柔性体撞击瞬态波子结构法研究

该文采用固定界面模态综合子结构法对柔性体的撞击问题进行研究.运用该法研究了刚性块纵向撞击柔性杆的瞬态响应,讨论了柔性体的离散方法对于数值分析计算结果的影响,得到了柔性体合理离散的一些规律.对比分析发现,柔性体的离散并不遵循子结构数目和节点数目越多越好的原则,由于选择的模态数有限,根据所选模态数和结构尺寸,存在一个合理的子结构离散和节点离散数目的范围,在此范围数目内离散结构模型,可以得到合理的计算结果,否则会出更多的伪振荡.通过对撞击系统瞬态动力响应的研究结果表明,子结构法不但可以精确高效地计算撞击过程柔性体瞬态撞击力,而且可以刻画撞击导致的瞬态波在柔性体内的传播机理,从而为复杂柔性系统撞击过程的精细化研究提供了一种简单有效的方法.     

柔性多体系统弹性碰撞动力学建模

以平面柔性双摆为研究对象,基于Hertz接触理论,考虑几何非线性,用变分原理建立了柔性体的动力学变分方程,根据运动学约束关系,运用缩并法,建立了柔性双摆系统接触碰撞的动力学方程.首先通过柔性单摆和固定刚性物体的撞击实验验证了建模理论的正确性.在此基础上,对柔性双摆系统进行仿真计算,得到了撞击力变化规律,并揭示了横向变形和角速度在冲击波传播过程中的突变现象.     

计算碰撞力的方法

在子结构离散的柔性多体系统的动力学基础上,由质点系统的质心运动定理建立了与接触碰撞有关约束的Ｌａｇｒａｎｇｅ乘子和撞击力的关系．计算了平面三连杆机构在撞击过程中撞击力的变化规律和一些特殊节点相对浮动坐标系的平移位移,以及太阳电池阵展开过程中各构件之间的撞击力．通过计算发现,撞击力经过一定时间达到峰值后逐渐下降．在撞击发生时参加碰撞的物体的动力学响应较大,但其他物体的动力学响应很小,由此可见,冲击波在柔性体中传播需要一定的时间．     

桥梁多次重撞击动力学响应的瞬态波效应法

为精确计算地震过程中桥梁的瞬态波响应,研究了多次重撞击现象对桥梁地震响应和安全性能的影响。针对剧烈竖向地震作用下梁可能偏离支座的双跨单墩连续梁桥,采用Ber-noulli-Euler梁模型描述上部结构和St.VENANT杆理论模拟桥墩结构。将竖向地震动以正弦激励形式的人工地震激励代替,应用瞬态波传播理论研究地震过程中上部结构和桥墩之间的多次重撞击现象。提出了计算桥梁多次重撞击瞬态动力学响应的瞬态波效应法。该方法避免了求解耦合重撞击力的强非线性方程,能够较精确地计算多次重撞击过程和分离过程中的瞬态波响应,准确描述结构中的撞击波传播现象。研究结果表明:重撞击力数值巨大;随着桥墩弹性模量的增大,最大重撞击力逐渐增大,而最大墩顶位移逐渐减小;竖向地震动引起的多次重撞击对桥梁的地震响应有较大影响,应当在连续梁桥的抗震设计中予以考虑。     

基于绝对节点坐标法的柔性双臂机构动力学分析

基于绝对节点坐标法对具有变截面特征的柔性双臂机构进行了动力学分析.通过将边界函数引入到质量矩阵和刚度矩阵的积分上下限,建立了新型变截面梁单元模型.基于牛顿方程建立了柔性双臂机构的动力学模型.通过数值仿真案例,分析了材料特性及几何参数对柔性双臂机构动力学性能的影响.结果表明:材料弹性模量的增长可提高结构刚度减少结构变形;保证机械臂质量不变可通过改变截面形状来减少结构变形,提高运动精度.     

大范围运动柔性梁的连续力法撞击动力学分析

该文研究了柔性梁作大范围旋转运动时的撞击动力学问题.采用子系统法建立了考虑"动力刚化"效应的系统刚柔耦合动力学方程,并采用假设模态法描述变形,将偏微分形式的动力学方程转化为常微分方程.采用Hertz接触理论和非线性阻尼理论建立接触-碰撞模型,导出柔性梁含碰撞的动力学方程.文中给出了算例,验证了该文方法,并对大范围旋转运动下的柔性梁的动力学进行了探讨.     

