有限元仿真在船舶碰撞研究中的运用

结合实际碰撞案例,建立整船三维仿真模型,对船舶碰撞动力学过程进行有限元计算,分析得到船舶碰撞过程机理:船舶从碰撞接触到船体破损变形的时间很短,这一过程中船壳和骨架的破损并不同步;局部现象明显,碰撞区域变形很大,远离碰撞区域的变形几乎为零.仿真结果可以很好地模拟再现碰撞破损过程,与真实碰撞数据相吻合.这种定量地从船体结构角度研究船舶碰撞的方法,比以往定性研究船舶碰撞原因更具信服力,为研究船舶安全和海事调查提供了一种有效方法.     

液滴与水平壁面碰撞力的实验方法

为了获得准确的碰撞力数据,根据液滴碰撞过程极其短暂且低速液滴碰撞力较小的特点,搭建了低速液滴与固体壁面碰撞力测量实验台;通过理论分析和实验验证对液滴碰撞力测量系统进行了优化,以探究系统振动对瞬态碰撞力结果的影响;利用滤波等措施消除影响后获得低速液滴和固体壁面碰撞过程的碰撞力。实验中使用压电传感器来测量碰撞力随时间变化的过程,同时将测量系统简化为双振子模型,以分析基座和碰撞盘的振动对碰撞力信号的影响;通过进行实验结果的频谱分析来验证理论模型,同时找出影响碰撞力信号波动的因素。实验表明:基座和碰撞盘的振动会导致碰撞力曲线出现波动,增大基座质量可以消除基座振动的影响,减小碰撞盘的质量并结合低通滤波可以消除碰撞盘振动的影响。测试系统可以实现不同液滴直径、不同碰撞速度和物性的液滴碰撞力的采集和处理。     

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.     

无传感器机械臂碰撞估测及处理策略研究

针对机械臂在工作过程中与人体发生的意外碰撞,提出了一种新型碰撞力估测方法和接触碰撞后安全响应控制策略。当检测到的碰撞力矩超过设定动态限值的力矩时,系统认为碰撞发生。当碰撞发生时为了保证碰撞对象与机械臂的安全,系统采用PID控制策略使得机械臂远离事故现场。该控制策略将碰撞作为一种扰动,作用于机械臂的每一处关节上。即将复杂的空间动力学的运算简化到了关节处二阶线性系统的控制。以UR机器人为例,模拟了工业现场的情况。首先进行了仿真分析,而后在UR机器人安全模式内(碰撞力小于150 N)进行了碰撞试验。实验结果表明提出的碰撞力估测方法与控制策略实现了机械臂"碰撞—躲避—恢复工作"的功能,能够有效的保护被撞对象以及机械臂本体。     

考虑冲压成形历史的轿车前纵梁总成碰撞仿真

以轿车前纵梁总成为对象,将冲压成形引起的板料厚度减薄、残余应力和等效塑性应变映射到碰撞仿真模型中,详细分析这些因素对零件碰撞过程中能量吸收和碰撞力的影响规律,并从兼顾计算精度和计算效率的角度对影响仿真精度的主要因素进行了分析.结果表明:与忽略冲压成形历史的碰撞仿真结果相比,引入冲压成形历史的碰撞仿真所得内能增大,碰撞力峰值增大及峰值出现时间延后;厚度变化对零件的吸能特性影响显著,残余应力和塑性应变对碰撞力的影响显著.     

滚珠丝杠副中滚珠与导珠管的接触碰撞分析

对滚珠丝杠副中滚珠进入循环导珠管时发生的接触碰撞进行研究分析,考虑滚珠和导珠管的几何外形、丝杠的转动速度等因素,建立了滚珠和导珠管碰撞接触的动力学模型.在此基础上,分析了滚珠丝杠转速、碰撞角与碰撞力、接触时间之间的关系,并讨论了空心滚珠结构和采用Si3N4的陶瓷材料作为滚珠材料以降低滚珠与导珠管间冲击的效果.这对于优化导珠管结构,改善和提高高速滚珠丝杠副的动态性能指标具有重要的理论意义.     

