粘弹性材料与钢的碰撞力学模型分析

近期碰撞调谐质量阻尼器(pounding tuned mass damper,简称PTMD)已经被提出来参与结构的振动控制.因为PTMD的碰撞过程主要由粘弹性材料与钢发生碰撞,所以其碰撞的力学模型是研究PTMD的关键因素.文章通过研究现有的粘弹性碰撞力模型,提出了一种不同的非线性碰撞力模型来模拟粘弹性材料与钢之间的碰撞力.同时通过碰撞实验得到重要系数并用粒子群算法对模型各项参数进行拟合.结果表明,该模型比现有的粘弹性碰撞力模型具有更好的性能.     

模糊理论在纳观摩擦机理研究中的应用

利用Greenwood-Williamson(GW)模型建立了模拟物体表面的半球体形貌模型,并利用半球的半径隶属函数来定义了物体表面的“光滑”、“一般”与“粗糙”;应用经典的Hertz理论从接触的角度提出了物体表面单球接触力学模型,并建立了动力学方程;最后利用模糊理论对单球系统动力学方程进行叠加,得到了纳观整体滑块的摩擦力与滑动速度的关系.     

温度对介电弹性体材料致动器动态性能的影响

介电弹性体材料(Dielectric Elastomer,简称DE)具有很强的粘弹性,由于DE材料的粘弹性具有时间依赖关系,从而使其应力-应变也具有时间依赖性,因此动态变形中,其能量转换、宏观变形等特性也必然受到粘弹性的影响。同时,DE的粘弹性和介电常数具有很强的温度依赖性。通过引入温度对介电常数、弹性模量和粘弹性松弛的影响,并结合DE的粘弹性力学模型和欧拉-拉格朗日方程,构建了不同环境温度场下的DE系统的动力学控制方程。最后,通过数值模拟,分析了温度对DE材料致动器动态性能的影响。研究结果能为DE致动器的结构设计和动态变形控制提供理论指导。     

变截面粘弹性波导吸振器阻尼耗能机理的研究

以粘弹性材料的分型本构关系为基础,建立了一种截面呈指数规律变化的梁类粘弹性波导吸振器动力学模型,通过对其进行力学分析,导出了粘弹性波导吸振器能量耗散量与波的频率,材料参数,结构参数等之间的关系方程,仿真结果表明,粘弹性波导吸振器有良好的减振效果,特别是对于中频和高频,效果非常理想,而且对波导吸振器的长度要求很低。     

变截面粘弹性波导吸振器阻尼耗能机理的研究

以粘弹性材料的分型本构关系为基础,建立了一种截面呈指数规律变化的梁类粘弹性波导吸振器动力学模型．通过对其进行力学分析,导出了粘弹性波导吸振器能量耗散量与波的频率、材料参数、结构参数等之间的关系方程．仿真结果表明,粘弹性波导吸振器有良好的减振效果,特别是对于中频和高频,效果非常理想,而且对波导吸振器的长度要求很低．     

泥石流大块石对简支梁冲击力修正计算

在泥石流易发区,针对格栅坝支墩、桥墩这样的简支梁结构,确定大块石的冲击荷载尤为重要。基于Hertz弹性球接触理论,结合Thornton理想弹塑性体假设,考虑混凝土材料受大块石冲击荷载作用下的弹塑性特性,将泥石流大块石冲击简支梁结构的整个动力响应过程概化为:第一次碰撞—桩身弯曲变形—第二次碰撞—静止。以能量守恒为基础,将泥石流大块石冲击力分解为第一次碰撞产生的冲击力和第二次碰撞产生的冲击力,以初次碰撞的冲击力为最大冲击力,提出了冲击力修正计算公式。最后进行实例分析,计算结果表明:梁长越短,冲击压力增长越快,梁长越长,冲击压力增长越慢,且该公式计算值仅占基于Hertz弹性球接触理论结果值的20. 3%,更符合实际情况。     

地震作用下粘弹性阻尼器对于桥梁碰撞控制分析研究

由于地震作用引发的结构碰撞响应,会产生结构很严重的破坏。本文选用粘弹性阻尼器（VED）对隔震桥梁的被动控制,通过结构碰撞控制分析模型,建立桥梁状态方程。通过Matlab语言编程,运用Simulink仿真系统,研究隔震桥梁在不同地震作用下的碰撞控制效果,并对粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器的参数进行分析。     

