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.     

地震中结构碰撞的接触单元模型的改进算法

针对用于地震碰撞分析的接触单元模型提出了一种改进求解方法。该方法把碰撞问题等效为一个弹簧—振子模型,由振子、弹簧和阻尼器构成。振子的运动过程代表碰撞的压缩和恢复过程。可以通过对运动方程的求解,得到相对压入量、相对压入速度、碰撞力、碰撞持续时间及其相互关系。该求解方法没有像常用求解方法假设压缩过程和恢复过程中耗散能量相等或者相对压入速度绝对值相等,所以可以得到精确解或者无限接近精确解的近似解。在碰撞中能量耗散较小的情况下,Hertzdamp模型常用求解方法得到的结果接近精确解;而当能量耗散较大时,与精确解的差别就比较大。改进算法不论碰撞中能量耗散大或者小,都可以得到无限接近精确解的结果。因此,改进算法比常用算法更具优越性,尤其是对于存在大量能量耗散的地震碰撞问题。     

含接触碰撞的变拓扑系统动力学仿真

利用计算多体系统动力学理论对变拓扑系统进行建模,引入拓扑切换条件解决以接触碰撞为特征的多刚体系统动力学的变拓扑问题,实现变拓扑系统的连续仿真.同时,考虑到复杂机械系统中存在着多处的机构干涉和限制,提出了多体系统的接触碰撞模型,研究了多体系统接触碰撞的处理方法,得出了一种有效碰撞点的近似计算方法.     

二维细杆的变结构动力学

通过约束加载和卸载的变结构方法来处理由接触、碰撞和摩擦导致多刚体系统在速度水平的非光滑动力学问题, 并从接触、碰撞和摩擦等方面介绍二维问题的变结构方法,最后提供了二维细杆在粗糙水平面上运动的动力学算例。     

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.     

机械参数对触头弹跳性态影响的分析

将电触头弹跳现象作为自由振动碰撞的强非线性或突变问题处理，应用计算机数值模拟获得该问题的理论解，由此发现弹跳过程是无序运动，从理论上揭示了非线性动态接触电阻产生的动力学根源，数值模拟结果表明电接触系统机械设计参数对接触的动态过程有显著的影响．提出机械参数良好的匹配是改善和提高电接触元器件性能指标的经济、有效的方法．文中也给出可供工程设计应用的系统机械参数匹配曲线     

基于车身变形的汽车碰撞事故再现方法

研究了采用变形/能量原理进行汽车碰撞事故再现的方法.该方法根据碰撞后汽车的车身变形量计算车辆的碰撞速度和运动过程,并在一起真实的两车碰撞事故中进行了应用.仿真结果表明,车身碰撞变形与实际变形情况吻合,再现了两车碰撞后的运动过程.验证了其对于缺少制动印迹的汽车碰撞事故再现分析的有效性.     

复杂表面问题的有限元计算与分析

碰撞、弹塑变形问题等交通运输器的安全试验通常采用实验室实物模型与计算机模型相结合进行模拟.对三维复杂区域的接触,国际标准方法采用接触变形算法模拟滑动控制.本课题采用流固耦合非牛顿流体方程初边值问题求解三维层结构特性,通过基于变分原理的摄动问题有限元方法,在高性能软件平台上实现数据的挖掘处理.由Sobolev空间嵌入原理,可将模型按接触区域进行分层单元剖分,将复杂区域剖分为若干相互连接、不重叠的六面体与空间平面四边形单元.同时,建立微观与宏观有限元双尺度计算模型进行模拟仿真对比,得到模型的能量与速度等一系列参数的变化曲线.此外,接触表面问题又可采用渐近摄动方法中的边界层理论进行研究,由此得到的微分方程特征函数空间,既可作为优化有限元基函数的解,又可用于建立一种新型的非线性特征值的渐近方法,也是估计材料特定参数的方法之一.最后,使用人工边界条件随机处理方法对求解结果的数据进行分析.     

