人体分布式动力学模型及其参数识别

建立人体动力学模型获取人体自振频率是土木工程、机械工程、交通工程、航空航天、康复医学等许多领域的共性科学问题,以往研究最常采用的弹簧-质量块-阻尼器集中质量模型,与实际人体质量、刚度沿身高的分布式特性并不相符。本研究提出含有生物自驱力的人体分布参数动力模型,理论上推导了自振频率的表达式,并据此提出了基于步态测试技术的频率识别算法。组织了247名测试者进行步态试验,识别了每位测试者的人体刚度和自振频率,进一步研究了识别参数的概率分布特征,并通过与以往研究结果对比、不同年龄段统计分析等,多角度验证了所提模型的合理性和适用性。

基于分布式弹簧-阻尼单元的桥头跳车动力荷载分析

对车辆桥头跳车问题,提出一种分布式弹簧-阻尼单元,该单元可以考虑车轮-路(桥)面接触长度和车轮的动力特性。基于此单元,结合车辆有限元动力分析,可对车辆上、下桥头错台时的竖向动力荷载进行定量研究。实例分析表明:①分布式弹簧-阻尼单元由于考虑了桥头跳车时车轮与桥面的接触长度,所得的车轮竖向动荷载比以往方法有所降低;②桥头错台跳车造成的竖向轮载冲击系数可能超过我国和美国桥梁规范设计值,需要引起重视;③下桥跳车时车轮动荷载降低,可能造成车轮脱空,影响行车安全性;④跳车动力荷载与行车速度、错台高度等因素有关,相关参数分析有利于对桥头错台高度和行车速度进行合理控制。

弹簧-阻尼动力学单元螺栓连接结合面研究

螺栓连接结合面在机床结构中大量存在,结合面的动态特性对机床整机动态性能的影响不容忽视,结合面动态特性的准确分析计算对机床整机动态性能优化设计具有重要意义。在对结合面的研究中,基于ANSYS软件,采用12弹簧-阻尼动力学单元建立结合面的刚度-阻尼模型,并考虑了螺栓连接结合面的影响锥问题,选用软件自带的combin14单元,对三段梁缩小模型进行自由状态下的模态分析。分析结果与实验测试结果有较好的一致性,证明了模型的实用性和准确性。

模拟火炮后坐运动的非线性弹簧-阻尼单元

根据非线性有限元法的基本理论 ,建立了火炮发射动力学的有限元运动方程 ,推导出单元耗散为向量和单元阻尼矩阵的计算公式 .提出采用非线性弹簧 阻尼单元来模拟反后坐装置对炮身后坐的阻尼作用 ,并给出了该单元的刚度矩阵和阻尼矩阵 .根据炮身的后坐过程的三个阶段 ,提出采用分段拟合的方法确定非线性单元的参数以模拟火炮后坐阻力 位移曲线 .采用非线性有限单元模拟反后坐装置 ,能够较准确地描述炮身部分的后坐运动 ,同时在大简化了全炮模型的建立 。

建立弹簧-质量-阻尼系统数学模型的数轴法

提出一种建立弹簧―质量―阻尼系统其数学模型的简单方法——数轴建模法,即建立与系统平行方向的数轴,把弹簧或阻尼器的实际位移值当做有理数标在数轴上对应位置,然后按照有理数比较大小的结果确定相应质量块所受弹簧力或阻尼力的大小和方向,进而求得系统的微分方程。分别以单自由度系统、两自由度振动系统及多自由度系统为例,阐述了数轴法在建立机械振动系统的数学模型中的应用。结果表明此方法在列写弹簧―质量―阻尼系统的运动微分方程时非常有效。

含间隙机构无质量杆-弹簧阻尼组合模型的近似解法

提出了一种新的无质量杆 -弹簧阻尼组合 (MLSD)模型非线性动力学运动微分方程的近似解法。它通过求解无间隙机构来得到相应的含间隙机构的动力响应 ,无须求解系统的非线性微分方程组 ,使解决问题的难度大为降低 。

一种新的高阶弹簧-阻尼-质量边界——无限域圆柱对称波动问题

提出一种描述力-位移时间卷积关系的高阶弹簧-阻尼-质量模型,并将其作为人工边界条件直接应用于弹性动力学无限域圆柱对称运动问题的时域数值求解.该人工边界条件不存在旁轴近似、多次透射等位移型外推人工边界条件普遍存在的高、低频失稳问题;与黏性、黏弹性边界等应力型人工边界条件相比,它具有高阶精度,且是严格高、低频双渐近的,也可以退化到黏性、黏弹性边界;该边界可以像黏性、黏弹性边界一样利用商用有限元软件中内置的并联弹簧-阻尼器、质量单元和时间积分求解器在商用软件中方便地实现,便于研究人员和工程师应用.分析的几个简单数值算例也验证了该边界条件的上述优点.