基于绝对节点坐标法变截面柔性梁运动稳定性研究

基于绝对节点坐标法,考虑变截面梁单元的几何边界特征,利用非线性介质力学方法推导其刚度矩阵,进而建立柔性梁结构动力学方程.基于梁结构运动过程中状态空间方程和Lyapunov理论,提出变截面柔性梁结构运动及稳定性判定方法,研究了材料属性与变截面对梁结构空间运动过程中稳定性的影响.结果表明:当材料弹性模量较小时,变截面梁的稳定性略优于等截面梁;当材料的弹性模量增大,等截面梁单元稳定性大大增加,而变截面梁单元所受影响甚微;当弹性模量的增加达到一定值后,等截面梁的运动也趋于稳定.     

基于弹塑性接触的柔性多体系统碰撞动力学

为了研究作大范围回转运动的柔性梁与固定刚性质量发生正碰撞的动力学问题,该文以柔性多体系统刚柔耦合动力学理论为基础,考虑非线性耦合变形项和碰撞力势能概念,利用假设模态法和Lagrange方程建立了含碰撞力的系统刚柔耦合动力学方程.该方程可以处理系统无碰撞和有碰撞的全局动力学问题.基于单轴压缩弹塑性接触模型将接触碰撞过程分为弹性加载、塑性加载和弹性卸载3个阶段,给出了描述碰撞过程的方法和接触判定条件.碰撞动力学仿真算例描述了碰撞过程中的碰撞力、变形、角位移等动力学特性.弹塑性接触模型与非线性弹簧阻尼模型的仿真结果对比发现,两种接触模型描述接触碰撞阶段和碰撞能量损失的方法不同,得到的碰撞力大小亦不同;弹塑性接触模型更接近实际情况,适用性较强.     

柔性变胞机构动力学建模及仿真研究

基于柔性变胞机构由于特殊的结构和运动形式,其动力学方程是非线性的,基于第一类拉格朗日方程,推导出柔性变胞机构任意构态柔性体的质量矩阵、刚度矩阵及广义主动力矩阵,建立柔性变胞机构任意构态的动力学控制方程,为实现对柔性变胞机构的精确控制打下基础;另外,根据杆件增加和减少两种情况下的构态变换矩阵推导出全构态柔性变胞机构的动力学模型.以4构态的柔性变胞机构为例,建立动力学方程并仿真验证所建立的全构态动力学模型的正确性和有效性.     

考虑热效应的柔性板的刚-柔耦合动力学特性

研究考虑热效应的柔性板的刚-柔耦合动力学规律.根据柔性板的运动学关系和本构关系,用Jourdain速度变分原理建立了作空间运动的柔性体的动力学变分方程.引入与应变率有关的耦合项,建立了连续的热传导变分方程.用三维空间的有限元法分别对变形场和温度场进行离散,建立了动力学和热传导耦合方程.研究温度变化对系统的刚-柔耦合动力学特性的影响,发现在周期性热流作用下的共振频率与频谱分析得到的系统固有频率之间的内在关系,揭示了热传导方程中与弹性变形有关的耦合项对温度变化的影响.最后从温度场的泰勒多项式出发,对三维空间的温度场和变形场建立了精确的二维有限元模型,并对二维线性近似有限元模型的适用性进行了研究.     

水波传播的无网格数值模拟

在水波传播的数值模拟中采用了一种基于配点和径向基函数的无网格方法.采用Laplace方程的基本解作为径向基函数,将源点布置在模拟波浪场之外,沿边界布置配点而不是划分网格,从而自动满足控制方程,且不存在奇点,不需要求解积分方程.数值造波采用给定入射波面和速度势的方法,数值消波综合采用阻尼层消波和Sommerfeld辐射条件,非线性自由面的演化追踪采用二阶Taylor级数展开式.对线性规则波和非线性三阶Stokes波的模拟显示,数值结果与理论解吻合良好.表明无网格方法不但形式简单、计算速度快,而且稳定性和准确性令人满意,有望成为水波模拟问题的一种有效的数值方法.     

