柔性结构弹塑性次碰撞实验及数值模拟研究

A single impact observed in flexible structure impact systems in low observation resolution, might consists of a series of elastoplastic sub-impacts in sequence. The sub-impacts taken placed in shorter time and with impact force varied quiet complicated, will result in the obviously propagation of the transient wave. The detection of sub-impacts becomes much more difficult.Till now, the investigations on elastoplastic sub-impact are in the phase of initial reaearch stage.The present application selects several flexible structure impact systems to develop the test systems of elastoplastic sub-impact. Based on the theory of elastoplastic transient dynamics, so as to take into account the transient contact deformation and the transient structural deforamation induced by sub-impacts.The theoretical models of local contact deformation and the high efficient numerical simulation methods should be developed suitably for the analysis of the behavior of elastoplastic sub-impacts. By the applications of the these test systems, models and numerical simulation methods, the mechanism of elastoplastic sub-impacts and the transient response characteristics of flexible structures should be investigated in detail to find possibly the mechanical conditions generated sub-impacts, the mechanism of the transformation and the dissipation of impact energy, the influence of the local contact deformation on sub-impacts and the interaction mechanism of structural transient response on sub-impacts. It is hope that the present investigation can be helpful for the reducing of the fatigue, wear, high amplitude vibration and noise caused by impacts and the increasing of the operation controllability of the flexible structural systems.

在柔性结构系统运行过程中，低分辨率观测到的单个碰撞事件有可能包含若干个弹塑性次碰撞过程。弹塑性次碰撞持续的时间短，碰撞力变化复杂，瞬态波效应明显，实验测量需要更加精细，相关的研究工作尚处于初期研究阶段。因此，本申请课题拟选择多个柔性结构碰撞系统，研制弹塑性次碰撞实验测试系统。运用弹塑性瞬态动力学方法，考虑弹塑性瞬态接触变形和结构弹塑性瞬态变形，建立适用于弹塑性次碰撞问题研究的局部接触理论模型和高效数值模拟方法。通过实验和数值模拟，研究弹塑性次碰撞发生的力学条件，碰撞能量的转换与耗散机制，局部接触变形的影响，以及结构瞬态变形响应与弹塑性次碰撞之间的相互作用，探索研究弹塑性次碰撞的特征和规律，为有效降低碰撞引起的柔性结构的疲劳破坏，磨损，高幅振动和噪声，提高对系统运行的控制能力，提供一定的科学研究基础。

在柔性结构系统运行过程中，低分辨率观测到的单个碰撞事件有可能包含若干个弹塑性次碰撞过程。弹塑性次碰撞持续的时间短，碰撞力变化复杂，瞬态波效应明显，实验测量需要更加精细，相关的研究工作尚处于初期研究阶段。本申请课题完成的主要研究内容包括：.（1）研制了弹塑性次碰撞实验测试系统，.（2）进行了弹塑性梁横向次碰撞瞬态响应实验，.（3）进行了弹塑性梁重复次碰撞实验，.（4）进行了弹塑性梁复杂重复次碰撞实验，.（5）建立了竖向地震激励下的桥梁次碰撞理论模型，.（6）建立了线性化局部重复弹塑性碰撞模型，.（7）建立了重复碰撞作用下弹塑性瞬态响应分析的理论方法，.（8）建立了柔性梁杆、板和板偏心弹塑性次碰撞数值方法，.（9）研究了近竖向地震作用下桥梁的碰撞响应和内力响应，.（10）研究了柔性梁杆次碰撞下复杂的碰撞力响应，.（11）研究了次碰撞发生的条件，.（12）研究了次碰撞响应下的能量传递规律，.（13）研究了碰撞波对重复碰撞响应的影响，.（14）比较研究了局部弹塑性理论模型，.（15）研究局部弹塑性碰撞模型参数的线性相关性。. 研究得到了以下重要结果：.（1）弹塑性次碰撞的发生存在必要条件，.（2）弹塑性次碰撞的能量转换存在明显的分区特征，.（3）在近场竖向地震作用下，次碰撞产生强冲击力，弯矩会出现反转，.（4）两柔性结构次碰撞力响应中波效应明显，.（5）局部弹塑性理论模型在预测重复碰撞响应时会出现较大的差异，.（6）局部弹塑性碰撞模型参数存在显著的线性相关性。. 相关研究的结果对结构瞬态变形响应与弹塑性次碰撞之间的相互作用规律，弹塑性次碰撞的特征和规律，为有效降低碰撞引起的柔性结构的疲劳破坏，磨损，高幅振动和噪声，提高对系统运行的控制能力，提供了一定的科学研究基础。