基于线性接触模型的颗粒材料细–宏观弹性常数相关关系研究

细观参数的正确选取是离散元模拟成功的关键,然而,目前细观参数的选取具有一定的人为性和不确定性,导致分析结果的不可比性。利用颗粒材料单元体宏观力学参数和颗粒细观参数间的相关性,通过室内三轴试验的PFC3D模拟和结果的回归分析,基于线性接触模型建立了颗粒材料初始杨氏模量、初始泊松比等宏观弹性常数与颗粒法向刚度、颗粒刚度比等细观弹性常数间的经验公式。研究结果表明:对于线性接触模型,颗粒材料的初始杨氏模量和剪切模量约与围压的1/10次方成正比,并约与颗粒粒径的0.9次方成反比。初始泊松比则约与颗粒刚度比的1/14次方成正比,而与颗粒粒径几乎无关。常见砂土的颗粒刚度比为2.0～20.7。

基于线性接触模型的小麦三轴试验细观模拟

利用PFC3D离散元技术,采用线性接触模型,建立小麦三轴试验细观模型,模拟了小麦三轴试验.通过对比三轴室内试验获得的应力-应变曲线,对小麦的细观参数进行标定,并反算宏观参数.结果表明,PFC3D数值方法可很好地模拟小麦的三轴试验.小麦的宏观参数弹性模量、泊松比、内摩擦角、剪胀角与细观参数颗粒刚度、颗粒间摩擦系数等具有良好的相关性.

基于抗转动线性接触模型的路基碎石集料双轴压缩试验离散元模拟

碎石集料作为一种常用于路基工程中的颗粒材料,颗粒形状对其力学性质有着重要的影响。对颗粒形状研究大多采用离散元软件(PFC)对其进行模拟。现有研究对颗粒形状的模拟方法大致分为以下两种:一是以多个圆形或球形单元黏接而成的颗粒簇来模拟颗粒的真实形状;二是采用抗滚动线性接触模型来模拟非圆形颗粒间的咬合嵌固现象。前者所需的圆形或球形单元较多,计算量较大;后者模型颗粒数量较少,相较于前者能提高运算能力。基于图像识别技术快速分析碎石集料形状指标扁平率e的分布特征,利用数值模拟堆积试验确定了抗转动线性接触模型对于不同扁平率颗粒模拟的滚阻系数的取值,建立双轴压缩数值模拟试验条件并与室内试验数据进行对比从而验证模型的正确性后,进行了符合群体形状分布特征的碎石集料双轴压缩数值模拟试验。试验结果表明:随着围压的增大,偏应力峰值在逐渐增大,峰值应变也逐渐增大;幂函数包络线能更好地对碎石集料的抗剪强度特征进行描述,其幂函数包络线表达式为τ=16.594σ^(0.494 6)。

非线性接触力学模型在地基-基础相互作用弹性分析中的应用

针对多体相互作用体系的非连续变形分析问题和接触问题,采用 Mohr-Coulomb 屈服准则和关联流动法则以及接触界面上的非线性应力分布模式,考虑接触界面特性提出了非线性接触力元模型,以结点位移和界面相互接触应力同时作为独立未知变量,建立了离散系统的总体控制方程。进而,通过数值求解能够直接确定变形体内的应力与变形、界面上的接触应力与离散体的位移与运动。将这种以接触力元为基础的多体系统分析方法具体应用于基础与地基相互作用分析,通过数值计算与分析探讨了地基与基础的相对刚度、荷载大小及其偏心距、地基与基础间界面力学参数对接触界面的应力分布和地基变形的影响,所得结果为工程中考虑基础与地基相互作用影响的设计与分析提供了参考依据。

