硬球加强模型在CFD-DEM耦合计算中的验证与分析

针对CFD-DEM耦合计算中，颗粒计算时间步的选取影响颗粒碰撞计算精度和效率的问题。本文引入插值算法，将动量定理求解颗粒碰撞前后速度进行加权平均；根据弹性理论计算得到颗粒碰撞力，进行动力学方程求解；通过速度收敛准则修正初值速度并自动调整迭代求解次数，提出一种计算精度不受计算时间步长影响，无需对碰撞过程进行精细描述的高效率和高精度的加强硬球模型。对两个颗粒匀和变速碰撞算例进行数值模拟，碰撞后速度、碰撞力和碰撞时间与理论计算误差小于4%,与采用软球碰撞模型的DEM方法相比，颗粒碰撞计算精度不受计算时间步长影响，计算效率提高36.3%和36.8%。对单个颗粒在静水中沉降进行数值模拟，计算步长取10 s～5 s,颗粒与壁面即可得到精确解，计算效率提高33.5%。通过压力损失实验验证了该模型能够准确计算颗粒体积分数小于12%条件下两相流的压力损失。     

钝圆柱头质量对简支梁的弹性次碰撞研究

该文采用赫兹碰撞理论、三维动力有限元方法和自行研制的次碰撞实验装置,研究了钝圆柱头质量一次坠落碰撞简支钢梁过程的次碰撞现象、次碰撞过程的持续时间和次碰撞发生的条件．实验测试和数值模拟均清楚地观察到了复杂的次碰撞现象．研究结果表明：（1）当梁初始处于静止状态时,将实验测试和数值模拟结果与理论分析结果对比后发现,首个次碰撞过程由局部接触变形主导,并可以采用 Hertz弹性碰撞理论来描述;（2）实验和数值模拟结果展现了与首个次碰撞过程特征迥异的后续次碰撞过程,后续次碰撞过程的持续时间出现大范围的随机变化;（3）进一步分析发现,后续次碰撞过程由局部接触变形和梁的整体变形运动共同主导,梁的整体变形运动使得碰撞力响应变得异常复杂;（4）通过数值计算结果发现,当出现次碰撞现象时,碰撞位移响应中的一阶模态幅值占比会突然降低,相位角发生明显的变化;（5）数值计算结果表明,次碰撞发生的条件与质量比、碰撞初速度、碰撞动量、碰撞位置、测试梁长度和厚度等有关;（6）次碰撞发生的条件若用质量比来度量,则发现存在一个质量比阀值．上述研究表明,局部接触变形和梁的整体变形运动相互作用,产生了复杂的耦合效应,使得次碰撞现象呈现了丰富的力学行为．因此,进一步通过理论、实验和数值仿真研究复杂的次碰撞现象,对于深入理解柔性结构的碰撞行为很有必要．     

汽车侧面和斜碰撞中人体胸部损伤响应数值分析

车辆侧面和斜碰撞在导致乘员严重损伤的交通事故中占有相当大的比例, 但与正面碰撞事故研究相比仍缺少对车内乘员在侧面和斜碰撞中的胸部损伤生物力学的深入研究. 因此本文采用数值模型来分析这两种碰撞载荷下的人体胸部生物力学响应以及损伤相关的物理参数. 首先, 将自主开发验证的胸部、头颈部和下肢有限元模型相结合, 建立了一个完整的人体坐姿有限元模型;然后, 采用该坐姿模型模拟了文献中的7例尸体胸部侧面碰撞和斜碰撞实验;仿真计算获得的碰撞力、胸部变形量和力-变形等损伤相关的响应曲线都在对应的生物力学实验曲线走廊范围内;仿真与实验结果对比表明了坐姿模型的有效性;从仿真结果发现碰撞力峰值较接近于实验结果的较大值, 而变形量趋向于实验结果的较小值;同时, 侧面碰撞条件下所得到的碰撞力峰值比斜碰撞中稍大, 峰值出现的时刻较早;而侧面碰撞中胸部变形量峰值比斜碰撞中较小, 出现的时刻同样较早, 这与实验结果所呈现的趋势一致. 分析说明在相同载荷强度下侧面碰撞胸部耐受限度高于斜碰撞时的耐受限度. 该胸部有限元模型可较准确地再现侧面碰撞和斜碰撞生物力学实验中的胸部响应过程, 具有较好的生物逼真度, 可进一步用于侧面碰撞和斜碰撞中乘员胸部损伤生物力学研究.      

