基于GISSMO损伤模型的高强度钢碰撞失效行为研究

为了研究不同失效模型对碰撞仿真结果的影响,以期准确描述材料的失效行为。以船用高强度钢EH36为研究对象,设计2个温度下不同应力状态的材料拉伸试验,得到其不同温度下的力学性能、载荷和位移数据,将试验结果与拉伸仿真联合,反求出广义增量应力状态依赖损伤模型(GISSMO)的参数;构建冰体与船体板架的碰撞仿真,对比不考虑失效,考虑V-M失效准则以及GISSMO损伤模型的仿真结果。结果表明,考虑GISSMO损伤模型相比于V-M失效准则,碰撞力峰值和板架吸能情况都有所减小。由于GISSMO损伤模型考虑了不同应力三轴度对材料失效的影响,所获得的损伤形态更接近于真实情况,因此GISSMO损伤模型能较好预测EH36钢材的变形及失效行为。

带球封头的钛合金耐压结构深海碰撞动屈曲研究

钛合金深海装备在水下作业时可能会与海山、礁石等海底固定物发生碰撞,这种在高应力状态下发生的冲击碰撞可能会对钛合金结构稳定性造成很大的影响。目前,学术界对于这种在双重载荷环境下发生的结构稳定性问题并没有太多的研究,也没有可供参考的经验公式。在钛合金材料动态力学性能试验的基础上,结合理论分析和大量数值模拟,建立在碰撞力集中载荷和均布压力共同作用下钛合金球柱组合结构的动屈曲判断准则,所得结果可以为深海装备水下航行安全性提供重要参考。

垂直井内上击器解卡过程中钻柱振动数学模型的建立与求解及动态解卡力分析

对于油气井内解卡过程中的钻柱振动情况及动态解卡力,目前还没有有效的分析方法。该研究建立了垂直井内上击器解卡过程中考虑钻井流体阻尼的钻柱振动数学模型,并进行了求解,分析了几个主要因素对动态解卡力的影响。首先,介绍了上击器解卡过程中钻柱振动的三个阶段:(1)拉伸储能阶段,对钻柱进行静力学分析;(2)泄压阶段,结合拉伸储能阶段的计算结果,通过特征函数展开法与拉普拉斯变换求解了泄压阶段的钻柱振动数学模型;(3)撞击阶段,引入了将钻柱-钻柱轴向撞击的强非线性问题转化为多段钻柱振动的线性问题的求解思路,通过紧差分方法对撞击阶段的钻柱振动数学模型进行求解,获得了钻柱中的弹性波传播规律以及动态解卡力。其次,建立了与三个阶段相应的数学模型并求解。然后,采用该模型计算了无阻尼情况下的荷载场与动态解卡力,经低通滤波处理后的计算结果与相应条件下的解析解以及ABAQUS软件所得结果均有较好的吻合,验证了该工况下解法的准确性。最后,分析了震击启动拉力、上击器位置、钻井流体黏度、以及芯轴有效距离对动态解卡力的影响。所得结论对使用震击解卡的作业过程具有一定的指导意义。

冲击实验中复杂流场的准静止区检测

颗粒流场特征检测通常采用粒子图像测速(PIV)技术测得速度场,再对多帧连续图像进行人工识别,检测结果存在一定的主观误差。因此,提出了一种在单帧流场图像中识别准静止区的DC-UNet++网络。首先,通过电荷耦合器件(CCD)采集小球冲击颗粒床形成的流场图像,再用PIV技术分析并制作数据集。然后,在多组数据集上训练CNN模型、UNet++模型和提出的DCUNet++模型,验证分析其在单帧图像上检测准静止区的可行性与准确性。最后,讨论了该模型在非透明和透明两类颗粒材料中的低速冲击流场上的泛化能力。实验结果表明:DC-UNet++网络在非透明和透明颗粒材料上的准确率分别达到87.76%和72.91%。DC-UNet++网络实现了在单帧图像上检测目标特征的任务,且对透明颗粒材料复杂流场下的特征仍具有较为准确的检测结果。

