结构碰撞的动力响应分析

本文研究结构在动力作用下发生碰撞时的动力响应的分析方法，其中碰撞包括结构与刚（弹）性性支座的碰撞和两个结构物之间的碰撞；碰掸的速度假定为中低速度分析时不考虑局部的破坏问题，本文方法的关键点是提出了碰撞过程中的碰撞反力的模拟表达式。它是通过碰撞时结构与碰撞物体的碰撞力和碰撞变形关系的假定，并利用非完全弹性碰撞过程，当然也可考虑结构阻尼的影响。文末给出了几个算例，其中与有解析解的做了比较，符合得很好。     

一类双边碰撞振动系统的随机响应研究

碰撞过程凭借瞬时冲击模型得以简化,但采用经典的Newton恢复系数模型为计算带来了误差。本研究引入修正的恢复系数模型取代经典的Newton恢复系数模型,预测了一类宽带噪声激励下双边碰撞振动系统的随机动力学响应。位移的碰撞条件借助自由振动系统被转化为能量的碰撞条件。根据系统的能量水平,系统的运动可被分为双边碰撞和无碰撞振动两类。进一步地,两类运动的平均漂移系数和扩散系数可借助能量包线随机平均法求解获得。在此基础上,建立并求解对应的Fokker-Plank-Kolmogorov (FPK)方程,进而得到系统的稳态响应。最后,将所提方法应用于Duffing振子,讨论了屈服速度、挡板间距和噪声激励对响应的影响,并用蒙特卡罗模拟验证了所述方法的有效性。     

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。     

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．     

结构碰撞的动力响应分析

本文研究结构在动力作用下发生碰撞时的动力响应的分析方法。其中碰撞包括结构与刚（弹）性支座的碰撞和两个结构物之间的碰撞；碰撞的速度假定为中低速度，分析时不考虑局部的破坏问题。本文方法的关键点是提出了碰撞过程中的碰撞反力的模拟表达式。它是通过碰撞时结构与碰撞物体的碰撞力和碰撞变形关系的假定，并利用能量守恒原理，动量守恒原理和冲量定理建立的，既可描述完全弹性碰撞过程也可描述非完全弹性碰撞过程，当然也可考虑结构阻尼的影响。文末给出了几个算例，其中与有解析解的做了比较，符合得很好；至于没有解析解可比较的，在理论上也是合理的，算法上采用了中央差分的逐步积分法，在碰撞过程中采用非常小的积分步长，获得了预想的理想结果。     

拱形防撞装置摆锤碰撞试验及数值模拟研究

为了验证拱形桥梁拱形防撞装置船撞有限元结构计算中结构应变响应的准确性以及寻找计算中影响应变响应的因素,通过拱形防撞装置1:25比例模型摆锤碰撞试验以及有限元数值模拟进行对比验证分析.对拱形防撞装置1:25比例模型进行摆锤碰撞试验,采集试验中碰撞力和关键点的应变响应曲线,并对试验进行漂浮状态下无阻尼和有阻尼两种情况的数值模拟对比分析.分析发现无阻尼模型计算出的应变响应不论是响应趋势还是应变峰值点的大小都与试验相差较大.通过在有限元无阻尼模型中引入Rayleigh质量比例阻尼分析,试验采集到的应变峰值与有限元数值模拟分析出的应变峰值之间的误差约为8.7%,应变响应趋势也基本一致.因此,有阻尼计算模型可应用于实际结构的计算中,应变峰值误差也可作为实际结构应力计算结果评价的参考指标,并可将该误差作为工程安全系数的一部分来考虑.     

