接触刚度模型主要分为基于统计学特征参数的和基于分形参数的两类。前者依赖于粗糙表面形貌的测量尺度,后者与测量尺度无关。然而,多数研究者在利用分形理论进行建模时,以对应于微凸体接触面积a的尺寸l=a~(1/2)作为微凸体基底尺寸描述微凸体初始轮廓,给出了错误的微凸体变形机制和结合面接触刚度模型。提出了一种基于D,G和最大微凸体高度的粗糙表面轮廓分形表征新方法,探讨了微凸体接触变形机制,建立了与测量尺度无关的粗糙表面接触力学分形模型,揭示了接触刚度的变化规律。研究表明:接触载荷可用表达式F_c=F(E,D,G,h,a_L)描述;当结合面上的接触压力小于其屈服强度时,无论微凸体发生何种变形,结合面均因存在有弹性变形的接触点而具有一定的法向接触刚度。     

干气密封动静环摩擦界面热弹法向接触刚度分形模型

基于分形理论,根据重新建立的微凸体接触模型,并考虑微凸体弹性变形以及热应力变形,建立了干气密封两摩擦界面热弹性法向接触刚度计算模型,并对其影响因素进行了数值分析。研究结果表明:热法向接触刚度、弹性法向接触刚度均随无量纲真实接触面积、分形维数增大而增大,而随特征尺寸增大而减小,其中分形维数、特征尺寸对弹性法向接触刚度影响较为显著;摩擦因数对热法向接触刚度和弹性法向接触刚度的影响相反,摩擦因数增大,热法向接触刚度变大,而弹性法向接触刚度变小;热法向接触刚度随着转速以线性方式增大。摩擦界面热弹法向接触刚度分形模型的建立与分析,将为研究考虑热效应的干气密封摩擦振动奠定一定基础。     

新型微纳测头刚度模型及变刚度特性分析

微纳测头是精密测量机的关键部件,其刚度特性直接影响坐标测量机的整体性能。基于压杆失稳原理,构造一种具有变刚度特性的新型微纳测头。利用压电装置驱动柔性机构变形以改变柔性支撑梁的轴向受力和横向刚度,从而改变约束支撑机构的整体刚度。综合考虑测头的刚度特性、结构稳定性和解耦性等因素,构造出基于十字交叉型悬臂梁支撑的变刚度微纳测头。利用最小势能原理构建微纳测头约束支撑机构的刚度模型,基于模型获得所需压电驱动力大小。通过有限元仿真得到测头刚度随压电驱动力变化的曲线。对比刚度理论计算值与仿真值,分别得到微纳测头约束支撑机构的轴向刚度及横向刚度的平均相对误差。仿真结果表明,建立的刚度理论模型具有较高的准确性。研究结果为该新型微纳测头的变刚度控制奠定了理论基础。     

三维数字图像技术的柔性体低速碰撞试验研究

以球形圆柱杆-方板为试验对象,进行面外接触碰撞试验。基于数字图像相关方法(DIC)搭建了应用于柔性体低速碰撞试验的三维高速摄影系统,通过对系统关键参数的设定,测量得到柔性体全场应变响应,并同应变片与数值仿真结果进行对比。结果表明,三维系统避免了二维系统受离面位移影响的弊端,能够准确测量柔性体全场位移、速度和应变响应。进行对心正碰试验得到柔性体碰撞过程和全场应变分布特征,X,Y方向应变呈"花生形";主应变呈"同心圆形";剪切应变呈"四纺锤形";在低速碰撞情况下,碰撞点最大主应变与碰撞速度呈二次幂关系。     

接触界面对拉杆组合柔性转子轴承系统的非线性动力特性影响

对于拉杆柔性组合转子轴承系统,其接触界面类型复杂、数量众多,是影响其动力特性的众多因素之一。以拉杆柔性组合转子轴承系统各轮盘间的接触界面为考察对象,根据接触界面压力结合微观模型有限元分析,得到其宏观尺寸下的界面接触刚度。采用无质量无长度的均质面弹簧对接触界面进行等效,推导了接触界面作为附加弹簧单元对系统产生附加刚度矩阵的一般形式,并完成了计及接触界面效应的系统动力学建模。结合应用计及轴向力的铁木辛格梁轴单元的整体转轴建立的有限元模型,得到系统的动力学方程。而后采用打靶法和Floquet稳定性判别理论对系统进行分析求解,得到了计入接触界面影响后系统的稳定性边界和分叉形式,数值结果表明接触界面对不平衡组合转子的动力特性影响不可忽略。     

