一维杆与结构接触冲击问题的计算

一维杆与结构接触冲击问题的计算黄剑敏，任文敏（清华大学工程力学系，北京１０００８４）１引言工程中大量存在着杆与结构的接触冲击问题，对这类问题的研究极为重要，但这方面的论著甚少，理论所能解决的问题更少，仅在极个别的情况下有精确解。Ｔ．Ｔ．Ｒ．Ｈｕｇｈｅ...     

水对弹性杆与水下壳体接触冲击力的影响

水对弹性杆与水下壳体接触冲击力的影响黄剑敏，任文敏（清华大学工程力学系，北京１０００８４）１引言弹性杆与水下壳体的接触冲击是一个具有重要工程背景的课题，本文研究弹性杆与潜浸在无限大水域中的壳体的外表面法线方向的接触冲击问题，分析了水对冲击力的影响，所...     

弹性杆与结构接触冲击的冲击力计算研究

本文提出了一种将杆与结构的接触冲击问题简化为集中力与集中阻尼的常规结构动力学问题的计算模型。对于大型结构，可采用一种特殊的人工边界，只需对人工边界域内的结构用有限元法进行计算。这种人工边界是齐次的，可根据冲击影响区的大小人为地确定     

冲击载荷作用下结构动态响应分析的罚函数有限元法

基于罚函数法，根据接触－冲击问题的边界条件，运用双线性参数法推导出用有限元模拟三维接触－冲击问题的具体算法，并对杆和梁在冲击载荷下的动态响应进行了仿真分析，取得较好计算结果。     

冲击—动力接触问题有限元方法的几点注记

讨论了应用Ｎｅｗｍａｒｋ－β直接积分法求解冲击－动力接触问题在初始接触和初始分离时进行修正的必要性；证明了基于Ｎｅｗｍａｒｋ方法有效刚度阵的正定性，导出了关于接触力向量的有效柔度方程，从而把动力接触迭代过程凝缩到接触面上，提高了计算的效率；算便包括两杆冲击问题和两圆盘冲击问题。     

冲击-动力接触问题有限元方法的几点注记

讨论了应用Newmark-β直接积分法求解冲击-动力接触问题在初始接触和初始分离时进行修正的必要性;证明了基于Newmark方法的有效刚度阵的正定性,导出了关于接触力向量的有效柔度方程,从而把动力接触迭代过程凝缩到接触面上,提高了计算的效率;算例包括两杆冲击问题和两圆盘冲击问题。     

一种基于颗粒接触的二维无网格方法及其在高速冲击模拟中的应用

为解决基于连续介质力学的离散元方法(CDEM)在高速冲击模拟中因网格畸变导致的系统能量发散问题,提出了一种基于颗粒接触的二维无网格方法(PCMM)。该方法基于颗粒间复杂丰富的接触信息构建三角形单元,通过接触对的演化更新实现旧单元(满足删除条件的单元)的删除及新单元(满足创建条件的单元)的重建,通过在单元内引入流体弹塑性模型实现高速冲击问题的模拟。给出了三角形单元创建的3个必备条件:组成单元的3个颗粒必须彼此接触,任意一个内角必须在30°~150°之间,任意一条边长必须大于平均半径的0.5倍。弹性杆撞击、泰勒杆、碎片云、子弹入射靶板等算例的结果表明了PCMM方法在模拟高速冲击问题方面的正确性及合理性。     

刚性块轴向撞击杆的弹塑性动力屈曲

用特征线法分析了刚性块轴向撞击弹塑性直杆时应力波传播的全过程,得到了杆冲击端与固定端应力的变化规律及刚性块与杆首次分离的时间．基于能量原理,考虑了弹塑性应力波的传播与反射,建立了弹塑性杆在刚性块轴向撞击下的横向扰动方程,给出了问题的级数解,由解的稳定性得到了发生屈曲时的临界条件;通过数值计算和分析,给出了临界速度与冲击质量、线性强化模量及临界时间间的关系．     