沙粒跃移击溅函数的高速数字摄像研究

采用高速CMOS数字相机拍摄的方法记录沙粒与床面的碰撞过程,通过分段图像叠加的算法对获得的实验图像进行处理,提取出沙粒运动时序位置,并计算其入射以及反射的速度和角度.通过统计分析得出跃移沙粒与沙床碰撞过程中的控制参数--碰撞平面角、速度和能量恢复系数的分布,都近似满足正态分布.实验结果表明,沙粒与沙床碰撞过程中损失的动能超过总能量的一半,且由于碰撞平面角大于0°的比例达到70%,即使沙粒在碰撞过程中能量有所损失,沙粒与沙床碰撞后垂直分速度增加的现象仍比较普遍,使得沙粒在与气流相互作用的过程中获取更多的能量,从而为沙粒的持续跃移提供了保证.     

圆盘水漂运动特性数值模拟研究

为研究近水面的起飞再入式运动对飞行器近海面的高机动突防能力的影响,文中基于CFD数值模拟方法,湍流模型选取SST k-ω模型,利用重叠网格技术,将N~S方程与六自由度弹道方程耦合对三维空间内薄圆盘的水漂运动进行了数值模拟,研究了不同工况下水漂的入水特性和运动规律.结果表明:数值模拟计算得到的圆盘从接触水面到离开水面的时间与实验值吻合较好,圆盘的运动轨迹与实验结果相吻合;圆盘在打水漂向前运动的同时由于自身的旋转产生了马格努斯效应,从而使圆盘的运动轨迹产生了一定的侧向偏移以及圆盘自身的姿态发生了侧向偏转.      

基于外积求解颗粒平衡问题

提出一种简洁有效的基于外积的方法,对无摩擦的二维圆盘、二维凸颗粒以及三维球体的力学平衡方程进行求解和分析。理论结果表明,圆盘与球体上输出力的大小与输入力的大小成正比,因此引入了力传递的概念,并且导出力传递系数与接触结构的关系。对于凸颗粒,导出了输出力大小与输入力以及力矩的关系式。在已知圆盘上的平均正压力时,导出了各个接触力大小的公式并给出其几何意义。文中提出的方法以及计算的结果,对于求解其他物理问题中的向量方程有意义,对于进一步研究力学网络上的平衡方程有重要价值。     

等离子体环境中正电子与氦原子碰撞电子偶素形成过程理论

正负电子偶素(Positronium, Ps)的形成是正电子-原子碰撞过程中独有的物理过程。为了探究正电子与氦原子散射过程中正负电子偶素形成的问题,应用屏蔽近似模型下的光学势理论方法研究了等离子体环境中正电子-氦原子碰撞的电子偶素形成过程,计算了0～100 eV入射能量区域内总的正负电子偶素形成截面(1s+2s)。在计算等离子体环境中靶原子体系的能级及波函数时,应用屏蔽的氦原子模型势描述了屏蔽效应对粒子间相互作用的影响。电子偶素形成截面计算结果与已有的其他理论、实验结果对比并进行了分析。验证了在中低入射能量下,屏蔽模型下的光学势理论方法对于处理正电子-氦原子散射问题具有有效性。     

含非定点碰撞的平面多自由度机械臂系统运动学与动力学研究

研究多自由度平面机械臂系统的非定点碰撞问题。据机械臂系统的几何特点, 得到相对简单的检验何时、何处发生接触碰撞的方法, 避免一般多体系统确定接触碰撞点的繁琐的迭代搜索过程。运用拉格朗日方法推导非碰撞及碰撞阶段的动力学方程, 并引进牛顿恢复系数, 建立描述含有光滑碰撞过程的机械臂系统运动过程的一般性框架。最后对算例进行数值模拟证实该方法的有效性。     

