弹目交会条件下爆炸驱动结构体的展开过程研究

复杂结构在爆炸驱动作用下的展开是展开型定向战斗部定向过程中的关键问题,对展开过程进行有效控制,有利于战斗部的起爆延时控制和破片利用率提高。针对复杂结构体的展开问题,基于JWL状态方程和第二类拉格朗日方程,从能量守恒出发推导了考虑爆轰产物膨胀过程和对目标命中状态的爆炸驱动展开模型。将驱动展开模型计算结果与文献实验结果进行对比,验证了爆炸驱动展开模型计算结果的准确性。结果表明,基于该模型的理论计算结果与实验结果的一致性较好,能较为精确地预测不同装药量下结构的展开时间;将辅助装药1与辅助装药2的质量比控制在1.5~1.7,结构体展开可达最佳命中姿态,更有利于命中目标。研究成果可充实定向战斗部设计理论,为展开型定向战斗部的设计提供参考。

论转动惯量对无菌伺服旋盖的影响与解决方案

无菌伺服旋盖机受到电机尺寸、电机功率、传动比例、COP/SOP、取盖与旋盖循环升降、旋盖压紧力控制结构等诸多因素影响,伺服电机离抓盖单元压盖头的距离较远。通过较多的传动结构进行动力传递,因此旋盖单元的转动惯量较大。在旋盖过程中,相同的瓶子与盖子的配合圈数是相同的,所以设备的生产速度越高,旋盖的时间越短。为保证可靠拧紧,将加大旋盖转速,速度大且时间短,加速度变化较大。因此在高速生产下,大转动惯量和大加速度作用下产生的扭力,会超越旋盖所需的扭力,导致旋盖扭力过大且无法控制。采用高低速或者高中低的多速度速搭配式旋盖,是很好的解决方式。

高速列车轴箱轴承低频波动载荷加载装置

在高速列车运行过程中,复杂的轮轨关系等因素会使轴箱轴承承受宽频带的波动冲击载荷,导致滚子-滚道接触载荷大幅变化,加速轴承的磨损及疲劳失效。为在实验室环境中模拟轴箱轴承运用过程中承受的低频波动载荷,基于凸轮-弹簧机构设计、搭建了一种低频波动载荷加载装置并开发了相应的轴箱轴承试验台架,加载装置施加的低频波动载荷以及在波动加载工况下轴箱轴承内部动态载荷分布情况的试验结果表明,所设计的波动载荷加载装置能够对轴箱轴承施加给定幅值、频率的波动载荷,轴承承载区域滚子-滚道接触载荷的波动情况与轴承总外加载荷的波动情况一致,验证了该波动载荷加载装置的有效性和可行性。

基于B可微方程组的弹塑性动力接触问题的研究

该文基于B可微方程组法,提出了一种求解弹塑性动力摩擦接触问题的算法。将接触条件表示成B可微方程组的形式,可精确满足库仑-摩擦条件;将接触求解嵌套在本构方程的求解过程中,可有效减少接触柔度阵由于刚度阵的变化而引起的更新次数,从而节省计算时间;采用带一维Armijo型线搜索的阻尼Newton-Raphson法保证了接触方程在迭代过程中的数值收敛性。在算例部分,通过与基于增广拉格朗日算法的ANSYS的结果对比,验证了所提出算法的准确性,并利用一个工程实例验证了该方法的实用性与鲁棒性。

基于ALE-ANCF方法的卷曲展开机构动力学建模与分析

针对含复杂的多区域接触的卷曲展开机构,该研究将其简化为带刚性转盘的变长度柔性构件,建立多体系统动力学模型,以实现高效仿真。首先,基于任意拉格朗日-欧拉描述的绝对节点坐标法对变长度梁进行建模;然后,将复杂接触问题简化为移动边界的约束关系,给出一种增删节点处理方法,有效解决了单元长度变化引起的奇异和精度问题,在此基础上建立了刚-柔耦合多体系统的动力学模型,用隐式算法实现了动力学方程的数值求解。通过滑绳和动滑轮算例验证了建模方法的有效性;最后,建立了卷曲机构充气展开系统的简化动力学模型,该模型采用任意拉格朗日-欧拉法移动网格实时跟踪卷曲机构的位置,精准捕捉移动边界点,从而高效确定接触行为。分析了气压力与黏附力对展开动力学特性的影响,通过控制黏附力分布,实现了卷曲机构的匀速展开,对工程实际具有参考价值。