颗粒群碰撞搜索及CFD-DEM耦合分域 求解的推进算法研究

在采用计算流体力学-离散元耦合方法(computational fluiddynamics-discrete element method, CFD-DEM)进行固液两相耦合分析时, 颗粒计算时间步的选取直接影响到耦合计算精度和计算效率. 为此, 本文选取每个目标颗粒为研究对象, 引入插值函数计算时间步的运动位移, 构建可变空间搜索网格; 通过筛选可能碰撞颗粒建立搜索列表, 采用逆向搜索方式判断碰撞颗粒, 从而提出一种改进的DEM方法(modified discreteelement method, MDEM). 该算法在颗粒群与流体耦合计算中, 颗粒计算初始时间步选取不受颗粒碰撞时间限制, 通过自动调整和修正实现大步长, 由颗粒和流体耦合条件实时更新流体计算时间步, 使颗粒计算时间步选取过小导致计算效率低、选取过大导致颗粒碰撞漏判的问题得以解决, 为颗粒与流体耦合的数值模拟提供了行之有效的计算方法. 通过两个颗粒和多个颗粒的数值模拟, 得到的颗粒间碰撞力、碰撞位置及次数, 与理论计算结果的相对误差均低于2%, 与传统的DEM碰撞搜索算法相比, 在选取的3种计算时间步均不会影响计算精度, 且有较高的计算效率. 通过多个颗粒与流体的耦合数值模拟, 采用传统的CFD-DEM方法, 只有颗粒计算时间步选取10$^{-6}$ s或更小才能得到精确解, 而采用本文方法取10$^{-4}$ s也能够得到精确解, 避免了颗粒碰撞随时间步增大而出现的漏判问题, 且计算耗时降低了16.7%.      

精细积分法应用于地震碰撞力反应谱计算研究

相邻结构的碰撞时程分析是计算地震碰撞力反应谱的基础。结构碰撞时程分析要求采用稳定性好、精度高及计算效率高的数值分析方法。精细积分法将二阶动力微分方程通过增元降阶的方式转换成Hamilton对偶变量体系,得到了动力微分方程的精确解。基于此,本文将精细积分法引入结构碰撞时程分析及地震碰撞力反应谱计算中。在推导精细积分法公式的基础上,在MATLAB环境下编制了结构碰撞时程分析程序和碰撞力反应谱计算程序,并实现了碰撞力反应谱程序的并行化。经算例验证,精细积分法应用于结构碰撞时程分析及地震碰撞力反应谱计算是可行的,程序计算结果准确。     

接触-碰撞算法研究进展

接触-碰撞广泛存在于实际工程问题中,是影响数值计算效率与计算精度的重要因素。本文针对变形体间接触-碰撞问题的显式有限元计算,介绍接触-碰撞算法近30年来取得的主要进展。首先,简要介绍接触-碰撞问题的界面离散模型;然后,从全局接触搜索、局部搜索、接触约束施加以及接触计算的并行化四方面详细阐述目前主要算法的基本思想与特点,并分析其优势与不足;最后,对接触-碰撞算法相关研究方向给出建议。     

多点碰撞动力学的规范求解

物体间的碰撞是工程技术中一个重要研究课题．大多数的研究工作都是集中在多刚体系统碰撞动力学问题的研究．在多刚体系统中，两个刚体之间是用一个铰连接的．但是，还存在另一类型的碰撞系统，在这类碰撞系统中，相碰的物体间没有铰存在．物体可能是自由的，也可能是被其周围环境约束的，但在物体之间没有铰的联系，这种碰撞问题称作为“分离式碰撞问题”，物体间的相互联系和相互作用仅仅在碰撞过程中存在．本文对这类“分离式碰撞问题”进行了研究，并且给出了一组解决这类问题的通用公式．这些公式可以方便地编程和计算，从而实现了多物体间的多点碰撞的动力学求解     

高速碰撞的三维欧拉数值模拟方法

介绍一种可用于高速碰撞问题数值模拟的三维弹塑性流体动力学数值计算方法,以及应用该方法研制的应用软件ＭＥＰＨ３Ｄ,并给出了一些高速碰撞问题的数值计算结果,计算结果表明该程序具有计算三维高速碰撞问题的能力。     