超高速碰撞产生的电磁辐射

超高速碰撞产生的电磁辐射是固体物质在强冲击作用下的重要物理响应,在深空探测、航天器对空间碎片的防护设计、武器毁伤评估应用广泛。本文中概述了超高速碰撞产生的电磁辐射现象,总结了不同碰撞条件下,超高速碰撞产生微波和闪光的时频特性;从超高速碰撞产生材料破碎和产生等离子体两个方面,分析了超高速碰撞产生微波的辐射模型;归纳了超高速碰撞下的发光机理,并阐述了超高速碰撞产生连续光谱和线谱的辐射模型,指出了超高速碰撞产生电磁辐射研究存在的不足与发展趋势。     

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.      

某结构的多轴随机振动实验研究

通过对某结构开展多轴随机振动试验研究,初步探讨了典型线性结构在多轴随机振动试验中的动力响应特点.首先对多轴振动试验系统、试验条件、控制方式等进行了介绍;然后通过有限元仿真了解结构的自振频率、振型和响应情况;重点对结构的多轴随机振动试验结果进行研究,具体分析了结构各测点加速度响应谱的共振峰特点;最后将多轴试验结果与单轴试验结果进行对比,并理论上解释了多轴随机振动响应不同于单轴振动的原因.研究结果表明:多轴振动试验能同时激发结构在不同方向的模态,使动力响应表现出比单轴振动更为丰富的共振峰,因此对经受多轴振动环境的产品开展多轴振动试验很有必要.     

小行星撞击地球的超高速问题

小行星撞击地球是人类生存面临的潜在威胁之一.在小行星进入地球大气与撞击地球表面过程中,存在烧蚀、解体、空中爆炸、火球、撞击成坑、反溅碎片云、地震以及海啸等一系列复杂的物理化学和力学现象.本文梳理和归纳了与这些现象相关的超高速空气动力学问题和超高速碰撞动力学问题.小行星进入地球大气的超高速空气动力学问题有:极高速($V = 12 ~ 20$km/s)进入条件下的气动力与轨迹,极高速进入条件下的小行星气动加热与烧蚀机理,极高速气动加热条件下的小行星结构传热与热响应,极高速进入条件下的高温气体效应,小行星进入过程的物理特征.小行星撞击地球的超高速碰撞动力学问题有:陆地撞击成坑与反溅碎片云,海洋撞击与海啸,撞击过程的地震效应.由于小行星撞击地球与超高速飞行器的再入过程在速度、材料和结构上存在较大差异,针对这些超高速问题,现有的研究手段在地面试验和数值计算两方面都存在不足.最后,从小行星进入地球大气的弹道方程、质量损失方程、解体判据和解体模型等出发,初步建立了小行星进入与撞击效应分析评估模型,并对Chelyabinsk和Tunguska两次流星事件进行了分析,重构了进入与爆炸解体过程,评估了空爆火球在地面所导致的超压和热辐射损伤.      

具有内域的双层加筋圆柱壳动响应特性简

采用外域双渐近法模拟外部流体域,内域双渐近法模拟内部流体域,采用非线性有限元软件ABAQUS 模拟结构,建立流固耦合数值模型并验证了其有效性. 利用建立的数值模型研究内部流体对双层加筋圆柱壳动响应的影响. 研究结果表明：一阶双渐近的解在中后期振荡周期变短、幅值变小,而二阶双渐近的解与解析解吻合良好;内部流体的存在减弱了双层加筋圆柱壳外壳的塑性变形,对其内壳塑性变形的影响较小;内部流体的存在减弱了双层加筋圆柱壳的速度响应.     

具有内域的双层加筋圆柱壳动响应特性

采用外域双渐近法模拟外部流体域,内域双渐近法模拟内部流体域,采用非线性有限元软件ABAQUS 模拟结构,建立流固耦合数值模型并验证了其有效性. 利用建立的数值模型研究内部流体对双层加筋圆柱壳动响应的影响. 研究结果表明:一阶双渐近的解在中后期振荡周期变短、幅值变小,而二阶双渐近的解与解析解吻合良好;内部流体的存在减弱了双层加筋圆柱壳外壳的塑性变形,对其内壳塑性变形的影响较小;内部流体的存在减弱了双层加筋圆柱壳的速度响应.      