爆破荷载作用下减振孔减振隔振效应数值模拟研究

爆破产生的振动效应影响邻近建(构)筑物的安全。作为减振手段之一,减振孔可用于控制爆破振动影响。然而,目前减振孔布设方案多基于经验方法,并且减振效果评价标准主要集中在局部单排测点,无法全面表征减振孔后方区域内的减振效果与规律。基于枕头坝护坦爆破开挖工程,采用LS-DYNA软件中的数值分析方法,系统研究了减振孔排数、深度、爆心距和单排布孔数对有效减振区域面积、峰值减振率等减振效果的影响。首先,利用小尺寸爆破模型试验对LS-DYNA方法模拟爆破荷载作用下减振孔减振隔振效应的有效性进行了验证。随后,系统开展了不同减振孔参数对有效减振区域的影响规律研究。研究结果表明:减振效果最优的区域位于减振孔布设区后方垂直于爆源的位置;随着排数、深度、爆心距和单排布孔数的增大,有效减振区域面积增大;峰值减振率随排数增大而显著增大,随爆心距增大而减小,受到减振孔深度和爆破孔深度的共同影响。与单一测点减振率相比,有效减振区域面积可以体现减振效果的区域分布,并且不受测点选取位置影响。另外,基于不同减振孔参数对减振隔振效应的相关性分析表明,有效减振区域面积与减振孔深度相关性最明显,其次是减振孔排数和爆心距。峰值减振率与减振孔排数相关性最明显,集中减振率与减振孔排数和深度密切相关。研究结果对减振孔的布设和最大程度地利用减振效果保护邻近建(构)筑物具有参考意义。

黏滑摩擦的光滑化互补模型及其在摩擦摆隔震支座中的应用

为研究摩擦摆隔震支座在地震作用下的黏滑摩擦响应问题,提出一种处理非光滑黏滑摩擦问题的光滑化模型。首先,基于线性互补理论构建摩擦力余量和相对滑移速度的互补方程。其次,在短时区间内对相对滑移速度进行时间平均,利用时均滑移速度代替时变滑移速度重构互补变量,并将其转化为一组非线性互补方程,从而将非光滑的黏滑摩擦问题进行光滑化处理。随后,将摩擦摆隔震支座等效为一种考虑恢复力效应的2维摩擦耦合模型,结合所提光滑化模型进行地震响应分析,并与经典的Coulomb摩擦模型和LuGre摩擦模型进行了对比验证。研究结果表明,所提模型既能够在宏观上反映黏滑摩擦的stick-slip切换,同时还能实现非光滑问题的光滑化分析,避免在非光滑事件中频繁切换动力学模型。采用不同摩擦模型对摩擦摆隔震支座的地震响应进行计算,验证了所提模型的准确性和有效性。

