弹丸定心部-身管接触模型及其应用

研究弹丸定心部与炮膛的接触现象对于理解弹丸膛内运动规律具有重要的意义,为此提出一个弹丸定心部-身管接触模型。假设定心部与阳线间的接触应力只沿阳线长度方向变化,将阳线表面简化成空间曲线;用阳线围成的笼形结构描述内膛的几何,提出了定心部与阳线的接触检测算法。将弹丸和身管沿着圆周方向展开,使用一个二维接触问题的解析解计算接触应力。针对接触应力的方根奇异性,采用Chebyshev-Gauss积分公式计算定心部与阳线的接触载荷。给出了确定模型参数的拟合方法和参数辨识方法。理论分析表明定心部与炮膛的接触刚度随着弹丸膛内行程变化。根据数值算例分析了弹丸质心偏移量对定心部与炮膛接触方式及前定心部磨损刻痕形成的影响。计算结果表明定心部受力的等效接触点并不位于定心部中心或棱线上。

刚体碰撞的Hertz接触力模型比较分析

对以Hertz接触理论为基础的四种接触力模型进行了比较分析,并通过两球一次对心碰撞过程数值模拟结果来进一步说明不同接触力模型的特性,仿真结果表明:与纯弹性接触力模型相比,Hunt-Crossley(H-C)接触力模型、Lankarani-Nikravesh(L-N)接触力模型以及Flores接触力模型由于考虑了碰撞过程中的能量损失,因此更加符合实际碰撞情形。此外后三种接触力模型中,H-C接触力模型和L-N接触力模型更适合用来处理大恢复系数的碰撞问题。在分析间隙机构的动力学特性时,可以为接触力模型的合理选择提供依据。

基于足-地接触力的滑跌概率预测模型研究

针对传统的滑跌判定条件预测行走滑跌概率不准确的问题，进行了滑跌实验，建立了新的滑跌概率预测模型。为了建立新的滑跌判定条件，提出了利用摩擦系数（UC—DF）这一概念；通过止滑性能实验测得了几种常见鞋底材质、地面材质及污染介质组合下的可得摩擦系数（ACOF），通过滑跌实验中测得的足-地接触力，计算出了相应的必要摩擦系数（RCOF）以及UCOF。修正了传统的滑跌判定条件，最终建立了包含滑动和滑倒两种情况的滑跌概率预测模型。试验分析结果表明：与现有的滑跌预测模型相比，此模型提高了对滑跌概率预测的准确度。

一种修正的含间隙转动副双弹性层接触力模型

采用现有双弹性层接触力模型计算考虑涂层的含间隙转动副法向接触力时,为保证计算精度需要反复试算来确定合适的离散角度,导致计算过程复杂且耗费时间。针对上述问题,基于Winkler弹性基础模型和Hertz椭圆形压力分布假设推导出了接触力与法向变形量的解析表达式,建立了一种修正的双弹性层接触力模型,避免了对接触角进行离散。通过对比分析解析解和有限元数值解,结果表明修正的双弹性层接触力模型既能保证计算结果准确性又能显著降低计算耗时。

凸轮机构两质量动力学模型的运动误差及接触力分析

针对凸轮机构线性单质量、单自由度动力学模型的局限性,利用集中参数法提出了一种两质量的动力学模型.以凸轮输出为余弦运动形式为例,分析了两质量动力学模型中从动件的输出位移、输出误差及凸轮与从动件间的接触力,并以一个设计实例进行了求解.结果表明:由两质量模型可以得到机构的运动误差、凸轮与从动件间的接触力及凸轮转速对运动误差和接触力的影响.这些结果对凸轮机构的设计具有一定的指导意义.

