非连续变形计算力学模型的粘弹性分析方法Ⅱ:算例分析

应用作者提出的非连续变形计算力学模型粘弹性分析方法对具体的多体系统在动力外荷载作用下的响应进行了数值模拟，探讨了系统中物体的粘性阻尼对整个系统的变形、应力和接触应力等的影响。与通用软件ABAQUS的计算结果进行了比较研究，两种方法所得到的结果基本一致，但所发展的方法克服了ABAQUS中接触应力分段均匀分布的缺陷，因而所得到的接触应力较为合理，同时也说明了所提出的方法为由刚体、弹性体和粘弹性体所构成的复杂多体系统的数值分析提供了有力的工具。     

非均匀吸收介质中地震波的广义传播矩阵解法

本文在复频域内，通过应用混合变量粘弹性波方程和线性常微分方程组的指数矩阵解法，给出了一种计算非均匀吸收同中地震波传播的广义传播矩阵解法。该方法适用于各种粘弹性模型，可模拟任意震源及所产生的各种体波、面波，数值结果表明具有很高的计算精度。     

非均匀吸收介质中地震波的广义传播矩阵解法

本文在复频域内,通过应用混合变量粘弹性波方程和线性常微分方程组的指数矩阵解法,给出了一种计算非均匀吸收介质中地震波传播的广义传播矩阵解法。该方法适用于各种粘弹性模型,可模拟任意震源及所产生的各种体波、面波,数值结果表明具有很高的计算精度。     

求解动荷载作用下多层粘弹性半空间轴对称问题的精确刚度矩阵法

利用Laplace—Hankel联合积分变换，推导出了单层粘弹性半空间轴对称问题在动荷载作用下，层间完全接触情况的刚度矩阵，然后按传统的有限元方法组成总体刚度矩阵。通过求解由总体刚度矩阵所构成的代数方程就可解出动荷载作用下多层粘弹性半空间轴对称问题的矩阵。由于刚度矩阵的元素中只含有负指数项，计算时不会出现溢出的现象。本文还成功地应用了Durbin的Laplace逆变换的数值方法，求解出了多层粘弹性体的时域解。最后，文中还给出了路面动弯沉的计算结果与实测结果的对比来证明推导结果的准确性。     

基于李群局部标架的多柔体系统动力学建模与计算

多柔体系统动力学主要研究由多个具有运动学约束、存在大范围相对运动的柔性部件构成的动力学系统的建模、计算和控制.多柔体系统不仅具有柔体大变形导致的几何非线性,更具有大范围刚体运动引起的几何非线性,其非线性程度远高于计算结构力学所研究的几何非线性问题.本文基于李群局部标架(local frame of Lie group, LFLG),讨论如何发展一套新的多柔体系统动力学建模和计算方法体系, 具体内容包括:基于局部标架的梁、板壳单元,适用于长时间历程计算的多柔体系统碰撞动力学积分算法,结合区域分解技术的大规模多柔体系统动力学并行求解器, 以及若干验证性算例.上述基于李群局部标架的方法体系可在计算中消除刚体运动带来的几何非线性问题,使柔体系统的广义惯性力、广义弹性力及其雅可比矩阵满足刚体运动的不变性,使多柔体系统动力学与大变形结构力学相互统一,有望推动新一代多柔体系统动力学建模和计算软件的发展.      