浮动坐标系下大变形柔性梁的变形梯度单元

机械臂振动控制通常采用浮动坐标系法建立动力学模型,以确保关节运动和振动抑制有合适控制变量.但浮动坐标法受到小变形的限制,求解大变形动力学问题的精度不高,而常用的大变形建模理论,如绝对节点坐标法可以精确求解机械臂的大转动和大变形问题,却未能提供合适的振动控制变量.为此,文章提出了一种新的大变形场离散方案-变形梯度单元,该单元采用节点变形及其梯度作为节点坐标,无任何小变形假设,其节点坐标能准确转化为节点的绝对节点坐标及其梯度,可视之为绝对节点坐标法的等效单元,能精准描述柔性体的大变形运动.研究表明:(1)变形梯度单元求解梁结构的大变形静力学问题时,其结果与绝对节点坐标法缩减梁单元的完全相同,求解效率相当;(2)模型与绝对节点坐标法处理大变形动力学问题的解几乎完全相同,可说明模型的正确性.通过广义α法求解时,由于模型和绝对节点坐标法的动力学方程形式上的差异,两种方法的动力学数值解存在非常微小的差异;(3)对于大变形机械臂的关节运动控制,基于小变形假设的一次近似刚柔耦合模型极易给出错误甚至发散的预测结果;(4)模型自然区分了关节的大转动和梁的大变形,结合PD控制策略对系统施加关节驱动力矩和若干个横向控制力,此时系统李雅普诺夫函数对时间的导数为非正定,系统能量随着时间的递增会逐渐衰减,系统稳定,且横向控制力越多,机械臂残余振动抑制效果越佳.

盾构渣土免烧路面砖的制备与性能试验研究

土压平衡盾构渣土存在含水率和含泥率较高、产生量大、资源化利用难度大等问题。现有的固化处理方法存在强度低、耐久性差等问题,以盾构渣土为对象,引入碱激发高炉矿渣胶凝材料与技术,设计并发明了一种盾构渣土免烧路面砖。将2mm以下细粒盾构渣土和高炉矿渣混合料作为底层物料,筛分出的碎石、砂以及钢渣作为面层物料,采用单向压制成型法分别将底层和面层物料压制成型,制备得到免烧路面砖成品。试验结果表明:路面砖经自然养护28d抗压强度达51.8MPa,抗折强度为9.1MPa,磨坑长度为22mm, 25次冻融循环后的抗压强度为46.4MPa。相较于现有的技术,本研究具有免烧结、免水泥添加以及优异的力学性能、耐久性能和耐磨性能。路面砖底层与面层厚度比5∶1的双层复合设计不影响路面砖整体性能,相关指标完全满足混凝土路面砖的标准要求,具有较好的应用前景。

上承式悬带桥力学特性实验和模拟分析

为满足新工科人才培养需求,结合结构力学课程改革,开发了上承式悬带桥力学特性分析的高阶教学模块。针对3D打印制备上承式悬带桥模型开展了变形和破坏性实验,对结构内力和变形进行有限元数值模拟,分析结构的位移-载荷关系等力学特性。教学实践表明,实验、数值模拟和理论结合的高阶模块的探索有助于加强学生对理论知识的理解,有利于培养学生解决工程问题的能力。

球轴承刚度斜弹簧计算方法

针对传统轴承刚度计算方法计算过程复杂,计算结果正确性存疑的问题,提出了一种斜弹簧计算方法,以角接触球轴承为例,推导了受联合载荷、高速运转和仅受中心轴向载荷、中低速运转2种极端情形下的轴承刚度计算公式,斜弹簧计算方法整个过程无需微分和矩阵运算,物理意义清晰,正确性能够自证,计算过程简洁,计算精度高。并与虚功原理法、刚度投影法、准静态模型的增量法进行对比,结果表明:与虚功原理法误差较小,进一步证明了斜弹簧计算方法的正确性;与刚度投影法、准静态模型的增量法误差较大,两者所依据的物理基础不实的计算结果正确性存疑。

全面深化新工科建设中“理论力学”课程内容体系探索

全面深化新工科建设是为适应时代发展,响应国家战略和新兴产业发展需求,培养具有全球视野、创新精神和实践能力的复合型人才。“理论力学”是高校理工类专业必修的专业基础课程,是从基础理论学习迈向专业学习的关键一步。基于新工科建设对人才培养的目标,通过对“理论力学”课程体系和教学内容的思考、探索和实践,提出了几点有特色的建议,注重培养学生逻辑推理能力、强化问题分析能力、加强发散思维训练,激励学生科技报国,激发学生自主学习,为后续“理论力学”课程内容体系改革提供参考和思路。