带埋置弹簧界面单元模型研究

为克服采用弹簧单元模拟钢-混凝土组合结构的连接件时网格划分要顾及连接件位置的缺陷,提出了一种新型的带埋置弹簧界面单元模型。在该模型中,界面单元用于模拟钢板和混凝土之间的接触,弹簧用于模拟连接件的作用,可位于界面单元内任何位置。该模型既能合理考虑钢板与混凝土界面上的各种连接作用,又能使单元划分不受连接件位置的影响。推出试验模型和钢管混凝土拱桥拱脚等算例表明,该模型网格划分方便,计算精度较高,适用于实际工程的计算分析。

基于质点-弹簧-阻尼模型的人机接触运动皮肤三维形变仿真

人机接触运动中,在接触区域后方和前方皮肤表面分别产生拉伸和堆积形变。针对当前该领域研究的局限性,该文研究了黏滑摩擦下皮肤三维形变仿真模型,为人机作业参数优化、在线轨迹规划和控制提供参考。该文基于皮肤解剖结构,构建皮肤、肌肉脂肪、骨骼3层质点-弹簧-阻尼模型,描述皮肤在拉伸、剪切和弯曲作用下的形变;基于皮肤黏滑摩擦机理,结合改进Kelvin-Voigt黏弹模型,构建皮肤质点-弹簧-阻尼动力学模型,模拟不同作业环境下皮肤的实时三维形变;验证了皮肤质点-弹簧-阻尼模型在Kwiatkowska、Franklin等皮肤拉伸测量试验中的有效性。同时,该文搭建了机器人手臂按摩试验平台和皮肤表面形变测量视觉系统。与试验测量结果对比,皮肤三维形变仿真模型拉伸形变在X和Z方向的平均误差分别为0.295、0.360 mm,标准差分别为0.164、0.085 mm;堆积形变在X、Y和Z方向的平均误差分别为0.317、0.248、0.471 mm,标准差分别为0.090、0、0.232 mm。试验结果表明:该文构建的皮肤三维形变仿真模型误差较小、稳定性较高。

浅埋爆炸下考虑乘员安全的防雷底板设计理论模型

浅埋爆炸载荷下,为更好地开展装甲车防雷底板设计,建立了考虑附加质量-弹簧-阻尼系统的均质梁动态响应理论模型,并采用有限元仿真分析进行验证,理论与仿真结果吻合良好。基于所建立理论模型,分别讨论了炸药质量、均质梁屈服强度、弹簧刚度、阻尼系数和边界条件对均质梁中点和质量块峰值位移、速度、加速度的影响。结果表明:随着TNT质量增大和均质梁屈服强度减小,均质梁中点峰值位移、质量块峰值位移、速度、加速度都增大;当弹簧刚度相同时,随着阻尼系数的增加,均质梁中点峰值位移减小,质量块峰值加速度增大;当阻尼系数一定时,弹簧刚度对均质梁中点的峰值位移和质量块峰值加速度影响较小;针对不同弹簧刚度,选择适当的阻尼系数可以降低质量块峰值速度。

基于MSD模型的人-桥耦合效应量化分析及简化计算方法

基于行人质量-弹簧-阻尼模型建立了人-桥耦合系统运动方程,并采用复模态分析法获取了系统动力特性。在此基础上,量化分析了频率比、质量比和行人间距对桥梁动力特性的影响规律,提出了考虑人-桥耦合效应的简化计算方法。研究表明:对于大跨度人行桥,行人运动会导致结构实际振动频率和阻尼比的改变,其改变程度和规律受质量比、频率比和行人间距以及结构振型影响,如忽略人-桥耦合效应会高估结构响应。通过修正桥梁动力特性并将行人视为步行力施加到人行桥上,计算出的结构响应与考虑人-桥耦合效应的结构响应基本一致,但计算量大幅降低,表明该方法具有较高的精度,可用于快速预估人致振动响应。