横观各向同性介质中弹性波的交错格式差分解法

基于应力、速度混合变量弹性波方程及广义胡克定律，给出了一种横观各向同性介质中弹性波计算的高精度交错格式差分解法；本方法可适用于高泊松比材料，数值稳定性较好．均匀和非均匀横观各向同性介质中弹性波传播的数值模拟表明，本文方法计算耗时少、精度高，可有效地模拟复杂各向异性介质中弹性波的传播     

位移法浅水孤立波

浅水波的速度分布与z无关，表明位移也与z无关，相当于杆件的刚性横截面假定．采用物质坐标，用水平位移作为基本未知量，成为固体力学的非线性大位移问题．于是，分析力学的变分原理都可运用了，正则变换、近似解的保辛积分等有效手段可使数值求解方便很多,对干孤立波。则其方程已不再是KdV方程。但仍然得到了孤立波的解．从而是一种值得探讨的方法．     

均匀轴对称端面荷载下半无限长杆动力学响应

杆结构的导波检测技术因其高效而受到重视.欲利用导波检测杆结构,首先必须明确杆结构的动力学响应特征.利用本征函数展开法导出均匀轴对称端面荷载下半无限长杆瞬态动力学响应问题的解析解.与利用积分变换法得到的解析解相比,该解形式简洁且物理意义清晰.在该解析解基础上,可定量分析外力对各导波模式激发的影响.以端面冲击载荷作用下半无限长杆瞬态动力学响应为例进行数值研究表明,基于该解析解所得结果与有限元法(FEM)模拟结果一致.     

受损混凝土梁段中非均匀刚度的损伤反演

利用波传播理论,建立损伤介质的一维波动方程及反问题分析理论.采用脉冲谱技术并结合正则化思想,针对几种典型损伤模型,在瞬态波场中对损伤进行了反演的数值模拟计算,比较了是否考虑损伤度不为负值的先验信息的反演结果,得出考虑先验信息会使反演结果得到显著改进.数值模拟得到了与真值较为吻合的损伤度及其分布的反演结果.     

双相介质中储层波场特征数值模拟研究

根据双相介质弹性波方程,并对弹性波方程进行分离得到了膨胀波方程。利用高阶差分对膨胀波方程进行数值模拟,边界处理采用完全匹配层的吸收边界条件,算法实现了任意高阶差分和自动加载边界条件的纵波方程正演模拟。计算结果表明,在双相各向同性介质中存在快纵波、慢纵波,两种纵波有明显的区别,快纵波的速度远大于慢纵波的速度。在分界面上,快纵波要产生透射快纵波、透射转换慢纵波,反射快纵波、反射转换慢纵波。慢纵波具有很强的衰减性,耗散系数越小,慢纵波越明显,反之亦然。该算法的高阶差分形式可以显著地降低数值频散,有效提高地震波正演计算的精度,适应性好,操作简便灵活。     

Influence of water saturation on propagation of elastic waves in transversely isotropic nearly saturated soil

Biot‘ s two-phase theory for fluid-saturated porous media was applied in a study carried out to investigate the influence of water saturation on propagation of elastic wave in transversely isotropic nearly saturated soil. The characteristic equations for wave propagation were derived and solved analytically. The results showed that there are four waves: the first and second quasi-longitudinal waves (QP1 and QP2), the quasitransverse wave (QSV) and the anti-plane transverse wave (SH) . Numerical results are given to illustrate theinfluence of saturation on the velocity, dispersion and attenuation of the four body waves. Some typical numerical results are discussed and plotted. The results can be meaningful for soil dynamics and earthquake engineering.     

柔性多体系统接触碰撞动力学研究

用有限元方法对柔性系统的接触碰撞问题进行了数值仿真计算．以柔性杆与刚块纵向碰撞为例，建立了接触碰撞动力学模型，利用有限元方法建立了接触碰撞期间的动力学方程．通过对不同的参数进行大量的数值仿真，结果表明，有限元方法能够仿真在接触碰撞期间的柔性杆纵向振动的弹性波，碰撞力时间响应的数值解与解析解吻合较好．     

圆锥杆垂直侵彻半无限厚水泥靶时应力波传播特性研究

根据动量定理和动能定律，建立了圆锥杆垂直侵彻半无限厚水泥靶时的动力学模型，并对所得到的这些非线性动力学方程进行数值求解，藉此分析了等效撞击力，进而根据牛顿第二定理建立了圆锥杆的波动方程，研究了应力波在圆锥杆中的传播特性和规律．     

弹性方柱中波的传播规律Ⅲ. 无限长方柱的瞬态响应

提出行波追踪方法,在以前工作中得到解析形式的频散方程、群速度方程和稳态响应的基础上,完全得到无限长方柱在任意外力作用下解析形式的瞬态响应。绘制了无限长方柱在外力作用下的瞬态响应,并同有限长方柱中的行波进行了比较。