Analysis of catalytic properties of siliconized heat-shielding coatings

The catalytic properties of heat-shielding coatings (β-cristobalite and SiC) used on space vehicles are analyzed on the basis of the microscopic approach with consideration of the molecular structure of the near-surface layer. The heterogeneous recombination coefficient of oxygen atoms and the recombination energy accommodation coefficient are determined. The energy distribution by internal degrees of freedom is calculated. In particular, it is found that, when the energy of collision of atoms with the surface is small, the oxygen atom heterogeneous recombination is more efficient for SiC coatings, whereas this recombination is more efficient in the case of β-cristobalite if the collision energy is large. Nevertheless, the heat-transfer coefficient is greater for SiC coatings in the studied range of collision energy variations, since the recombination energy accommodation is larger.     

双层环肋圆柱壳受多个物体撞击下的结构动响应

针对双层环肋圆柱壳受到多个物体的撞击问题,采用MSC.Dytran软件对受撞过程中的结构损伤变形、撞击力变化和能量转换进行数值模拟,并与模型试验相对比后发现:双层环肋圆柱壳结构同时受多物体撞击是一个瞬态动响应过程,在巨大瞬时冲击载荷作用下,受撞区壳板会迅速超越弹性变形而产生塑性变形;多物体撞击会造成外壳板一定区域的损伤变形,撞击力会相互干扰,导致其非线性特征更明显。结果表明,双层圆柱壳的外壳能对内壳起到较好的防护作用,在外壳没被撞穿的情况下,其结构变形会吸收绝大部分的撞击动能,可以通过优化外壳的吸能效率来达到双层壳体结构物内壳防撞的目的。     

Hydroelastic analysis of very large floating structure over viscoelastic bed

Effect of viscoelastic bed on the hydroelastic response analysis of very large floating structures is studied using the linear water wave theory and small amplitude structural response in finite water depth. The floating structure is modeled using Euler–Bernoulli beam equation and the bottom bed is assumed to be viscoelastic in nature and is based on the Voigt’s model. The dispersion relation, phase speed and response amplitude of the floating structure as well as viscoelastic bed surface, pressure distribution along water depth are analyzed to study the effect of viscoelastic bed parameters, flexural rigidity of the floating structure, time period on flexural gravity wave motion. The study reveals that structural response of the floating structure can be mitigated for moderate thickness of the viscoelastic layer. Moreover, both shear modulus and viscosity of the viscoelastic layer play dominant role in reducing the structural response compared to the flexural rigidity of the structure. Further, pressure distribution within the viscoelastic bed decreases at a higher rate compared to the inviscid fluid layer irrespective of shear modulus and viscosity. The present study will be of immense help in the site selection of very large floating structures in the coastal water and installation of various marine facilities over muddy bed.     

Frontal collision of internal solitary waves of first mode

The dynamics and energetics of a frontal collision of internal solitary waves (ISW) of first mode in a fluid with two homogeneous layers separated by a thin interfacial layer are studied numerically within the framework of the Navier–Stokes equations for stratified fluid. It was shown that the head-on collision of internal solitary waves of small and moderate amplitude results in a small phase shift and in the generation of dispersive wave train travelling behind the transmitted solitary wave. The phase shift grows as amplitudes of the interacting waves increase. The maximum run-up amplitude during the wave collision reaches a value larger than the sum of the amplitudes of the incident solitary waves. The excess of the maximum run-up amplitude over the sum of the amplitudes of the colliding waves grows with the increasing amplitude of interacting waves of small and moderate amplitudes whereas it decreases for colliding waves of large amplitude. Unlike the waves of small and moderate amplitudes collision of ISWs of large amplitude was accompanied by shear instability and the formation of Kelvin–Helmholtz (KH) vortices in the interface layer, however, subsequently waves again become stable. The loss of energy due to the KH instability does not exceed 5%–6%. An interaction of large amplitude ISW with even small amplitude ISW can trigger instability of larger wave and development of KH billows in larger wave. When smaller wave amplitude increases the wave interaction was accompanied by KH instability of both waves.     

