含弹性元件机械系统的碰撞与冲击研究

论文摘要

冲击是工程中广泛存在的现象。结构的碰撞与冲击问题是较复杂的动力响应问题,特别是复杂结构的碰撞特性与冲击力及应力的测量与分析一直是难点问题。本文主要运用显式有限元数值计算的方法研究了含弹性元件机械系统碰撞与冲击时的动力响应特性。主要研究工作如下:首先综述了圆柱螺旋弹簧的研究现状、结构冲击与接触碰撞等相关领域的研究现状。理论分析了圆柱螺旋弹簧的受力与变形关系,并针对理论公式不能求解的大螺旋角弹簧刚度问题,探讨了一种用有限元软件进行求解的方法,建立了有限元模型并对其刚度进行了计算。结合材料力学和圆柱螺旋弹簧的相关理论,研究了预应力圆柱螺旋弹簧弯曲弹性特性,导出了该种弹簧在受到弯矩作用时弹簧弯曲角度的计算公式,参考静力试验结果,优化了理论公式中相关参数,并建立了弹簧的等效模型。建立了系统碰撞与冲击分析的有限元模型,研究了只含预应力弹簧的系统的低速碰撞响应以及含两个弹簧的系统在高速冲击时的动力响应特性,得到了系统分别与刚性体和弹塑性体碰撞时系统接触力、位移、速度、加速度响应以及能量转换特性。从碰撞过程持续时间、碰撞发生后系统的位移、速度、加速度以及能量变化等方面对系统与刚性体和弹塑性体碰撞特性进行了研究,研究表明导致系统破坏的主要因素有冲击速度,冲击体材料、质量,系统承受部件的结构尺寸及材料特性等。通过本文的研究发现,采用显式有限元数值求解技术求解接触—碰撞这样的高度非线性问题,不但计算效率高,而且还可以得到相对准确的结果,对整个系统的设计和优化具有积极的指导作用。同时,本文的研究结论对今后相关领域的研究也具有重要的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 圆柱螺旋弹簧研究现状
• 1.2.2 冲击与接触碰撞问题研究现状
• 1.3 本文的主要工作和研究内容
• 第2章 碰撞冲击动力学基本理论及计算方法
• 2.1 碰撞与冲击概述
• 2.2 接触—碰撞过程分析
• 2.3 接触—碰撞问题的动力响应研究方法
• 2.3.1 接触—碰撞的数值计算方法
• 2.3.1.1 接触界面与非嵌入条件
• 2.3.1.2 接触面力条件
• 2.3.2 接触碰撞问题的显式有限元求解
• 2.3.2.1 显式有限元算法的基本理论
• 2.3.2.2 算法的有限元实现
• 2.4 本章小结
• 第3章 圆柱螺旋弹簧弹性特性研究
• 3.1 普通圆柱螺旋弹簧基本理论
• 3.1.1 普通圆柱螺旋弹簧受力分析
• 3.1.1.1 受到轴向载荷时，材料截面的受力分析
• 3.1.1.2 受到径向载荷时，截面的受力情况
• 3.1.1.3 受到弯矩时，截面的受力情况
• 3.1.2 普通圆柱螺旋弹簧变形分析
• 3.1.2.1 受到轴向载荷和扭矩时变形分析
• 3.1.2.2 受弯矩作用时变形分析
• 3.1.2.3 受径向载荷时的变形分析
• 3.1.3 弹簧弯曲刚度有限元分析
• 3.2 预应力螺旋弹簧弹性特性研究
• 3.2.1 预应力的求法与测定
• 3.2.2 拉伸刚度计算
• 3.2.3 预应力螺旋弹簧的弯曲特性
• 3.2.3.1 预应力螺旋弹簧模型抽象
• 3.2.3.2 预应力螺旋弹簧受力分析
• 3.2.3.3 预应力螺旋弹簧变形计算
• 3.2.3.4 试验验证及参数优化
• 3.3 预应力螺旋弹簧等效及计算
• 3.4 本章小结
• 第4章 含弹性元件机械系统碰撞冲击分析
• 4.1 碰撞仿真分析工具简介
• 4.1.1 ANSYS/LS-DYNA概述
• 4.1.2 ANSYS/LS-DYNA的使用
• 4.2 含弹性元件机械系统模型的建立
• 2单独作用下的低速碰撞特性'>4.3 在弹簧K₂单独作用下的低速碰撞特性
• 4.3.1 系统与刚性体的碰撞特性
• 4.3.2 系统与弹塑性体的碰撞特性
• 1、K₂作用下系统的冲击响应'>4.4 在弹簧K₁、K₂作用下系统的冲击响应
• 4.4.1 系统与刚性体的冲击响应特性
• 4.4.2 系统与弹塑性体的冲击响应特性
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果