三维显式有限元程序及炸药冲击起爆应用

冲击和爆炸数值模拟在军事工程和民用领域都应用广泛。基于显式有限元理论,本文介绍了自主研发的三维冲击和起爆流体动力学程序。该程序的功能包含了材料本构、状态方程、炸药反应速率方程和接触碰撞算法,能够模拟复杂条件下结构冲击和炸药起爆问题。由于采用面向对象的编程方法,程序结构相对简单并且容易修改。首先,进行了Taylor杆碰撞数值模拟,并将计算结果与实验结果以及DYNA2D结果进行了比较;接着,基于Lee-Tarver点火增长模型,模拟了冲击加载下裸炸药和带壳炸药的冲击起爆问题。计算结果表明,三维程序计算结果与实验值和商业软件结果都非常吻合,该程序能够较准确地模拟三维结构的冲击和炸药起爆问题。同时,基于面向对象开发的三维计算程序实现了模块化功能,易于后续开发,为冲击和爆炸计算程序的开发提供了参考。     

平面杆系结构弹性波传播的实验研究

利用ＳＨＰＢ装置，用空气枪加载就３５ＣｒＭｎＳｉ钢组成的平面杆系结构受冲击载荷作用的弹性波传播进行了实验研究，给出了一些力学现象，并利用广义特征线法给出了理论与实验的比较曲线，得到了一些有益的结论．     

论半无限长杆对有限长梁的横向弹性冲击问题

研究了半无限长弹性杆对有限长弹性梁的横向冲击问题，采用小高——中原对受冲击接触面的准静态处理方法，给出了描述这一问题的基本方程，并用Ｌａｐｌａｃｅ变换方法对它进行了求解，文中通过数值的Ｄｕｒｂｉｎ反演结果展示了杆梁间冲击问题的一些特点     

带摩擦节点约束──罚函数滑移线算法

在分析有限元程序ＤＹＮＡ，有限差分程序ＨＥＭＰ［１］、ＴＯＯＤＹ［２］、ＴＥＮＳＯＲ［３］接触碰撞算法的基础上，为解决大位移、强冲击或爆炸作用问题，提出了带摩擦节点约束罚函数混合滑移线算法。此算法有利于克服计算中的数值噪声，简化计算工作量，提高计算速度。     

基于多约束图剖分的冲击-接触问题区域分割算法

针对冲击-接触数值模拟通常采用的显式中心差分法计算过程,分析了其有限元计算和接触计算两个过程的数据依赖关系,结合冲击-接触问题中常见的两体局部接触模型提出基于多约束图剖分的冲击-接触问题区域分割算法,通过对算例的数值模拟实验表明,基于多约束图剖分的区域分割方式,通过一次划分同时保证了各子域有限元计算和接触计算过程的负载平衡,与双重区域分割方法相比可以简化通信结构并减少通信量.     

网架结构在山体滑坡冲击下的垮塌模拟分析

针对某网架受到山体滑坡作用导致局部垮塌的实际案例,基于Hamilton原理,运用ANSYS/LS-DYNA动力分析软件,建立起网架结构和山体滑坡冲击荷载模型,充分考虑了冲击荷载的动力效应和接触碰撞理论,定义了结构失效的限值和失效模式。通过改变山体滑坡冲击荷载的质量与速度,分析了结构失效部位的能量变化、速度和位移演变、等效应力和塑性应变的开展。结果表明:在冲击荷载下网架杆件所能承受的瞬时应力可以远大于在静力荷载下杆件的屈服应力,网架在被冲击区域绝大部分杆件进入塑性,非冲击区进入塑性的杆件多发生于横向的上弦杆和下弦杆;通过对塑性杆件的加固处理,有效增强了结构的抗倒塌能力。     

跨内支撑杆及阶梯杆屈曲的一种解析法分析

针对跨内含支撑的杆和变截面阶梯杆的弹性屈曲问题，提出一种分段作屈曲分析再叠加重组的分析方法．首先在杆两端引入横向和旋转弹簧，用以模拟弹性边界条件．其次建立两端弹性约束杆屈曲方程的通用形式，并通过屈曲方程求得几种边界约束杆端部弹性刚度因子的解析表达式．最后，建立拆分杆段连接处的平衡方程和协调条件，综合杆段的屈曲方程和节点的补充刚度条件得到整个杆件的屈曲方程，从而求得临界力．本文还提出一种基于泰勒展开求解屈曲特征方程近似根的方法．算例中将本方法所得结果与既有文献和有限元软件计算结果对比，验证本方法的适用性和准确度．所提方法属于解析方法，得到简洁、严密和易用的解析公式，可为多跨结构和变截面杆件的屈曲分析提供新参考．     