刚柔耦合约束多体系统的动力分析

本文提出了描述多体系统的牵连坐标轴系统。该坐标轴系统由惯性参考系、牵连坐标系、物体坐标系及单元坐标系组成，从而实现了对刚体平动、刚体转动及弹性运动的分解，较好地消除了由于刚体大角度转动而产生的刚弹耦合非线性特性，以有限元方法为基础，应用拉格朗日方程建立了在该坐标系下的刚弹耦合约束多体系统的动力方程。该方程具有形式简洁、易于推导和编程等优点，本文并对方程的数值解法进行了研究，提出求解的广义坐标分块法，最后给出了一个典型多体系统的数值算例。     

基于李群局部标架的多柔体系统动力学建模与计算

多柔体系统动力学主要研究由多个具有运动学约束、存在大范围相对运动的柔性部件构成的动力学系统的建模、计算和控制.多柔体系统不仅具有柔体大变形导致的几何非线性,更具有大范围刚体运动引起的几何非线性,其非线性程度远高于计算结构力学所研究的几何非线性问题.本文基于李群局部标架(local frame of Lie group, LFLG),讨论如何发展一套新的多柔体系统动力学建模和计算方法体系,具体内容包括:基于局部标架的梁、板壳单元,适用于长时间历程计算的多柔体系统碰撞动力学积分算法,结合区域分解技术的大规模多柔体系统动力学并行求解器,以及若干验证性算例.上述基于李群局部标架的方法体系可在计算中消除刚体运动带来的几何非线性问题,使柔体系统的广义惯性力、广义弹性力及其雅可比矩阵满足刚体运动的不变性,使多柔体系统动力学与大变形结构力学相互统一,有望推动新一代多柔体系统动力学建模和计算软件的发展.     

非网格重剖分模拟宏观裂纹体的扩展有限单元法(2:数值实现)

探讨了扩展有限单元法的具体实现过程,包括裂纹体几何结构的拓扑分析、广义节点的选取及详细的单元数值计算。并针对前文提出的扩展有限单元平衡方程的统一矩阵实现模式,提出了采用虚拟层合元的思想来处理被裂纹横贯单元的子域积分问题,自然地解决了原方法中由于特殊的位移插值场在裂纹两侧不连续造成的单元刚度阵求解困难。同时依托比较成熟的虚拟层合单元法,可以方便地考虑域内及裂纹面上分布载荷影响。此外,一、二维算例较高精度的数值结果验证了本文算法的有效性和精度。     

薄板的多变量小波有限元分析

基于区间B样条小波和广义变分原理,提出了多变量小波有限元法,构造了一种新的薄板多变量小波有限单元.由广义变分原理推导结构的多变量有限元列式,区间B样条小波尺度函数作为插值函数构造的多变量小波有限元法中,广义应力和应变被作为独立变量进行插值,避免了传统方法中应力应变求解的微分运算,减小了计算误差.区间B样条小波良好的数值...     

水平成层介质中粘弹性波的计算

本文提出了一种水平成层介质中弹性波粘弹性波计算的新方法，分别研究了线源和点源作用情况。该方法适用于各种粘弹性模型，数值计算简单，可模拟任意震源及所产生的各种体波、面波，数值结果表明具有很高的计算精度和计算效率。     

浅曲梁大挠度分析的余能有限元方法

以高玉臣提出的弹性大变形余能原理为基础,利用Lagrange乘子,放松平衡方程和力边界条件对余能泛函的约束,推导出广义的余能原理.根据极分解定理,将变形分为刚性转动和纯变形两部分,则余能也包含相应的两部分,一部分与刚性转动有关,而另一部分与纯变形有关.使用线弹性本构关系,建立了可用于几何非线性计算的有限元模型.应用更新的Lagrange列式法,给出了增量形式的有限元公式.数值计算结果表明,该方法可用于浅曲粱的几何大变形计算.     

DYNAMIC MODELING OF MULTI-BODY SYSTEM BASED ON GAUSS'S PRINCIPLE

基于高斯最小拘束原理,以释放中的绳系卫星为背景,建立地球引力场内变长度大变形柔索联系的多体系统动力学模型. 利用基尔霍夫动力学比拟方法将柔索的变形转化为刚性截面沿中心线的转动,使包含刚性分体与变形体的刚柔耦合系统转化为由柔索的刚性截面与刚性分体组成的广义多刚体系统. 由于刚性截面的局部小变形沿弧坐标的积累不受限制,适合描述柔索的超大变形. 文中对此刚柔耦合多体系统导出其在地球引力场中的拘束函数,考虑各分体在空间中相对位置的几何约束条件,利用拉格朗日乘子构成以条件极值问题为特征的数学模型. 将高斯原理用于多体系统动力学的建模,其特点是以寻求函数极值的变分方法代替微分方程,通过数值计算直接得出运动规律. 其形式统一,不随系统拓扑结构的变化而改变,也无需区分树系统或非树系统.对于带控制的多体系统,动力学分析还可根据技术需要与系统的优化结合进行.     