油轮艏部结构碰撞特性

在船舶碰撞中，船艏是主要作用方．为减少碰撞事故损失，从碰撞的观点出了一种研究船艏碰撞特性的方法及表达船艏碰撞特性的特征量，据以改进船首设计．根据船艏结构本身的碰撞破损过程，对船艏结构碰撞力与破损深度的关系、艏部构件在碰撞过程中的损伤形态和能量耗散进行了研究，指出碰撞力曲线是船艏结构的一种固有特性．提出了碰撞力面积密度曲线的概念，它可用于定量表达船艏结构对其他结构的破坏能力．利用有限元数值模拟方法计算了一艘4万t船艏的碰撞损坏实例，显示了上述碰撞特征并讨论了提高碰撞数值模拟计算精度的方法．     

渐开线齿轮啮合碰撞力仿真

为获得渐开线齿轮啮合传动时轮齿碰撞力的变化规律,提出基于动力学仿真的渐开线轮齿碰撞力计算方法.建立一对渐开线齿轮啮合传动的动力学模型,给出基于Hertz接触理论的齿轮啮合传动时轮齿碰撞力的计算方法.对齿轮啮合传动时的轮齿碰撞力、x 向碰撞力和y向碰撞力的变化规律及其频谱特征进行仿真研究.仿真结果表明:齿轮啮合传动时碰撞力的幅值波动显著,轮齿从啮入到啮出,碰撞力从0kN增加到最大碰撞力后又减小至0kN,具有明显的周期性;碰撞力频谱中会出现齿轮啮合频率的1倍频和2倍频;x向碰撞力和y向碰撞力幅值波动显著,具有相同的频谱特征,相位相差约90°;频谱中出现齿轮的旋转频率和啮合频率,存在明显的调制现象,其中载波为齿轮的啮合频率,调制波为齿轮的旋转频率.     

船桥碰撞效应数值分析及动力载荷模型

船舶撞击桥梁是一个复杂的非线性冲击动力学问题,目前各国桥梁设计规范中船桥碰撞力均被等效为静力载荷,将船桥碰撞力分析过程视为准静态过程是不准确的。本文考虑船桥结构的材料非线性和几何非线性,建立3000 t～12000 t级散货船与预应力钢筋混凝土连续刚构桥碰撞的动力学数值模拟模型,运用显示动力学软件LS-DYNA计算分析不同撞击过程的碰撞力时程曲线,遵循碰撞力峰值、碰撞持续时间等边界条件,得到碰撞力计算所需参数的拟合公式,并基于统计分析方法提出了船桥碰撞的动力载荷模型。根据此荷载模型,易获得给定船舶质量和速度条件下的碰撞力时程曲线。     

车辆碰撞计算机模拟分析与评价

针对某型轿车进行了正面和侧面碰撞计算机模拟分析与评价.建立了含50百分位的HybridⅢ型假人及安全带约束系统的整车有限元模型,根据动态非线性有限元法的基本原理,建立碰撞过程描述方程和结构有限元离散化方程.在LS-DYNA环境下,对整车集成系统进行了正面和侧面碰撞的数值模拟和分析,求解出了碰撞时整车位移、速度和加速时间,并分析了该车在碰撞过程中主要吸能部件的吸能效果及能量与力的传播途径,以及假人的伤害程度.仿真结果表明,含假人的汽车碰撞过程计算机模拟,不仅能预测汽车结构本身的耐撞性能,还能较准确地预测碰撞过程中乘员的响应与伤害程度,对于减少实车碰撞试验次数,加快新车型开发速度具有重要意义.     

桥梁船撞的非线性有限元数值分析

介绍了几种常用的船桥碰撞力计算公式。以某实际工程为研究对象,建立起3 000t代表船舶撞击桥梁的非线性有限元模型。采用LS-DYNA软件计算了船舶在4 m/s冲击速度下与桥墩的碰撞力时间历程,将最大碰撞力计算结果与经验计算公式进行了对比研究;并分析了船速、撞深、能量转化、结构变形和应力等特征。结果表明:船桥碰撞有限元模型可完整的再现船舶撞击桥梁的全过程,碰撞力按各经验公式计算离散性较大,船桥碰撞的损伤具有局部性。     

船舶撞击桥墩的非线性有限元数值仿真

基于数值仿真原理,采用非线性有限元软件ANSYS／LS—DYNA对一艘3000t油船撞击桥墩进行仿真计算．考虑了材料非线性、几何非线性和接触非线性,建立了船桥碰撞有限元模型．分析了碰撞过程中能量、速度、碰撞力的变化,并将碰撞力的大小与国内外规范进行了比较．结果表明：最大碰撞力的估算美国规范和沃辛计算值偏大,我国公路规范...     

