ELASTIC-PLASTIC FINITE ELEMENT ANALYSIS OF THREE-DIMENSIONAL CONTACT-IMPACT AT RAIL JOINT

Using the finite element code ANSYS/LS-DYNA, a dynamic finite element modelwith an elastic-linear-kinematic-hardening plastic material is established to analyzeelastic-plastic stresses in the railhead in the impact process of wheel and rail occurring at thegap of rail joint. The model is based on the discrete elastic support condition of the rails, whichis suitable for the actual situation of wheel/track rolling contact. In the analysis the influencesof axle load, yield stress and tangent modulus of rail material on the stresses and strains areinvestigated in detail. The distribution of stresses and strains in the jointed railhead are given.It is found that the axle load, yield stress and tangent modulus of rail material greatly affect thestresses and strains in the railhead during impacting. The study provides a reliable method anduseful datum for the further research on fatigue and wear of railhead and improving the rail jointmode.

含多关节间隙平面柔性六杆机构的动力学分析

为提高机构的动力学分析精度,基于平面六杆机构,同时考虑多个关节间隙与构件柔性对多体机构动力学响应的影响。通过实体建模和引用ADAMS软件中“冲击函数”接触力模型,对含有多个间隙关节与柔性连杆的六杆机构进行动力学模拟仿真,研究间隙数量、间隙位置、间隙大小、柔性连杆及其与间隙耦合对系统动力学性能影响。研究结果表明:与单关节间隙相比,多关节间隙会产生更大的接触力,导致构件的加速度波动更加剧烈;间隙关节距离电机位置越近,则对机构的动力学行为影响越明显;考虑连杆柔性时,可以极大地降低间隙对机构动力学波动的影响。

螺栓联接结合面三维分形刚度模型与实验研究

为更准确地分析螺栓联接体的静动态特性,根据三维分形理论,考虑微凸体弹塑性接触在内的4种变形阶段,分别得到螺栓联接结合面的法向载荷与切向载荷,进而建立了螺栓联接结合面法向刚度与切向刚度模型,并分析了各参数对螺栓联接结合面刚度模型的影响关系。开展了有限元分析与实验研究,应用所建立的法向刚度与切向刚度模型,将考虑结合面影响的螺栓联接体有限元分析结果分别与忽略结合面影响的螺栓联接体有限元分析结果以及实验结果对比。研究结果显示,增大预紧力、工作载荷、分形维数、材料特性参数,或是减小分形尺度参数,可增大螺栓联接结合面的刚度;应用所建立结合面刚度模型的螺栓联接体有限元分析结果与实验结果误差在8%以内,远小于忽略结合面影响的有限元分析误差。

基于分层分区域虚拟材料方法的丝杠螺母结合部精确建模研究

为了建立精确的滚珠丝杠螺母结合部模型,基于多目标优化方法获取其结合部虚拟材料模型的参数,构建了精确的结合部虚拟梯度材料模型,从而建立了准确的滚珠丝杠螺母结合部动力学模型,并通过实验对此方法建立的动力学模型进行了实验验证。结果表明:基于虚拟梯度材料法建立的结合部模型具有较高的精度,梯度结构材料层的宏观材料特性在空间上呈现与接触应力随滚珠相位角分布相同的变化,据此能够充分表征滚珠轴承中滚珠和滚道接触面间接触应力分布不均匀的特性。

圆柱面结合部接触应力的三维分形模型

为了对机械结构中圆柱结合部的承载能力进行研究,基于Hertz接触理论,并结合修正的三维分形理论,应用三维分形曲面来模拟实际工程中的结合面,在综合考虑宏观特性因素与微观形貌因素的情况下,建立了圆柱结合部接触应力的三维分形模型,并与Hertz接触模型进行了对比分析,证明了所建立模型的合理性。通过Matlab仿真分析得到,从宏观特性因素上,可以选用内接触圆柱结合部,或增大小圆柱体的半径来降低接触应力,提高承载能力;从微观形貌因素上,可以减小分形尺度参数,或减小材料特性参数来降低接触应力。分形维数对接触应力的影响比较复杂:当2.1≤D≤2.5时,增大分形维数,可以降低接触应力;当2.5≤D≤2.9时,减小分形维数,可以降低接触应力。