竖向行人-结构相互作用中的行人MD及SMD模型参数识别

大跨轻柔结构易出现行人荷载下的振动舒适度问题,行人与结构的相互作用是准确预测人致结构振动的关键难题之一。通过一低频人行桥的小组行人试验,研究了两种竖向人-结相互作用模型的参数及其适用性问题。首先由试验获得空桥和有行人时的系统频响函数。随后,将行人的质量-阻尼器(Mass-Damper,MD)模型和本文建议的弹簧-质量-阻尼器(Spring-Mass-Damper,SMD)模型,分别与结构耦合并推导耦合系统的频响函数理论表达式,再拟合实测值识别MD和SMD模型的参数。结果表明:试验条件下行人对结构质量贡献约为体重的40%,阻尼贡献为1400kg/s。行人SMD模型的自振频率约为1.9Hz,阻尼比约30%。行人SMD模型参数尚无其他文献报道,与不同姿态静止人体的SMD参数的对比说明了结果的合理性。最后,利用数值模拟解释了MD模型的局限性,建议采用SMD模型模拟竖向行人-结构相互作用。

柔性体碰撞阻尼模型的适用性分析

用理论和实验相结合的方法研究柔性梁和刚性球正碰撞过程中2种碰撞阻尼模型的适用性.基于Euler-Bernoulli假设,考虑几何非线性,用绝对节点坐标法建立了平面柔性梁的动力学模型.用非线性弹簧阻尼模型建立了柔性多体系统的碰撞动力学方程;在考虑局部残余变形的前提下,用弹塑性模型建立了柔性多体系统的碰撞动力学方程,将碰撞过程分3个阶段(弹性碰撞,弹塑性碰撞,弹性恢复)进行分析.设计了柔性梁和刚性球的碰撞实验,将仿真计算与实验数据对比.结果表明,弹塑性模型更适用于碰撞分析.

等厚度三维单元在薄板-土动力接触中的应用

针对薄板与土体的动力接触问题,根据土体小变形和基于薄板理论,对土体和薄板分别采用一阶基函数和零阶基函数进行建模,建立了一种基于一阶数值流形方法的等厚度三维接触单元。采用虚位移原理和刚塑性本构模型,推导了接触单元的刚度矩阵。通过引入阻尼单元和采用等价线性模型,建立了接触系统的二阶动力微分方程,并利用四阶Runge-Kutta显式方法编程求解得到了薄板与土体动力接触过程中的位移与应力值。相比于Goodman单元,在系统单元数相同条件下,当接触单元厚度为其宽度的0.06倍时,文中结果更符合试验值。通过和原位试验结果比较分析表明,文中建立的接触单元不仅建模方便,而且精度更高。

BFPC机床钢-BFPC结合部动参数识别及仿真方法

为解决钢-BFPC机床结合部动态性能分析困难的问题,采用建立钢-BFPC结合部的动态性能仿真模型的方法,进行钢-BFPC结合部动态性能参数识别方法的研究,分析了粗糙度和面压对其动态性能的影响规律并建立神经网络预测模型,利用等效弹簧-阻尼单元结合有限元仿真软件建立其仿真分析方法。为检验参数识别及仿真分析方法准确性,设计一种BFPC机床床身,先通过实验测得其动态性能,再采用有限元仿真方法研究不同弹簧-阻尼单元布局的BFPC床身模态性能,并确定其最佳布局进而确定最佳弹簧阻尼单元布局的BFPC床身频响仿真性能。将仿真结果与实验结果对比,两者的固有频率最大相对误差为5.17%,加速度频响曲线振幅的最大相对误差为8.96%。研究结果表明:钢-BFPC结合部动态性能参数识别方法及其仿真分析方法具有有效性和准确性。研究结论为钢-BFPC结合部性能分析及其虚拟仿真提供理论依据。

