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流体与大变形弹性结构物相互作用MPS-BPM耦合模型研究
1
作者
郝婕
王丽珠
+1 位作者
蒋勤
朱刘杰
《力学学报》
北大核心
2025年第6期1325-1335,共11页
针对流体与大变形弹性结构物相互作用中流-固界面复杂、大自由液面变形和强非线性运动的特点,采用改进的移动粒子半隐式法(MPS)模拟不可压缩流体运动,引入改进的黏结粒子模型(BPM)计算弹性结构体的变形运动,构建了一种新的基于纯拉格朗...
针对流体与大变形弹性结构物相互作用中流-固界面复杂、大自由液面变形和强非线性运动的特点,采用改进的移动粒子半隐式法(MPS)模拟不可压缩流体运动,引入改进的黏结粒子模型(BPM)计算弹性结构体的变形运动,构建了一种新的基于纯拉格朗日法的MPS-BPM无网格粒子法流-固耦合数值模型.该模型基于压强梯度力量化弹性结构物粒子所受到的周围流体作用;通过建立流体粒子和弹性结构物粒子的压力泊松方程,对流体域和结构域进行统一的数值离散求解,实现弹性结构体对周围流体的反馈作用;利用背景网格法削弱流-固交界面处的数值压力振荡与自由液面的数值波动,增强模型的计算精度和稳定性.首先,通过对弹性悬臂梁在初始瞬时速度条件下的运动模拟,验证改进的BPM法对模拟弹性体大变形运动问题的可靠性.然后,通过对弹性闸门溃坝水流运动与闸门变形、溃坝水流对弹性结构物冲击作用的模拟,分析MPS-BPM流-固耦合模型在模拟复杂的流-固相互作用问题中的适用性.计算结果表明:基于MPS-BPM耦合模型得到的流体速度场和压强场变化合理、弹性结构体内部应力分布平滑且流-固交界面处未出现非物理间隙,该耦合模型能够很好地再现流-固相互作用的运动过程.
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关键词
流-固耦合数值模拟
移动粒子半隐式法
黏结粒子模型
弹性
结构
变形
界面耦合
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职称材料
考虑弹性变形的推力轴承抗冲击特性分析
被引量:
2
2
作者
周鑫
戚社苗
刘恒
《振动与冲击》
EI
CSCD
北大核心
2021年第15期73-78,89,共7页
针对滚动轴承试验机的陪试轴承——推力滑动轴承承受瞬时冲击载荷这一问题,建立了推力轴承-转子系统的动力学模型和简化的轴承座结构变形模型,运用有限元法求解雷诺方程,欧拉积分法求解转轴的轴向动力学方程,ANSYS仿真获得轴承座的结构...
针对滚动轴承试验机的陪试轴承——推力滑动轴承承受瞬时冲击载荷这一问题,建立了推力轴承-转子系统的动力学模型和简化的轴承座结构变形模型,运用有限元法求解雷诺方程,欧拉积分法求解转轴的轴向动力学方程,ANSYS仿真获得轴承座的结构变形量,通过联合求解,得到了冲击过程中推力轴承油膜合力、最小油膜厚度和流量随时间的变化情况,对比了考虑和不考虑轴承座结构变形时推力轴承的冲击响应。结果发现:轴承座弹性变形对油膜合力和最小油膜厚度的影响不可忽略。不考虑结构变形时,油膜合力和最小油膜厚度的响应速度快得多,响应时间大约快了22%。弹性变形延缓了响应过程,起到了缓冲作用,并且缩短了达到稳态时所需的时间。考虑和不考虑弹性变形时,油膜合力的最大值和最小油膜厚度的最小值基本相同。分析表明,合适的轴承座结构刚度可以提高推力轴承的抗冲击能力。结构刚度不能小于某个临界值,太小可能造成某一瓦块的最小油膜厚度非常小,难以承受大的瞬时冲击载荷;同时也不能太大,不仅结构复杂,而且起不到缓冲的效果,可能会造成某些连接件过早失效。
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关键词
推力轴承
抗冲击
结构弹性变形
响应分析
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职称材料
基于浮动投影方法的三维非线性结构拓扑优化研究
3
作者
张映博
李家春
+2 位作者
陈跃威
邹中妃
王永涛
《机电工程》
CAS
北大核心
2024年第10期1776-1783,共8页
针对三维非线性拓扑优化设计时的单元畸变现象与刚度准则选取问题,以涉及几何与材料非线性的超弹性结构为研究对象,对三维非线性结构拓扑优化进行了研究。首先,将物理场变量与Mooney-Rivlin模型线性相乘以表征设计域的超弹性,并提出了...
