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。

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。

低速冲击下碳纤维面板泡沫夹芯复合材料的损伤分析

主要研究了夹层复合材料受外来载荷作用下的凹痕、横向位移、接触力随时间的变化规律.采用高阶剪切变形理论给出夹层板的广义内力表达式,再由薄板小挠度理论、Hertz接触理论、夹层板平衡方程、Navier法推导出夹层板在外来载荷作用下的动态响应过程.其中,夹层板的接触力和横向位移由两自由度弹簧-质量模型给出.将推导的结果与文献中的理论结果对比,本文计算的误差均不超过6%.并在此基础上比较了不同冲击条件下夹层板的抗冲击性能.

基于Hertz接触力模型的惯性平台内框架组件失稳倒台动力学建模与仿真分析

针对惯性平台内框架失稳倒台故障,基于Hertz接触力模型建立内框架组件倒台时的动力学模型,全面分析了倒台时内框架与挡块的碰撞力变化过程。之后使用Ansys Workbench仿真软件,建立并分析平台内框架失稳倒台的动力学模型。计算出在倒台过程中挡块的应力分布云图。将两者相比较,证明了所建立的动力学模型以及各项分析的正确性,为后续的平台设计提供了重要的参考。

基于Hertz接触模型的碰摩转子动力学响应研究

根据Jeffcott转子的碰摩原理,在线性碰摩微分方程的基础上,基于Hertz弹性接触理论描述非线性碰摩力,建立了非线性碰摩模型,对线性模型和Hertz模型进行了比较。鉴于汽轮机碰摩位置的碰摩半径、材料都不相同,利用Hertz模型研究的不同刚度下的碰摩动力响应对判断碰摩位置有指导意义。

V型滚轮导轨的Hertz接触建模和刚度求解

V型滚轮导轨是一种新型传动导轨系统,对导轨系统进行理论建模可以有效分析导轨参数对导轨力学性能的影响。文中通过Hertz接触理论对滚轮导轨系统建立接触力学模型,然后推导滚轮导轨在受到垂直载荷、水平载荷时与位移的关系,并计算其刚度。在Abaqus中进行仿真和计算刚度数值,对比两者结果。进一步推导在有预紧力的情况下,滚轮导轨的刚度模型。然后比较在外载荷的作用下,有无预紧力对刚度的影响。得出无预紧力时,滚轮导轨初始刚度很低,且刚度随着载荷增大,会急速增长,使得导轨变形很大。有预紧力时,滚轮导轨的初始刚度较大,且刚度随着载荷增大,增长平缓,使得导轨更稳。

基于Hertz接触的单自由度碰振系统的随机响应近似闭合解

碰振系统普遍存在于工程领域中,因此开展碰撞振动的研究具有重要的实际意义。应用随机振动研究的最新成果--迭代加权残值法,求解了高斯白噪声激励下基于Hertz接触的单自由度碰振系统的随机响应近似闭合解。首先,结合概率环流和概率势流的概念,构造系统FPK方程稳态解的近似表达式;然后,运用加权残值法获得近似表达式中的待定系数;最后,应用迭代技术在指定均方误差下获得特定精度的概率密度估计。为了说明该方法的有效性,分别考察了Duffing碰振系统和干摩擦碰振系统,再将蒙特卡罗模拟结果与理论解析解进行对比验证。研究表明,理论解析解与模拟结果吻合的非常好。

基于Hertz接触理论的滚动直线导轨副静力学解析建模

为研究滚动直线导轨副的静力学特性,基于Hertz接触理论,从分析单个滚珠与沟槽的接触入手,在综合考虑滚动直线导轨副结构特点基础上建立静力学模型,并对其垂直方向刚度进行理论求解;然后运用Co FEM模型对该模型进行验证,进而分析不同外载荷及预紧力对滚动直线导轨副静力学特性的影响。结果表明:在不同外载荷作用下,滚动直线导轨副表现出分段非线性性质;增加预紧力可显著增加系统的刚度,从而提高系统稳定性。

直线滚动导轨非赫兹接触静刚度模型

为建立导轨非赫兹接触静刚度模型,首先给出并求解了一般性点接触问题的基本方程,将其应用到单滚动体和滚道的非赫兹接触问题中进行非赫兹接触分析;其次用拟合精度较高的四阶线性方程拟合出了单滚动体和滚道的静刚度模型;再次基于齐次坐标矩阵法与单滚动体和滚道非赫兹接触静刚度模型建立了滚动导轨非赫兹接触静刚度模型;最后以某一滚动导轨为例求解并分析了非赫兹接触下的五自由度静刚度,结果表明用赫兹接触理论求解非赫兹接触下的导轨静刚度误差最大可达33%。