双列调心非对称球面滚子轴承接触应力计算方法

为实现双列调心非对称球面滚子轴承在径向载荷下的接触应力分析,基于该类轴承的内部几何关系及非赫兹接触理论,建立了轴承数值分析模型,采用牛顿法求解,并以某双列调心非对称球面滚子轴承为例,计算分析了径向载荷、径向游隙、内滚道半径、滚子轮廓修形半径、滚子轮廓峰值点位置对轴承接触应力的影响。结果表明:随着径向载荷、径向游隙增大,内滚道中央区域和边缘接触应力均增大;随着内滚道半径增大,内滚道中央区域接触应力增大,边缘应力减小;随着滚子轮廓修形半径增大,内滚道中央区域接触应力减小,边缘应力增大;随着滚子轮廓峰值点位置与滚子大端面距离增大,内滚道中央区域接触应力变化较小,边缘应力减小。

刚构体系斜拉桥塔柱计算长度系数求解方法研究

斜拉桥塔柱计算长度的取值是验算其承载能力极限状态的关键问题。基于斜拉桥中拉索对桥面梁起弹性支撑作用的受力特点,针对刚构体系斜拉桥塔柱计算长度取值问题提出了一个新方法和力学模型,即传递矩阵法和三梁离散弹簧模型。该模型将塔柱和主梁视为考虑轴向变形影响的欧拉伯努利梁,将斜拉索简化为有质量的弹簧。利用传递矩阵法进行求解,通过考虑边界条件以及连续性条件,推导出系统的稳定特征方程,进而得出塔柱面内稳定计算长度系数。最后,通过算例分析和有限元计算结果的对比,验证了该文中所提出的理论和方法的可行性,能够满足刚构体系独塔斜拉桥计算分析和塔柱计算长度评估的需要。

关于魔力弹簧的收缩时间和上端运动问题

针对有关魔力弹簧研究中的几个问题进行探讨和澄清.建立了预收缩力弹簧的模型,推出其形变规律.根据质心运动定理,导出这种弹簧自由下落时,收缩到原长所用的时间、其上端的运动方程和速度公式.研究表明,对于通常演示所用的魔力弹簧,在自由下落时的收缩阶段,其上端不是作匀速直线运动.

基于集对-组合赋权的填埋场失稳风险评价方法

我国填埋场具有高水位、高气压的特征,现有规范和研究中虽提出了不同的稳定性评价指标和分级标准,但对指标权重和综合风险评估缺乏系统性研究。为此,建立了涵盖填埋场几何构型、垃圾土抗剪强度、液气赋存情况和降雨4类7个指标的填埋场失稳风险评价指标体系,通过参数敏感性分析实现5级分类(稳定、较稳定、基本稳定、不稳定、极不稳定),并采用集对分析构建指标联系度函数。采用指标重要性排序法,通过参数敏感性分析、工程失稳事故、文献关注度统计和博弈论组合赋权,确定了评价指标的综合权重。最后,将指标综合权重与指标联系度函数耦合,建立了填埋场失稳风险综合评价模型,并应用于一实际填埋场工程中,与现场实际监测数据结果一致,验证了评价模型的准确性和有效性。

风电主轴承失效分析与优化设计

风电主轴承是风力发电机组的核心部件,其性能直接影响风机可靠性和寿命。通过对4MW风电调心滚子主轴承进行材料、热处理质量、扫描电镜检测分析,结合Romax轴系仿真模型分析轴承两条滚道的受力状态,结果表明受轴向力、倾覆力矩联合作用,轴承出现偏载是导致一侧滚道疲劳的主要原因。对调心滚子风电主轴承进行优化设计并仿真分析,结果表明通过改变接触角进行非对称设计,可改善轴承受力状态。风电主轴承的失效分析与优化设计研究,可为大功率风电主轴承设计提供参考。