基于G-W模型的软固结磨粒群接触力分析研究

针对激光强化模具自由曲面的光整加工问题,对软固结磨粒群气压砂轮与模具表面接触力、下压量进行了研究,对砂轮接触模具表面时的磨粒姿态进行了分析,提出了一种基于G-W接触模型构建了软固结磨粒群接触力模型。利用ANSYS WORKBENCH对不同的下压量进行了仿真分析,得到了相应接触力的分布情况,验证了接触力模型的有效性。通过气压砂轮光整实验平台,利用Kistler 9129AA切削力测试仪对不同下压量的接触力进行了测试。研究结果表明,基于G-W的软固结磨粒群接触力模型能够用于计算气压砂轮与模具表面的接触力,接触力与下压量的成类线性关系,且线性关系良好。

齿轮系统的KV和NSD接触力模型对比研究

采用Kelvin-Voigt(KV)接触力模型和非线性弹簧-阻尼(NSD)接触力模型建立单自由度齿轮传动冲击动力学模型,模型考虑时变刚度和间隙。选取量纲一化的转速比为控制参数,转矩和冲击阻尼比系数为变化量,运用龙格-库塔数值分析方法,求解得到KV模型和NSD模型在相同参数条件下的相图和分岔响应曲线。在低速比条件下,动态响应基本相同;在高速比条件下,不同接触力模型条件下的响应存在差别。采用不同阻尼模型对系统低频响应影响不大,对高频响应的影响比较大,在NSD模型中,随着冲击阻尼系数的改变,共振区的响应会受到影响。

直驱式涡旋机接触力控制方法研究

针对涡旋机侧向密封过程中,动涡盘和静涡盘接触力难以控制的问题,结合动涡盘圆周平动特点,在分析了涡盘接触力模型的基础上,提出了一种基于法向-切向坐标系下的动涡盘运动控制策略以及主动柔顺控制方法。首先,介绍了经典柔顺控制的原理,分析了XY直角坐标系下经典柔顺控制方法的不足;然后,提出了法向-切向坐标系这一概念,通过推导基于法向-切向坐标系下各运动变量之间的关系,对动涡盘的运动控制系统进行了总体设计;最后,采用MATLAB/Simulink软件搭建了涡旋机的接触力模型及其控制模型,并采用模型对上述方法进行了可行性验证,采用实验分别得到了动涡盘平动速率不变而接触力设定值改变时的实际接触力曲线,以及接触力设定值不变而动涡盘平动速率改变时的实际接触力曲线。研究结果表明:接触力的实际值与设定值的跟踪误差在2%以内;改变接触力的设定值后,接触力的实际值能在0.3 s左右跟踪到新的设定值;当动涡盘平动速率突然改变后,接触力的实际值能在0.2 s左右回到原来的平衡状态。以上结果说明,基于法向-切向坐标系下的主动柔顺控制方法可以有效地控制涡盘平动过程中的接触力。

基于接触力-姿态模型的机器人非刚体轴孔装配偏角预测方法

针对机器人非刚体轴孔装配过程中的偏差角识别问题,提出了一种基于接触力-姿态模型的装配偏角预测方法。对非刚体轴孔装配过程中不同的接触状态进行静力学理论推导和弹性形变计算,进而建立接触力-姿态模型。在此基础上,结合动态罚函数和灰狼算法对模型进行可行域内的寻优求解,得到装配偏角。通过机器人的非刚体轴孔装配实验,采集不同接触状态和装配偏角下的力觉数据,并将其代入接触力-姿态模型得到预测偏角。结果表明,装配偏角在0~10°的情况下,本文所提方法的非刚体轴孔装配偏角预测误差在0.5°以内,可为后续的成功装配提供有效的工件装配姿态信息。

一种改进的耗散型接触力模型及实验验证

为了研究含间隙运动副对连杆机构动态性能的影响,基于能够描述碰撞过程中能量损失的连续接触模型,建立了一个新的耗散型接触力模型.在这个新模型下对含间隙连杆机构进行动力学仿真,并进行了实验研究.主要考察了间隙尺寸和加载强度对连杆受力的影响.结果表明:间隙的存在会影响传递力曲线,使机构产生明显的振动冲击,间隙大小和加载速度是影响机构动态响应的主要因素.该仿真结果得到了实验的验证.

