中低速物体碰撞的载荷特征分析

论文摘要

物体碰撞广泛存在于自然界和工程领域中,掌握物体碰撞局部的撞击载荷特征是碰撞利用和物体/产品安全防护设计、响应分析与评估的基础和前提,目前缺乏对物体碰撞局部的撞击载荷特征的系统分析和总结。本文主要面向碰撞物质相互不穿透、固体材料不发生相变的物体中低速碰撞中的刚-柔碰撞和柔性体受含间隙的弹性约束碰撞两类碰撞问题,系统分析其碰撞局部的撞击载荷特征。对于刚-柔碰撞问题,与多体碰撞动力学的离散化建模和连续接触力建模两大类建模方法不同,而是融合两类建模方法的优势、规避其不足,从唯象的角度凝练刚-柔碰撞问题的共性和主要矛盾,基于柔性体碰撞局部变形行为和柔性体结构特性,分别将其唯象地表征为不同的力-位移关系来建立系统的离散简化动力学模型,既反映刚-柔碰撞的本质和典型特征,又可大幅提升分析效率。然后基于唯象简化动力学模型,高效、系统地分析了柔性体碰撞局部变形性能和柔性体结构刚度效应对撞击局部的载荷谱形、峰值、脉宽、冲量及其所做功等特征参数的影响规律,获得了刚体碰撞柔性体撞击局部的载荷特征,并采用有限元方法对此建模思想和分析结果的正确性进行了初步的定性验证。分析表明,在柔性体结构刚度和碰撞局部变形刚度都较弱的情形,两者耦合将对刚柔碰撞局部的撞击载荷产生显著的影响,两者都不能忽略;而在刚体质量/动量/动能较小、柔性体质量很大、柔性体结构刚度很强等情形,刚柔碰撞局部的载荷特性由柔性体碰撞局部的变形性能主导。对于柔性体受含间隙弹性约束碰撞问题,以基础谐波激励单侧约束简支梁系统为例,采用理想简支梁的振型函数为Rayleigh-Rita基函数离散系统,建立了系统非线性离散动力学方程组,通过数值计算分析系统的动力学响应特征,获得了间隙碰撞效应及对其撞击局部的载荷的认识。分析表明,间隙引起的局部碰撞,将使系统振动能量在线性源系统各阶模态之间转移,特别是传递到超出激励频段的高阶模态上,则线性等效方法将失效;即使进行非线性分析,应用Rayleigh-Ritz方法离散系统时也需要考虑线性源系统固有频率远大于激励频段上限的模态。本文的研究结果,对于物体中低速碰撞现象的认识、研究以及碰撞利用和物体/产品冲击安全防护设计、响应分析与评估具有重要的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
•   1.1 研究背景、意义和范畴
•   1.2 研究进展
•     1.2.1 多体系统碰撞动力学研究建模方法
•     1.2.2 多体系统碰撞局部效应的研究现状
•   1.3 研究问题、思路与内容
• 第二章 刚体碰撞自由柔性体撞击局部的载荷特征分析
•   2.1 刚体碰撞自由柔性体简化抽象模型
•   2.2 数值计算方法
•   2.3 撞击局部的载荷特征分析
•     2.3.1 刚体不同初始碰撞速度时撞击局部的载荷特征
•     2.3.2 柔性体碰撞局部变形刚度不同时撞击局部的载荷特征
•     2.3.3 刚柔质量比不同时撞击局部的载荷特征
•   2.4 小结
• 第三章 刚体碰撞约束柔性体撞击局部的载荷特征分析
•   3.1 刚体碰撞约束柔性体简化抽象模型
•   3.2 撞击局部的载荷特征分析
•     3.2.1 刚体不同初始碰撞速度时撞击局部的载荷特征
•     3.2.2 柔性体碰撞局部变形刚度不同时撞击局部的载荷特征
•     3.2.3 柔性体结构刚度不同时撞击局部的载荷特征
•     3.2.4 刚柔质量比不同时撞击局部的载荷特征
•   3.3 小结
• 第四章 刚体沿轴线碰撞柔性杆撞击局部的载荷特征分析
•   4.1 有限元建模
•     4.1.1 几何和网格模型
•     4.1.2 材料本构模型
•   4.2 撞击载荷特征分析
•     4.2.1 小质量刚性球碰撞柔性杆情形
•     4.2.2 中等质量刚性球碰撞柔性杆情形
•     4.2.3 大质量刚性球碰撞柔性杆情形
•   4.3 小结
• 第五章 不同单侧约束刚度下碰撞对基础谐波激励简支梁动力学响应的影响分析
•   5.1 系统建模
•   5.2 不同单侧约束刚度下系统的基础激励谐波响应分析
•   5.3 共振频率等效线性化方法的适用性分析
•   5.4 小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录:攻读学位期间论文发表情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周岩

导师: 肖世富

关键词: 刚柔碰撞,单侧约束,唯象模型,局部撞击载荷,线性等效方法

来源: 中国工程物理研究院

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 中国工程物理研究院

基金: 国家重点研发计划(2016YFB0201004)

分类号: O313.4

总页数: 81

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