海上浮式风机多体系统耦合动力模型研究

海上浮式风机是近年来随着海上风电的快速发展,为了捕获深海更丰富、更持久的风能而提出的一种风力发电装置,已成为当今风能开发的主要方向。作为一种多体系统,由于海上浮式风机结构特殊,加上环境复杂,对其进行准确的计算和分析尤为重要。本文对海上浮式风机的耦合动力模型进行了研究,建立了复杂工况下Spar型海上浮式风机改进的14-DOF耦合动力模型,包括气动力模块、水动力模块和结构分析模块等,用于扩展其适用范围和准确计算风机的动力响应,并通过数值仿真对所建模型进行了分析和验证。主要的改进有:不对平台和塔架的转动角度作小量近似,扩展其适用范围;考虑角速度和欧拉角速度的换算关系,不作等化处理。此外,所建模型考虑风机叶片扭转角对叶片变形的影响,得到了较为准确的叶片面内外响应。同时采用线性势流理论对水动力进行计算,较之Morison方程适用性更广。仿真分析表明,本文所建模型可以更准确地计算海上浮式风机系统的动力响应,且具有更广的适用范围。

盾构衬砌数字化设计平台的开发与应用研究

为了对盾构隧道结构设计过程进行降本增效,基于SaaS模式和B/S架构开发了一个Web端的盾构衬砌辅助设计平台(TIM-SAP)。TIM-SAP面向盾构衬砌结构设计业务进行功能交互设计和算法开发,基于生成式建模、网格划分、结构计算、渲染后处理等模块设计程序流程、函数及其调用接口。TIM-SAP能提供衬砌建模、衬砌拼装、隧道建模、荷载计算、横向结构计算、纵向结构计算、衬砌配筋和衬砌出图共8个功能,覆盖建模、计算、配筋、出图的相关作业。其功能模块开发主要用到的技术包括面向B-rep的参数化建模、基于KNN的围岩解析、参数化结构计算和基于RF的配筋方案生成。先通过武汉地铁12号线工程算例对TIM-SAP进行计算结果的调试,然后在武汉新港线盾构隧道设计工程进行了项目应用。研究结果表明,现有成熟的土木工程设计功能模块可以被进一步地集成以实现数字化设计平台和系统的开发。基于算例进行功能调试后,TIM-SAP的计算结果能与现有软件保持一定吻合。结合项目应用情况,TIM-SAP能免去复杂的网格处理、收敛优化、检索查表等操作过程,并提供“一键”生成式建模以支持设计文档中的附图和三维表现。经过与现有软件的操作对比,TIM-SAP减少设计人员的8~60 min工作耗时。该研究成果能提升地下工程的数字化、自动化设计水平。

时间尺度上约束力学系统的Noether型绝热不变量

时间尺度微积分是近年来的研究热点之一,其不仅统一连续分析与离散分析,还能协助完成更复杂动力学系统的建模.Noether对称性方法是一种近代的积分方法,揭示了力学系统守恒量与其内在的动力学对称性之间的潜在关系,Noether对称性的摄动与绝热不变量和系统的可积性之间也有着密切的联系.时间尺度上约束力学系统的Noether对称性问题虽然已有学者研究,但是由于时间尺度微积分理论的不成熟,研究成果的深度及正确性均有待探究.文章的重点是探讨时间尺度上约束力学系统Noether对称性的摄动与绝热不变量,这其中包含了Lagrange系统、Hamilton系统以及Birkhoff系统.首先,探讨了3个受小扰动作用的系统,其Noether对称性的变化,并给出了相应的绝热不变量;然后提供了在无扰动条件下,3个系统的精确不变量.Lagrange系统得到的精确不变量与原有结果吻合,Hamilton系统和Birkhoff系统得到的精确不变量是新的.其次,时间尺度上的导数分为delta导数和nabla导数,由这两种导数所组成的系统,互为对偶系统.基于文章delta导数下所得到的结果,采用对偶原理的方法,给出了3个系统对偶空间的绝热不变量和精确不变量.最后,文末分别讨论了时间尺度上Kepler问题和Hojman-Urrutia问题的Noether型绝热不变量,从而借助例题对3个系统中所得到的结果和所采用的方法进行说明.