针对三维非线性拓扑优化设计时的单元畸变现象与刚度准则选取问题,以涉及几何与材料非线性的超弹性结构为研究对象,对三维非线性结构拓扑优化进行了研究。首先,将物理场变量与Mooney-Rivlin模型线性相乘以表征设计域的超弹性,并提出了一种用于线性插值方案的改进附加超弹性技术,通过将Yeoh超弹性材料加入到低刚度区域,缓解了单元畸变现象;然后,基于三场密度模型,构造了三维超弹性结构拓扑优化的数学列式,在该框架下,比较了最小化末端柔度和最大化平衡势能两种刚度准则,推导了相应的灵敏度表达式,并采用浮动投影方法施加了设计变量的0/1约束;最后,采用两个数值算例对该方法的有效性进行了验证。研究结果表明:大变形情况下,不同目标函数的优化结果在拓扑构型和结构响应方面具有显著差异,但与线性设计相比,其均具有更优的力学性能。
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关键词
三维
结构
超
弹性
结构
变形
分析
非线性效应
刚度准则
浮动投影方法
Mooney-Rivlin模型
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职称材料
薄壁四点接触球轴承-腕部关节系统接触动力学分析
4
作者
赵宝旭
姚廷强
+1 位作者
钱建伟
赵德春
《机电工程》
CAS
北大核心
2024年第5期870-877,共8页
在机器人实际工况中,针对含有薄壁四点接触球轴承的机器人腕部关节系统的运动稳定性问题,对腕部系统模型进行了简化设计和仿真研究。在考虑薄壁结构的弹性变形和动态接触作用耦合影响的基础上,建立了刚柔耦合工业机器人腕部关节系统模型...
在机器人实际工况中,针对含有薄壁四点接触球轴承的机器人腕部关节系统的运动稳定性问题,对腕部系统模型进行了简化设计和仿真研究。在考虑薄壁结构的弹性变形和动态接触作用耦合影响的基础上,建立了刚柔耦合工业机器人腕部关节系统模型,分析了不同受载工况和正反转驱动下的变形规律和动态特性。首先,基于多体动力学和Hertz接触理论,设计了包含薄壁四点接触球轴承和中空轴及基座的腕部关节系统刚柔耦合接触动力学仿真模型;然后,考虑薄壁中空轴、基座、轴承套圈和保持架的结构弹性变形、钢球和套圈滚道、保持架的动态接触作用,研究了机器人腕部关节系统两种实际工况对保持架和钢球角速度、保持架和薄壁基座振动位移、钢球与套圈的动态接触力的影响;最后,计算分析了两种工况下腕部关节系统的动态载荷规律和振动响应特性。研究结果表明:在相对较大的径向载荷作用下,保持架和钢球会出现打滑现象,速度呈现周期波动,保持架和基座具有更好的运动稳定性,其薄壁轴承内部载荷降低,主副接触对均承担联合载荷,轴承内部载荷稳定性也更好。该仿真模型及结果可以为薄壁腕部关节系统的动力学分析与设计提供参考。
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关键词
刚柔耦合工业机器人
腕部关节系统模型
薄壁四点接触球轴承
结构弹性变形
振动特性
动态接触
薄壁中空轴-球轴承-基座的刚柔耦合多体接触动力学模型
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职称材料
题名
流体与大变形弹性结构物相互作用MPS-BPM耦合模型研究
1
作者
郝婕
王丽珠
蒋勤
朱刘杰
机构
河海大学港口海岸与近海工程学院
南京师范大学海洋科学与工程学院
河海大学江苏省海岸海洋资源开发与环境安全重点实验室
出处
《力学学报》
北大核心
2025年第6期1325-1335,共11页
基金
国家重点研发计划(2023YFC3008100)
国家自然科学基金(42206168)
江苏省海岸海洋资源开发与环境安全重点实验室(河海大学)开放基金(JSCE202303)资助项目.