高温冲击拉伸试验技术

在自行研制的高速旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验装置上。采用扁平哑铃状的试件。用耐高温无机胶使试件两端分别与输入杆和输出杆的叉口粘接；采用自行研制的高温炉对粘接后的试件进行快速接触加温，初步形成了800℃以下的高温冲击拉伸试验技术。对SUS304不锈钢板（厚度为1.1mm）实施常温至537℃的冲击拉伸试验和准静态拉伸试验。初步探索表明SUS304不锈钢是温度相关和应变率相关的材料。且在准静态和高应变率加载下均出现了高温脆化现象（室温至537℃）。     

钢轨轨缝接触-冲击的有限元分析

基于弹性点支承梁模型，采用三维非线性动力分析有限元程序ANSYS／LS-DYNA3D，建立了轮轨轨缝处接触一冲击有限元分析模型，通过模拟车轮经过轨缝时冲击钢轨接头的过程，研究了冲击过程中轨头的应力分布情况．结果表明：车轮冲击钢轨接头时，轮轨间最大垂向接触力出现在冲击开始后0．5ms左右，约为静载时的2．6倍，且在一定时间段里，轮轨间出现瞬时脱离现象．同时，轮轨间接触力及各种最大应力均随着轴重的增加成正比增大；当车轮冲击轨端瞬时，最大Von Mises等效应力出现在轨端头部，约为静接触时的3倍；最大剪应力发生在离轨顶面5mm处．研究结果对于揭示轨头的冲击破坏机理和改善铁路轨缝连接方式具有指导作用．     

非局部杆纵向振动的特性研究

基于非局部理论，研究弹性杆在任意边界约束条件下的纵向振动特性．根据Chebyshev 谱级数建立非局部弹性杆的纵向位移形式．在杆的两端引入纵向约束弹簧，通过设置弹簧刚度系数，模拟经典边界及弹性边界．建立非局部杆的能量表达式，由瑞利-里兹法得到齐次线性方程组，求解对应的矩阵特征值与特征向量问题获得非局部杆的固有频率和振型．通过数值仿真计算，研究非局部特征系数与边界约束条件对非局部杆振动频率的影响．结果表明本文方法合理简便，具有良好的精度，且适用于任意弹性边界条件．     

超细长弹性杆的分析力学问题

超细长弹性杆作为DNA等生物大分子链的力学模型，其平衡和稳定性问题已成为力学与分子生物学交叉的研究热点．虽然在Kirchhoff动力学比拟的基础上，用分析力学方法讨论弹性杆的文章已见诸文献，但尚未形成弹性杆分析力学的严格理论．本文研究了超细长弹性杆分析力学的若干基础性问题．对杆截面的自由度、虚位移、约束方程及约束力等基本概念给出严格的定义和表达式．建立弹性杆平衡的D’Alembert-Lagrange原理、Jourdain原理和Gauss原理；从D’Alembert-Lagrange原理导出Hamilton原理．从变分原理出发导出Lagrange方程、Nielsen方程、Appell方程和Hamilton正则方程；对于受约束的弹性杆，导出了带乘子的Lagrange方程．讨论了Lagrange方程的首次积分．对于杆中心线存在尖点的情形，导出了微段杆平衡的近似方程。     

小问题2020-4

正如图1所示,三根质量均为m、长均为l的匀质细杆铰接后成一直线静止于光滑水平面上,今在AB杆的质心G处作用一垂直于杆的水平冲量I。试用冲击问题的拉格朗日方程,(1)证明冲击后AB杆、BC杆、CD杆的初始角速度之比为4:3:-1;(2)求冲击后系统的动能。