大倾角煤层飞矸运移能量演化特征仿真与实验研究

大倾角工作面飞矸运移过程能量演化特征对设备(人员)损伤影响显著,是科学防护飞矸灾害的基础。以大倾角大采高工作面为工程背景,通过理论分析、数值计算及物理模拟方法对飞矸运移方式、能量演化、距离定量进行了研究。结果表明:飞矸运动按阶段可分为一次碰撞与倾向碰撞滑移阶段,按方式分为一次碰撞滑移、多次间歇碰撞及多次间歇碰撞滑移3种;飞矸随煤层倾角增加走向、倾向滑移(滚)距离增加,对人员及设备的伤损程度相应提高;飞矸在扰动力和重力作用下,一次碰撞及倾向碰撞滑移阶段能量耗散为变形能、摩擦热和其它形式耗散能,宏观上能量演化表现在飞矸速度、位移发生变化;对工作面飞矸损物事故进行实验模拟,运移距离理论计算值与实测值较好的吻合。     

刚体碰撞问题的Hamilton原理及其应用

从d’Alembert-Lagrange原理出发,推导出碰撞的Lagrange方程的新形式——碰撞状态方程;在此基础上,定义了能量形式的碰撞特征函数,提出了碰撞分析的Hamilton原理,并揭示了其物理本质:在任意运动许可的碰撞中,真实的碰撞使系统动能损失在广义速度空间最小(或系统当前动能最大),把碰撞分析理论推进到变分(极值)原理的阶段.进一步的研究显示,以碰撞的Hamilton原理为基础,不仅能推出碰撞的三大基本定理,还能推出碰撞的相对动能定理的新结果.文中还探讨了若干应用的具体问题,厘清了牛顿摆球链散开原因的历史争议,表明碰撞的Hamilton原理能够突破传统方法的局限,兼具理论的普适性和应用的便捷性.     

不同转速率下球磨机内钢球的碰撞研究

以最外层钢球为例进行理论计算,并采用有效内直径为5.35 m的球磨机进行离散元法(DEM)模拟,研究转速率对球磨机内钢球运动状态及内部碰撞情况的影响。研究结果表明:当钢球作抛落运动时,脱离角、落回角、钢球下落高度、在落回点的动能及冲击矿石的能量和研磨矿石的能量均与转速率有关;增大转速率,作抛落运动的钢球数明显增多,磨机内发生高能量碰撞的次数及平均碰撞能量均增大,有利于破碎硬度及粒度较大的矿石;但随着转速率增大,钢球-钢球、钢球-衬板之间碰撞能量占比增大,而钢球-矿石之间碰撞能量占比减小,从而降低磨机的能量利用率,增大磨矿过程的钢耗,减小衬板寿命。     

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．     

浅谈杂技圆盘中的力学原理

根据均质圆盘在水平面上的运动特点,解释了一个杂技项目:滚圆盘,阐述了其中涉及的力学原理.并应用理论力学的摩擦理论和平面运动微分方程,导出了圆盘运动参数的计算公式,得到了圆盘向回滚动的条件.     

自由电子激光的“碰撞”模拟

本文利用快速运动电荷的电磁场与速度接近于光速的平面电磁波场的相似,描述了反向康曾顿散射的特性,提出了一个基本的理论计算,导出了一个结果,其中出现了4Υ~2的光子能量增益因子,并对4Υ~2因子进行物理解释,它是由于多普勒加速而产生的。在自由电子激光中,输出能量是通过相对论性电子与光子的“碰撞”而提取的。     

一种高鲁棒性的运动模糊图像复原算法

为解决常用的基于能量谱和倒谱零点的运动模糊图像复原方法的噪声敏感问题,提出了一种高鲁棒性和适应性的新算法。该算法使用中值互补模板法进行噪声能量的估计,在对数能量谱域内使用改进的Radon变换实现模糊角度的识别,通过旋转图像使运动模糊出现在水平方向,然后在双谱域内识别模糊长度,大大降低了噪声对识别的影响。实验结果表明:本文算法能够处理信噪比大于5 dB的噪声模糊图像,图像复原效果显著。