三维接触问题的非光滑算法

给出了一种非光滑算法直接用于求解三维摩擦接触问题的不可微非线性互补模型,不再对模型进行光滑化处理,使算法更加简单。文中对非光滑算法的收敛性给出了严格的数学证明,数值实验表明该算法列式简单,但与光滑化算法同样有效。     

基于1范数正则化的模型修正方法在结构损伤识别中的应用

以基于灵敏度分析的有限元模型修正方法为基础,提出了一种基于1范数正则化过程的结构损伤识别方法。通过与以Tikhonov正则化为代表的二次型正则化过程相比较,本文的理论分析表明1范数正则化方法在迭代计算过程中能根据上一迭代步损伤识别结果自适应地调整正则化项中的损伤参数权系数,从而显著改善了Tikhonov正则化识别结果过度光滑的缺陷,更利于识别结构的局部损伤。为解决引入1范数造成的数值计算困难,文中还对基于1范数正则化的模型修正算法进行了改进。以二维框架模型为例的损伤识别数值模拟表明：1范数正则化方法与模型修正方法相结合可以有效抑制实测模态参数中噪声的影响,体现出较好的鲁棒性;在模态噪声水平达到10%的情况下,仍能有效抑制噪声干扰,凸显结构局部损伤位置,准确识别损伤程度。     

采用二次等参体元时的接触判据

当二次等参体元用于分析接触问题时,接触面上节点集中接触力不同号给建立接触判据造成困难。本文建立了由节点集中接触力计算接触面上分布接触力节点值的方法,从而可顺利建立接触判据。此方法已成功应用于工程中的弹性固体接触问题分析,文末给出了一个计算实例。     

一种基于无梯度思想的弹性接触问题优化方法

基于无梯度思想,针对弹性接触问题中存在的应力集中问题提出了一种形状优化方法.研究发现:通过改变接触面和非接触面形状的方法,均能够有效地减轻弹性接触面上的接触应力集中.结合 ABAQUS 有限元分析软件,直接变动有限元模型中的接触面或非接触面单元节点的位置,进而改变优化边界的形状,最终达到减小接触面上应力集中的目的.通过两个优化算例分别展示了所提出的方法在处理二维和三维弹性接触问题中的可行性.算例结果表明:优化后,接触应力值分布在一个预定的区间内,接触面上的集中应力得到了显著的优化.本方法为处理工程接触优化问题提供了新的思路.     

基于分子动力学-格林函数法的微凸体接触数值分析

表面接触是摩擦的先决条件,其真实接触面积、压应力大小、空间分布等一直是接触力学关注的核心问题.采用分子动力学-格林函数法(GFMD)模拟粗糙面的接触过程,验证了其在大规模接触分析中的高效及准确性,同时探讨了由微球体组成的粗糙面的接触力学特性,并分析了分子尺度下的结果和传统力学模型计算结果的差异.结果表明,单个微凸体接触结果和分子动力学-格林函数法模拟所得非常接近,误差在5%以内.数值模拟发现,在微凸体高度符合高斯分布的情况下,接触面积和接触力成线性关系;在相同接触面积下,微凸体模型得出的接触力偏高,是上限值.微凸体模型没有考虑微凸体间的相互影响,实际是高估了弹性体的刚度;实际接触过程中微凸体相互影响,微凸体对临域形变影响尤其大,使接触区域更加离散.GFMD模型可以准确计算数十亿量级别分子、原子接触过程中真实接触面积及分布,为后续摩擦、滑移等分析提供可靠的参考.     

一种基于面-面局部搜索的接触算法

接触-碰撞算法是影响动态接触问题数值分析精度的重要因素,发展健壮、精确的局部搜索算法对提高数值模拟精度具有重要意义。为解决点-面接触搜索算法存在的盲区问题,提出了一种基于面-面的局部搜索算法,并发展了相应的接触力计算方法。新的接触算法以面心坐标与特征长度表征接触片,进行预搜索快速排除不会发生接触的潜在接触对;利用主从接触片的投影与侵入深度关系确定接触片间的接触状态;利用等参逆变换解析给出接触点,避免了方程组的迭代求解。典型算例与工程实例计算表明,本文算法消除了接触搜索的盲区,具有很好的健壮性与计算精度。     

