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。

大型冒落体冲击垫层多参量影响修正的Hertz接触力学模型

以铜矿采空区大型冒落体冲击隐患为研究背景,基于Hertz接触力学理论,建立了考虑垫层弹塑性效应、垫层厚度、垫层孔隙率的冲击力理论修正计算模型。依据该理论公式,分析了各影响因素的敏感性,进一步以案例形式分析了采空区大型冒落体冲击载荷下有效合理的垫层厚度。结果表明:(1)垫层厚度缓冲效应较弱,垫层孔隙率缓冲效应、垫层强度缓冲效应较强,即增大垫层厚度,冲击力降幅较低,而增大垫层孔隙率和减小垫层弹性模量可有效降低冲击载荷;(2)垫层厚度缓冲效应在较小冒落体质量、较低垫层材料强度、较大落体冲击速度、较大垫层孔隙率情况下表现较强,反之,则较弱;(3)冲击力随冒落体冲击质量、冲击速度增大增幅显著,冲击速度对冲击力大小的影响有一定限值,一旦超过该极限,冲击力不再增大;(4)考虑矿柱简化为固支梁和简支梁两种情形,得出垫层有效厚度分别为8.5 m和17.5 m,综合考虑两种简化模式,确定碎石垫层厚度不应小于17.5 m。研究成果可以为大型采空区设置合理结构垫层防治动力冲击灾害提供理论依据。

一种基于Hertz非线性的法向接触力模型

基于Hertz理论建立非线性动力学方程,并结合能量法,推导了两球接触过程中最大变形量的表达式,获得了新的粘滞阻尼因子,提出一种改进的法向接触力模型。并针对该模型与几种常见的同类型法向接触力模型,实例分析了相对速度与变形量随时间的变化关系,以及相同实例下不同恢复系数下法向接触力、相对速度与变形量之间的关系,获得了各模型输入与计算的恢复系数的变化关系,结果表明:改进的法向接触力模型在保证正确性的前提下,具有足够的精度与适用范围。

基于非理想Hertz线接触特性的圆柱滚子轴承局部故障动力学建模

传统方法对圆柱滚子轴承局部故障动力学的分析都是基于Hertz线接触理论,然而当轴承的滚子为凸度形状时,滚子素线不为直线,滚子与滚道之间的接触问题已经超出Hertz线接触理论的范畴。针对这个问题,以滚道表面存在局部故障的圆柱滚子轴承为研究对象,提出考虑滚动体与内外圈滚道之间非理想Hertz线接触特性和时变位移激励的圆柱滚子轴承局部故障动力学模型,研究位移激励形式和局部故障尺寸对圆柱滚子轴承振动特性的影响规律。研究表明,该模型能克服传统的线接触经验公式无法考虑滚子与滚道曲率的缺点,能更加准确反映圆柱滚子轴承滚道表面局部故障与滚动体接触的实际情况,为滚动轴承早期局部故障动力学分析和诊断工作提供新的计算方法和一些有价值的结论。

Hertz理论与有限元法分析轮轨接触疲劳的差异性研究

采用Hertz理论和有限元分析软件ANSYS,对钢轨表面存在微裂纹的轮轨接触疲劳问题进行研究,在不同轴重和运行状态下,获得不同位置的裂纹尖端应力强度因子。结果表明,随着轴重的增加,应力强度因子KI增加,而KII的变化趋势因车轮运行状态的不同而不尽相同。摩擦力的存在,使得KI、KII明显增加,且明显改变KII的变化趋势;在无摩擦力时,KII所占KI的比例约为6%,纯滚动时,KII所占KI的比例达到将近20%,全滑动时,KII所占KI的比例接近50%,因此,对钢轨进行疲劳断裂机理分析时,KII明显不可忽略。由于Hertz理论不考虑材料的塑性和轮轨间的摩擦力,使得Hertz理论分析轮轨接触疲劳时有适用范围小、计算结果偏大、误差累计等缺点,而有限元法是解决复杂轮轨接触疲劳问题更有效的方法。

基于Hertz接触理论的法向接触刚度计算方法

轮轨之间的弹性接触变形是车辆-轨道耦合动力学中计算轮轨力的核心,以基于Hertz接触理论的非线性接触刚度来描述轮轨之间的压缩量与轮轨法向力之间的关系.目前的轮轨Hertz接触刚度计算公式为经验公式,来源于20世纪70年代英国铁路技术研究所的研究工作,分锥形踏面和磨耗型踏面两种类型,局限于特定的轮径范围和钢轨廓形.基于三维弹性体Hertz接触理论,推导了满足Hertz接触条件的弹性体法向接触刚度通用计算公式,并结合轮轨几何外形特点,给出了轮轨接触斑大小及接触刚度参数的直接确定方法和数表,并以LM车轮踏面和CN60钢轨踏面匹配为例,对比分析了典型工况下计算结果与经验公式的差异.分析结果表明:基于本文计算公式制定的Hertz弹性接触数表弥补了现有数表中缺乏接触刚度的不足,可直接用于弹性体接触计算;对于轮轨接触,与本文公式计算结果相比,以往经验公式中磨耗型踏面的接触常数计算结果仅在车轮名义中心圆弧与轨顶中心圆弧接触时的误差较小,约为0.40%~0.44%;其他接触位置时,经验公式计算结果与本文公式计算结果相差较大,误差范围可达−25.97%~131.42%.

