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柔性圆柱杆接触碰撞实验研究

作　者: 朱焜
导　师: 洪嘉振
学　校: 上海交通大学
专　业: 一般力学与力学基础
关键词: 接触动力学柔性杆纵向碰撞实验弹性波
分类号: O313.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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引　用: 3次
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内容摘要

本文对两柔性圆柱杆纵向接触碰撞问题进行实验研究。为了深入研究接触碰撞过程中物体的动力学响应,设计了柔性体之间接触碰撞的实验方案,利用铝的导电性精确地测量碰撞的接触时间,利用激光多普勒测振仪非接触地测量接触碰撞过程中柔性杆上各点的速度响应,同时通过动态应变技术测量出接触点附近的应变变化历程。实验结果揭示了碰撞过程中杆上各点速度响应形成弹性波的传播和反射现象,说明柔性杆中具有明显的弹性波传播效应。将实验结果与Hertz接触模型和FEM-λ仿真计算结果进行对比,Hertz接触模型由于只考虑接触端局部变形而未考虑弹性波在杆中的传播效应,因此在处理柔性体之间的接触碰撞问题时并不适用,而FEM-λ模型由于考虑到弹性波的传播效应,因此其计算结果与实验结果吻合得很好。本文的具体研究内容如下:第一章为绪论,介绍了柔性多体系统接触碰撞动力学实验研究的工程背景和研究意义,综述了国内外研究的发展现状,阐述了目前人们还没有解决或没有完全解决的问题和解决这些问题所存在的难点,并提出了本文的研究任务。第二章介绍本文设计的两柔性杆接触碰撞实验方案,和实验中所采用的接触碰撞实验平台,以及接触时间测量装置。并验证了本文实验具有良好的重复性以及实验结果的正确性。第三章首先阐述接触时间的精确测量对于建模理论研究的重要意义,然后开展对柔性多体系统接触时间的研究,介绍接触时间测量装置的原理以及测量结果,研究了不同碰撞初速度和不同材料情况下的柔性杆之间碰撞的接触时间,由于杆1碰撞端加工成半球形圆头,使得实际接触时间要大于一维杆的理论接触时间,而使用二维有限元方法计算的接触时间则与实验结果比较接近。第四章主要研究了接触过程中系统的动力学响应,包括速度响应,加速度响应和接触点附近的应变响应,对碰撞的动力学响应进行分析,揭示了碰撞过程中弹性波在柔性杆中的传播和反射现象,说明柔性多体系统接触碰撞问题中弹性波的传播效应不能忽略。通过实验结果与Hertz接触模型和FEM-λ模型的计算结果进行对比,说明Hertz接触模型在处理柔性体之间接触碰撞问题时并不适用,采用FEM-λ模型的数值模拟结果更为精确,并且在进行有限元仿真计算时,采用一维单元计算误差较大,而采用二维四边形单元划分的有限元仿真所计算的结果则比较精确。第五章为本文总结和对研究工作的展望。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-23
  1.1 本文的工程背景和研究意义  11-12
  1.2 国内外的研究现状  12-19
  1.3 目前实验研究存在的问题和难点  19-21
  1.4 本文研究任务  21-23
第二章柔性圆柱杆接触碰撞实验设计  23-36
  2.1 引言  23-24
  2.2 实验系统设计  24-35
    2.2.1 实验台架  24
    2.2.2 测试设备  24-29
    2.2.3 柔性杆碰撞实验  29-30
    2.2.4 实验精确性与重复性  30-35
  2.3 本章小结  35-36
第三章接触时间测量  36-41
  3.1 引言  36-37
  3.2 接触时间测量原理  37-39
  3.3 接触时间测量结果  39-40
  3.4 本章小结  40-41
第四章接触动力学响应  41-60
  4.1 引言  41-42
  4.2 速度响应  42-52
    4.2.1 杆2 自由端的速度响应  42-43
    4.2.2 杆2 上各点速度响应  43-52
  4.3 加速度和位移响应  52-54
  4.4 接触过程中的碰撞力  54-57
  4.5 不同碰撞初速度下的动力学响应  57-59
  4.6 本章小结  59-60
第五章全文总结  60-62
  5.1 主要结论和创新点  60-61
  5.2 研究展望  61-62
参考文献  62-64
致谢  64-65
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文情况  65

柔性圆柱杆接触碰撞实验研究

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