DYNAMIC SUBSTRUCTURE METHOD FOR PROPAGATION OF ELASTIC-PLASTIC WAVE INDUCED BY IMPACT

通过建立弹塑性碰撞动态子结构模型,推导了模态坐标下的控制方程,提出了模拟柔性结构碰撞激发弹塑性波传播的动态子结构方法,并对其中的主模态的存在性和主模态截断的收敛性进行了证明.通过对柔性杆纵向碰撞和柔性梁横向碰撞两个算例的计算,并将计算结果与理论解和三维动力有限方法计算结果进行了对比,验证了该方法的数值收敛性和计算碰撞弹塑性波传播的有效性.     

应变率有关理论中Symonds模型的工程应用

讨论了在结构碰撞数值计算中遇到的应变率效应问题。进行碰撞过程模拟计算时,分别将静态弹塑性理论和应变率有关理论中的Ｓｙｍｏｎｄｓ模型引入材料的本构关系。     

硬盘驱动器冲击激励的头盘碰撞分析

根据Winchester型硬盘驱动器在冲击载荷作用下头盘碰撞的动力学方程,利用数值模拟方法分析了在正弦半波激励条件下头盘系统的动力学响应过程。当头盘系统发生碰撞时,冲击激励峰值加速度与作用时间的倒数之间具有近似线性关系。随激励强度和作用时间的变化,硬盘驱动器具有性能退化、盘面局部损坏和头盘系统结构破坏三种失效形式。磁头浮动块与磁盘盘面发生多次碰撞,碰撞位置可能在浮动块尾端,也可能在浮动块的前端。硬盘驱动器冲击失效的理论分析结果得到了爆炸冲击环境条件下试验现象的验证。     

A theoretical model of collision between soft-spheres with Hertz elastic loading and nonlinear plastic unloading

This paper presents a theoretical model on the normal (head-on) collision between soft-spheres on the basis of elastic loading of the Hertz contact for compression process and a nonlinear plastic unloading for restitution one, in which the parameters all are determined in terms of the material and geometric ones of the spheres, and the behaviors of perfect elastic, inelastic, and perfect plastic collisions appeared in the classical mechanics are fully described once a value of coefficient of restitution is specified in the region of 0 ≤ ε ≤ 1. After an empirical formula of the coefficient of restitution dependent on the impact velocity is suggested to fit the existing experimental measurements by means of the least square method, the predictions of the dependency and the collision duration are in well quantitative agreement with their experimental measurements. It is found that the measurable quantities are dependent on both the impact velocity and the parameters of spheres. Following this model, finally, an approach to determine the spring coefficient in the linear viscoelastic model of the collision is also displayed. These results obtained here will be significantly beneficial for the applications where a collision model is requested in the simulations of relevant grain flows and impact dynamics etc..     

The equations of external impacted dynamics between multi-rigidbody systems

I.Intr0ducti0nTheimpactproblemofmulti-rigidbodysystemisanimportantresearchingtaskirithedomainofmodernengineering.Uptonow,afewscholarshavestudiedthisproblem.Startingfromthewewton-Eu1erdynamicequation,paperIl]discussesthegeneralsituationofimpactdynamicsofmu…     

双层平行反应装甲与射流作用过程分析

根据双层平行反应装甲飞板飞散变形的物理过程分析, 认为平行双层反 应装甲与射流作用过程分流为两个阶段, 在中间两飞板碰撞以前, 两组件的运动是独立的, 因此可按两个单个反应装甲先后与射流作用; 而中间两板碰撞以后即退出干扰作用, 按射流 与单个反应装甲作用计算. 并根据飞板运动规律得出了飞板碰撞退出干扰作用的时间. 通过 与实验和数值模拟结果比较表明, 理论分析过程与实验和数值模拟计算结果基本吻合.     