基于Hertz理论的泥石流大块石冲击力修正计算

为合理确定泥石流块石对构筑物的冲击力,以Hertz接触理论和结构力学为基础,建立泥石流大块石对桥梁的冲击模型,量化冲击系统中对象的材料特性、相对尺寸大小及结构变位对冲击力的影响,导出泥石流大块石冲击力修正计算公式.结果表明:材料修正系数在0.20~0.45之间,其值与材料屈服强度Y成正比,与冲击系统的等效模量E呈反相关关系;球径比修正系数随构筑物尺寸的增大先迅速增大而后平稳增长;结构变位修正系数受墩顶约束及冲击位置双重影响.将提出的计算方法应用于登基沟泥石流大块石对桥墩的冲击力计算,结果仅为Hertz弹性碰撞理论的6.7%,冲击力-冲击速度关系曲线平缓,与工程实践估值结果基本一致.

基于Hertz接触理论的齿轮接触分析

由于齿轮啮合过程中齿廓接触点曲率半径变化以及单双啮合交替的存在,而引起齿面载荷分布不均匀和冲击的问题,根据Hertz接触原理对接触模型和接触应力进行了研究.分析提取啮合线上不同啮合点的综合曲率半径,利用包络线绘制一条连续的曲率曲线,并根据该曲线生成特征曲面;利用有限元方法分别对齿轮接触、特征曲面与平板之间接触进行了接触应力分析;分析结果显示两种接触模型的接触应力分布相似度比较高,简化后的齿轮接触理论模型可为齿轮接触应力实验分析提供参考依据.

基于Hertz理论的泥石流块石冲击力修正系数研究

基于Hertz弹性碰撞理论的修正公式是计算泥石流块石冲击力的有效方法之一,但公式中的修正系数目前尚无具体的量化方法。在Hertz接触理论和Thornton弹塑性假设的基础上,建立了泥石流块石冲击构筑物的计算模型,推导了修正系数的表达式。研究表明,修正系数是材料强度、泥石流块石尺寸和速度的函数而非一个常量,其随泥石流块石冲击速度的增加而减小,随泥石流块石半径、构筑物材料强度的增加而增加。板子沟泥石流沟防治工程计算结果显示,修正冲击力仅为Hertz弹性碰撞冲击力的15.58%。当泥石流块石冲击速度小于3 m/s,修正系数大于0.20;当泥石流块石冲击速度大于3 m/s,修正系数介于0.10~0.20,计算结果与实践估计较为一致。

基于Hertz接触理论的转子碰摩模型

对转子系统转、定子碰摩故障的过程进行了研究 ,建立了一个基于Hertz接触理论的转子非线性碰摩模型。通过对不同碰摩模型进行理论分析及数值仿真的对比研究表明 :基于Hertz接触理论的非线性碰摩模型能更深刻地反映转、定子碰摩过程的本质特征 。

关于Hertz点接触理论适用范围的探讨

通过对ANSYS有限元分析解和Hertz理论解比较,可以确定ANSYS软件对接触问题分析的计算结果是能够满足需要的。通过实例分析求解,指出Hertz点接触理论的适用范围是沟曲率半径系数f≥0.54(或者密合度≤0.925 99)。

频域寄生电容法变频电机Hertz轴承电流密度计算

提出应用频域寄生电容法计算Hertz轴承电流密度。该种方法以电机系统内的寄生电容为研究对象,通过解析法确定其频域特性,结合电机内耦合电容拓扑结构计算轴承电流。本文以一台3k W变频电机为研究对象,通过解析法确定其各部分寄生电容的频域特性,并通过阻抗分析仪对计算结果进行校验。根据变频器电机系统耦合电容模型列写轴承电流线性微分方程,通过一般线性扩展法对其进行求解,求得轴承放电电流。搭建轴承电流测量平台,对轴承电流进行测量,与计算结果基本吻合。最后应用接触力学中的经典Hertz理论求得轴承接触面积,进而计算轴承电流密度。该种轴承电流密度计算方法为定量评估轴承电损伤提供了理论依据。

基于Hertz接触的滚珠直线导轨副接触刚度建模与分析

为建立滚珠直线导轨副接触刚度模型,基于Hertz接触理论对滚珠和滚道的接触面进行了力学与变形分析.考虑了承载前后滚珠接触角的变化,得到了单个滚珠所受接触力与弹性变形之间的关系,在此基础上得到整个导轨所受外载荷同弹性变形的关系.以NSK滚珠直线导轨为研究对象,对所建立的模型进行仿真分析.计算了导轨在不同预紧力情况下的临界载荷,分析了外载荷在临界载荷前后导轨刚度变化情况,通过对比NSK官网相关资料验证了所建模型及理论分析的合理性.