柔性梁含摩擦斜碰撞的刚体-弹簧-质点混合模型研究

为精确快速地预测柔性梁因斜碰撞导致的复杂瞬态动力响应,提出了一种可同时计及局部接触区法向接触柔度、切向接触柔度以及柔性梁整体结构柔度的混合分析模型(HAM)。基于有限段法的思想,将柔性梁的整体位移场离散为弹簧-阻尼-刚体系统,局部接触区的法向双线性压缩-恢复以及切向摩擦变形过程则用含有能量恢复系数的弹塑性弹簧-质点系统进行描述。依据HAM模型,导出了斜碰撞系统在不同接触状态下的分段连续动力学方程。给出了法向压缩-恢复状态和切向黏-滑运动状态的切换准则,并运用事件驱动法对数值算例进行了求解。通过比较HAM模型解、实验数据以及商业有限元解,表明该模型能准确预测接触力的时间历程并描述反复切换的黏-滑(反向)运动模式,验证了HAM模型的可行性。     

基于数字化齿面的弧齿锥齿轮柔性多体接触动力学分析

基于弧齿锥齿轮局部综合法,计算弧齿齿面的精确空间数字化坐标点,建立了弧齿齿面的四边形面片有限元网格模型。基于弧齿齿面的四边形面片接触块模型,运用弧齿齿面的包围盒全域搜索方法和结点-目标面的主从面局部搜索方法,实现高精度数字化真实弧齿齿面的动态接触搜索计算。以四边形面片单元中心的外法向矢量来计算弧齿齿面的从结点到目标单元面的接触变形量,采用罚函数法计算弧齿齿面的动态接触作用力,提出了多柔性体、多界面动态接触的弧齿锥齿轮动力学分析方法。计算分析了弧齿锥齿轮的传动误差、动态接触力、等效约束力、弧齿边缘动态接触、最大应力值等动态接触特性。研究表明:忽略多柔性体、多界面动态接触特性,会低估弧齿齿轮的传动误差、动态接触力和等效约束力。新方法较好地模拟了弧齿锥齿轮传动动态接触特性,对弧齿锥齿轮系统动态设计提供了理论参考。     

考虑基体变形的结合面连续光滑接触刚度模型

结合面的接触刚度直接影响着机床整机的静、动态力学性能和精度保持性水平。在弹性、弹塑性以及完全塑性接触变形过程中,延续微凸体接触状态变量具有连续且光滑特性的思想,利用Hermite多项式插值函数,建立单个微凸体法向接触刚度模型。考虑到基体变形的影响,在微凸体的3个变形阶段分别引入了基体的弹性接触变形,通过统计学方法,建立了一种考虑基体变形且连续光滑的结合面刚度模型。对比分析了GW、ZMC、KE、Brake模型与该文模型之间的差异,并揭示了表面粗糙度对接触刚度的影响规律。研究表明:考虑基体变形时所获得的接触刚度和接触载荷比忽略基体变形时的要小,且随着表面粗糙度的减小,基体变形的影响快速增加;接触载荷与表面粗糙度是影响结合面接触刚度的2个主要因素,随着载荷的增大或表面粗糙度的减小,接触刚度随之递增。     

考虑表面张力的机械结合面特性建模研究

表面张力是物质表面层分子间存在的力,它对机械结合面的接触特性有着重要的影响。为此,采用Nayak随机过程模型表征各向同性表面上微凸体的高度与曲率分布,建立考虑表面张力的单个微凸体接触模型,通过高斯-切比雪夫求积公式求解验证了模型的正确性;基于统计学理论将单个微凸体的计算模型扩展到整个粗糙表面上,建立了新的结合面接触模型,揭示了表面张力对结合面接触载荷、真实接触面积以及接触刚度的影响规律。结果表明:当两表面间平均距离相同时,与传统不考虑表面张力的模型相比,新模型具有较大的接触载荷和接触刚度,较小的真实接触面积;当接触载荷增大时,真实接触面积增大的速率随着表面张力的增大而减小;接触刚度随着接触载荷或真实接触面积的增大而增大,且表面张力越大,递增速率越快。     

