颗粒振动及耗能特性研究的弹塑性接触建模方法

提出一种颗粒弹塑性接触的通用建模方法来研究颗粒系统的振动及耗能特性.构造颗粒法向塑性接触本构方程基本形式，并采用有限元法(FEM)获得无量纲本构关系;提出颗粒弹塑性细观接触加-卸载多路径模型，给出了颗粒塑性接触能量耗散的计算公式.采用离散单元法(DEM)对简谐激励下颗粒系统的振动和耗能特性进行了数值仿真分析.结果表明，颗粒使系统产生非线性振动，颗粒介质在系统进入共振区的前后均呈现出类似混沌的复杂非线性运动状态.颗粒间的法向塑性接触没有改变颗粒阻尼效应的主要耗能方式，但对颗粒动态接触行为及颗粒系统动力学特性产生重要影响.     

颗粒滚动阻力本构参数标定试验研究

针对颗粒滚动阻力本构参数难以通过阻力测量试验来直接标定，开展了两种离散元滚动阻力模型MDEM（modified discrete element method）和HDEM（hysteresis discrete element method）参数的试验标定方法研究。利用自由滚动颗粒的摆动过程建立了颗粒间滚动刚度系数K_r与滚动阻尼系数C_r的试验标定公式，搭建了激光位移传感器测量颗粒微振动的光学试验平台，通过测量试件摆动时程曲线实现了MDEM模型中K_r和C_r的标定；提出基于材料单轴循环拉伸试验的标定方法，利用颗粒本体材料加卸载循环作用下的滞回曲线实现了HDEM模型中的弹性滞后系数 β的标定。试验结果表明，该试验方法能够有效地标定颗粒间滚动阻力本构参数。     

带分布阻尼的受弯构件性能研究

目的研究一种采用分布式低屈服点耗能元件的受弯构件的抗震性能,并比较带分布阻尼元件的受弯构件与普通受弯构件的受力性能和滞回耗能性能.方法采用构件层面的阻尼减震技术理论,通过ABAQUS软件建立带分布阻尼材料的RC悬臂梁有限元模拟分析;研究RC悬臂梁与阻尼材料接触面相对变形使得屈服点材料屈服后消耗能量的情况,总结其在附加分布式阻尼后的变形性能和滞回耗能性能.结果分布式低屈服点耗能材料对受弯构件受拉区混凝土的变形起到了明显的抑制作用,低屈服点阻尼材料屈服时将实现部分能量的耗散.结论分布阻尼对受弯构件的受力和滞回性能具有改善作用,混凝土构件损伤情况得到改善,滞回耗能性能有所提高.     

颗粒阻尼线性离散元模型参数的选取方法

为了研究不同形式颗粒阻尼的减振特性及其在旋转条件下的阻尼效果,建立颗粒阻尼的线性离散元模型,提出了一种颗粒接触线性模型的参数选取方法。根据Hertz接触非线性模型,假设颗粒相对运动在达到屈服极限时,Hertz接触模型接触力所做的功和线性模型接触力所做的功相等,对颗粒接触的力和位移的关系进行了线性化处理;利用离散元法对重力场下不同材料的非阻塞性颗粒阻尼(NOPD)、柔性约束颗粒阻尼和旋转条件下的NOPD进行建模;根据颗粒材料的屈服强度、泊松比、弹性模量等物理属性确定了仿真计算的相关接触参数。与实验确定颗粒接触参数的方法相比,所提方法适用范围更广。数值计算结果与实验结果在趋势和数值上吻合得较好,为颗粒阻尼的进一步研究奠定了基础。     

砂土微宏观性质相依关系研究

为了研究砂土微观力学性质,采用了离散单元法对砂土进行三轴试验模拟,并引入抗转动模型来表征砂土颗粒的抗转动效应。通过对选取的不同法向接触刚度、刚度比、颗粒内摩擦角、滚动刚度系数以及塑性弯矩系数进行三轴排水数值试验,得到了砂土不同微观参数与其宏观力学性质的对应关系。试验结果表明:法向接触刚度对砂土弹性模量影响显著,并呈现正相关线性关系;刚度比与砂土泊松比呈现较为显著的负相关线性关系;颗粒内摩擦角对砂土宏观内摩擦角影响显著,滚动刚度系数影响砂土残余强度,塑性弯矩系数主要影响峰值强度。     

