多柔体系统碰撞动力学研究综述

多柔体系统碰撞动力学研究具有重要的研究价值和工程实际意义,本文针对多柔体系统碰撞动力学研究中的几个基本问题进行了全面的分析和评述,其中包括多柔体系统动力学方程的描述、碰撞模型的建立、铰接间隙引起的碰撞问题、数值算法、实验研究、控制等几个方面,并根据目前的发展现状和研究中存在的问题,指出了今后多柔体系统动力学碰撞研究中的发展方向      

柔性多体碰撞问题的多变量方法

针对柔性多体系统碰撞问题的特点, 提出了柔性多体系统碰撞问题的多变量方法. 在未碰撞阶段和分离后的阶段, 多变量方法考虑了物体大范围运动与变形的耦合.在碰撞阶段, 考虑非碰撞区域的变形, 对非碰撞区域用浮动参考系方法求解, 对发生碰撞的局部区域用非线性有限元方法求解. 非碰撞区域采用浮动基位形坐标和柔性体相对浮动基的变形模态坐标描述, 大大减缩了变量的维数,提高了计算效率. 碰撞局部区域采用非线性有限元节点坐标描述, 可以得到碰撞局部区域高精度的应力、应变响应, 而且可以反映碰撞局部区域的大变形、塑性等非线性响应. 该方法既能体现碰撞对系统大范围运动和长期动力学仿真的影响, 又能精确反映出碰撞发生的微小时间段内物体碰撞局部区域的应力、应变响应, 表现出碰撞过程中物体接触区域的演化历程.介绍了两杆正碰撞与铅垂面内双摆撞击自由圆盘的算例, 设计了两柔性杆正碰撞实验,多变量方法的数值仿真结果与实验测量结果很好地吻合.      

平面柔性多体系统正碰撞动力学建模理论研究

针对目前柔性多体系统碰撞动力学建模方法存在的不足,对影响碰撞动力学仿真的主要因素如柔性体建模和碰撞初始条件进行分析,建立起基于变约束的柔性体碰撞动力学方程。首先,为了解决子结构法在处理碰撞界面搜索时面临的难题,引入多体系统柔性体有限元描述方法,推导出凸形柔性体接触点间法向位移约束的二阶导数形式。其次,从碰撞引起的接触界面速度不连续机理出发,结合连续介质力学间断面理论,给出碰撞瞬时由物体本身物理性质决定的接触位置处速度跳跃公式。最后对两弹性圆盘低速碰撞问题进行数值仿真。结果表明本文提出的改进方法符合力学基本原理,仿真结果满足收敛性要求。     

点弹性碰撞问题之解析解

把处于碰撞状态下之碰撞体与靶体看作是一个振动体系，于是可把弹性碰撞问题转化成该体系在部分体系（碰撞体）具有初始扰动速度下的振动响应问题而纳入常规的振动分析范畴．典型示例表明用这种对策可以方便地得到与波动解完全相同的结果．     

柔性多体系统接触/碰撞动力学的若干关键问题

归纳了柔性多体系统接触/碰撞动力学中的4个关键问题: 接触区域的处理方法、 接触作用的力学模型、 柔性体的运动学描述和约束问题的数值方法. 针对这4个问题, 综述了柔性多体领域和有限元领域的现有方法, 指出了这些方法的优点和不足. 进一步提出了柔性多体系统接触/碰撞问题的发展趋势.     

多体系统动力学碰撞问题研究综述

对近年来多体系统碰撞动力学研究进展进行了评述,包括碰撞动力学建模理论、数值算法和实验方面的进展情况.根据各自不同假设条件将建模方法分为冲量动量法、连续碰撞力模型和基于连续介质力学的有限元方法,比较了各种建模方法在碰撞过程描述和数值性态方面的优势和局限性;对碰撞动力学实验在非接触式测量方面取得的最新进展进行了介绍,总结了实验对以上建模理论的验证研究,展示了实验研究方面的一些新发现.最后基于工程实际的需求提出多体系统碰撞动力学面临的新挑战.      

弹体触地的数值模拟分析

针对弹体结构,从弹体尺寸和靶体尺寸的选择方法、撞击速度与连接板中心碰撞到挡板所需要的时间T关系、本构模型参数的选择以及网格处理方法进行了逐项分析和解释。数值模拟分析结果表明:采用靶体碰撞弹体模拟弹体触地情况,必须对实验模拟的合理性和有效性进行分析,靶体的最小长度选择不仅与弹体中塑性波波速有关,还与头部锥体材料和几何尺寸有关;弹体材料的屈服强度严重影响到时间T,在一定的碰撞速度范围内,可近似采用某一不变的动态屈服强度进行计算,但决不能采用静态屈服强度;目前提供的网格删除参数用来分析连接板碰到挡板问题并不完全适用,必须经过修正才行。     

平面柔性多体碰撞阶段附加接触约束方法

含碰撞现象的柔性多体动力学涵盖碰撞前、碰撞中和碰撞后3个不同拓扑的过程, 针对这个特点, 采用附加接触约束方法可将上述3个过程的动力学方程形式统一. 引入碰撞检测机制, 实现拓扑模型的自动变化. 与传统的罚函数方法不同, 以物体间互不嵌入的思想建立附加接触约束, 计算碰撞期间的动力学过程. 通过对发生多次碰撞问题的仿真,从兼顾计算精度和计算效率的角度, 对提出的附加接触约束方法和LS-DYNA罚函数方法进行了对比, 改进了LS-DYNA罚函数方法存在的不足.      