基于线性平行粘结接触模型的岩石细观参数选取方法研究

基于研究线性平行粘结接触模型中的细观参数与单轴压缩试验应力-应变曲线及试样破坏形式的对应关系,将细观参数分为四类。Ⅰ类,对峰值应力及其应变量敏感,但对初始弹性模量不敏感;Ⅱ类,对应力峰值和初始弹性模量E0均敏感;Ⅲ类,对试样应力-应变曲线的各特征值均不敏感;IV类,对试样破坏形式敏感。利用上述分类结论,制定了岩石细观参数的选取方法:拟合初始弹性模量E0;拟合应力峰值及其对应的应变量;调整破坏模式;结果微调。

重庆东水门长江大桥索塔锚固区非线性接触受力分析

重庆东水门长江大桥索塔锚固区结构新颖,取消了普通外置式钢锚箱索塔锚固区的端板,钢锚箱与混凝土塔肢之间采用剪力钉连接,同时还布置塔肢间预应力,使钢锚箱与混凝土紧密连接,用剪力钉、侧拉板和摩擦力共同承担斜拉索的索力。针对该新型结构形式,利用大型有限元软件Midas FEA,建立索塔锚固区的非线性接触模型,通过对其进行精细仿真计算分析,得出钢锚箱、侧拉板、剪力钉和塔壁混凝土的应力分布情况,以及索力的传递分配情况。

基于二维最简颗粒排列的线性与赫兹模型参数研究

为了研究PFC2D数值分析中线性接触模型与赫兹接触模型细观参数的关系,以规则颗粒排列为基础,推导了在总应力-应变等效的情况下,赫兹模型剪切模量、泊松比和线性接触模型法向刚度的关系。在此基础上,通过数值模拟的方法,验证了两个模型细观参数的关系表达式。结果表明:相同条件下,赫兹接触模型的剪切模量随着其泊松比的增大而线性减小,随着线性接触模型法向刚度的增大而指数增大。研究成果表明,在总应力-应变等效的情况下,可以用线性接触模型代替赫兹接触模型进行数值模拟研究。

考虑土与结构非线性接触特性的格形地下连续墙围护结构力学性状研究

格形地下连续墙(简称"格形墙")作为一种相对新型的无内支撑式基坑围护结构,其力学性状研究滞后于工程实践。基于将双曲线接触模型嵌入到商用软件中的二次开发,开展了砂土中格形墙围护结构的受力变形特性有限元分析。墙土间的接触采用线性和非线性两种本构模型,砂土的应力应变关系采用基于UMAT子程序自定义的亚塑性本构模型模拟。与已有离心模型试验结果的对比验证了本文有限元模型的有效性。研究结果表明,考虑墙土间非线性接触特性得到的格形墙围护结构的力学性状更为准确,其内在机理为双曲线接触模型能够反映出墙体底部与土体间接触面剪应力的非均匀分布特性以及关键节点的剪应力集中现象。作用于墙体上的土压力未达到极限状态,且具有明显的空间分布特性。墙体水平位移模式为悬臂式,墙顶竖向位移模式为前墙沉降后墙隆起的整体旋转式。前后墙两中隔墙中间位置的弯矩分布规律类似。研究成果对于格形墙围护结构的设计优化具有积极作用。

模拟矿岩散体的PFC细观参数标定方法

为了将PFC接触本构模型中细观参数与矿岩散体的物理力学性质相比配,依据PFC接触本构模型以及矿岩散体本身的特点,提出采用抗转动线性接触模型或将抗转动线性接触模型、线性接触模型和赫兹接触模型组合应用并分别赋予不同性质的散体颗粒。分析了标定矿岩散体物理力学性质的方法及其优缺点,推荐采用与测定条件相符合的自然安息角数值试验来标定PFC细观参数。借助自然安息角数值试验,研究了抗转动线性接触模型中摩擦系数和抗转动系数对散体自然安息角的影响。研究表明:随着摩擦系数和抗转动系数的增加,自然安息角均呈现出先增大后趋于稳定的趋势。模拟结果中自然安息角的变化范围为22°~50°,与实际松散矿岩自然安息角相符。

