柔性体含摩擦斜碰撞问题的混合分析模型法

作     者：顾金红 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：余春华;沈煜年

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 080101[工学-一般力学与力学基础] 080102[工学-固体力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：柔性体 斜碰撞 粘-滑运动 切向柔度 摩擦接触动力学 

摘      要：对于分别仅作用有摩擦和正碰撞的经典Fillipov和脉冲非光滑动力系统,由于摩擦和正碰撞的非光滑特征,传统方法也一般忽略碰撞过程和柔性结构的变形效应,常采用基于Newton或Poisson恢复系数的刚体模型以降低求解分析的难度。为合理估计更为复杂的同时含有正碰和摩擦的斜碰撞的瞬态力学行为,本文提出了一种可同时考虑接触区的法向接触柔度、切向接触柔度和柔性体整体结构柔度的混合分析模型。运用基于Stronge能量恢复系数的双线性接触模型处理局部接触区的法向接触压下-恢复过程和切向摩擦效应,采用基于有限段方法思想,可自然计及梁几何非线性效应的方法离散柔性梁的位移场,建立了柔性梁的分段连续动力学方程。给出了切向stick-slip相对运动状态以及法向压缩-恢复阶段的切换准则,采用事件驱动法求解了动力学方程。运用该模型计算了柔性梁与固定平面的斜碰撞瞬态响应,通过对比实验数据以及三维动力有限元方法计算结果,验证了本文混合分析模型的精度和可行性,表明本文混合分析模型能精确的描述柔性梁的粘-滑运动模式的反复切换和预测法向和切向接触力的时间历程。研究还发现能量恢复系数对接触力的峰值没有影响,但是对分离时刻法向速度有重要影响,对切向速度的影响十分微弱。纯滑动时接触力的峰值明显小于具有粘滞状态的接触力的峰值。如果考虑结构的柔度,系统出现粘滞状态以后,接触力的峰值将不随摩擦系数的增加而明显增大;如果不考虑结构的柔度,接触力的峰值将随着摩擦系数的增加而明显增大。这说明考虑结构柔度对系统动力学特性具有重要影响。此外,由于计算自由度小且不需要迭代运算,本文方法克服了传统有限元方法网格离散量大且接触算法效率低的不足。