一种基于面-面局部搜索的接触算法

接触-碰撞算法是影响动态接触问题数值分析精度的重要因素,发展健壮、精确的局部搜索算法对提高数值模拟精度具有重要意义。为解决点-面接触搜索算法存在的盲区问题,提出了一种基于面-面的局部搜索算法,并发展了相应的接触力计算方法。新的接触算法以面心坐标与特征长度表征接触片,进行预搜索快速排除不会发生接触的潜在接触对;利用主从接触片的投影与侵入深度关系确定接触片间的接触状态;利用等参逆变换解析给出接触点,避免了方程组的迭代求解。典型算例与工程实例计算表明,本文算法消除了接触搜索的盲区,具有很好的健壮性与计算精度。     

二阶非定常多宗量热传导反问题的正则解

引入Bregman距离函数及其加权函数作为正则项，应用Tikhonov正则 化方法，对二阶非定常多宗量热传导反问题进行求解. 利用测量信息和计算信息构造最小二 乘函数，将多宗量反演识别问题转化为一个优化问题. 空间上采用8节点等参元进行离散， 时域上采用时域精细算法进行离散，建立了二阶非定常多宗量热传导问题的有限元正/反演数 值模型. 该模型不仅考虑了非均质和参数分布的影响，而且也便于正反演问题的敏度分析， 可对导热系数和边界条件等宗量进行有效的单一和组合识别. 给出了相关的数值验证，对信 息测量误差以及不同正则项的计算效率作了探讨. 数值结果表明，该方法能够对二阶非定常 多宗量热传导反问题进行有效的求解，并具有较高的计算精度.     

三维摩擦接触问题不动点算法

三维摩擦接触问题具有多重非线性性质,使求解变得比较困难,为了解决此问题,建立了三维摩擦接触问题的模型,介绍了一种非光滑混合不动点算法.该算法克服了在接触面上由于可能的滑动状态有无穷多个而难以确定的难点,算法未引入人工变量,计算量较小,计算结果精确满足接触状态条件,收敛性得到保证.根据此算法编制程序,将叠合悬臂梁算例数值计算结果与商用有限元软件进行比较,也表明了不动点算法的有效性.     

考虑接触应力非线性分布的接触力元模式及其验证分析

在作者提出的非连续变形计算力学模型中,采用接触力元模型描述多体接触界面上的接触特性．由于这种模型中假定接触应力沿接触界面为线性分布,从而得到的接触界面应力分布往往出现跳跃等非光滑性特征,该文对此进行了改进,采用具有高阶光滑性的非线性函数建立了能够考虑界面上接触应力非线性分布的接触力元模式,以期合理地揭示多体系统中界面的接触特性．对某一典型算例进行了数值计算,通过与大型通用非线性有限元结构分析软件ABASQUS的计算结果对比,验证了所建议计算模型的合理性与有效性．两种方法计算得到的界面接触对上的接触力基本相同;而由于采用的应力分布模式的假定不同,接触应力有所差别,由于在该文计算模型中接触对上的接触应力是按照未知量直接求得的,因此按照所建议的非线性接触力元模式所得到的接触应力更为合理．     

UNILATERAL CONTACT PROBLEMS USING QUASI-ACTIVE SET STRATEGY

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅｒｅａｒｅｏｆｔｅｎｓｏｍｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｒｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｗｈｉｃｈｃａｎｏｎｌｙｔｒａｎｓｆｅｒｏｎｅｓｐｅｃｉａｌｆｏｒｍｏｆｓｔｒｅｓｓ,ｓｕｃｈａｓｔｈｅｃａｂｌｅｗｈｉｃｈｃａｎｏｎｌｙｂｅｕｓｅｄｔｏｔｒａｎｓｆｅｒｔｈｅｔｅｎｓｉｏｎｓｔｒｅｓｓａｎｄｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｗｈｉｃｈｃａｎｏｎｌｙｔｒａｎｓｆｅｒｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅ.Ｉｎｇｅｎｅｒａｌ,ｓｕｃｈｐｒｏｂｌｅｍｓａｒｅｏｆｔｅｎｃａｌｌｅｄｔｈｅｕｎｉｌａｔ…     