基于Hertz接触理论的黑水虻幼虫碰撞恢复系数测定

为建立黑水虻幼虫与收集、输送、分离等机械工作部件间发生碰撞时的碰撞模型,基于黑水虻幼虫生物特性,应用Hertz弹性碰撞理论推导了黑水虻幼虫碰撞过程动力学方程,结合运动学方程原理构建了黑水虻幼虫恢复系数的测定装置并进行了黑水虻幼虫恢复系数测定试验。试验针对第5龄期的黑水虻幼虫,采用L_(16)(4^(4)×2^(3))混合正交试验方案研究了碰撞材料、材料厚度、下落高度、碰撞角、跌落方向、含水率等因素对黑水虻幼虫恢复系数的影响,然后对碰撞材料、材料厚度、下落高度、碰撞角、跌落方向进行单因素试验,并获得了材料厚度、下落高度、碰撞角对恢复系数的影响规律与回归方程,且方程的决定系数均不小于0.9427。试验结果表明,影响黑水虻幼虫恢复系数的因素影响由大到小为:碰撞材料、下落高度、碰撞角、跌落方向、碰撞材料厚度、含水率,其中含水率对恢复系数影响不显著。单因素试验结果可得:黑水虻幼虫与Q235钢、铝合金、有机玻璃、橡胶等碰撞材料间的恢复系数依次降低,随下落高度的增大而逐渐减小,随材料厚度的增加而逐渐增大,恢复系数随碰撞角的增大而整体呈增大趋势,且横向跌落方向大于纵向跌落方向。该文研究结果可为黑水虻幼虫收集、输送、分离等机械相关工作部件优化设计提供参考依据。

三排柱式回转支承非理想Hertz接触特性分析

传统方法对三排柱式回转支承的滚柱与滚道间的接触分析都是基于Hertz接触理论,然而滚柱与滚道的实际接触超出了Hertz接触理论的范围。针对该问题,重点研究了滚柱与滚道的非理想Hertz接触特性,得出了接触变形及接触应力沿滚柱轴向的变化规律。结合McEwen关于圆柱体法向接触理论,推导了滚柱与滚道接触区内部的应力场各应力分量解析表达式,并讨论了滚道失效与应力之间的关联。最后,建立了滚柱与滚道接触的3D有限元模型,仿真结果表明,接触区的应力分布与解析解基本吻合,结论可为三排柱式回转支承的设计与制造提供参考。

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Hertz接触理论的混凝土表层性能的检测方法

提出了一种混凝土表层性能的检测方法,该法基于弹性动力学中的Hertz接触理论,通过安装在钢球上的加速度传感器积分求取钢球敲击混凝土构件表面时的接触时间来推算混凝土表层的弹性模量,进而评价混凝土表层的状态,并且分析了该检测方法测试混凝土表层的深度范围。分别在水灰比为35%、50%、75%和100%的四个混凝土试块的上表面和侧壁进行试验验证,并与室内单轴压缩试验的结果对比,试验结果证明本方法能准确地判断出不同状态混凝土构件的表层性能。若通过一定试验的标定建立弹性模量与强度的关系,则可以进一步用来推算混凝土的强度。

隔震结构碰撞分析的改进Hertz-damp模型

碰撞是一复杂的非线性问题,为了研究碰撞作用下结构的响应,合理的碰撞模型是非常必要的。针对隔震结构的碰撞现象,结合改进的Kelvin模型和Hertz-damp模型构造了一个新的阻尼函数,提出了改进的Hertz-damp碰撞模型,并对新碰撞模型的可靠性进行了数值验证。通过现有的碰撞试验和其他碰撞模型对比,表明改进后的Hertzdamp碰撞模型较其他碰撞模型具有较高的精度,能更精确地模拟结构的碰撞响应。

Hertz理论在球轴承应用方面的局限性

用ANSYS和Hertz接触理论分别对推力球轴承的接触面形状和尺寸、接触应力进行了计算。通过比较、分析,指出了用ANSYS分析球轴承接触时应注意的问题以及Hertz理论应用的局限性。

基于非Hertz接触理论的连续切换轮辊子变形分析

介绍了一种目前广泛应用于移动机器人领域的连续切换全向轮。通过分析辊子的几何模型,建立辊子轮廓面的参数方程,并提出了两相邻辊子间间隙应满足的条件。根据全向轮与地面的接触条件,提出了基于非Hertz(赫兹)接触理论分析轮缘处辊子与地面接触的变形情况,并将结果与ANSYS有限元方法对辊子接触变形进行对比验证。为此类连续切换轮的结构分析及减小振动提供了理论基础。