骨架膜装配式节点设计与承载力分析

提出的骨架膜结构装配式节点具有构造简单、预制程度高、便于现场装配、可以调节消减加工误差、适应各种形状的骨架膜结构、传力清晰等特点。基于Hertz接触理论分析了该节点的关键承载结构——销轴连接的应力分布形式并与有限元分析相互印证。基于有限元分析得出了该节点中杆件与耳板最佳的连接方式,对该节点的三维模型进行简化并建立有限元模型,计算了该节点的极限承载能力,得到其破坏形式并与同规格的空间相贯焊接钢管节点进行对比。结果表明:该装配式节点的失效由下弦杆控制,满足“强节点,弱杆件”的设计要求;该装配式节点的极限承载能力为设计荷载的2.95倍,与同规格的空间相贯焊接钢管节点几乎相同,有充足的安全余量,可以更加灵活地应用于各种建筑结构中。

考虑结合面接触刚度的机床床身动态特性分析

床身结合面刚度是影响机床动态特性,进而影响机床加工精度的重要因素之一。为了获得精确的机床动态特性参数,运用接触刚度预测模型识别出了床身结合面的接触刚度并建立了等效动力学模型。首先,建立接触刚度预测模型;其次,通过预测模型识别出两种材料(铸铁和矿物复合材料)床身结合面的接触刚度;然后,利用结合面接触特性参数,基于弹簧单元约束建立有限元模型;最后,对比有限元模态频率和试验模态频率,发现基于弹簧单元约束的有限元模态频率与试验模态频率一致性较好,且该模型对铸铁和矿物复合材料均有效。研究表明考虑结合面接触刚度的机床床身有限元模型更具合理性,可以为分析机床动力学特性和优化机床结构提供理论依据。

弯管内可控万向铰接柔性管动力学特性研究

针对弯管内可控万向铰接柔性管随机动态接触问题,以弯管和可控铰接柔性管为研究对象,采用哈密顿原理结合多体系统动力学理论,引入刚体运动坐标系描述可控铰的运动约束,以管-管接触模型描述可控万向铰接管和弯管的动态接触,建立了弯管内可控万向铰接柔性管多体系统接触非线性动力学的数值计算方法。以超短半径水平井造斜段柔性钻具为例,根据贝克休斯公司的钻具动力学特性标准,对柔性钻杆的振动特性进行了评价,研究了不同转速和不同钻压对柔性钻杆动力学特性的影响。研究结果表明:横向振动是导致柔性钻具可能失效的主要因素;柔性钻杆的横向振动剧烈程度随着转速的增加而减小,随着钻压的增加而增大。

基于Flatjoint接触模型的岩石单轴压缩和巴西劈裂颗粒流模拟研究

基于颗粒流平台,选择Flatjoint接触模型作为岩石模拟的基本模型,用单轴压缩和巴西劈裂数值试验测试岩石宏观参数,对数值试验进行正交设计,采用多因素方差分析和回归分析研究宏细观参数之间的关系。在此基础上,提出了基于岩石单轴压缩和巴西劈裂数值试验的细观参数匹配方法。以灰岩的室内试验为基础,对灰岩细观参数进行了标定,实现了灰岩单轴压缩和巴西劈裂的颗粒流模拟,模拟结果与试验结果相接近,验证了本文方法的有效性。

基于主动超声激励的岩石节理刚度分布测量研究

Goodman提出采用节理刚度表征复杂岩石节理面的拓扑行为并为其提供定量值,而无需对节理面的粗糙度、接触面积等参数进行详细测量分析。然而目前对岩石节理刚度的测量仍存在局限,因此,在试验室环境下采用压电陶瓷换能器对完整平板试件和含节理平板试件进行弹性波激励,同时采用三维扫描激光多普测振仪监测平板内弹性波的传播数据。将采集的波场信号数据进行滤波、插值、积分等一系列处理,并基于Schoenberg线性滑移模型计算节理刚度分布,实现岩石节理接触行为的全局参数表征,同时进一步验证了岩石节理全场超声表征的可行性。全场波形数据清晰地揭示了岩石节理界面接触行为,为后续深入探索岩石节理几何形状、孔径、界面性质及其地震特征之间的相互关系奠定了基础。

管路连接件粗糙表面接触力学与密封性能分析

为研究真实管道连接件在拧紧力矩作用下的接触状态和密封机制,从而有效控制管路密封性能,以真实管路连接件为研究对象,对粗糙接触表面真实接触形貌数据进行实测,通过逆向建模工程建立粗糙接触表面有限元模型,利用有限元仿真分析方法得出真实接触面积比与平均接触应力的关系。结果表明,在开始施加位移载荷时同时发生弹性与塑性变形,随着载荷的增加,发生塑性变形区域越来越大,形成真实接触区域部分也逐渐增加。基于逾渗理论对接触界面进行栅格化模型模拟,通过寻径算法得出接触界面达到密封时所需要的最小真实接触面积比,结合仿真结果得到管路连接件接触表面达到密封时所需要的最小接触应力值。研究结果为管路连接件密封性能仿真分析提供重要密封评判指标,也进一步通过仿真分析得到管接头密封条件下的最小拧紧力矩提供参考。