Dynamics of finite element structural models with multiple unilateral constraints

Fast and accurate simulation of mechanical structures with complex geometry requires application of the finite element method. This leads frequently to models with a relatively large number of degrees of freedom, which may also possess non-linear properties. Things become more complicated for systems involving unilateral contact and friction. In classical structural dynamics approaches, such constraints are usually modeled by special contact elements. The characteristics of these elements must be selected in a delicate way, but even so the success of these methods cannot be guaranteed. This study presents a numerical methodology, which is suitable for determining dynamic response of large scale finite element models of mechanical systems with multiple unilateral constraints. The method developed is based on a proper combination of results from two classes of direct integration methodologies. The first one includes standard methods employed in determining dynamic response of structural models possessing smooth non-linearities. The second class of methods includes specialized methodologies that simulate the response of dynamical systems with unilateral constraints. The validity and effectiveness of the methodology developed is illustrated by numerical results.     

Planar multiple-contact problems subject to unilateral and bilateral kinetic constraints with static Coulomb friction

This paper is concerned with contact problems. A planar multiple-contact problem subject to unilateral and bilateral kinetic constraints with static friction is studied using the complementarity method. First, this paper discusses the one-to-one correspondence of solutions of the contact problems of concern and of the corresponding complementarity models. An enhanced complementarity model is proposed by adding missed tangential acceleration constraints into previous complementarity models. Solutions of the proposed complementarity model and solutions of the contact problem are proven to exhibit one-to-one correspondence, which may not be guaranteed in the previous complementarity models. Then, this paper applies linear complementarity theory to investigate the properties of the solutions of the proposed complementarity model. For both unilaterally constrained contact problems and bilaterally constrained contact problems, the existence of solutions and boundedness of solutions are proven. Sufficient conditions for the uniqueness of solutions and finiteness of the number of solutions are also provided. Several numerical examples are given to show the non-uniqueness of solutions or the infiniteness of the number of solutions. Such phenomena demonstrate the non-smoothness of the contact problems discussed herein.     

基于有限时间收敛的双臂空间机器人捕获卫星主动对接力/位姿阻抗控制

针对双臂空间机器人捕获卫星主动对接力/位姿阻抗控制进行了研究. 为防止捕获过程中机械臂末端执行器与卫星接触、碰撞时产生的冲击载荷对机器人关节造成冲击破坏, 在各关节电机与机械臂之间加入了一种弹簧阻尼缓冲机构. 该机构可通过弹簧实现冲击力矩的卸载, 阻尼器则用于因弹簧引起的柔性振动的抑制. 为解决捕获过程中的非完整动力学约束及捕获后混合体系统的协调控制问题, 结合牛顿第三定律、捕获点的速度约束及闭链几何约束, 获得捕获后混合体系统的动力学方程, 且通过动量守恒关系计算碰撞冲击效应与碰撞冲击力. 通过分析对接装置在载体坐标系下的运动学关系, 建立对接装置相对载体的运动雅可比矩阵, 并基于此建立基于力的二阶线性阻抗模型, 实现对接装置输出力的精确控制. 考虑到主动对接操作过程要求控制器具有收敛速度快, 控制精度高的特点, 通过结合终端滑模与超扭滑模的特点, 提出一种非奇异快速终端滑模阻抗控制策略. 该策略即能实现主动对接操作中位姿与输出力的快速响应, 又能有效地抑制滑模的抖振以保证控制精度. 通过Lyapunov定理证明系统的稳定性; 利用数值模拟验证缓冲装置的抗冲击性能及所提阻抗控制策略的有效性.      