修形直齿锥齿轮副加载接触分析方法研究

针对修形直齿锥齿轮副的接触特征及接触形态计算方面存在的问题,提出了一种修形直齿锥齿轮副加载接触分析方法,对修形直齿锥齿轮副啮合特征计算过程进行了系统的阐述。首先,根据球面渐开线展成原理,生成了标准的直齿锥齿轮齿面,并根据齿根圆与球形渐开线相切的原理,构建了齿底倒圆的数学模型;然后,采用二元二次多项式对齿面进行了修形,并得到了相应的齿面离散点,在此基础上,应用样条曲面构造方法,重构了修形齿面方程;接着,依据齿轮啮合原理,进行了齿面接触分析(TCA),获得了瞬时共轭接触点以及整个啮合周期的啮合迹线;最后,应用赫兹接触修正模型,计算了受载状态下的接触椭圆、椭圆长短轴、最大接触应力以及应力分布,对共轭接触直齿锥齿轮副进行了加载接触分析。研究结果表明:与有限元计算结果相比,采用加载接触特性计算方法,两者接触迹线和接触椭圆等啮合特征相符,接触力和最大接触应力误差在1%和2%以内;对比结果表明,加载接触特性计算方法能够准确地对修形直齿锥齿轮副进行加载接触分析。

基于Lankarani赫兹接触模型的弓网动力学仿真研究

该文通过有限元方法建立简单链型悬挂接触网模型并对其进行模态分析,通过使用Lankarani赫兹接触模型,运用显式中心差分法对弓网耦合动力学方程进行求解,基于上述理论创建弓网动力学仿真平台,采用模块化的思想进行弓网动力学的仿真分析。在此基础上,采用EN50318标准对弓网仿真平台的正确性进行验证。最后,通过对考虑迟滞阻尼效应的Lankarani赫兹接触模型进行动力学仿真,分析Lankarani赫兹接触模型中重要参数对仿真结果的影响。

多种垂向轮轨关系的对比及改进的车-线-桥系统迭代模型的建立

对比分析非线性赫兹接触、线性赫兹接触、刚性接触这3种轮轨接触模型对车-线-桥垂向耦合系统动力分析结果的影响,并建立改进的车-线-桥耦合系统迭代计算模型。车辆模型采用多体系统动力学建立,轨道-桥梁模型采用有限元方法建立,根据不同的轮轨接触模型,建立相应的轮轨力计算公式,并采用分离迭代法计算耦合系统振动响应。在数值算例中,以高速列车通过5跨简支梁桥为计算背景,对不同轮轨接触模型的仿真计算结果进行对比分析。针对传统车-线-桥耦合系统迭代计算模型计算效率低的问题,建立改进的迭代计算模型。研究结果表明:线性赫兹接触模型与非线性赫兹接触模型得到的车体加速度、轮轨力、钢轨和桥梁的位移和加速度均较吻合,但前者的计算效率较低;忽略轮对惯性力的刚性接触模型无法得到准确的钢轨和桥梁加速度;改进模型通过建立包含轮轨接触弹簧的车辆模型来提高车辆子系统的迭代稳定性,其计算效率比传统模型提高近7倍;为保证计算结果的准确性,车-线-桥耦合振动计算中应考虑时间步内的迭代计算。

粗糙表面接触模型的研究进展

实际工程中的接触表面都不是绝对光滑的,当两物体相互接触时,真实表面的接触实际上是微凸体间的接触。粗糙表面间的接触行为对摩擦、磨损、润滑、密封和传热等有着重要的影响,是摩擦学研究的主要课题之一。介绍了Hertz弹性接触模型、统计学接触模型和分形接触模型,对粗糙表面接触模型的研究现状和进展作了分析和评述。由Hertz模型只能求解一些几何形状比较规则的物体,应用范围非常有限;各种统计学模型都是经过简化的理想模型,这些简化究竟能导致多大误差目前还没有精确的分析;分形模型利用了包含全部表面粗糙度信息的分形参数D和G,其对粗糙表面接触性质的预测不受仪器分辨率和取样长度的影响,使预测具有惟一性或确定性。

滚珠丝杠副中滚珠与返向器的碰撞研究

根据赫兹接触模型和经典碰撞理论,并考虑返向器与螺母的固连关系,建立了滚珠与返向器碰撞接触的力学模型,导出了碰撞力公式,并在考虑弹性恢复系数的基础上推导出了碰撞接触时间公式。设计专门的试验装置对碰撞接触的时间进行了测试,测试结果表明,新建立的模型比现有文献的模型更符合实际情况。在试验的基础上,利用数值模拟方法分析了碰撞角度、结构参数和材料参数等因素对碰撞力的影响。

应力松弛对颗粒物质弹性性质的影响及等效介质模型校正研究

未固结碎屑砂岩储层是国内外重要的油气储层类型之一,其物理本质是由离散颗粒组成的软凝聚态物质.在地震勘探中通常使用Hertz-Mindlin等效介质模型来计算未固结砂岩的地震弹性特征,但该模型在使用中通常会得到明最偏高的剪切模量值.基于3D离散元技术,对颗粒介质在单轴压缩与纯剪两种过程中的力学响应进行离散元数值模拟,从微观颗粒尺度和细观力链尺度分析等效介质模型产生预测误差的可能机制,结果表明颗粒相对滑动、旋转、重排列等造成的应力松弛作用对体积模量计算结果的影响较弱,但在剪应力扰动下这种松弛作用所形成的细观不均匀应变对剪切模量的计算会有明显影响,是等效介质模型形成预测误差的主要原因.在此基础上给出了利用切向刚度校正因子C及组合参数R/R对Hertz-Mindlin等效介质模型进行修正的方法,以考虑颗粒间松弛作用及颗粒不规则性对该模型计算结果的影响,并应用于实际测井资料中验证了方法的正确性.