基于碰撞模型的罚篮过程分析

罚篮是篮球比赛中重要的得分手段,分析罚篮最优出手参数能对提高命中率提供指导。本文建立了考虑重力、空气浮力、空气阻力的篮球自由飞行模型和基于恢复系数与Whittaker假定的摩擦斜碰撞模型,利用Matlab编程代入具体参数进行计算,得出了给定出手高度下罚篮总进球域和空心进球域,发现并解释了总进球域对出手速度不连续、增加出手高度有利于进球的现象,并给出最优出手角度为62.5°左右。

行人安全气囊的专利分析

行人与车辆发生碰撞时,行人安全气囊能够最大限度地降低行人头部、腿部的损伤,是道路交通安全的重要保障。通过对专利文件的检索和分析,介绍了行人安全气囊的专利申请情况、相关技术,探讨了其中的关键创新点和未来发展趋势,为行业的技术创新提供参考。

S500MC钢本构模型及其在吸能结构中的应用

首先对S500MC钢进行准静态拉伸和动态冲击试验,获得不同应变率下材料应力-应变关系;其次分别采用J-C本构模型、修正J-C本构模型和C-S本构模型描述S500MC钢的动态力学性能,基于试验结果标定了本构模型参数,并对3种模型准确性进行了验证;最后基于薄壁结构吸能过程仿真,研究J-C模型和C-S模型对结构吸能响应的影响。结果表明:S500MC钢具有明显的应变率强化效应,修正J-C本构模型和C-S本构模型均能较好描述其动态力学特性,在不同冲击速度下,考虑应变率效应时,结构比吸能提高1.46%~9.95%,平均压溃力增加5.36%~11.04%。

仿生树状分形薄壁结构的耐撞性研究

为提高薄壁管结构的耐撞性,受树枝生长规律的启发,设计了两类树状分形的薄壁多胞结构。根据简化的超折叠单元理论,针对轴向压缩工况,建立仿生薄壁管的平均冲击力理论模型,采用有限元数值模拟技术,研究分形结构对薄壁结构耐撞性的影响。结果表明:理论模型可以有效地预测仿生薄壁管的平均冲击力,树状分形设计能够促进薄壁结构的变形稳定,高阶仿生薄壁管在比吸能、载荷效率等方面优于单胞方管,且随着分形阶数的增加,仿生管的能量吸收能力和变形稳定性进一步提升。

基于符号距离场的多体系统碰撞动力学研究

多体系统动力学中的接触碰撞问题是典型的边界非线性问题,对其动力学仿真面临着巨大的数值困难.由于求解过程中需要一直进行复杂的接触碰撞检测,严重地影响了数值计算效率.为了实现对多体系统动力学中接触碰撞问题的快速求解,文章提出一种改进的基于符号距离场的多体系统动力学接触碰撞检测算法.通过对预先生成的符号距离场进行三线性插值,求解出空间中任意一点距离物体表面的最短距离和法向量.将接触碰撞检测分为全局检测和局部检测两个过程,首先在全局检测时利用OBB包围盒技术对物体之间是否存在潜在接触可能性进行快速判断;然后在局部检测时基于符号距离场信息并结合八叉树结构对接触碰撞检测算法进行优化.分别采用Hertz接触力模型和基于速度的库伦摩擦力模型,建立了多刚体系统非连续动力学方程.最后,通过对典型的算例和空间站交会对接的工程案例进行仿真,验证了所提方法在解决复杂多体系统碰撞动力学问题时的正确性和高效性.该方法可以进一步拓展到复杂构型刚体与柔性体的接触碰撞动力学研究.