考虑等效曲率的超二次曲面单元非线性接触模型

基于连续函数包络的超二次曲面单元可有效地描述自然界和工业生产中的非球体颗粒形态, 并通过非线性迭代方法精确计算单元间的接触力. 对于具有复杂几何形态的超二次曲面单元, 线性接触模型不能准确地计算不同接触模式下的作用力. 考虑超二次曲面单元相互作用时不同颗粒形状及表面曲率的影响, 本文发展了相应的非线性黏弹性接触模型. 该模型将不同接触模式下的法向刚度和黏滞力统一表述为单元间局部接触点处等效曲率半径的函数; 切向接触作用则借鉴基于Mohr-Coulomb摩擦定律的球体单元非线性接触模型的计算方法. 为检验超二次曲面单元接触模型的可靠性, 对球形颗粒间的法向碰撞、椭球体颗粒间的斜冲击过程、圆柱体的静态堆积和椭球体的动态卸料过程进行离散元模拟, 并与有限元数值结果及试验结果进行对比验证. 计算表明, 考虑接触点处等效曲率半径的超二次曲面非线性接触模型可准确地计算单元间的接触碰撞作用, 并合理地反映非球形颗粒体系的运动规律. 在此基础上进一步分析了不同长宽比和表面尖锐度对卸料过程中颗粒流动特性的影响, 为非球形颗粒材料的流动特性分析提供了一种有效的离散元方法.      

对偶法求解应力与位移约束不同显式的优化模型

基于响应面法,通过内力将应力约束显式化为正变量的一阶近似,位移约束采用倒变量一阶近似,建立以桁架结构重量最小为目标的截面优化模型,采用对偶规划理论转化为拟无约束模型,采用序列二次规划算法求解。此方法同应力约束零阶近似和一阶近似(使用响应面方法显式化)等方法进行了算例比较,表明本文的优化模型有较好的求解效率。     

CRACK FACE CONTACT PROBLEM ANALYSIS USING THE SCALED BOUNDARY FINITE ELEMENT METHOD

比例边界有限元侧面上有任意荷载时,将侧面载荷分解成关于径向方向局部坐标的多项式函数的和,推导给出了考虑侧面载荷存在的新型形函数,并基于该形函数推导了刚度矩阵和等效节点载荷列阵.首次对比例边界有限元法求解裂纹面接触问题进行了研究,运用Lagrange乘子引入接触界面约束条件,推导给出了比例边界有限元求解裂纹面接触问题的控制方程.将裂纹面单元分为非裂尖单元和含有侧面的裂尖单元.在非裂尖单元中的裂纹面,裂纹面作为多边形单元的边界,边界上的接触力可等效到节点上,通过在节点上构造Lagrange乘子,采用点对点接触约束进行处理.对于含有侧面的裂尖单元,在整个侧面上构造Lagrange乘子的插值场,采用边对边接触约束进行处理.对三个不同的接触约束状态下的算例进行了数值计算,通过与解析解及有限元软件ABAQUS计算结果的对比,验证了本文提出的比例边界有限元点对点和边对边接触求解裂纹面接触问题的精确性与有效性.     

Elastic-plastic contact model for rough surfaces based on plastic asperity concept

A mathematical formulation for the contact of rough surfaces is presented. The derivation of the contact model is facilitated through the definition of plastic asperities that are assumed to be embedded at a critical depth within the actual surface asperities. The surface asperities are assumed to deform elastically whereas the plastic asperities experience only plastic deformation. The deformation of plastic asperities is made to obey the law of conservation of volume. It is believed that the proposed model is advantageous since (a) it provides a more accurate account of elastic-plastic behavior of surfaces in contact and (b) it is applicable to model formulations that involve asperity shoulder-to-shoulder contact. Comparison of numerical results for estimating true contact area and contact force using the proposed model and the earlier methods suggest that the proposed approach provides a more realistic prediction of elastic-plastic contact behavior.     

基于基底长度的粗糙表面分形接触模型的构建与分析

为建立更为精确的粗糙表面接触模型,根据微凸体变形特征、分形理论以及摩擦的作用,从微观角度基于基底长度建立了粗糙表面分形接触模型.通过与其他粗糙表面接触模型和实验数据的比较,验证了本文模型的正确与合理,并由数值仿真分析了分形维数、接触载荷与真实接触面积之间的相互关系.分析结果表明:特征尺度一定时,要维持一定的真实接触面积,分形维数越大,所需要的力也越大;分形维数与特征尺度一定时,随着载荷的增加,接触面积也在增加;特征尺度与接触力一定时,随着分形维数的增大,真实接触面积在减小.该模型的建立为进一步研究粗糙表面的摩擦、磨损与润滑提供了理论依据.