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。

多体系统碰撞动力学中接触力模型的研究进展

接触碰撞行为作为大自然与多体系统中的常见现象,其接触力模型对于多体系统的碰撞行为机理研究与性能预测至关重要.静态弹塑性接触模型与考虑能量耗散的连续接触力模型是研究接触碰撞行为的两类不同方法,在多体系统碰撞动力学中存在诸多共性与差异.本文分别从上述两类接触模型的发展历程入手,详细介绍了两类模型的区别与联系.首先,根据阻尼项分母中是否含有初始碰撞速度将连续接触力模型分为黏性接触力模型与迟滞接触力模型,讨论了能量指数与Hertz接触刚度之间的关系,阐述了现有连续接触力模型在计算弹塑性材料接触碰撞行为时存在的问题.其次,着重介绍了分段连续的准静态弹塑性接触力模型(可连续从完全弹性转换到完全塑性接触阶段),分析了利用此类弹塑性接触力模型计算碰撞行为的技术特点.同时,以恢复系数为桥梁和借助线性化的弹塑性接触刚度,避免了Hertz刚度对弹塑性接触刚度的计算误差,根据碰撞前后多体系统的能量与动能守恒推导了弹塑性接触模型等效的迟滞阻尼因子.探索了连续接触力模型与准静态弹塑性接触力模型之间的内在联系,数值计算结果定量说明了人为阻尼项代表的能量耗散与弹塑性接触力模型中加卸载路径代表的能量耗散具有等效性.另外,为了避免阻尼项分母中初始碰撞速度在计算颗粒物质动态性能时导致的数值奇异问题,通过求解等效的线性单自由度欠阻尼非受迫振动方程获得了阻尼项分母中不含初始碰撞速度的连续接触力模型,并以一维球链为例,证明了该模型相比EDEM软件使用的连续接触力模型具有更高的精度.最后,本文分析了当前多体系统碰撞动力学的研究现状,并简要展望了多体系统碰撞动力学中接触力模型的发展趋势与面临的挑战.

利用RGB-D数据驱动的骨肌模型预测膝关节接触力

目的利用RGB-D数据驱动骨肌模型来预测受试者步行时的膝关节接触力,并验证其准确性。方法首先,利用Kinect和Qualisys运动捕捉系统(参照标准)同步采集了6名受试者的运动轨迹数据;然后,利用运动轨迹数据和地面反作用力数据分别驱动校准后的骨骼肌肉模型,通过模型的逆向动力学分析功能实现了膝关节接触力的预测;最后,利用均方根误差(δRMSE)和皮尔逊相关系数(ρ)对两种方法的预测结果进行了对比验证。结果和参照方法相比,RGB-D数据驱动的骨肌模型能准确预测受试者步行时的膝关节接触力(δRMSE=77.1;ρ=0.970)。结论RGB-D数据驱动的骨肌模型能够精准预测膝关节接触力,可作为一种更好的替代方法在临床上应用。

等粒径球体三维体心立方堆积体接触力传递模型研究

基于等粒径球体三维体心立方堆积体的排列特点,提出了力均匀传递分配等五条基本假设,建立了竖向均布荷载作用下,等粒径球体三维体心立方堆积体中接触力竖向分量的计算模型,并利用该模型计算了相应堆积体中不同位置处的球体的接触力竖向分量,分析了堆积体内部接触力的理论分布规律。

考虑接触应力非线性分布的接触力元模式及其验证分析

在作者提出的非连续变形计算力学模型中,采用接触力元模型描述多体接触界面上的接触特性.由于这种模型中假定接触应力沿接触界面为线性分布,从而得到的接触界面应力分布往往出现跳跃等非光滑性特征,该文对此进行了改进,采用具有高阶光滑性的非线性函数建立了能够考虑界面上接触应力非线性分布的接触力元模式,以期合理地揭示多体系统中界面的接触特性.对某一典型算例进行了数值计算,通过与大型通用非线性有限元结构分析软件ABASQUS的计算结果对比,验证了所建议计算模型的合理性与有效性.两种方法计算得到的界面接触对上的接触力基本相同;而由于采用的应力分布模式的假定不同,接触应力有所差别,由于在该文计算模型中接触对上的接触应力是按照未知量直接求得的,因此按照所建议的非线性接触力元模式所得到的接触应力更为合理.