弧齿锥齿轮啮合过程动态应力分析

介绍了利用ANSYS对弧齿锥齿轮进行瞬态啮合的前置处理、划分网格、使加约束的方法。基于目前弧齿锥齿轮的应力分析研究现状。对齿面啮合质量进行了齿面接触分析(TCA),并且利用在CAE方面有很强能的ANSYS软件对弧齿锥齿轮进行啮合状态下的动态仿真[5-7],得到较为准确的齿面接触应力和齿根弯曲应力。建立了弧齿锥齿轮三维有限元非线性接触模型,对弧齿锥齿轮在一定的转速和负载转矩下进行了动态啮合仿真,得到了一个啮合周期下的齿轮齿面接触应力和齿根弯曲应力的变化规律。进行了轮齿加载接触分析(LTCA),得到了轮齿啮合传动中的齿面接触应力、弯曲应力变化过程。该方法可以进一步为弧齿锥齿轮强度分析和疲劳寿命计算提供理论依据。

含多个间隙铰的舵机传动系统动力学特性研究

为了满足舵机传动系统中铰链小间隙、大力载和大接触区域的特点,建立了一种适用于大面积接触碰撞过程且考虑非线性变刚度系数和轴承轴向尺寸的法向接触力模型。通过在不同间隙尺寸、恢复因数、初始碰撞速度和轴承轴向尺寸等各种工况下的仿真分析,验证模型的适用范围。进一步通过ADAMS软件中用户自定义子程序接口,将该接触力模型通过编译、链接嵌入舵机传动系统的动力学模型中,仿真结果表明:多个间隙铰下的系统动态响应并非单个间隙下响应的简单叠加,其相互耦合作用加剧了系统的振荡及非线性特性。该研究为含间隙铰飞行器的结构优化及控制策略设计提供理论参考。

丰满大坝静动力特性分析

采用非线性接触面单元模型，分析了带缝丰满大坝的静、动力特性．实践了一种有效的接触面静、动力迭代算法．研究表明，丰满坝在ＡＢ缝端插入钢筋棒和下游面采用钢筋网加固处理，是很强的并缝措施，可使坝的静、动力特性与整体坝接近．只是等应力缝跨缝不连续．地震时大坝坝头、缝顶端的结合部及坝镭部位产生了瞬时拉应力集中．且超过规范标准。但这种高应力集中区范围很小，且衰减很快．考虑到经过处理，认为这种局部应力集中，不至于对坝的抗震安全构成威胁，但须加以重视。

不同速度列车脱轨撞击盾构隧道的动力损伤特性

为研究不同速度列车脱轨撞击盾构隧道的动力损伤特性,基于撞击动力学以及混凝土塑性损伤理论,建立列车—隧道—围岩的非线性接触动力有限元模型,分析120,200,300 km·h-1这3种列车脱轨速度下,列车撞击盾构隧道时的撞击力特征以及隧道衬砌的损伤演化和分布规律。结果表明:3种速度列车脱轨时的撞击力变化规律一致;随着列车脱轨速度的增加,撞击力分量峰值均呈非线性增大;将撞击过程分为初始撞击、撞击耗能和稳定撞击3个阶段,隧道衬砌管片拉、压损伤值均在初始撞击阶段达到峰值,之后损伤的发展主要表现为损伤面积的不断扩大;衬砌管片外表面的损伤发展略滞后于内表面;压缩损伤的分布基本呈现出沿隧道轴向大于环向的"梭形"形态,而拉伸损伤的分布则更加广泛,损伤较大值(大于0.9)产生区域也更加分散;与压缩损伤相比,拉伸损伤更易导致衬砌发生大范围破坏;在较低脱轨速度下隧道衬砌即会产生较为严重的损伤,而损伤面积则随着列车脱轨速度的增加显著增大。