一种基于Hunt-Crossley模型的碰撞动力学模型

分析现有碰撞模型的局限性,综合材料的弹塑性及阻尼特性对碰撞过程的影响,基于Hunt-Crossley碰撞动力学模型及Thornton塑性假说,忽略弹性波对结构的影响,提出一种碰撞模型。该模型以非线性弹簧阻尼模型为基准,根据碰撞阶段的能量耗散关系,将碰撞过程分为弹性阻尼压缩、塑性区域扩张、塑性区域稳定及碰撞分离4个阶段,利用MATLAB对碰撞过程中接触面的动态响应进行分析计算,最后通过摆锤碰撞试验,验证该碰撞模型的正确性与实用性。

基于深度学习和近场动力学的层合板冲击工况识别

在冲击荷载作用下复合材料会产生断裂和分层等损伤。基于损伤数据对冲击工况进行识别,对改善复合材料的设计和确保其安全使用具有重要意义。基于此,本文提出一种基于深度学习和近场动力学(PD)理论的层合板冲击工况识别方法。首先使用改进的表面修正系数PD理论建立复合材料层合板刚体冲击损伤演化分析PD模型,PD模型数值模拟结果结合噪声数据增强技术构建层合板的冲击工况数据库;基于深度学习-卷积神经网络(CNN),对不同工况下的冲击损伤演化数据进行训练,实现对未知冲击工况的识别。结果显示,对于钢球冲击速度和角度的识别准确率均高于90%。

基于角动量参考点选择的碰撞问题求解方法

对有关质点与无固定转轴的线状刚体发生碰撞的问题,通过选择不同的参考点进行一题多解,验证了“在应用角动量守恒定律列方程时可以任意选择特殊位置作为参考点”;论证了杆球连接体的角动量可用转动惯量表示的条件.

地铁车辆蜂窝式防爬器的结构设计及优化

为研究某型地铁车辆蜂窝式防爬器的吸能特性,根据轨道车辆耐撞性标准,对其吸能区域的结构进行合理设计,进而研究了不同薄壁壳厚度和蜂窝厚度下蜂窝式防爬器的吸能特性。利用四次多项式响应面代理模型拟合出其压缩力效率,并运用多岛遗传算法对其压缩力效率最大值进行寻优。结果表明:多级蜂窝式防爬器的比吸能和压缩力效率都明显优于相同质量下的单级蜂窝式防爬器和圆管式防爬器;薄壁壳壁厚对多级蜂窝式防爬器的撞击力影响较铝蜂窝壁厚更为显著;通过使用四次多项式响应面法和多岛遗传算法在设计空间中寻找到其最优的壁厚组合,压缩力效率比优化前提高了6.03%,相较圆管式防爬器提高了60.96%;该防爬器在压缩力效率和比吸能方面具有明显优势,应用于地铁车辆的吸能防爬环节将发挥其重要的作用。

刚体碰撞的分析力学方法

从分析力学思想和动力学基本原理出发,对刚体为主的质点系碰撞问题解法进行系统归纳和拓展延伸。从动量定理的积分形式引入惯性冲量,类比D’Alembert原理得到求解碰撞问题的动静法,进一步结合虚功原理推导了碰撞问题的D’Alembert-Lagrange方程,简化了多约束、多刚体的机构碰撞问题的分析过程。将Lagrange方程在任意碰撞时程内积分,建立了在碰撞任意瞬时系统速度与碰撞冲量间的关系,并经微分运算推导出相对动能表达的Lagrange状态方程,形式简洁新颖。最后的实例验证和演绎了该结论及其具体应用方式。

四次累积发放神经元同宿环及周期解的存在性和稳定性分析

通过分析具有脉冲效应(状态重置过程)的四次累积发放神经元模型的同宿分岔,研究了该系统周期解的存在性和稳定性。主要针对系统具有两个平衡点的情形,对系统鞍点附近的动力学行为进行定性分析,研究多种情况下系统的1-阶同宿环的存在性。以d为分岔参数,当系统发生同宿分岔后,利用脉冲动力系统理论及庞加莱映射的不动点理论,证明不同情形下1-阶同宿环附近1-阶周期解的存在性和稳定性;最后,数值模拟系统的周期解,验证了理论结果的正确性。所采用的方法提供了一种寻找脉冲动力系统周期解的策略。