文摘
针对流体与大变形弹性结构物相互作用中流-固界面复杂、大自由液面变形和强非线性运动的特点,采用改进的移动粒子半隐式法(MPS)模拟不可压缩流体运动,引入改进的黏结粒子模型(BPM)计算弹性结构体的变形运动,构建了一种新的基于纯拉格朗日法的MPS-BPM无网格粒子法流-固耦合数值模型.该模型基于压强梯度力量化弹性结构物粒子所受到的周围流体作用;通过建立流体粒子和弹性结构物粒子的压力泊松方程,对流体域和结构域进行统一的数值离散求解,实现弹性结构体对周围流体的反馈作用;利用背景网格法削弱流-固交界面处的数值压力振荡与自由液面的数值波动,增强模型的计算精度和稳定性.首先,通过对弹性悬臂梁在初始瞬时速度条件下的运动模拟,验证改进的BPM法对模拟弹性体大变形运动问题的可靠性.然后,通过对弹性闸门溃坝水流运动与闸门变形、溃坝水流对弹性结构物冲击作用的模拟,分析MPS-BPM流-固耦合模型在模拟复杂的流-固相互作用问题中的适用性.计算结果表明:基于MPS-BPM耦合模型得到的流体速度场和压强场变化合理、弹性结构体内部应力分布平滑且流-固交界面处未出现非物理间隙,该耦合模型能够很好地再现流-固相互作用的运动过程.
关键词
流-固耦合数值模拟
移动粒子半隐式法
黏结粒子模型
弹性
结构
变形
界面耦合
Keywords
fluid-structure interaction numerical model
moving particle semi-implicit
bonded particle model
elastic structure deformation
interface coupling
分类号
O359.1 [理学—流体力学]
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职称材料
题名
考虑弹性变形的推力轴承抗冲击特性分析
被引量:
2
2
作者
周鑫
戚社苗
刘恒
机构
西安交通大学机械工程学院润滑理论及轴承研究所
西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室
出处
《振动与冲击》
EI
CSCD
北大核心
2021年第15期73-78,89,共7页
基金
国家重点研发计划项目(2018YFB2000200)。
文摘
针对滚动轴承试验机的陪试轴承——推力滑动轴承承受瞬时冲击载荷这一问题,建立了推力轴承-转子系统的动力学模型和简化的轴承座结构变形模型,运用有限元法求解雷诺方程,欧拉积分法求解转轴的轴向动力学方程,ANSYS仿真获得轴承座的结构变形量,通过联合求解,得到了冲击过程中推力轴承油膜合力、最小油膜厚度和流量随时间的变化情况,对比了考虑和不考虑轴承座结构变形时推力轴承的冲击响应。结果发现:轴承座弹性变形对油膜合力和最小油膜厚度的影响不可忽略。不考虑结构变形时,油膜合力和最小油膜厚度的响应速度快得多,响应时间大约快了22%。弹性变形延缓了响应过程,起到了缓冲作用,并且缩短了达到稳态时所需的时间。考虑和不考虑弹性变形时,油膜合力的最大值和最小油膜厚度的最小值基本相同。分析表明,合适的轴承座结构刚度可以提高推力轴承的抗冲击能力。结构刚度不能小于某个临界值,太小可能造成某一瓦块的最小油膜厚度非常小,难以承受大的瞬时冲击载荷;同时也不能太大,不仅结构复杂,而且起不到缓冲的效果,可能会造成某些连接件过早失效。
关键词
推力轴承
抗冲击
结构弹性变形
响应分析
Keywords
thrust bearing
impact resistance
structural elastic deformation
response analysis
分类号
TH133.3 [机械工程—机械制造及自动化]
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职称材料
题名
基于浮动投影方法的三维非线性结构拓扑优化研究
3
作者
张映博
李家春
陈跃威
邹中妃
王永涛
机构
贵州大学机械工程学院
浙江大学机械工程学院
贵州理工学院机械工程学院
贵州省水利科学研究院
出处
《机电工程》
CAS
北大核心
2024年第10期1776-1783,共8页
基金
国家水利部重大科技项目(2022056)
贵州省科技计划项目(2022196)
贵州省科技创新基地建设项目(2023010)。
文摘
针对三维非线性拓扑优化设计时的单元畸变现象与刚度准则选取问题,以涉及几何与材料非线性的超弹性结构为研究对象,对三维非线性结构拓扑优化进行了研究。首先,将物理场变量与Mooney-Rivlin模型线性相乘以表征设计域的超弹性,并提出了一种用于线性插值方案的改进附加超弹性技术,通过将Yeoh超弹性材料加入到低刚度区域,缓解了单元畸变现象;然后,基于三场密度模型,构造了三维超弹性结构拓扑优化的数学列式,在该框架下,比较了最小化末端柔度和最大化平衡势能两种刚度准则,推导了相应的灵敏度表达式,并采用浮动投影方法施加了设计变量的0/1约束;最后,采用两个数值算例对该方法的有效性进行了验证。研究结果表明:大变形情况下,不同目标函数的优化结果在拓扑构型和结构响应方面具有显著差异,但与线性设计相比,其均具有更优的力学性能。