未知时变环境下机器人自校正阻抗控制研究

针对未知、时变环境下机器人力位控制需求,基于非线性接触动力学模型进行了阻抗控制的位置自校正修正算法研究。通过建立基于Hunt-Crossley非线性接触动力学模型的阻抗控制系统,构建了在刚性或柔顺作业环境下机器人末端位置与接触力之间的动态关系;在自校正控制系统中引入自扰动递推最小二乘辨识算法,以接触力误差最小为设计指标,设计了阻抗控制的位置自校正修正算法,在预测控制同时进行接触动力学参数在线跟踪辨识,解决了在材料力学特性未知或存在时变的环境下,力跟踪的实时性和准确性问题;仿真实验模拟了环境力学特性参数事先未知且在不同作业区域间存在差异的应用场景,结果表明,该算法能够实时进行阻抗控制的自适应位置调整,保证了力位跟踪控制的快速响应性和收敛性,稳态力跟踪误差控制在2%以内,环境力学特性发生变化时的控制调整时间仅约7个采样周期,相较对比算法减少约70%。

大功率直驱风力发电机轴承应力场有限元计算

对于大功率直驱风力发电机轴承而言,采用全实体单元构建的有限元模型中包含大量非线性的滚子/滚道接触,网格数量庞大,计算难以收敛。为了简化计算模型,一种可行的途径是利用非线性弹簧模拟滚子/滚道接触。根据有限长线接触模型,通过数值计算方法求解得到了滚子/滚道接触刚度曲线,基于该刚度曲线,采用非线性单向压缩弹簧模拟滚子/滚道接触,构建了直驱风力发电机轴系整体计算模型,得到了轴系在极限载荷作用下轴承的载荷分布和接触应力。通过对直驱风力发电机轴承摩擦力矩的现场测试,结果表明,基于该方法建立的仿真计算模型有效,且对于求解一般的复杂轴系问题具有推广价值。

顶推钢箱梁弹性垫层性能对比研究

本文以某钢箱梁顶推施工为研究背景,基于Abaqus建立壳-实体接触混合非线性有限元模型,全面考虑材料非线性、几何非线性、边界非线性,准确分析支撑区域的力学行为。在此基础上,对比4种弹性垫层(I类橡胶垫、Ⅱ类橡胶垫、聚四氟乙烯板、钢板)的性能,分别分析4种弹性垫层对钢箱梁局部受力的影响、顶推施工中弹性垫层自身的受力特征、各弹性垫层对顶推施工的适用性,并给出钢箱梁顶推施工中弹性垫层选择的建议。

汶川地震中沙牌拱坝坝体分缝开裂分析

采用基于接触力方法的接触非线性模型研究沙牌拱坝横缝和诱导缝在汶川地震中的工作性态,同时计入地基辐射阻尼效应。对横缝和诱导缝取不同强度的组合进行多方案的对比计算,从上游坝顶张开度时程、最大张开度数值以及最大张开度分布三个方面进行较为全面的分析,对解释汶川地震中沙牌拱坝横缝和诱导缝地震反应有参考价值。

基于深度学习方法的含间隙铰链多刚体系统的动力学建模与分析

机械系统中,铰接处接触力受铰间间隙量大小、运动副各部件的材料属性、运动过程中的接触状态等因素的影响,表现出很强的非线性。传统的间隙铰摩擦理论模型主要关注对摩擦现象描述的普适性,而难以精确地描述摩擦过程中摩擦力的非线性特征。基于物理样机试验获得的数据,使用深度学习方法建立了间隙铰非线性接触力神经网络模型,通过摩擦试验生成接触摩擦力数据集,结合旋转铰间隙接触碰撞力混合模型生成接触碰撞力数据集,对模型进行训练和测试,得到了旋转间隙铰的神经网络动力学模型。在此基础上,结合拉格朗日方程对含间隙铰的曲柄滑块机构进行建模,建立了“多刚体系统-间隙铰-多刚体系统”的动力学模型,通过仿真分析得到系统关键参数的动力学响应,并与物理试验结果进行了对比,验证了基于深度学习方法获得的间隙铰模型的正确性,为深度学习方法在非线性系统动力学建模方向上的应用提供了一个可行的思路。