Geometrical nonlinear elasto-plastic analysis of tensegrity systems via the co-rotational method

An efficient finite element formulation is presented for geometrical nonlinear elasto-plastic analyses of tensegrity systems based on the co-rotational method. Large displacement of a space rod element is decomposed into a rigid body motion in the global coordinate system and a pure small deformation in the local coordinate system. A new form of tangent stiffness matrix, including elastic and elasto-plastic stages is derived based on the proposed approach. An incremental-iterative solution strategy in conjunction with the Newton-Raphson method is employed to obtain the geometrical nonlinear elasto-plastic behavior of tensegrities. Several numerical examples are given to illustrate the validity and efficiency of the proposed algorithm for geometrical nonlinear elasto-plastic analyses of tensegrity structures.     

黏弹性界面断裂分析的增量“加料”有限元法

提出了一种适用于黏弹性界面裂纹问题的增量“加料” 有限元方法. 利用弹性界面裂纹尖端位移场的解答,通过对应原理和拉普拉斯逆变换近似方法,得到了黏弹性界面裂纹的尖端位移场. 用该位移场构造了黏弹性界面裂纹“加料” 单元和过渡单元位移模式,推导了增量“加料” 有限元方程,求解有限元方程可获得应力强度因子和应变能释放率等断裂参量. 建立了典型黏弹性界面裂纹平面问题“加料” 有限元模型,计算结果表明,对于弹性/黏弹性界面裂纹和黏弹性/黏弹性界面裂纹,该方法都能得到相当精确地断裂参量,并能很好地反映蠕变和松弛特性,可推广应用于黏弹性界面断裂问题的计算分析.     

Inelastic deformation of conductive bodies in electromagnetic fields

Inelastic deformation of conductive bodies under the action of electromagnetic fields is analyzed. Governing equations for non-stationary electromagnetic field propagation and elastic–plastic deformation are presented. The variational principle of minimum of the total energy is applied to formulate the numerical solution procedure by the finite element method. With the proposed method, distributions of vector characteristics of the electromagnetic field and tensor characteristics of the deformation process are illustrated for the inductor–workpiece system within a realistic electromagnetic forming process.     

有限尺寸多钉连接件钉传载荷计算的解析方法

提供一种确定多钉连接件中钉传载荷的解析方法，这个方法将被连接件看作弹性体，以经典结构力学以及弹性理论平面问题复变函数解法为基础，建立了求解钉传载荷的线性代数方程组并给出了若干算例。这个方法不仅具有合理的力学模型，而且具有计算的简捷性与适用的广泛性。     

Control structure interaction in the nonlinear analysis of flexible mechanical systems

