关键词:
柔性梁
次碰撞
接触模型
能量
冲量
碰撞力
塑性铰
能量传递
弹塑性变形
弹粘塑性变形
应变强化
应变率
摘要:
虽然柔性梁的弹塑性碰撞问题的研究历来受到关注,但国内外针对弹塑性次碰撞问题的研究仍然非常缺乏。由于柔性梁的弹塑性次碰撞过程涉及弹塑性应力波的传播,多变拓扑结构的识别和碰撞系统运动状态的转换,其次碰撞动态响应行为相当复杂。目前,柔性梁弹塑性次碰撞问题的研究还处于现象观测阶段,对于弹塑性次碰撞行为的发生原因及其对结构瞬态响应的影响规律,尚无完整系统的研究工作发表。本文选择简支梁和自由运动梁作为柔性梁的代表,结合能够考虑多次碰撞接触行为的弹塑性局部接触模型,完善并运用刚塑性理论方法和有限差分方法,对柔性梁的弹塑性次碰撞行为进行了一些探索性研究,并采用有限元方法和实验测试方法进行了验证。
主要研究结论如下:
(1)针对刚性质量碰撞简支梁和刚性质量碰撞自由运动梁的两个碰撞系统,基于刚塑性动力学理论和单轴压缩弹塑性局部接触模型,建立了能够用于塑性次碰撞研究的刚塑性方法,给出了塑性次碰撞过程中梁的三种运动状态的转换条件和运动方程。通过接触面上的位移边界条件,给出了交替进行的碰撞过程和分离过程开始的判断条件。该理论方法克服了传统粘附性假设对碰撞力和局部碰撞变形预测的困难,可以描述次碰撞行为,对结构的主要碰撞响应特征的预测合理。
(2)为研究柔性梁弹塑性次碰撞过程,基于Rayleigh梁理论,运用了结合单轴压缩弹塑性局部接触模型和有限差分法的MCIS方法,使之可以同时考虑弹性效应和多次碰撞接触分离过程。并利用该方法研究了弹塑性波动效应和应变强化效应对弹塑性次碰撞响应的影响。
(3)采用过应力模型,考虑局部碰撞接触变形中的材料应变率效应,提出了能够考虑多次碰撞接触行为的单轴压缩弹粘塑性局部接触变形模型。继而建立了将弹粘塑性局部接触变形模型和有限差分法相结合的MEVP方法。使之可以研究次碰撞过程中的局部接触变形和梁动力响应的应变率效应。运用该方法研究柔性粱弹粘塑性次碰撞过程的局部接触变形时,发现了局部非圆柱面压痕,有别于以前的研究成果。
(4)分别将MCIS方法和MEVP方法应用于应变率不敏感材料和应变率敏感材料的柔性梁碰撞系统,研究碰撞过程中出现的弹塑性次碰撞现象和弹粘塑性次碰撞现象,并与刚塑性理论方法、有限元方法和实验测试方法进行对比研究,表明MCIS方法和MEVP方法可以准确模拟次碰撞过程,计算结果可靠。而刚塑性方法在预测后续次碰撞力和弹性响应上存在一定的局限性。
(5)研究刚性质量碰撞简支梁,刚性质量碰撞自由运动梁和刚性球碰撞简支梁三种碰撞系统的碰撞过程,均发现了明显的次碰撞现象,且次碰撞在整个碰撞过程中的分布具有明显的分区特征。多次的次碰撞过程使梁的变形响应更为复杂。相对于首次碰撞过程,后续次碰撞过程的能量、冲量和碰撞力幅值均不可忽略,因此,次碰撞过程将对梁的碰撞物理行为产生重要影响。
(6)次碰撞会造成塑性区(铰)的往复运动。并且,次碰撞还可改变梁的变形模式,研究发现第二碰撞区的次碰撞过程,打破了梁在第一碰撞区之后在分离区形成的稳定变形和运动模式,使梁的运动和变形重新表现出瞬态响应特征。
(7)次碰撞过程改变了碰撞能量的传递方式,使碰撞能量以非连续的、间歇方式传递。大质量碰撞引起的次碰撞效应更显著,高相对碰撞速度引起的次碰撞效应更显著。
(8)梁边界约束效应和梁材料特性(应变强化效应和应变率效应)使碰撞过程的碰撞力,碰撞持续时间,次碰撞次数和强度,碰撞应力,碰撞变形等发生明显变化,显著影响了次碰撞物理行为。