新型层级梯度六边形管的耐撞性多目标优化

将层级和梯度相结合,通过六边形管的层级梯度演化,设计出了一种新型的层级梯度六边形管。采用验证的有限元模型开展了0阶、1阶和2阶管的轴向冲击耐撞性分析。结果表明,结构的阶数越高,吸能效果越好,2阶层级梯度六边形管的能量吸收明显高于0阶和1阶管,相比0阶六边形管,2阶管的比能量吸收提高了38.86%,冲击力效率提高了42.66%。不同壁厚配置的2阶层级梯度六边形管的力-位移曲线明显不同,不同组成部分的壁厚对结构耐撞性具有较大的影响。3种不同配置的初始峰值力相差不大,但1.0-1.0-1.0配置的冲击力效率最高,达到65.05%。最后,构建并验证了代理模型,开展了结构参数对耐撞性影响的参数化分析,采用第二代非支配排序遗传算法开展了多目标优化,获得了Pareto前沿和最优设计解,并对优化结果的准确性进行了验证。

土壤碰撞问题的刚-散耦合动力学分析

本文以探测器着陆行星土壤为背景,对土壤碰撞问题进行刚-散耦合动力学建模与仿真分析研究.结合离散元方法和多体动力学方法,对半球壳装置土壤跌落问题进行耦合动力学仿真.通过与实验结果及有限元仿真结果对比,验证所采用离散元方法的有效性.分析了颗粒场中颗粒尺寸、恢复系数、静摩擦系数等参数,对碰撞中物体和颗粒场的碰撞加速度、碰撞持续时间、振动波形等动力学响应的影响.本研究将拓展对刚-散耦合动力学问题的理论认识,为探测器着陆系统的设计提供技术支持.

飞机撞击下核岛厂房损伤破坏与振动响应的数值仿真分析

9·11事件后,商用飞机撞击成为核岛厂房必须考虑的超设计基准事故。为探讨合理可靠的数值仿真方法以准确评估核岛厂房在商用飞机撞击下的损伤破坏和振动响应,首先对1∶15缩尺飞机撞击核岛厂房模型试验进行数值模拟。通过对比试验中厂房结构的损伤破坏以及不同标高位置的加速度时程,验证了所采用的材料模型与参数,以及数值仿真方法的准确性。进一步建立了精细化的AP1000原型核岛厂房有限元模型,开展了A320飞机以100 m/s的速度撞击反应堆厂房环吊梁标高位置的数值模拟,评估了厂房的损伤破坏和环吊梁的振动响应。结果表明:在该研究的工况中,商用飞机撞击反应堆厂房将导致机身撞击区域发生贯穿破坏,但内部钢制安全壳可保持整体密封性;环吊梁振动低于限值,环吊不会发生跌落,反应堆安全性可以保证。

动力打桩能量转换率及选锤要素

动力打桩的桩锤规格选择是桩基施工中重要及复杂的环节,满足桩基设计的极限承载力为主要考虑因素。常用的选锤方法有公式计算法、经验综合分析法、波动方程法共3类,可以选用桩锤的锤击能量及极限承载力。通过分析选锤要素引出了选锤最小能量值,从传统的单一锤击能量扩展到了一个区间,既简化了选锤方法,又提高了沉桩效率。从锤击能效及效率角度分析了锤桩质量比不宜小于14的实质是锤击能量转换效率的大幅降低,从理论上将动力打桩与静压沉桩有机联系起来。

盐岩冲击特性试验研究

采用 SWT 方法,对盐岩在压剪联合冲击加载过程中的力学特性进行研究,通过跟踪材料动态损伤过程中材料剪切性能的变化,从而确定材料与动态损伤相关的特性。通过对盐岩在压剪联合作用下的不同速度的冲击试验研究,结果显示,当冲击速度高于 200 m/s 时,盐岩材料很快进入破坏阶段;当冲击速度为 70～200 m/s 时,盐岩材料处于动态损伤状态。并第 1 次发现一个非常有意义的现象,即与一般的脆性材料的冲击完全不同的是,盐岩在压剪联合冲击过程中除了常规的 4 道冲击波外,在卸载压缩波到来之前,还有 1 道卸载剪切波。