基于无网格方法的机械结合面接触分析

典型的无网格方法采用移动最小二乘函数(moving least squares,MLS)作为近似函数,但由于MLS不具备Kronecker delta函数性质,本质边界施加困难。LRPIM是采用径向基点插值形函数的无网格方法,本质边界条件无需特殊处理,可以直接施加,在保持高精度的前提下提高计算效率。将LRPIM应用于机械结合面接触问题的计算。根据位移连续条件推导了含接触特性的线性互补方程,建立了基于LRPIM的计算模型,采用线性互补算法利用数值积分计算了几种典型的接触问题,得到了接触面压力分布和接触变形,分析了插值函数形状参数和积分域尺寸对计算结果的影响。研究结果表明,插值函数形状参数α_(c)对接触力的影响较小,而形状参数q取-0.5~1.2时有较好的收敛效果;积分域无量纲尺寸a_(qx)、a_(qy)大于1.5时计算结果开始收敛,大于2.5时出现发散现象,取值2.1时收敛效果最佳。将计算结果与已有结果进行比较,表明本研究方法有较高的求解精度。

表面粗糙度对滚珠式三叉杆万向联轴器弹流润滑性能的影响

为揭示表面粗糙度对滚珠式三叉杆万向联轴器润滑性能的影响机制,利用高斯随机粗糙表面来表征摩擦副实际接触表面,建立考虑表面粗糙度的等效点接触弹流润滑模型,采用有限差分法和多重网格技术求解Reynolds方程得到油膜压力和接触区弹性变形;通过ANSYS软件建立次表面应力有限元求解模型,分析表面粗糙度参数和表面纹理方向对联轴器弹流润滑性能的影响。结果表明:随着表面粗糙度均方根的增大,接触区内的油膜压力和膜厚波动幅值增大,同时次表面高应力区域逐渐向上表面移动接近接触表面层;随着波长因子的增大,接触区内的油膜压力呈现明显的纹理方向分布,次表面应力出现明显的波动;相较于横向表面纹理方向,纵向表面纹理方向对联轴器润滑性能的影响较大。

隧道内长大坡道区段刚性接触网短电分相设计方案

刚性接触网锚段关节仅有8~12 m,可大幅缩短关节式电分相长度,为解决丽香铁路3处隧道内长大坡道的电分相设计难题,文章通过借鉴柔性接触网关节式电分相设计方案,重点考虑绝缘锚段关节绝缘间隙、锚段热胀冷缩等因素,修正刚性悬挂锚段关节式电分相中性段和无电区长度,并结合工程实际条件,提出刚性接触网短分相设计方案,将电分相长度缩短至23 m,并通过弓网系统动态仿真验证其弓网动态特性可满足速度160 km/h要求。方案实施后,线路动态检测达速160 km/h,刚性接触网短电分段处无明显燃弧现象,各项动态指标满足标准要求。该方案的成功应用对速度120 km/h以上复杂工况线路的接触网电分相设计有重要借鉴意义。

考虑结合部热变形的滚动导轨刚度特性分析

为提高滚动导轨副动态刚度,基于弹性力学中Hertz接触理论,考虑外载荷、预紧力、热变形等因素的影响下,对滚动导轨副进行了动态Hertz接触刚度建模。从单个滚珠-滚道接触特性出发,对比分析了滚珠-滚道接触变形关系。以某NSK直线导轨为对象,分析了导轨副在3种预紧力等级下不同垂直载荷对导轨副刚度特性影响规律。运用有限元软件对比仿真分析了不同垂直载荷下导轨副Hertz接触变形以及热变形对导轨副接触刚度的影响,结果表明:预紧力对临界载荷的影响较大从而影响滚动导轨副的刚度;摩擦热变形随着载荷的增加使导轨副接触刚度降低,对比验证了考虑热变形的接触刚度建模方法的合理性以及模型的准确性。