冲断区域车-路间接触力及其影响因素研究

车辆经过连续配筋混凝土路面(continuously reinforced concrete pavement,CRCP)冲断区域时会上下振动,从而导致车-路间接触力发生变化,该变化加快了路面破坏,并危及行车安全。为了分析车辆经过冲断区域时车-路间接触力情况,文章建立了冲断区域人-车-路耦合振动模型,并利用传递矩阵法和Matlab软件对振动方程进行求解,获得车-路间接触力随时间的变化规律。同时分析多个冲断区域、行车速度、冲断区域台阶高度、路面纵坡坡度、路面板大小和上下坡等参数对车-路间接触力大小的影响。研究结果表明:一定条件下,车辆经过冲断区域0.19s时车-路间接触力最大,其值为67.69kN,车辆经过冲断区域0.58s时,车-路间接触力最小,其值为26.35kN;行车速度、冲断区域台阶高度、路面纵坡坡度和上下坡对车-路间接触力影响较大。

力抓取的接触力建模与可行抓取力分析

为了解决操作机和夹持系统性能设计中可行抓取力和承载条件计算问题,研究过约束、超静定条件下的接触力建模和抓取分析方法。基于抓取的接触动力学约束,采用拉格朗日乘子方法建立摩擦抓取的约束力求解模型。讨论超静定抓取中接触约束的不确定性。通过识别可行速度集合与约束力集合的旋量基及其张成的子空间,给出表达摩擦接触约束力可行解的主动内力子空间结构,即物体所受内力子空间与可调整驱动力的交集,通过对接触处约束力旋量系统的双重正置运算,识别出内力旋量系及其张成的子空间,使得能够显式计算动态平衡条件下的可行接触力集合,建立动态载荷作用下可行抓取力与承载力的求解方法。

基于Hertz模型的海洋立管束碰撞力计算方法研究

立管是海洋油气开采的关键设备之一,其在流致振动作用下,相邻立管可能会发生振动碰撞损伤。基于Hertz模型,针对不同夹角下的两根立管碰撞的碰撞力计算开展研究。借助有限元方法探讨海洋立管局部碰撞过程,立管的直径选取为工程应用较为广泛的30.48 cm,截取长度基于相关碰撞参与长度来确定,径厚比范围为16~60,分别设置立管碰撞时的速度为0.25 m/s、1.5 m/s、2.4 m/s和3 m/s,分析两根立管夹角和立管径厚比等对于Hertz模型计算精度的影响。研究发现:两根立管夹角越小和径厚比越小,Hertz模型得到的碰撞力误差越大;通过在Hertz模型中添加与径厚比相关的系数,对Hertz模型进行了修正,最终得到了关于立管束碰撞力的精确计算方法。

钻柱力学中接触力计算方法研究

钻柱在井底的接触力计算是一个复杂的非线性问题.选取较为精确的三维钻柱力学模型(简称ABIS)作为研究对象,力图从复杂的求解过程中探索出更直观的方法.从钻柱某个节点的接触力与位移关系,推广到该节点接触力与钻柱其他所有节点的位移均存在同样的关系,进而建立了整根钻柱位移与作用在钻柱上的所有接触力的更直观的柔度关系式.据此提出新的接触力计算方法,算例结果表明该方法显著提高迭代速度.

纤维增强型软体夹持器变形及末端接触力

针对目前软体机器人缺乏变形和接触力方面理论研究的问题,以软体夹持器为研究对象,开展了纤维增强型软体夹持器变形及末端接触力的研究。首先设计了气动软体夹持器,该夹持器由纤维增强型单向弯曲驱动器、接触气囊以及单元的连接装置组成;其次基于Yeoh模型、Neo-Hookean模型分别建立了弯曲驱动器驱动压强与弯曲变形圆心角的非线性数学模型和弯曲驱动器末端接触力理论模型;然后开展了软体夹持器变形和末端接触力的仿真及实验,结果证明了理论模型的正确性;最后进行了纤维增强结构对软体夹持器变形和末端接触力影响的研究,实验结果表明:纤维增强结构能大幅度提高软体夹持器的变形和末端接触力。上述研究为其他纤维增强型软体夹持器变形及末端接触力的研究提供了理论基础。