关于汽车追尾事故中的力学研究

汽车追尾事故的本质是一种力学现象。运用刚体动力学与运动学的基本原理,分析追尾碰撞的有效碰撞速度,从而推算导致事故发生的追尾车与被撞车之间的行驶速度差值。在追尾碰撞中,被撞车与追尾车所受碰撞力反映在乘员身上的内力为剪切力或挤压力。根据其极限值与极限冲击加速度关系的分析,确定追尾车与被撞车的速度差值对不同车上乘员伤害的不同影响。     

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.     

引信头部雨滴打击力计算

该文通过对雨滴碰撞力计算方法分析,推动出了一种能够描述雨滴硅撞过程力的变化公式。可以作为防雨机构雨滴碰撞力计算的重要理论依据。     

桥墩承受船舶撞击力讨论

船撞桥事故一直在世界各地不断地发生,且事故发生的频率越来越高。由船撞桥事故所导致的人员伤亡、财产损失以及环境污染是惊人的。本文归纳总结了国内外船桥碰撞力的研究现状,以重庆康家沱长江大桥为例,用ANSYS模拟船桥碰撞。对比解析法与数值法所得结果,并从碰撞力、能量等方面说明碰撞给船桥带来的损伤。     

纯电动汽车车身多目标拓扑优化设计

为解决纯电动汽车车身设计中仍沿用传统车身,未同时考虑碰撞相容性和正面碰撞安全性的问题,基于混合元胞自动机拓扑优化方法,以在约束条件下吸收碰撞能量最大化为优化目标,对车身结构进行多工况概念设计,从而确定出合理的电动汽车车身布局,设计出了一种满足正面碰撞安全性与碰撞相容性的车身头部结构.结合拓扑优化结果进行有限元模型验证与厚度分析,结果表明:2~3mm的汽车头部厚度可在满足正面碰撞安全性条件下平衡碰撞过程中车体结构的纵向错位,保证碰撞力的均匀分布,实现车身轻量化.     

列车耐碰撞系统有限元和多体动力学联合仿真

研究基于有限元和多体动力学技术进行列车耐碰撞系统设计的联合仿真策略.通过非线性有限元分析获得车辆吸能部件在碰撞时的力—位移关系曲线,以该曲线模拟车辆连挂之间的非线性弹簧特性,运用多体动力学技术进行了两列车的碰撞动力学仿真.通过仿真分析碰撞中列车各车辆间的作用力、变形、速度、加速度以及各个吸能部件的能量吸收等数值,实现了对新设计列车碰撞被动安全系统总体性能的评估.与高速碰撞相比,在中低速碰撞工况下,头车与第2节车体端部连接处吸收的动能占总动能的比例更高.联合仿真能较真实地模拟列车碰撞的全过程,验证了联合仿真策略的可行性.     

基于数值模拟和机器学习的汽车碰撞代理模型

建立某型皮卡车三维有限元实体模型,模拟汽车对刚性墙碰撞和两车相向对撞的动态过程,得到不同初速度下汽车的碰撞力-位移曲线.将汽车初始速度作为输入,碰撞力-位移曲线作为输出,采用BP神经网络机器学习算法建立全速度域下汽车碰撞代理模型.将数值模拟样本分为训练集和测试集,对代理模型进行训练,并利用测试集样本验证了模型的精度.利用代理模型可以快速预测任意碰撞速度下该汽车的力-位移曲线,为其安全性设计提供依据.     

基于MATLAB的跑车与滑动车挡碰撞分析

以MATLAB为工具,对跑车防护系统的碰撞过程进行动态模拟,分析了碰撞过程中矿车与吸能制动器联动的车挡之间的作用力及在此过程中矿车的速度等运动学及动力学参数,仿真结果表明:吸能制动器可以有效地减小碰撞力,从而保护跑车防护系统。