表面划痕对滚珠式三叉杆万向联轴器润滑性能的影响

采用数值分析方法研究划痕位置和尺寸对滚珠式三叉杆万向联轴器弹流润滑性能的影响。结果表明,划痕在接触区内的任何位置,均会对油膜厚度和压力产生较大的影响,且当划痕处于接触区中心位置时,联轴器的润滑状态最差。划痕宽度增大时,划痕内部油膜厚度和压力均减小,划痕后侧边缘处的油膜压力逐渐增大。划痕深度增大时,划痕两侧边缘处的尖峰油膜压力逐渐增大,接触区内的最小油膜厚度急剧减小,联轴器的润滑状态逐渐恶化。

考虑摩擦的圆锥微凸体结合面法向刚度模型

基于分形理论和等效粗糙表面的假设,考虑摩擦状态下的临界接触载荷的变化,建立更为准确的圆锥微凸体结合面法向接触刚度分形模型,获得不同摩擦水平以及分形特征下的接触载荷和接触承载能力。仿真结果表明,当分形维数、分形粗糙度增加时,法向接触刚度分别随之增加与降低;当摩擦系数增大时,法向接触刚度随之降低,且受分形维数大小的影响;法向接触刚度与材料的塑性指数,因分形维数的取值不同,呈现出不同的影响效果;法向接触刚度与法向接触载荷成正比。通过对比分析理论计算与实验结果,验证了所建模型的准确和可靠性,有助于后续整机的理论分析与计算。

基于压敏胶片的法向应力作用下砂岩节理的接触特征研究

定量测量岩石节理的接触特征是开展节理岩体的水-力特性研究的基础,然而其接触特征难以直接在室内试验中测量。采用闭合变形试验研究了法向加载下岩石节理的接触特征变化规律。首先利用岩石雕刻系统构建系列粗糙砂岩节理,然后在节理两个面壁间重复置入多种型号(MS、HS和HHS)的压敏胶片进行闭合变形试验,再引入自适应阈值分割方法识别压敏胶片图像信息并定量分析其接触特征变化规律。岩石节理的力学特性主要受接触区域演化过程的影响,主要包括新接触点产生、接触区域扩展和融合。接触面积比随法向应力增加从线性增加逐渐变为非线性增加趋势,双曲线经验模型可较好地表征接触面积的变化趋势;模型中初始接触面积增长速率与节理粗糙度系数JRC呈正相关关系。接触点数量随法向应力增加呈波动性增加,增长速率与表面分形维数呈负相关关系。低法向应力(0.5 MPa)下岩石节理的局部真实接触应力最大可达名义法向应力的600倍,导致微凸体崩解破坏;随着法向应力和节理粗糙度的增加,其接触应力分布越不均匀;高法向应力条件下粗糙度对其接触面积的影响程度是低法向应力条件下的20倍。该试验结果可为相关力学模型构建提供参考,所提出的测量方法亦可为数值模拟结果的验证提供途径。

外侧楔形鞋垫对足踝生物力学影响的有限元分析

目的 探究外侧楔形鞋垫对足踝内部组织(包括足骨、关节和韧带)的生物力学影响。方法 建立并验证足踝-鞋垫-地面三维有限元模型,探究步态3个关键瞬间赤足模型和鞋垫干预模型的足底压力分布、关节接触压力、跖骨及主要韧带的应力。结果 5°外侧楔形鞋垫模型足底峰值压力比赤足模型减小65.8%。鞋垫干预使楔舟关节处峰值接触压力减小;距下关节处峰值接触压力和第4、5跖骨处峰值应力增大。结论 本研究量化评估了外侧楔形鞋垫对足踝各部分的生物力学影响,提出了可适当减小外侧楔形鞋垫第4、5跖骨处倾斜角度的设计建议。

膨胀套管接头柱面密封结构密封性能分析

为了研究影响膨胀套管接头柱面密封结构密封性能的因素,采用有限元显示动力学分析方法,对构建的膨胀套管接头柱面密封结构的膨胀过程进行有限元仿真和分析,得到了无载荷工况、内压和金属密封面初始间隙对套管接头密封性能的影响规律。结果表明:在无载荷工况下,套管接头膨胀后金属密封面间接触力为零,不具备密封性能;在0~30 MPa范围内,施加的压力越大,膨胀后金属密封面间的接触力越大,密封性能越高;金属密封面初始间隙对套管接头的密封性能影响最大,当金属密封面初始间隙在0.1~0.4 mm范围内减小时,套管膨胀后密封面上的接触力逐渐增大,柱面密封结构的密封性能逐渐提高。分析结果可为膨胀套管接头密封性能优化设计提供参考。