柔性梁含摩擦斜碰撞的刚体-弹簧-质点混合模型研究*

沈煜年， 顾金红

(南京理工大学力学与工程科学系， 江苏 南京 210094)



柔性梁含摩擦斜碰撞的刚体-弹簧-质点混合模型研究*

沈煜年， 顾金红

(南京理工大学力学与工程科学系， 江苏 南京 210094)

为精确快速地预测柔性梁因斜碰撞导致的复杂瞬态动力响应，提出了一种可同时计及局部接触区法向接触柔度、切向接触柔度以及柔性梁整体结构柔度的混合分析模型(HAM)。基于有限段法的思想，将柔性梁的整体位移场离散为弹簧-阻尼-刚体系统，局部接触区的法向双线性压缩-恢复以及切向摩擦变形过程则用含有能量恢复系数的弹塑性弹簧-质点系统进行描述。依据HAM模型，导出了斜碰撞系统在不同接触状态下的分段连续动力学方程。给出了法向压缩-恢复状态和切向黏-滑运动状态的切换准则，并运用事件驱动法对数值算例进行了求解。通过比较HAM模型解、实验数据以及商业有限元解，表明该模型能准确预测接触力的时间历程并描述反复切换的黏-滑(反向)运动模式，验证了HAM模型的可行性。

非线性振动； 斜碰撞； 切向柔度； 摩擦接触； 黏-滑运动

引　言

斜碰撞不仅存在于宏观大尺度宇宙天体之间[1]，而且在机械工程、航空航天甚至微尺度机械领域中也是频繁出现的现象[2]。例如空间探测器的交会对接[3]、飞行器表面的粒子侵蚀[4]、机械手抓取货物的冲击作用[5]、齿轮对的相互拍击[6]、金属的爆炸焊接工艺[7]以及微小管道机器人的管内运动[8]等。少数情形人们会利用含摩擦斜碰撞去实现机构特定的功能目的；……