粘弹性体接触时接触应力的有限元法分析

以粘弹性Maxwell模型材料的积分松弛型本构关系为基础，进行了本构关系递推，并建立了Maxwell模型粘弹性体的有限元分析模型，再利用节点对接触模型理论编制了Maxwell模型二维接触问题接触应力计算有限元程度，并验证了其正确性。最后应用该程序，研究了简单Maxwell模型轴对称粘弹性体接触时接触面上轴向应力分布及其变化规律。     

多点接触碰撞的数值计算

用子结构离散方法对我点接触碰撞的动力学问题进行研究，导出了描述多体接触碰撞的动力学方程，通过与碰撞有关约束的Ｌａｇｒａｎｇｅ乘子在撞击方向的分量，确定各物体之间碰撞结束的时刻，通过对脱开的节点的相对矢径的计算，确定脱开的物体是否又一次接触碰撞。数值计算表明，物体之间可反复碰撞。     

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.     

城市桥梁下部结构抗重型车辆撞击的数值仿真分析

为研究城市道路桥梁结构在重型车辆撞击下的抗撞性能,建立了车桥碰撞的精细化有限元模型.桥梁模型具有两跨上部结构和双柱墩支撑的下部结构,上部结构采用梁和壳单元,下部结构采用实体单元模型.同时构建了具有不同吨位和长度的重型车辆模型.通过考察碰撞过程的能量平衡曲线以及与碰撞事故后的桥墩破坏形式的对比,验证了车桥碰撞有限元模型的合理性.计算给出了不同吨位车辆的碰撞力时变曲线,讨论了碰撞力作用位置和幅值的变化规律,探讨了车桥碰撞中桥梁损伤等级的划分.模拟结果表明,车速不变情况下,碰撞力峰值随车重增加而增加,重车碰撞力峰值发生的时刻有后延的趋势、碰撞力作用中心也以车辆前部首次接触区域为主,而车身较短的重车有可能出现后部车厢对桥墩的二次碰撞.     

多面体干涉检测中的接触状态判定法

目的针对已有的干涉检测算法多采用在离散的时间点上进行求交的方法,效率和可靠性低,并且不太容易解决物体刚好接触等问题,提出通过接触判断进行多面体干涉检测的方法。方法在对接触状态进行分析的基础上提出了基于四元组运动表示的物体接触状态判定算法。结果该算法的干涉检测时间是连续的,能够避免由于时间划分误差产生的判断遗漏。结论在检测到几何对象的接触后,采用静态包容性测试,大大提高了算法效率,而且由于避开了非线性问题,可靠性也大大提高。对简单运动或几何问题,具有很高的效率和可靠性。     

仿壁虎机器人足端三维力采集系统研究

在微重力环境下仿壁虎机器人在"着陆"到目标航天器表面时,将会受到较大的碰撞力,影响机器人稳定着陆粘附。针对以上问题,仿生设计了机器人的足端结构,在机器人足端装载三维力传感器;该力采集系统基于STM32和AD620芯片,设计了三维力采集系统硬件和软件;并对三维力传感器进行静态标定和解耦。实验开展了机器人脚掌的碰撞粘附力测试,达到了预期效果,能为实现微重力下仿壁虎机器人稳定粘附着陆,提供力反馈控制的硬件保障。     

基于Hertz理论的滚石冲击力的修正计算研究

以Hertz弹性碰撞理论而所取得的滚石冲击力远远超过实际情况,无法应用于工程实践中。针对此,本文以Hertz接触力学和Thornton弹塑性假设为基础,考虑了构造物材料特性、冲击物的相对尺寸、结构变位等因素,建立了滚石对构造物的冲击力修正方程,最终以二郎山1#滑坡防治工程中滚石对锚索抗滑桩的冲击为例进行对比分析。结果表明：二郎山1#滑坡治理工程中,滚石冲击力计算结果显示,修正系数介于0.06-0.11之间,计算结果与实际估计较为一致;修正系数随冲击速度的增加而先急剧后平稳降低;落石冲击力随构造物强度、滚石速度的增大而增大。     

基于空间分解和混合包围盒的碰撞检测算法

针对如何提高碰撞检测的实时性,提出了一种碰撞检测算法.该算法首先利用空间分解确定相邻物体,然后对相邻物体利用层次包围盒方法进行碰撞检测,在包围盒碰撞检测方面,提出了一种新的包围盒混合结构,这种混合结构结合了AABB包围盒相交测试的简单性和k-DOPs包围盒的紧密性.实验结果表明,该算法有效地提高了碰撞检测的实时性.     