杆式压电摩擦阻尼器性能的数值分析

杆式压电摩擦阻尼器是一种新型可调滞回模型的阻尼装置.本文提出了杆式压电摩擦阻尼器的基本构造,对其力学模型进行了理论分析和推导,建立了阻尼器的数值分析模型.根据推导出的力学模型,模拟了新型阻尼器的多种可调滞回曲线.通过改变新型压电摩擦阻尼器的变形或速度与外加电场强度之间的函数关系,实现了拟摩擦型、拟限位型及拟黏滞型滞回模型.通过单自由度结构减振控制数值分析算例,进一步验证了杆式压电摩擦阻尼器的减振效果.结果表明,新型杆式压电摩擦阻尼器在采用拟黏滞型滞回模型时,对结构的位移、速度和加速度控制效果分别可达到80%、50%和10%左右;采用拟摩擦型滞回模型时,对结构的位移和速度的控制效果可达到70%和48%,但由于控制力始终保持在较大水平不变,因此对加速度的控制效果稍差.     

考虑滚动轴承故障处塑性变形的有限元建模与动力学特性分析

针对传统动力学模型难以考虑滚动轴承故障处的塑性变形对轴承动力学特性的影响这一问题，提出了考虑滚动轴承故障处塑性变形的有限元模型并进行了动力学特性分析。首先，采用线弹性材料本构模型，在ANSYS LS-DYNA环境下建立了考虑滚动体和外圈滚道不产生塑性变形的弹/弹模型；其次，考虑滚动体过故障时产生塑性变形，采用塑性随动强化本构模型，建立了滚动体和外圈故障处都产生塑性变形的塑/塑模型；最后，考虑故障处最容易产生塑性变形，采用线弹性材料本构模型和塑性随动强化本构模型相结合，建立了滚动体产生弹性变形而故障处产生塑性变形的弹/塑模型。以上模型在轴承元件接触部位都对网格进行了均匀细化，在减少穿透量的同时提高了模型的计算精度。仿真结果表明，与以往不考虑故障处塑性变形的弹/弹模型相比，考虑故障处塑性变形的塑/塑模型和弹/塑模型的峰峰值、均方根值以及加速度信号幅值约减小了1/2,且与测试所得结果波形及幅值更具有一致性；与弹/塑模型相比，塑/塑模型滚动体与内外圈接触力大小、滚动体应变值无明显变化，得出滚动体几乎不产生塑性变形，因此在建模时可以建立仅考虑故障处产生塑性变形的弹/塑模型。     

基于扩展多面体包络函数的快速接触搜索算法

扩展多面体是由基本多面体和扩展球体通过Minkowski Sum方法构造生成,其同时具有多面体和球体的几何性质,可用于复杂形态颗粒的离散元模拟.为提高扩展多面体单元的接触搜索效率,本文采用球面函数与二阶多面体扩展函数加权求和的方法形成扩展多面体的包络函数,将扩展多面体的接触问题转化为两个包络函数之间的优化问题.通过拉格朗日乘子算法可求解该优化问题进而确定两个包络函数之间的接触中心点.基于该接触中心点可快速判断多面体单元间的最近点以及两个接触颗粒的接触法向和接触重叠量,从而避免了以往接触判断中逐个几何特征搜索判断导致的算法复杂性,有效地提高了扩展多面体离散元的接触搜索效率.综合以上扩展多面体单元的快速接触搜索方法和非线性接触模型,本文发展了基于扩展多面体的非规则离散元方法.通过不同形态单个颗粒下落过程的模拟,研究了包络函数中光滑度系数对结果的影响.分析表明光滑度系数在0.0001–0.1范围内对计算结果影响较小,且光滑度系数越小计算结果越趋近于一致,说明本文方法具有良好的稳定性.通过多颗粒在方形平底漏斗中卸料过程的离散元模拟,与已有的试验和数值模拟结果对比分析了漏斗中的剩余颗粒比例,验证了本文提出的高效接触搜索算法和非线性接触模型的可靠性.     

