基于仿真技術(shù)的沖擊響應(yīng)計算方法研究

張偉 來希雪

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201722053

摘要：沖擊響應(yīng)問題在工業(yè)工程領(lǐng)域經(jīng)常出現(xiàn)，但沖擊載荷作用下響應(yīng)大小是困擾機(jī)械工程發(fā)展的主要因素。本文針對仿真技術(shù)研究方法進(jìn)行了總結(jié)，研究的意義在于比較總結(jié)沖擊響應(yīng)的計算方法優(yōu)劣，更好的應(yīng)用于實際工程問題，為抗沖擊結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考，以提高梁的使用性能。

關(guān)鍵詞：仿真技術(shù)；沖擊響應(yīng)；計算方法

在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域，仿真技術(shù)被越來越多的廣泛采用，是在概念設(shè)計階段提前預(yù)知性能的有效方法。仿真技術(shù)是一門多學(xué)科的綜合技術(shù)，以計算機(jī)和專用設(shè)備為輔助工具，利用系統(tǒng)級模型，來預(yù)測該系統(tǒng)的各項設(shè)計指標(biāo)參數(shù)。仿真過程是一個不斷迭代不斷完善的過程，尤其對于高精密儀器及航空產(chǎn)品，設(shè)計過程更加復(fù)雜，往往通過仿真計算及地面試驗驗證才可以保證產(chǎn)品設(shè)計順利實施。沖擊響應(yīng)過大在機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域往往因為剛度不足造成的，但是又是一個無法規(guī)避的問題。由于沖擊響應(yīng)過大會造成空間不足，甚至損傷其他零部件，從而使整個產(chǎn)品失效，造成因小失大的災(zāi)難性問題。因此，在設(shè)計初期，必須考慮機(jī)械產(chǎn)品的沖擊響應(yīng)。目前，預(yù)測沖擊響應(yīng)的方法主要有：仿真技術(shù)和實物驗證。本文著重介紹各個仿真技術(shù)在沖擊響應(yīng)中的應(yīng)用。

1 仿真技術(shù)

1.1 系統(tǒng)仿真技術(shù)

系統(tǒng)仿真技術(shù)是根據(jù)系統(tǒng)分析的目的，在分析系統(tǒng)各要素性質(zhì)及其相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，用圖標(biāo)符號表示仿真系統(tǒng)中的各個元件，這些圖形符號包括工程領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)圖標(biāo)。通過模塊化建模省去了大量的時間進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，而是通過類似于搭積木的方法完成系統(tǒng)模型的建立，從而使用戶能夠更專注于仿真目標(biāo)的研究。因此，可以用盡可能少的要素來建立具有復(fù)雜系統(tǒng)和零部件功能的模型。并且系統(tǒng)仿真平臺囊括了流體力學(xué)分析、機(jī)械結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、熱力學(xué)分析、電磁場作用分析和控制系統(tǒng)分析等多個領(lǐng)域，并能夠?qū)⒏鱾€領(lǐng)域和專業(yè)的系統(tǒng)模塊有機(jī)結(jié)合起來。

1.2 多體動力學(xué)仿真

多體動力學(xué)仿真技術(shù)是一門復(fù)雜的學(xué)科，它的發(fā)展大概分三個階段，早期是以現(xiàn)代計算力學(xué)為基礎(chǔ)的多體動力學(xué)仿真階段，近期擴(kuò)展到與結(jié)構(gòu)、控制、優(yōu)化結(jié)合的多體動力學(xué)系統(tǒng)仿真極端，正走向機(jī)電液聯(lián)合仿真高級階段早在20世紀(jì)70年前，隨著計算機(jī)的不斷應(yīng)用于普及，很多美國大學(xué)計算與應(yīng)用力學(xué)學(xué)者開始以牛頓的運動定律對機(jī)械構(gòu)造組成建立數(shù)字化的模型，這就是最早的多體動力學(xué)仿真的雛形。第二階段發(fā)生在90年代前，多體動力學(xué)進(jìn)入了蓬勃發(fā)展期，許多重要數(shù)學(xué)模型、算法以及有效求解，建立新的幾何模型與數(shù)學(xué)模型關(guān)系等大量涌現(xiàn)，為第三階段有限元模型的多體動力學(xué)出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。第三階段發(fā)生在90年代后，各種幾何模型、數(shù)學(xué)模型、數(shù)學(xué)算法已經(jīng)成熟，將多體動力學(xué)引入有限元算法，把傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，搬到計算機(jī)上求解，大大節(jié)約了時間，并且增加了計算的精度。當(dāng)沖擊響應(yīng)問題引入到有限元中求解，首先簡化三維幾何模型，將多體動力學(xué)零部件剛?cè)徂D(zhuǎn)化，全部轉(zhuǎn)化成柔性體求解，第二步定義各個零部件的連接關(guān)系，利用系統(tǒng)仿真得到的沖擊載荷曲線，沖擊載荷曲線引入到多體動力學(xué)有限元仿真工具中，最后得到產(chǎn)品的沖擊響應(yīng)大小。