桥梁船撞力计算模型研究进展

桥梁船撞问题是工程设计中必须考虑的课题,为研究桥梁在船舶撞击作用下的动力需求,对国内外相关的研究成果进行了分类总结,将船撞力计算方法分为静力计算方法、动力简化计算方法、高精度有限元计算方法3个方面进行阐述.分析认为,静力计算方法无法详细考虑结构的动力效应,且各类静力计算公式数值差异较大;动力简化计算方法可考虑动力效应,计算效率与精度介于上述3种方法之间;高精度有限元计算方法精度较高,但效率较低,需要计算人员具备较高分析能力,且需耗费极大机时.最后,对这3种方法的使用以及今后需继续研究的内容提出了建议.     

基于无源观测器的机器人笛卡尔空间力/阻抗控制方法研究

许多由机器人完成的任务都需要机器人与外部环境接触。在如抛光、去毛刺和装配作业中都需要执行精确的力控制。由于环境模型的不准确在力控制过程中当机器人与环境脱离接触时可能与周围环境发生激烈碰撞。针对此问题提出了基于无源观测器的力控算法。通过分析系统无源性, 研究了笛卡尔空间力/阻抗控制的稳定条件。发现只有力控制器的输出会破坏系统的无源性,根据系统无源性的分析结果设计了使用无源性观测器的力/阻抗控制器。在MATLAB仿真环境中对力/阻抗控制控制算法和基于无源性观测器的力/阻抗控制进行仿真验证。仿真结果表明基于无源性观测器的力/阻抗控制器在机器人末端工具与环境脱离接触时能够有效降低机械臂移动速度,减小对周围环境的冲击力。     

遥操作机器人系统中的虚拟动力学检测算法

描述了物体间交互的FV和EE两种基本接触模式,在此基础上提出了用八叉树结构来构建虚拟环境的几何模型和动力学模型,给出了不但考虑刚度,而且考虑惯性和阻尼的虚拟仿真机器人与虚拟环境交互的虚拟力检测的一般算法.对于模型空间中的任何形状的实体都可以由八叉树法分割的立方体序列来表示,而其实体的总的虚拟交互力是在FV和EE两种基本接触模式下所分割的所有立方体间的矢量和.实验显示了本文所给出的算法的可行性.该算法对虚拟现实临场感遥操作机器人系统控制结构和控制算法的分析和设计,特别是系统中人机接口的设计具有重要价值.     

基于冲击原理的磨削接触区及磨削力建模

磨削力是滑擦、耕犁及切削三个阶段共同作用的结果,仅对切削阶段进行研究通常造成切削力计算值与实测值的误差较大;因此本文考虑磨削接触区冲击效应对整个平面磨削加工过程的影响,将接触区划分为冲击区和切削区两部分.通过分析磨粒在冲击区内对工件产生的冲击载荷的变化情况,建立了单颗磨粒的冲击载荷模型及参与冲击的磨粒数目模型,并结合磨削力在切削区的变化情况,构建磨削力理论计算模型及总磨削力数学模型.最后通过实验研究验证了理论分析的合理性.     

基于离散元方法斜碰落石冲击力的研究

落石灾害往往给交通基础设施、过往车辆、行人等造成极大地威胁。落石冲击力是落石灾害防护结构设计的主要荷载,因此,对落石冲击力进行深入研究能为防护结构的设计提供理论参考。本文对比分析了PFC3D模型与现有落石冲击力公式计算结果差异,并采用离散元程序,对落石不同半径、不同角度地冲击作用进行了数值模拟。结果表明：PFC3D离散元程序能够用于落石冲击力的计算;在冲击能量相同的情况下,落石斜碰作用冲击力不及正碰作用,当冲击角度α>50°时,斜碰作用冲击力与正碰作用冲击力相差变小;并且落石冲击力切向分量随着角度先增加后减小,角度越缓,落石冲击力主要由切向力控制。当斜碰垂直分速度与正碰速度相同的情况下,斜碰冲击角度越缓,落石冲击力反而越大,切向力占比越大。本文的研究结果可为落石斜碰作用下防护结构的设计提供参考。