船舶碰撞的研究方法和进展

本文简要评述船舶碰撞的研究进展和发展趋势。介绍了船舶碰撞研究的内容和方法（包括理论的和实验的）。本文重点阐述实船试验方法，包括实尺试验的基本步骤，实尺试验的输入参数选择和试验地点选择。最后提出了综合性意见，并介绍了国内在碰撞研究方面已做的工作和将要做的工作。     

Head-on collision between two mKdV solitary waves in a two-layer fluid system

In this paper, based on the equations presented in [2], the head-on collision between two solitary waves described by the modified KdV equation (the mKdV equation, for short) is investigated by using the reductive perturbation method combined with the PLK method. These waves propagate at the interface of a two-fluid system, in which the density ratio of the two fluids equals the square of the depth ratio of the fluids. The second order perturbation solution is obtained. It is found that in the case of disregarding the nonuniform phase shift, the solitary waves preserve their original profiles after collision, which agrees with Fornberg and Whitham's numerical result of overtaking collision161 whereas after considering the nonuniform phase shift, the wave profiles may deform after collision.     

New expression for collision efficiency of spherical nanoparticles in Brownian coagulation

The collision efficiency of dioctyl phthalate nanoparticles in Brownian coag- ulation has been studied. A set of collision equations is solved numerically to find the relationship between the collision efficiency and the particle radius varying in the range of 50 nm to 500 nm in the presence of Stokes resistance, lubrication force, van der Waals force, and elastic deformation force. The calculated results are in agreement with the experimental data qualitatively. The results show that the collision efficiency decreases with the increase of the particle radii from 50 nm to 500 nm. Based on the numerical data, a new expression for collision efficiency is presented.     

The setting up of the equations for two-phase flows by the kinetic theory method

The fundamental equations for two-phase flows are deduced from the Boltzmann's equation. The collision terms are treated with a method similar to what is used in the classical kinetic theory for handling the transport properties of dense gases. It is shown that collision pressure and collision thermal flux exist in gas-particle flows in addition to the general partial pressure and partial thermal flux. Their physical natures are quite different from those of the general partial pressure and partial thermal flux. The applicability of the binary collision assumption and the molecular chaos assumption to gas-particle flows is also discussed. Finally, the equations for two-phase flows obtained by the method of the kinetic theory are compared with those obtained by average continuum models and by the model of particle clouds. The results from the kinetic theory show clearly the physical significance of various parameters and clarify some confusing concepts. Institute of Mechanics, Academia Sinica     

膜材碰撞接触分析的向量式有限元法

向量式有限元是以向量力学理论为分析基础并基于点值描述来获得结构体系行为的新型分析方法。在简要介绍向量式有限元三角形膜单元基本理论的基础上,针对膜材与刚体、膜材与膜材两类碰撞接触问题,提出了碰撞检测和碰撞响应的处理方法。通过膜材质点与三角形网格面之间的单向碰撞检测方法来处理膜结构的碰撞检测问题;结合罚函数法和中央差分位移式,提出基于中央差分式的罚接触力响应方法,同时赋予罚参数的选取规则,以处理膜结构的碰撞响应问题。在此基础上编制了向量式有限元膜单元的碰撞接触分析程序,并通过算例分析验证了理论推导和编制程序的可靠性和计算稳定性,体现出向量式有限元方法进行膜材碰撞接触分析的优势。     

A COLLISION-AVOIDANCE CONTROL ALGORITHM FOR SPACECRAFT PROXIMITY OPERATIONS BASED ON IMPROVED ARTIFICIAL POTENTIAL FUNCTION 1)

针对航天器近距离操作的安全问题,提出了一种基于人工势函数改进的碰撞规避控制算法.根据航天器与目标、障碍物之间的实时状态, 利用人工势函数算法,计算航天器的实时加速度, 规划航天器的轨迹. 为改进人工势函数方法的适用性,提出三个方面的改进措施: 首先, 在人工势函数算法中, 为提高碰撞预警的准确性,减少额外机动, 碰撞预警采用碰撞概率代替相对距离. 其次, 为了提高对接安全,降低接近目标航天器的相对速度, 利用相对速度的安全接近走廊来计算目标排斥力.最后, 针对大多航天器不能提供任意连续变化推力的情况, 设置两种实用的推力形式,如bang-bang控制的推力形式和恒定变化率的推力形式, 代替连续变推力形式.通过对不同算例的比较,成功地揭示了主要任务参数(如碰撞预警方法、速度安全边界和实际加速度形式)对近距离操作安全的影响.结果表明, 该方法可以提高航天器近距离操作的安全性、效率性, 并且结构简单,实时性强.