非阻塞性微颗粒阻尼的散体元模型

非阻塞性微颗粒阻尼（ＮＯＰＤ）是在传统颗粒阻尼和冲击阻尼技术基础上发展起来的一种复合阻尼新技术,具有良好的阻尼特性,因而表现出极佳的减振效果。文中建立了用于非阻塞性微颗粒阻尼分析的散体单元法模型（球体元模型）,利用接触力学理论合理地确定了各接触参数,对非阻塞性颗粒阻尼中的冲击能耗的摩擦能耗进行了计算机仿真研究。计算机仿真结果与实验结果有很好的一致性,为ＮＯＰＤ理论分析提供了一种新方法。     

基于蠕滑理论的滚珠丝杠副摩擦力矩预测

为了快速且准确地预测滚珠丝杠副的能量损耗、温升速率和磨损量,建立了新的摩擦力矩模型.利用蠕滑理论求得滚珠与螺母滚道接触界面间的摩擦力,由此推导出摩擦力矩模型,利用此模型对接触界面的蠕滑率或自旋率与摩擦力之间的定量关系、滑动速度和摩擦力的分布加以分析.同时,在滚珠丝杠副综合测试实验台上对摩擦力矩模型进行了实验验证.结果表明：蠕滑率与摩擦力之间存在非线性的渐变关系;接触面上的自旋会引发一个垂直于滚动方向的摩擦力;接触面上的切向运动和自旋运动具有很强的耦合效应;滚珠丝杠副摩擦力矩模型的理论值与实测值吻合较好.
     

石膏颗粒接触试验研究

利用岩石双轴流变试验仪,研究了石膏试件在单轴压缩和颗粒接触条件下的力学特性和破坏模式.结果表明:圆柱单轴压缩试件破坏模式为均匀受力下的一次性剪切破坏,球形颗粒接触试件破坏模式为应力集中下的颗粒破碎多次破坏;在利用离散元模型进行模拟时,同种材料单轴压缩试验的细观参数与颗粒接触试验的细观参数相差较大,不同的受力情况需要分别进行标定.     

双凹摩擦摆隔震支座理论分析与数值模拟研究

介绍了双凹摩擦摆隔震支座的基本构成和隔震原理,从力学平衡原理出发对双凹摩擦摆隔震支座进行了理论分析,推导了双凹摩擦摆隔震支座的刚度,分别构造了双凹摩擦摆隔震支座在上下滑动面摩擦系数相同和不同情况下的滞回模型,并探讨了支座的回复特性,得到了其最大残余位移的计算公式.采用ABAQUS软件对双凹摩擦摆隔震支座进行了实体单元建模,数值模拟了低周反复荷载作用下的双凹摩擦摆隔震支座在上下滑动面摩擦系数相同和不同情况下的滞回特性及其回复特性.研究结果表明:①理论分析和数值模拟结果吻合较好,验证了提出的滞回模型和最大残余位移计算公式的正确性;②双凹摩擦摆隔震支座的滞回曲线饱满,具有良好的滞回性能;③该支座的刚度与上下滑动面的球面半径之和成反比,其隔震周期也仅与半径有关,与上部结构质量无关;④其最大残余位移为上下两滑动面的摩擦系数和球面半径的乘积之和.     

轴承工作过程中摩擦状态的仿真分析研究

1.钢丝滚道球轴承摩擦力和摩擦力矩产生机理 滚动轴承在工作的过程中,由于受到预紧和工作载荷的作用,会产生摩擦,摩擦的主要形式有以下几种: (1)弹性滞后引起的滚动摩擦:滚珠在载荷的作用下沿滚道表面滚动,接触表面下的材料产生弹性变形.在接触消除后,弹性变形的主要部分恢复.但是,通常在载荷增加时,给定应力所对应的变形总量总是小于载荷减小时的变形,称为弹性滞后,反映了一定的能量损失,表现为滚动摩擦阻力.     

平衡悬架钢板弹簧模型的建立与仿真

为更好分析重型卡车平衡悬架钢板弹簧的性能,应用离散梁单元方法创建了某重型卡车平衡悬架钢板弹簧的多体动力学模型,解决了重型卡车平衡悬架钢板弹簧大变形、接触非线性以及干摩擦等问题。通过调整离散梁单元的各项参数,得出了与实际钢板弹簧的垂向刚度变化和迟滞特性一致的模型。研究结果表明采用离散梁单元法建立的平衡悬架钢板弹簧模型能更真实、可靠地反映钢板弹簧的特性,也为整车动力学模型的建立提供了既准确又方便的平衡悬架钢板弹簧模型。     

基于强度理论的岩石损伤弹塑性模型

根据单轴受力特性曲线唯象地考察岩石材料损伤演化,定义弹性应变表示的一维损伤变量及其本构模型,利用双剪强度理论将其推广至三维模型.塑性是潜在破坏面的摩擦滑移,在传统塑性理论的框架中,建立了基于摩尔-库仑强度理论与潜在滑移面摩擦软-硬化特性的各向异性损伤弹塑性本构关系.结果表明,计算的损伤演化与CT观测结果符合很好,用本文的弹塑性模型反映损伤材料的力学特性是可行的.     