具有摩擦的刚体碰撞

刚体碰撞是力学上的一个经典问题，但目前大都采用给定恢复系数进行分析的方法，本文则直接从两刚体碰撞时Newton第二定律出发，建立了计及摩擦的两刚体碰撞基本理论，并指出了以往研究通过给定恢复系数方法的错误之处。文中通过利用两刚体接触相对变位加速度与碰撞力的关系，定义了法向等效质量，对二维平面碰撞，通过一些简单的比较和定义给出了各种碰撞状态的分类判别法，并给出了碰撞力和冲量的解析式。指出法向等效质量依赖于碰撞状态，在反向滑动和停止滑动这两状态下的法向等效质量是变化的，因此导致其恢复系数是变化的，这样，恢复系数不仅与接触力(接触点情况)有关，而且还与两刚体的运动和动力参数有关，同时给出各种碰撞状态下的恢复系数计算式。     

多体系统碰撞动力学中接触力模型的研究进展

接触碰撞行为作为大自然与多体系统中的常见现象, 其接触力模型对于多体系统的碰撞行为机理研究与性能预测至关重要. 静态弹塑性接触模型与考虑能量耗散的连续接触力模型是研究接触碰撞行为的两类不同方法, 在多体系统碰撞动力学中存在诸多共性与差异. 本文分别从上述两类接触模型的发展历程入手, 详细介绍了两类模型的区别与联系. 首先, 根据阻尼项分母中是否含有初始碰撞速度将连续接触力模型分为黏性接触力模型与迟滞接触力模型, 讨论了能量指数与Hertz接触刚度之间的关系, 阐述了现有连续接触力模型在计算弹塑性材料接触碰撞行为时存在的问题. 其次, 着重介绍了分段连续的准静态弹塑性接触力模型(可连续从完全弹性转换到完全塑性接触阶段), 分析了利用此类弹塑性接触力模型计算碰撞行为的技术特点. 同时, 以恢复系数为桥梁和借助线性化的弹塑性接触刚度, 避免了Hertz刚度对弹塑性接触刚度的计算误差, 根据碰撞前后多体系统的能量与动能守恒推导了弹塑性接触模型等效的迟滞阻尼因子. 探索了连续接触力模型与准静态弹塑性接触力模型之间的内在联系, 数值计算结果定量说明了人为阻尼项代表的能量耗散与弹塑性接触力模型中加卸载路径代表的能量耗散具有等效性. 另外, 为了避免阻尼项分母中初始碰撞速度在计算颗粒物质动态性能时导致的数值奇异问题, 通过求解等效的线性单自由度欠阻尼非受迫振动方程获得了阻尼项分母中不含初始碰撞速度的连续接触力模型, 并以一维球链为例, 证明了该模型相比EDEM软件使用的连续接触力模型具有更高的精度. 最后, 本文分析了当前多体系统碰撞动力学的研究现状, 并简要展望了多体系统碰撞动力学中接触力模型的发展趋势与面临的挑战.      

Neural network solution to an inverse problem associated with the eigenvalues of the Stokes operator

A numerical method, based on the design of two artificial neural networks, is presented in order to approximate the viscosity and density features of fluids from the eigenvalues of the Stokes operator. The finite element method is used to solve the direct problem by training a first artificial neural network. A nonlinear map of eigenvalues of the Stokes operator as a function of the viscosity and density of the fluid under study is then obtained. This relationship is later inverted and refined by training a second artificial neural network, solving the aforementioned inverse problem. Numerical examples are presented in order to show the effectiveness and the limitations of this methodology.     

Implicit schemes for unsteady Euler equations on triangular meshes

An implicit finite element method is presented for the solution of steady and unsteady inviscid compressible flows on triangular meshes under transonic conditions. The method involves a first-order time-stepping scheme with a finite element discretization that reduces to central differencing on a rectangular mesh. On a solid wall the slip condition is prescribed and the pressure is obtained from an approximation of the normal momentum equation. With this solver no artificial viscosity is added to ensure the success of the calculation. Numerical examples are given for steady and unsteady cases.     