关键词
三维
结构
超
弹性
结构
变形
分析
非线性效应
刚度准则
浮动投影方法
Mooney-Rivlin模型
Keywords
three-dimensional structures
deformation of hyperelastic structure
nonlinear effect
stiffness criteria
floating projection method
Mooney-Rivlin model
分类号
TH122 [机械工程—机械设计及理论]
TB115 [理学—应用数学]
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职称材料
题名
薄壁四点接触球轴承-腕部关节系统接触动力学分析
4
作者
赵宝旭
姚廷强
钱建伟
赵德春
机构
昆明理工大学机电工程学院
出处
《机电工程》
CAS
北大核心
2024年第5期870-877,共8页
基金
国家自然科学基金资助项目(12162016)。
文摘
在机器人实际工况中,针对含有薄壁四点接触球轴承的机器人腕部关节系统的运动稳定性问题,对腕部系统模型进行了简化设计和仿真研究。在考虑薄壁结构的弹性变形和动态接触作用耦合影响的基础上,建立了刚柔耦合工业机器人腕部关节系统模型,分析了不同受载工况和正反转驱动下的变形规律和动态特性。首先,基于多体动力学和Hertz接触理论,设计了包含薄壁四点接触球轴承和中空轴及基座的腕部关节系统刚柔耦合接触动力学仿真模型;然后,考虑薄壁中空轴、基座、轴承套圈和保持架的结构弹性变形、钢球和套圈滚道、保持架的动态接触作用,研究了机器人腕部关节系统两种实际工况对保持架和钢球角速度、保持架和薄壁基座振动位移、钢球与套圈的动态接触力的影响;最后,计算分析了两种工况下腕部关节系统的动态载荷规律和振动响应特性。研究结果表明:在相对较大的径向载荷作用下,保持架和钢球会出现打滑现象,速度呈现周期波动,保持架和基座具有更好的运动稳定性,其薄壁轴承内部载荷降低,主副接触对均承担联合载荷,轴承内部载荷稳定性也更好。该仿真模型及结果可以为薄壁腕部关节系统的动力学分析与设计提供参考。
关键词
刚柔耦合工业机器人
腕部关节系统模型
薄壁四点接触球轴承
结构弹性变形
振动特性
动态接触
薄壁中空轴-球轴承-基座的刚柔耦合多体接触动力学模型
Keywords
rigid-flexible coupling industrial robot
wrist joint system model
thin-walled four-point contact ball bearings
structural elastic deformation
vibration characteristics
dynamic contact
rigid-flexible coupling multi-body contact dynamic model of thin-walled hollow shaft-ball bearing-base
分类号
TH133.3 [机械工程—机械制造及自动化]
TP242.2 [自动化与计算机技术—检测技术与自动化装置]
TH113 [机械工程—机械设计及理论]
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职称材料
题名
作者
出处
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被引量
操作
1
流体与大变形弹性结构物相互作用MPS-BPM耦合模型研究
郝婕
王丽珠
蒋勤
朱刘杰
《力学学报》
北大核心
2025
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职称材料
2
考虑弹性变形的推力轴承抗冲击特性分析
周鑫
戚社苗
刘恒
《振动与冲击》
EI
CSCD
北大核心
2021
2
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职称材料
3
基于浮动投影方法的三维非线性结构拓扑优化研究
张映博
李家春
陈跃威
邹中妃
王永涛
《机电工程》
CAS
北大核心
2024
0
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职称材料
4
薄壁四点接触球轴承-腕部关节系统接触动力学分析
赵宝旭
姚廷强
钱建伟
赵德春
《机电工程》
CAS
北大核心
2024
0
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