数值模拟静态应力扰动下的断层失稳:结果分析兼与Dieterich模型和Coulomb模型的对比

基于大量岩石力学实验,Dieterich和其他研究者(Dieterich,1978;Ruina,1983)首先提出了描述岩石摩擦过程的速率-状态摩擦定律(R-S摩擦定律).如今R-S摩擦定律已成为研究地震成核等地震演化机制的有效手段.Dieterich(1992,1994)最早提出了描述受静态剪应力扰动后断层失稳时间提前或推后的余震触发机制的解析模型.现在Dieterich模型已经成为解释余震随时间衰减规律的Omori定律等地震观测现象的有力工具.与之相对应,广泛使用的Coulomb应力失稳模型也可以给出断层受到静态剪应力扰动后,断层失稳时间的提前和推后量.Dieterich模型和Coulomb应力失稳模型基于不同的物理方法,所以在进行地震危险性评估时,二者均有各自的局限性.本文利用R-S摩擦定律控制的1-D弹簧-滑块模型,模拟计算了理论地震循环以及在不同静态剪切应力扰动下,失稳时间的提前和推后量的变化情况,然后将计算得到的时间提前和推后量分别与Dieterich模型和Coulomb模型的相应计算结果进行了定量化对比和差异性分析,并给出了相应的解释.数值模拟结果显示,对于R-S摩擦定律在参数不变的条件下,断层模型失稳时间的提前和推后量的大小强烈依赖于静态剪应力扰动的大小和作用时间,而且绝对值相同的正、负向静态剪应力扰动造成的失稳时间的提前和推后量的变化情况并不完全一致.在震后松弛/滑移阶段和闭锁阶段,时间提前和推后量是常数,且随静态剪应力扰动绝对值的增大而增大,两者的比值接近于1.0,这与Dieterich模型和Coulomb模型的结果是一致的,相应的差值小于两模型结果的10%.而在自加速阶段,模拟计算结果则存在与Dieterich模型和Coulomb模型结果不同的特征.首先,在自加速阶段模拟计算结果均偏离Coulomb模型,而且时间提前和推后量的比值小于1.0,相异于Coulomb模型的论断.不过当受到正向静态剪应力扰动后,Dieterich模型的结果和模拟计算结果是一致的,最大相差量不超过Dieterich模型结果的7%,可接近0.对于负向静态剪应力扰动,当其绝对值较小时,Dieterich模型的结果很接近模拟计算结果,相差量不超过该结果的14%.但对于绝对值较大的情况,模拟计算结果远大于Dieterich模型的结果,最大可达Dieterich模型结果的35倍,这是由于负向静态剪应力扰动后使得Ω=δ·θ/dc1的条件不再成立,进而使得Dieterich模型不再成立.总的来说,与模拟计算相比Dieterich模型可以很好地描述1-D断层受扰后失稳时间提前和推后量的变化情况,并且可以体现出正、负静态剪切应力扰动后失稳时间提前量和推后量变化的差异性,而Coulomb模型则不能完整地给出受到静态剪应力扰动后断层失稳时间提前或推后的估计值.

基于改进复合三角函数的伺服压力机轨迹规划研究

为使伺服压力机具有良好的拉深性能,需要对其轨迹进行合理规划。针对六连杆大型伺服压力机,构建一种主传动机构轨迹规划方法。基于库伦-粘性摩擦模型,建立主传动机构的高精度动力学模型。考虑冲压过程中的工艺约束和要求,提出基于复合三角函数的伺服电机加减速控制的改进模型。针对主传动机构的能耗和效率进行分析,以滑块运动的周期能耗和生产节拍为优化指标,通过线性加权的方式构造多目标优化函数,引入机械手送料时间、滑块最大速度、主动件角速度、伺服电机动态限和热极限等约束,采用遗传算法完成了多目标优化设计。结果显示:优化后,伺服压力机主传动机构在一个周期的能效提升4.54%,生产节拍时间减小3.23%,实现了良好的拉深工艺模式。