三相介质饱和土自由场中爆炸波的传播规律

饱和土是由固体上颗粒、水和少量封闭的空气组成的三相介质。介绍了爆炸波作用下三相介质饱和土有限元基本方程的建立过程，推导了引进人工粘性项的动力有限元方程，得到在饱和土自由场中爆炸波的传播规律；不同空气含量饱和土中爆炸波随深度的衰减规律。文中还给出了有限元与有限差分间断分解结果的比较，以说明本文理论方法的有效性。     

基于非结构网格的TTGC有限元格式的实现及在超声速流动中的应用

基于非结构网格系统,实现了时空三阶精度的TTGC有限元格式,并在三阶TTGC格式上发展了基于人工粘性的激波捕捉技术。在非结构网格下,采用这种方法对若干典型的超声速流动问题(SOD激波管、马赫数为3的前台阶流动以及马赫数为8的高超声速圆柱流动)进行了验证计算。结果表明,TTGC格式分辨率高,在粗糙网格下能够准确的模拟超声速流场中的激波、接触间断等复杂流动现象,并且能有效的控制间断附近的数值色散现象。与传统的有限体积方法相比,本文实现的TTGC有限元格式在模拟超声速流动问题方面具有格式精度高、数值耗散小等优点。     

流体饱和多孔介质黏弹性动力人工边界

基于Biot流体饱和多孔介质本构方程，分别考察具有辐射阻尼性质的外行柱面波和球 面波在圆柱面和球面人工边界上引起的法向、切向应力的表达式. 在应力表达形式上，固相 介质和孔隙流体的法向和切向应力都是由两项组成，它们分别与质点的位移和速度成正比， 因此，可在人工边界的法向和切向设置连续分布的并联弹簧------黏滞阻尼器，用来模拟人工边 界以外的无限域介质对来自有限计算域的外行波动的能量吸收作用，从而形成了流体饱和多 孔介质的黏弹性动力人工边界. 流体饱和多孔介质的黏弹性动力人工边界可方便地与大型通 用软件结合，用于分析饱和土中复杂的结构-地基动力相互作用问题. 算例表明流体饱和多 孔介质黏弹性动力人工边界具有较好的精度和稳定性.     

THE MATHEMATICAL MODELLING OF NEAR COAST SHALLOW WATER CIRCULATION

This paper presents a finite element method to solve the shallow water circulation problem numerically. Considering the Coriolis effect, bottom friction and eddy viscosity, the continuity equation and momentum equation are integrated vertically. Using Galerkin weighted residual method, the weak variational formulation is derived for the finite element analysis. The split-time method is applied for the numerical integration instead of iteration for nonlinear terms. Moreover, an artificial smooth approach is proposed to suppress the short wavelength noise. In order to save Computer storage units, a densed storage scheme is set up, where all the zero elements in large scaled and sparse matrices are excluded.     

基于振动响应的耦合弦系统损伤检测

为解决具有相近频率和相重频率特征的多跨耦合弦系统的损伤检测问题,建立了耦合弦系统在外激励作用下的有限元运动方程.利用直接积分法计算了系统强迫振动响应,将弦的局部损伤模拟为单元面积的减少,推导了振动响应对弦单元面积的灵敏度,并利用此响应灵敏度进行弦的局部损伤识别.数值算例表明:此方法能快速准确地识别出耦合弦的局部损伤,并且对模拟的人工噪声不敏感.     

Residual‐based artificial viscosity for simulation of turbulent compressible flow using adaptive finite element methods

In this paper, we present a finite element method with a residual‐based artificial viscosity for simulation of turbulent compressible flow, with adaptive mesh refinement based on a posteriori error estimation with sensitivity information from an associated dual problem. The artificial viscosity acts as a numerical stabilization, as shock capturing, and as turbulence capturing for large eddy simulation of turbulent flow. The adaptive method resolves parts of the flow indicated by the a posteriori error estimates but leaves shocks and turbulence under‐resolved in a large eddy simulation. The method is tested for examples in 2D and 3D and is validated against experimental data. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

Large eddy simulation and spectrum analysis of flow around two square cylinders arranged side by side

Large eddy simulation cooperated with the second order full extension ETG ( Euler-Taylor-Galerkin ) finite element method was applied to simulate the flow around two square cylinders arranged side by side at a spacing ratio of 1.5. The second order full extension ETG finite element method was developed by Wang and He. By means of Taylor expansion of terms containing time derivative, time derivative is replaced by space derivative. The function of it is equal to introducing an artificial viscosity term. The streamlines of the flow at different moments were obtained. The time history of drag coefficient, lift coefficient and the streamwise velocity on the symmetrical points were presented. Furthermore, the symmetrical problem of the frequency spectrum of flow around two square cylinders arranged side by side were studied by using the spectral analysis technology. The data obtained at the initialstage are excluded in order to avoid the influence of initial condition on the results. The power spectrums of drag coefficient, lift coefficient, the streamwise velocity on the symmetrical points were analyzed respectively. The results show that although the time domain process of dynamic parameters is nonsymmetrical, the frequency domain process of them is symmetrical under the symmetrical boundary conditions.     

应用分形有限元方法于外域声场计算

 应用二级分形有限元方法计算了外域声场. 用一人工边界把外域声场分为两 部分，人工边界以内使用常规有限元方法，人工边界以外的无限大区域使用分形有限元方法. 使用分形有限元方法的优点是：一方面形成几何自相似网格使得相邻层之间的单元刚度矩阵 和质量矩阵具有非常简单的关系；另一方面引用自动满足无限远辐射条件的全域插值函数把 节点自由度变换为一组广义坐标，因而计算量可以大大减少. 数值算例表明：该方法对于计 算无限大外域声场是有效的.