The effect of the control structure interaction on the feedforward control law as well as the dynamics of flexible mechanical systems is examined in this investigation. An inverse dynamics procedure is developed for the analysis of the dynamic motion of interconnected rigid and flexible bodies. This method is used to examine the effect of the elastic deformation on the driving forces in flexible mechanical systems. The driving forces are expressed in terms of the specified motion trajectories and the deformations of the elastic members. The system equations of motion are formulated using Lagrange's equation. A finite element discretization of the flexible bodies is used to define the deformation degrees of freedom. The algebraic constraint equations that describe the motion trajectories and joint constraints between adjacent bodies are adjoined to the system differential equations of motion using the vector of Lagrange multipliers. A unique displacement field is then identified by imposing an appropriate set of reference conditions. The effect of the nonlinear centrifugal and Coriolis forces that depend on the body displacements and velocities are taken into consideration. A direct numerical integration method coupled with a Newton-Raphson algorithm is used to solve the resulting nonlinear differential and algebraic equations of motion. The formulation obtained for the flexible mechanical system is compared with the rigid body dynamic formulation. The effect of the sampling time, number of vibration modes, the viscous damping, and the selection of the constrained modes are examined. The results presented in this numerical study demonstrate that the use of the driving forees obtained using the rigid body analysis can lead to a significant error when these forces are used as the feedforward control law for the flexible mechanical system. The analysis presented in this investigation differs significantly from previously published work in many ways. It includes the effect of the structural flexibility on the centrifugal and Coriolis forces, it accounts for all inertia nonlinearities resulting from the coupling between the rigid body and elastic displacements, it uses a precise definition of the equipollent systems of forces in flexible body dynamics, it demonstrates the use of general purpose multibody computer codes in the feedforward control of flexible mechanical systems, and it demonstrates numerically the effect of the selected set of constrained modes on the feedforward control law.     

黏弹夹芯板的有限元建模及实验研究

从有限元分析和数值模拟及实验验证的角度研究了黏弹夹芯板的频率依赖振动特性。夹芯板中间层为黏弹性材料，其刚度和阻尼的频率依赖性行为直接影响系统的模态频率和阻尼，并导致振动模式求解的复杂化。采用三阶七参数Biot模型描述黏弹性材料频率相关的黏弹性行为。开发了三层四节点28自由度的夹芯板单元，基于经典板理论和哈密顿原理建立了黏弹夹芯板的有限元动力学方程。通过引入辅助耗散坐标，将Biot模型和黏弹夹芯板的有限元动力学模型结合起来，并将其转化为常规二阶线性系统形式，极大简化了求解非线性振动特性的过程。对一边固定、另三边自由的黏弹夹芯板进行了前三阶固有频率和损耗因子的预测，并与实验结果对比。数值模拟结果和实验结果吻合良好，说明所提有限元方法是正确有效的。     

A chassis-based kinematic formulation for flexible multi-body vehicle dynamics

This research proposed an efficient implicit integration method for the real-time simulation of flexible multi-body vehicle dynamics models. The equations of motion for the flexible bodies were formulated with respect to the moving chassis-body reference frame instead of the fixed inertial reference frame. The proposed approach does not require evaluation of system Jacobian and its LU-decomposition in time loof of simulation. This is one of the key aspects that enable high computational efficiency of the proposed method. The numerical simulation results of the proposed approach were matched up with those of the conventional approach but the computation time can be reduced by applying the proposed method. The joint constraint and generalized force equations are the same as the equations for rigid vehicle dynamics models because the joints and forces between flexible bodies are connected by the RBE (rigid body element). On the various driving conditions, the numerical simulation results show that the proposed approach yields almost exact solutions compared to the conventional approach. And the proposed approach spends only 22.9% of conventional approach on computation time under CPU 3.2 GHz personal computer.     

不同轮轨接触模型在车桥耦合振动中的比较

以工程实例为研究对象,建立了整车-整桥系统耦合振动数值分析模型。考虑车轮的跳轨和挤密情况,建立了单边弹簧-阻尼系统弹性轮轨接触模型。采用基于多体系统动力学和有限元法结合的联合仿真技术,计算了两种轮轨接触时动车组列车以不同车速通过大跨度连续桥梁的耦合振动响应。数值计算结果表明:两种轮轨接触模型的桥梁动力响应比较接近;列车的横向轮轨力、轮重减载率和脱轨系数相差较大,当速度为350km/h时,横向轮轨力增大了46.5%,轮重减载率增大了130.8%,脱轨系数增大了24.66%;用单边-弹簧阻尼系统弹性轮轨接触模型更符合实际。