考虑耳轴-轴承间隙的自行高炮行进间射击炮口响应研究

为研究耳轴-轴承间接触碰撞及间隙对自行高炮行进间射击时炮口响应影响,采用基于Lankarani-Nikravesh接触碰撞理论改进的含间隙旋转铰接触碰撞力数值方法,描述不同间隙的自行高炮耳轴-轴承约束关系。利用谐波叠加法重构符合路面分级标准的不平度,考虑身管柔性建立含耳轴-轴承间隙的刚柔耦合自行高炮发射动力学模型。数值计算获得不同间隙下自行高炮行进间射击炮口动态响应,并与耳轴-轴承理想旋转铰模型对比分析。结果表明,耳轴-轴承间接触碰撞对炮口高低、方向射角影响程度不同,对方向角速度影响最明显;耳轴-轴承间隙与炮口响应并非对应的线性变化关系。     

谐波齿轮传动的含间隙机构的动力学分析

在考虑谐波齿轮柔性的基础上,研究了谐波齿轮传动对间隙机构动力学特性的影响。首先,利用非线性弹簧阻尼模型建立了谐波齿轮传动的含间隙机构的接触碰撞动力学模型。然后,对含间隙曲柄滑块机构进行仿真分析,结果表明谐波齿轮传动和机械部件柔性对间隙碰撞都有缓冲效果,只是机械部件刚度较大时,部件柔性的缓冲效果不明显,而降低机械部件刚度又将导致机械部件在运动过程中产生大变形,影响其机械性能。为谐波齿轮传动在含间隙机构中的应用,提供了理论依据。     

含摩擦碰撞柔性机械臂动力学研究

本文研究了由柔性杆、柔性铰构成的机械臂的斜碰撞动力学问题。首先,采用高次刚柔耦合理论通过Lagrange方程得到系统的递推动力学模型。然后,引入碰撞力势能,运用连续法建模获得碰撞力所对应的广义力,得到系统的碰撞动力学方程。采用Hertz接触模型和Coulomb摩擦光滑修正模型分别建立法向和切向碰撞模型,提出碰撞/分离切换准则。通过光滑化处理摩擦接触,提高了大型复杂柔性多体系统含摩擦碰撞全局动力学的计算效率。最后对国际空间站机械臂Canadarm2的简化模型斜碰撞过程进行仿真,验证了所提模型和算法的有效性。     

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。     

变截面梁多次碰撞响应的动态子结构方法

该文考虑多次碰撞过程和多次分离过程,考虑阻尼对变截面梁运动的影响,将动态子结构方法推广应用于变截面梁的多次碰撞响应问题,导出了模态坐标表示的变截面梁-弹簧碰撞系统动力学方程。采用Newmark隐式积分方法进行求解,研究了开启-关闭过程中簧片阀与升程限制器和阀座的多次碰撞现象,碰撞动力学响应,以及阀片厚度及中空部分尺寸对阀片开启和关闭动作的影响。数值收敛性结果和与三维动力有限元方法的对比分析结果表明,该动态子结构方法可合理、有效地分析变截面梁的多次碰撞响应问题,适用于研究时间跨度较长的变截面梁多次碰撞问题,以及阀门结构的优化设计计算。     

柔性约束边界对板抗爆动力响应的影响分析

约束边界的形式和刚度的差异会直接影响结构在爆炸荷载作用下的动力响应及其承载能力,现有防护结构的计算理论未能考虑柔性边界的影响,已不再适用,因此有必要建立考虑边界效应的结构抗爆计算方法。该文建立了具有周边分布柔性约束板的计算模型,推导出结构的振型函数,并计算分析了竖向弹性与阻尼约束、抗弯约束和荷载作用时间对结构位移和内力的影响。计算表明:竖向弹性与阻尼约束使板的整体位移增加,由此引起的附加惯性力会消耗部分能量,从而降低了结构的挠曲变形(相对位移)和弯矩值;周边的抗弯约束能限制结构的转动,也有效降低板的最大位移值,因此可通过调节周边柔性约束的形式和刚度提高结构的抗爆潜力。荷载作用时间主要通过参数影响结构的响应,较小时,随着的增加,弯矩值显著增大。