含黏弹性夹芯FG-GRC后屈曲梁的低速冲击响应

研究了含黏弹性夹芯的功能梯度石墨烯增强复合材料(functionally graded graphene reinforced composite, FG-GRC)后屈曲梁在低速跌落冲击下的跳跃振荡行为.采用修正Halpin-Tsai细观模型预测FG-GRC的材料宏观属性.使用赫兹点接触模型确定冲击器和梁之间的接触力.提出了考虑轴向预应力的复合材料层本构关系和阻尼层的Kelvin型黏弹性本构.通过一种广义高阶剪切变形锯齿梁模型建立夹芯梁的非线性位移场. 基于Hamilton 能量变分原理, 推导了动力学控制方程组. 通过两步分析,首先获得弹性后屈曲平衡路径作为冲击问题的初始状态. 随后, 结合四阶龙格库塔法,拓展了两步摄动-伽辽金法计算接触力的时程曲线以及后屈曲梁的位移时程曲线.研究了后屈曲梁在单次和两次撞击下双稳态大幅振荡过程的动力学特征.讨论了轴向载荷、冲击速度、黏弹性阻尼特性、冲击器材料等因素对于碰撞接触力以及后屈曲梁动力响应的影响规律.结果表明, 接触力仅对冲击速度较为敏感,一定的结构碰撞参数设计可以在接触力变化不大的情况下,使得后屈曲梁由单势能阱运动转变为双阱大幅振荡.      

船舶碰撞数值仿真的附加质量模型

根据船舶碰撞的运动滞后和局部损伤特性 ,采用附加质量处理流体 结构耦合作用 ,用详细的有限元模型表达撞击船首和被撞船侧的直接涉撞区结构 ,而将非碰撞区的船体结构视为刚体 ,形成一个附加质量模型用于碰撞仿真计算。附加质量模型不仅建模工作量小 ,而且CPU时间也大大减少。算例表明 ,附加质量模型与流固耦合模型的分析结果具有良好的一致性 ,可以满足一般的工程精度要求。     

Collision of supersonic flows in vacuum and ambient space

Based on numerical Monte Carlo simulation, the collision of plane-parallel supersonic flows in vacuum and ambient space is studied. The study of the transonic zone of a plane source instantaneously switched on in vacuum made it possible to establish the regular features of the flow parameters in the critical cross section and the validity of using gas-dynamic dependences obtained in the continuum approach for simulating gas exhaustion. Evolution of the structure of a compressed shock layer arising in the region of flow collision is studied. It is found that a collision of flows in the ambient space leads to a more significant increase in temperature in the compressed layer than in the case of a collision in vacuum. Kutateladze Institute of Thermal Physics, Siberian Division, Russian Academy of Sciences, Novosibirsk 630090. Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 40, No. 4, pp. 44–50, July–August, 1999.     

高层钢-混凝土混合结构地震作用下的能量反应分析

针对目前高层建筑混合结构中常用的外钢框架-内混凝土核心筒混合结构,从地震能量输入和结构能量耗散的角度对其进行了地震作用下的能量反应分析.通过选取不同的地震动参数对混合结构的总输入能及其在滞回耗能和阻尼耗能之间的分配情况进行了研究,明确了地震动各参数的变化对混合结构能量反应的影响;通过分析不同地震波作用下混合结构的滞回耗能在外钢框架和内混凝土核心筒间的分布以及在结构层间的分部情况知,底层剪力墙是整个混合结构中滞回耗能比较集中的区域,地震破坏最为严重.通过本文研究知,地震反应的能量分析方法是一种能较好反应混合结构在地震作用下的地震反应全过程及其弹塑性性能的方法.