1.3 數(shù)據(jù)擬合

曲線問題直線化是數(shù)據(jù)擬合技術(shù)的根本。對于有些非線性問題可以分割成多個線性問題求解，通過簡單的直線變換使之可以用現(xiàn)有手段分析其曲線規(guī)律，這樣可以按最小二乘法原理求解變換后的直線方程。在工程實際中往往利用直線方程繪制資料的標(biāo)準(zhǔn)曲線，同時可以根據(jù)需要將此直線方程還原成曲線方程，實現(xiàn)曲線的擬合，從而實現(xiàn)曲線問題直線化求解在仿真技術(shù)中，往往需要大量的試驗數(shù)據(jù)做支撐，比如試驗得到不同力作動下沖擊力的大小、沖擊載荷曲線沖擊響應(yīng)曲線等，運用數(shù)據(jù)擬合工具將不同工況下的沖擊響應(yīng)做簡單分析、擬合出沖擊響應(yīng)曲線，當(dāng)載荷發(fā)生變化時，可以通過擬合曲線得到?jīng)_擊響應(yīng)情況。除此之外，數(shù)據(jù)擬合方法還可以通過仿真工具得到，將載荷放大或縮小一定倍數(shù)，得到?jīng)_擊響應(yīng)大小，通過試驗數(shù)據(jù)，標(biāo)定調(diào)整倍數(shù)關(guān)系，經(jīng)過大量試算摸索，最后得到合適的倍數(shù)關(guān)系，當(dāng)載荷發(fā)生變化時，利用該標(biāo)定好的倍數(shù)，仿真得到?jīng)_擊響應(yīng)曲線，可以準(zhǔn)確模擬實際沖擊響應(yīng)情況。

1.4 結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真

目前，結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真技術(shù)是仿真技術(shù)中發(fā)展較為成熟的，廣泛應(yīng)用在機(jī)械、航空航天、兵器、土木、艦船等各個領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真涉及的學(xué)科也較多：線性靜力學(xué)分析、接觸非線性分析、材料和幾何非線性分析、熱分析、屈曲分析、蠕變分析、復(fù)合材料分析、電磁分析等；模態(tài)分析、復(fù)模態(tài)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析、時域和頻域響應(yīng)分析、非線性動力學(xué)分析、隨機(jī)振動分析、響應(yīng)譜分析?？梢詫в蓄A(yù)緊力或接觸的模型通過轉(zhuǎn)化進(jìn)行動力學(xué)分析；拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、位置優(yōu)化、形狀優(yōu)化?？梢赃M(jìn)行多目標(biāo)多變量優(yōu)化，以及對帶有接觸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析。此外，還可以進(jìn)行流固聲耦合分析、熱固耦合分析、電磁和熱耦合分析、電磁學(xué)分析、電動力學(xué)分析等，針對工程中遇到的各種復(fù)雜力學(xué)問題，提供了至善至美的可靠解決方案，從而實現(xiàn)產(chǎn)品性能和質(zhì)量的提高并保證產(chǎn)品的高可靠性。沖擊響應(yīng)問題是結(jié)構(gòu)動力學(xué)中的非線性問題，實際工程問題中，很多結(jié)構(gòu)響應(yīng)與所受的外載荷并不成線性關(guān)系。由于非線性，結(jié)構(gòu)中可能產(chǎn)生大位移、大轉(zhuǎn)動或多個零件在載荷作用下接觸狀態(tài)不斷發(fā)生變化。要想更精確的反映實際問題，就必須考慮材料和幾何、邊界、單元等非線性因素。以往基于線性的結(jié)構(gòu)分析因為過于保守而不能贏得當(dāng)今國際市場的激烈競爭，很多材料達(dá)到初始屈服極限時往往還有很大的承載潛力可挖，通過非線性分析，工程師可以更加深入的掌握結(jié)構(gòu)的特性，充分利用材料的塑性和韌性。薄殼結(jié)構(gòu)或橡膠一類超彈性材料零件在小變形時反力較小，而隨變形增加，反力也會加速增大。這些狀況是用簡單線性分析不能描述的。類似的，非線性分析還可以解決蠕變問題，這對于高聚合塑性和高溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)件尤為重要。接觸分析也是非線性分析中一個很重要的應(yīng)用方面，如輪胎與道路的接觸，齒輪墊片或襯套等系統(tǒng)連接件都要用到接觸分析。當(dāng)一個結(jié)構(gòu)與另一個結(jié)構(gòu)或外部邊界相接觸時通常要考慮非線性邊界條件。由接觸產(chǎn)生的力同樣具有非線性特性。對于這些非線性接觸力，有限元提供了兩種方法：一是三維間隙單元，支持開放、封閉或帶摩擦的邊界條件；二是三維滑移線接觸單元、支持接觸分離、摩擦和滑移邊界條件，沖擊響應(yīng)便是利用上述有限元方法求解得到。

2 總結(jié)

隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，大量試驗數(shù)據(jù)的收集，對于沖擊響應(yīng)分析提出了更高的需求，研究也更加具體深入仿真技術(shù)在沖擊響應(yīng)分析領(lǐng)域發(fā)展多年來，雖然取得了許多成績，但是在精度難題無法完全解決，精確的仿真技術(shù)還需要進(jìn)一步研究。