车辆在非光滑路面的接触动力学分析方法研究

车辆接触动力学研究有助于更加全面地了解整车力学性能,对整车稳定性和座舱舒适性设计具有指导性作用.文章基于非光滑多体系统理论,对车辆系统展开接触动力学研究.考虑到车辆在行驶过程中,轮胎是与地面接触的唯一部件,轮胎动力学模型对整车动力学分析发挥着重要的作用.首先,借助于张拉整体结构的思想,建立轮胎的等效模型.然后,采用拉格朗日乘子方法,将约束方程引入到拉格朗日函数中,并基于第二类拉格朗日方程,推导得到整车系统的一般动力学方程.由于接触碰撞的存在,会导致车辆的状态变量呈现出非连续性.利用牛顿碰撞定律,建立了碰撞响应的非光滑数学列式,并利用光滑化的Fischer-Burmeister函数将非光滑数学列式进行等效替换,以提高计算效率.其次,将摩擦响应的求解转化为优化问题进行描述,以避免求解摩擦方向时出现奇异.另外,将车辆系统的一般动力学模型分解为光滑部分与非光滑部分进行求解,并利用广义α离散策略给出了详细的求解流程.最后,对整车系统展开了多工况的接触碰撞数值仿真,分析了不同工况下的接触响应对整车动力学性能的影响,验证了所提方法的有效性.

多块体接触有限元法及其对不连续面围岩的模拟

给出了一种求解多块体接触的有限元解法,即将接触面条件精确引入并以节点接触力为基本未知量,把高度接触非线性问题凝缩在可能接触面上进行。首先从两块体三维接触力学模型着手,从整体有限元方程导出增量形式的协调方程,在此基础上详细讨论了多块体接触协调方程的建立方法。随后以广义Mohr-Coulomb准则为摩擦力条件,给出了增量形式的定解和判定条件。程序实施时,针对三维接触问题滑动方向无穷的问题,同时对接触状态及滑动摩擦力分量进行判定,使得迭代收敛快速准确;对于多块体常见的非光滑接触,即角点问题,将角点分类,并根据角点实际的接触状态分情况给出了更为合理的处理方法。通过算例验证后的程序应用于不连续面地下洞室开挖模拟,取得了满意的结果。

堆石料颗粒破碎强度的尺寸和形状效应隐式离散元研究

采用隐式离散元法(DEM),亦称非光滑接触动力学(NSCD)法,模拟了堆石料单颗粒的一维压缩破碎过程。采用多面体颗粒近似真实堆石料颗粒的不规则棱角状形状,并通过Voronoi空间划分将母颗粒离散成若干多面体子颗粒,子颗粒间通过接触面上的内聚力模型(CZM)胶结发生相互作用,胶结断裂则可反映颗粒的破碎过程,可避免传统DEM中常用的碎片替代法和胶结小球法的缺点。首先使用巴西劈裂试验获得CZM参数,其后开展了不同粒径颗粒的一维压缩试验,结果表明颗粒破碎强度服从Weibull分布,且破碎强度大小和变异性均随着颗粒尺寸的增大而减小。还进一步模拟了不同形状颗粒的压缩试验,发现颗粒形状与加载方向均对颗粒破碎强度有显著影响。长轴方向加载破碎强度通常最低,且在相同等效粒径下,球状、椭球状、扁平状颗粒的平均破碎特征强度依次降低。

四连杆膝关节假肢的动力学建模与分析

相比于单轴式膝关节,四连杆膝关节具有更好的仿生特性和运动安全性,因而在下肢假肢研究中得到广泛关注.本研究以一款四连杆膝关节被动假肢为研究对象,主要关注足-地交互作用力以及膝关节单边接触力等强非线性因素对下肢假肢步态的影响.为此,采用Kelvin-Voigt模型和库伦模型描述足-地接触力和摩擦力,并采用Kelvin-Voigt模型描述膝关节单边接触力,从而基于第一类拉格朗日方程建立假肢动力学模型.本研究以步态实验测得的髋关节运动数据为模型的驱动信号,针对假肢的步态特征进行了数值分析.计算结果显示,当膝关节液压阻尼器的刚度较小时,强非线性作用力会使假肢产生显著的亚谐波响应,进而导致步态周期失谐.进一步研究发现,提胯行为能够避免步态周期失谐,这也为残疾人行走时的提胯等代偿行为提供了一种新的力学解释.为了评价假肢步态与健康人实测步态的一致性,本研究进一步定义了步态相关系数并分析了膝关节液压阻尼器刚度、阻尼参数对相关系数的影响.结果表明,通过合理的刚度、阻尼参数设计,两者步态的相关系数可达到0.9以上,这为四连杆膝关节被动假肢进一步优化提供了理论支撑.

考虑摩擦力时受圆柱面约束弹性杆的平衡

受约束弹性杆作为农作物根茎、植物纤维的力学模型,其平衡问题已成为力学与农业植物交叉学科的研究热点。基于Kirchhoff理论讨论受圆柱面约束弹性杆在光滑接触与非光滑接触时的平衡问题。首先以描述截面姿态的欧拉角为变量,建立形式简明且物理意义明确的数学模型及平衡方程。接下来考虑在光滑接触与非光滑接触两种情况下,分别讨论弹性杆在特殊状态时的平衡,给出其解析积分和数值积分,并画图分析外力对受圆柱面约束弹性杆形状的影响。