具有Coulomb摩擦热轧问题的逼近可解性

针对热轧过程的刚塑性可压缩材料模型,讨论了塑性变形功率泛函梯度映射的性质.并利用Coulomb摩擦条件下表面摩擦功率泛函次微分的存在性和单调性以及非线性分析的方法,证明了在Coulomb摩擦条件下可压缩材料模型热轧过程总能耗率泛函的逼近可解性成立.     

循环荷载作用下铝合金耗能支撑本构关系

基于国产铝合金材料研制防屈曲耗能支撑构件,并进行了拟静力试验.试验结果表明构件滞回曲线稳定饱满,具有较好的耗能能力,相对于钢材而言铝合金材料的应变强化现象十分明显.基于Chaboche循环塑性本构模型,通过试验数据标定了相关材料参数并应用于构件有限元分析,分析结果与试验结果吻合较好.利用Abaqus软件平台二次开发了能够应用于梁单元进行减震结构弹塑性分析的单轴双面模型,通过与Chaboche模型的对比分析,验证了单轴双面模型的准确性.研究结果可为准确分析铝合金构件在地震作用下的受力性能提供相应依据.     

不同胶结物粒间胶结三维仿微观力学试验

离散单元法被广泛应用于颗粒材料的力学特性研究,建立合理的胶结微观接触理论对实现胶结型岩土材料宏观、微观力学特性的数值分析显得尤为重要.首先通过室内三维接触试验方法制备由环氧树脂和高铝水泥胶结的铝球试样,并使用辅助加载装置进行拉伸、压缩、剪切、弯曲及扭转5种加载方式下的接触力学特性测试,为建立三维微观接触模型奠定试验基础.结果表明,胶结铝球颗粒的接触力学响应及强度包线与胶结物类型有关.在峰值前,胶结铝球的力-位移与力矩-转角变化关系曲线表现为线弹性;在峰值后,表现为环氧树脂偏塑性、高铝水泥偏脆性;法向作用力对胶结接触力学特性有重要影响,不同胶结铝球的抗剪、抗弯、抗扭能力随着法向作用力的增大呈现先增大后减小趋势,存在临界法向应力比;在不同荷载空间下,不同胶结铝球颗粒的归一化峰值强度包线(剪切强度、弯矩、扭矩-法向荷载)近似呈抛物线型.     

基于水平集接触算法的任意形态颗粒材料球谐离散元方法

为对自然环境或工业领域中非规则颗粒材料的力学特性进行精确计算,本文采用球谐函数发展了可描述任意几何颗粒形态的球谐离散元方法.考虑球谐单元的凹凸形态及多点接触特性,发展了基于水平集方法的任意形态接触算法,以准确计算单元间的接触方向和重叠量.该算法将不同形态的球谐单元离散为由一系列点组成的零水平集函数和空间离散水平集函数,并将单元间的接触问题转化为两个水平集函数间的求解问题.通过将一系列零水平集点代入邻居单元的空间离散水平集函数中进行三线性插值,可确定两个接触单元间的多接触点及作用力.为检验基于水平集算法的球谐离散元方法的可靠性,对单颗粒与刚性壁面的弹性碰撞、单颗粒自由下落和多颗粒动力堆积过程进行了离散元模拟,研究了颗粒的平动和转动动能随时间的变化规律.计算结果表明,基于水平集算法的球谐离散元方法可准确地计算单元间的接触碰撞作用,并可保证弹性碰撞时颗粒系统的能量守恒及非弹性碰撞时颗粒系统的能量衰减直至动能为零.在此基础之上进一步分析了不同表面凹凸特性对颗粒堆积中体积分数和平均配位数的影响,为任意形态颗粒材料的数值模拟提供了一种有效的离散元方法.     

接触行为对颗粒材料中应力波波速与能量的影响

采用离散单元法,研究线弹性接触模型、Hertz接触模型、线性平行粘结模型对不同排列颗粒材料中波传播的影响,分析了三种接触模型下波的波速变化和能量变化,同时也研究了弹性模量对颗粒材料中波传播的影响.最后对颗粒材料样本采用Hertz接触模型,探究了不同围压条件下颗粒材料中波的波速变化和能量衰减.研究结果表明:不同接触模型下波传播的波速和能量衰减率不同;当颗粒样本从规则排列到随机排列,波传播的波速变小,能量衰减率变大;随着颗粒弹性模量的增大,波速呈对数增大;在波传播过程中能量快速耗散,随着围压的增大,波速和能量衰减率都增大.