竖向人-结构相互作用体系理论模型研究

随着大跨度和柔性建筑结构的广泛应用,考虑到高密度人群对于结构稳定性及安全性的影响,人-结构相互作用体系的研究显得尤为重要。将串联和并联的两自由度人体模型分别作用于单自由度结构模型,得到三自由度人-结构相互作用体系模型。考虑人体的高阻尼特性,分析人-结构体系的受迫振动运动方程,通过加速度响应函数分析得到体系的共振频率。将模型结果与现有文献报道的试验数据进行对比,结果表明,通过单纯形法对人体参数进行针对性优化后,提出的串联三自由度理论模型可以较为准确地模拟试验结果。

带橡胶阻尼块压气机整流器振动特性分析

橡胶的动态特性及频率与应变相关。为了研究航空发动机带橡胶阻尼块整流器叶片结构的振动特性,使用有限元仿真和试验相结合的方法,建立了适用于此结构的动态模型,分别使用硅橡胶N50、硅橡胶N60、天然橡胶N60和丁晴橡胶N60这4种橡胶阻尼块对该结构进行了试验和仿真。对4种橡胶进行准静态拉伸试验,使用Neo-Hookean超弹性模型进行拟合得出CNH1与最大应变εm的3次多项式,带入ANSYS进行橡胶柱压缩仿真从而验证模型的可靠性;对橡胶进行动刚度试验,得出橡胶动态模量随频率的增大而逐渐递增;建立非线性弹簧-分数导数模型,带入ANSYS进行迭代计算,并进行扫频试验,对得出的不同橡胶阻尼块下叶片的第1阶共振频率的仿真结果和试验结果进行对比可知,模型的计算误差均小于5%。综合分析表明:非线性弹簧-分数导数模型能够准确地描述带橡胶阻尼块整流器叶片结构的振动特性。

时间卷积的局部高阶弹簧-阻尼-质量模型

土-结相互作用的时域有限元分析中,力和位移时间卷积关系的局部化处理是建立精确无限域模拟方法的关键。应用物理模型化方法局部化时间卷积,提出一种新的高阶弹簧-阻尼-质量模型,推导了模型的时域、频域方程和相应的标准方程,建立了两类方程参数的转换关系。基于线性系统稳定性理论提出模型系统运动稳定的充分必要条件,并基于罚函数法和遗传-单纯形法建立了考虑模型稳定性的参数识别方法。基于该文参数识别方法的高阶弹簧-阻尼-质量模型系统、简洁,能够在动力有限元程序或商用软件中简单、容易的实现,形成动力稳定的土-结相互作用系统,可以采用显式时间积分求解。弹性地基表面半无限杆问题的分析以及与几种现有方法的比较研究表明该文模型及参数识别方法的有效性。

关于超长沉管隧道地震反应分析中瑞利阻尼矩阵的讨论

以港珠澳超长沉管隧道为例,采用质量-弹簧模型,通过时域数值计算,分析了在不同Rayleigh阻尼矩阵下沉管隧道在不同地震输入荷载下地震反应的特点与区别,并同地震动响应的"真实解"进行了比较,讨论了考虑地震输入荷载影响时Rayleigh阻尼系数的选择方式,提出在形成Rayleigh阻尼矩阵时,可取模型的第1阶振型与输人荷载的反应谱卓越频率来确定Rayleigh阻尼的比例系数。

玻璃微珠/环氧树脂胶结型复合材料的刚架-弹簧-阻尼模型

针对玻璃微珠/环氧树脂构成的胶结型颗粒复合材料提出了刚架-弹簧-阻尼模型。考虑到环氧树脂基体的阻尼特性,通过动态热机械分析,得到常温低频下环氧树脂的损耗因子,并应用于刚架-弹簧-阻尼模型。采用有限单元分析方法进行数值仿真分析,得到了玻璃微珠/环氧树脂胶结型复合材料损耗因子随玻璃微珠粒径增大的变化规律。结果表明:随着玻璃微珠粒径的增大,颗粒复合材料的刚架-弹簧-阻尼模型单元计算的损耗因子会逐渐增大,且切向损耗因子要比轴向的大;对整体材料而言,刚架-弹簧-阻尼有限元模型计算的损耗因子也会逐渐增大,其中,按照平面正四边形网格模型计算得到的损耗因子要大于平面正六边形网格模型,即颗粒复合材料的孔隙率越大,材料的损耗因子越大。仿真分析结果与实际材料的阻尼变化规律相符,这种模型是可靠的。