考虑关节摩擦效应的并联机构动力学分析

分析了一种4-SPS/CU并联机构的运动学,将该机构的关节摩擦力视为非保守力。定量分析关节摩擦力对该机构动力学特性的影响,关键在于求出关节摩擦力对应的正压力。为了简化其动力学模型,将该机构驱动支链作为整体分析使其驱动力和驱动摩擦力视为内力,首先考虑该机构的恰约束从动关节的摩擦力,再以'库伦+粘性'摩擦模型为基础,利用牛顿-欧拉法分别对该机构的驱动支链、恰约束从动支链与上平台建立了含摩擦的动力学模型。在已知上平台运动轨迹的情况下,通过该动力学方程得到了该机构的关节约束反力/力矩。基于驱动支链正压力与各关节约束反力/力矩之间的关系,导出了该机构的驱动摩擦力模型,并成功地将驱动摩擦力引入到该机构的动力学模型中。为对该动力学模型进行有效的仿真计算,制定了其数值仿真迭代过程。仿真结果说明关节摩擦力的存在对该机构的驱动力产生显著的影响。

波动载荷下滑动电接触摩擦力建模

在弓网滑动电接触过程中,受电弓滑板磨损加剧,大大缩短了其使用寿命。由于受电弓滑板的磨损问题与滑动摩擦力直接相关,对于滑板的滑动摩擦力的研究具有重要的理论意义。该文采用库伦+黏性静摩擦模型对滑动电接触摩擦力进行建模,再对原始摩擦模型的黏性摩擦部分进行修正,同时引入接触电流和接触力及其波动幅值与波动频率等因素,建立了一个新的摩擦模型。通过自行研制的滑动电接触实验机进行实验,利用得到的实验数据,采用粒子群算法和Matlab对新摩擦模型的参数进行辨识,并对得到的改进摩擦模型进行验证。由实验数据与改进摩擦模型的拟合效果图和残差图可知,改进摩擦模型能够对波动载荷下弓网滑动电接触滑动摩擦力进行合理预测。

6-UPS并联平台考虑关节摩擦的动力学分析及数值仿真

为了对6-UPS并联平台进行动力学分析,基于拉格朗日动力学模型,建立了6-UPS并联平台完整动力学模型。考虑关节摩擦的影响,以"库伦-粘性"摩擦模型为基础,在建立机构关节摩擦模型的基础上,定量分析了机构驱动力受关节摩擦力的影响。为求解因考虑摩擦而建立的非线性动力学模型,本文给出了数值仿真的迭代计算方法。最后以江苏科技大学自制的6-UPS并联船舶运动模拟平台机构为例,求解了液压系统在动平台升沉运动、平移运动、偏航运动、翻滚运动中理想驱动力和含摩擦驱动力随时间的变化关系。结果表明:当机构处于低速运动状态时,关节摩擦力对动力学的影响很小,但驱动力大于原理想动力学情况下的0.005%;当机构处于高速运动状态时,关节摩擦力对动力学的影响会显著增加,但驱动力不会超过原理想动力学情况下的0.25%。本文结果为下一步控制系统的设计提供了理论依据。

两轴两框架机载光电系统摩擦模型辨识的研究

机载光电吊舱的误差来源有很多种,其中一种就是摩擦力矩,当光轴处于低速或来回转动时,其摩擦力矩会在静摩擦和滑动摩擦之间来回变化,难以预测。使用辨识方法建立摩擦模型,并加以补偿,是提高两轴两框架光轴精度的一种方法。介绍了摩擦力矩的建模过程,使用两只吊舱对比了四种模型的拟合效果。拟合结果表明,库伦+粘滞模型中缺少对于静摩擦力的描述;静摩擦+库伦+粘滞模型中静摩擦到动摩擦是跳变,很难进行摩擦力的估计和补偿;LuGre模型不仅有静摩擦的相关描述,其曲线缓慢变化更贴近低速时接触面处于静摩擦和动摩擦来回变动的特性,具有较好的拟合特性。通过实验验证了LuGre模型的准确性和优越性。