行星齿轮传动系统碰撞振动特性研究

针对行星齿轮传动系统轻载高速下存在碰撞振动的问题进行了研究,为此提出了研究方法和分析模型,即在大载荷下采用线性弹簧来模拟轮齿啮合弹性,在轻载下采用Hertz接触理论来计算齿轮副碰撞力,最终采用集中质量方法建立了行星齿轮传动系统碰撞振动分析模型。研究分析发现:在大载荷、连续增速下,行星齿轮传动系统在太阳轮与行星架扭转振动模式以及内齿圈横向振动模式所对应的固有频率位置出现了共振,并引起了较大的啮合力波动;在轻载下,齿轮副啮合状态发生了变化,出现了碰撞振动,随着负载的增加,接触力的变化呈现出强非线性特征,齿轮副脱啮时间逐渐缩短;当负载达到门槛值时,齿轮副不再脱啮;随着转速的提高,脱啮时间逐渐缩短,碰撞力波动幅值呈线性增大的趋势。该结果可为行星齿轮传动系统减振、降噪研究提供理论依据。

基于改进迭代模型的车-桥耦合系统竖向随机振动研究

采用改进的车-桥耦合系统迭代计算模型,建立了基于虚拟激励法(PEM)的列车-轨道-桥梁竖向随机振动分析模型.采用虚拟激励法将轨道不平顺精确地转化为一系列竖向简谐不平顺的叠加,并运用分离迭代法求解车-桥耦合系统振动方程.以CRH2高速列车通过5跨简支梁桥为例,对改进的车-桥耦合系统迭代计算模型的计算精度和效率进行了验证.结果表明:在保持与传统模型相同计算精度的前提下,改进模型能使计算效率提高5倍左右.通过对列车-轨道-简支梁桥竖向随机振动响应中确定性激励引起的均值和轨道不平顺引起的均方根进行分析可知:桥梁竖向位移主要受列车自重控制,轨道不平顺引起的桥梁竖向位移影响很小;桥梁和车体竖向加速度受轨道不平顺影响显著,改善线路条件能有效提高列车的乘车舒适性;同时,车速越高,桥梁和车辆随机响应的均方根越大,由轨道不平顺引起的耦合系统振动响应的离散度越大.

车-线-桥耦合单元组合长度影响分析

基于车-线-桥耦合单元可以实现车-线-桥耦合有限元分析,提出了任意单元长度组合的轨道-桥梁耦合单元,并推导了其动力方程。引入Hertz接触模型考虑轮轨相互作用,推导了耦合系统的动力方程,给出了系统方程组装和求解思路,并编制了相应计算程序。结合我国现有铁路桥梁现状,考虑轨道随机不平顺,采用所提耦合单元进行车-线-桥耦合对比分析。结果表明,轨道单元长度对系统动力响应影响很大,甚至使计算不稳定;合理长度组合的耦合单元具有很好的计算精度和效率;而轨道单元长度的合适取值范围为0.5～1 m,且列车最小轴距间轨道单元数不应少于2个;另外,轨道不平顺会显著增大轮轨接触力及车体和桥梁加速度,同时能减小轨道和桥梁位移响应。

平面二次包络环面蜗杆传动齿面接触应力计算

采用弹塑性接触有限元法求解了不同包容齿数下的齿间载荷分配系数,基于啮合原理计算了接触点的诱导法曲率半径并进行了回归分析,建立了单齿接触线长度和总接触线长度的简化计算模型。基于Hertz模型,推导出适用于平面二次包络环面蜗杆传动的承载最大齿对的接触应力计算公式和平均接触应力计算公式。建立了蜗杆副的有限元模型,分析了不同载荷作用下的齿间载荷分配及齿向应力分布规律。最后,通过实例对比了用于平面二包蜗轮副齿面接触应力分析的解析法及数值法。结果表明：解析法与数值法计算结果接近,前者计算值高于后者约10%~25%。

碰撞试验系统中加速度传感器特性仿真研究

航天器对接机构缓冲能力的强弱直接决定了航天器所受冲击的大小,因此对缓冲机构的性能进行测试/试验具有重要的意义.文章以赫兹弹簧阻尼理论为依据,通过仿真计算,分析了质量、速度对碰撞过程的影响;得到了加速度的频率特性;确定了碰撞试验系统中加速度传感器的选择原则.