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1、安徽工业大学毕业设计开题报告课题名称柔性构件水平撞击综合实验台的设计与仿真学 院机械工程学院专 业机械设计制造及其自动化姓 名学 号指导老师开题日期：开题日期：20122012 年年 2 2 月月 1313 日日安徽工业大学 毕业设计开题报告第 1 页设计题目：设计题目：柔性构件水平撞击综合实验台的设计与仿真一、一、课题简介课题简介本设计以柔性构件的低速撞击为基础，旨在设计一个低速撞击综合实验台，从 而快捷有效模拟杆、球、梁等典型柔性构件之间的碰撞试验，为柔性构件间的低速 碰撞的理论研究、数值计算提供一个对比依据，使柔性构件更可靠，柔性机械系统 的运转精度高、寿命长。 设计的综合实验台可以模拟
2、：(1)杆、球碰撞；(2) 梁和球的碰撞；(3)杆和杆的 碰撞等多种柔性构件之间的碰撞，实验台尺寸小，结构紧凑，并且利用 ANSYS LS- DYNA 软件模拟了典型柔性构件之间的碰撞过程，研究了撞击速度、材料对撞击过 程的影响。 通过 ANSYS LS-DYNA 对撞击过程的仿真模拟及非线性有限元分析，选择不同 的固支梁厚度及各撞击位置进行试验，找到适合的撞击条件及材料。进而使此实验 台可以快捷有效的模拟杆、球、梁等典型柔性构件之间的碰撞试验，并且能激发出 柔性构件之间的多次弹塑性撞击现象。关键词关键词：柔性构件；水平撞击；实验 二、选题背景及意义二、选题背景及意义在航空航天、机械制造、土木
3、工程等领域存在着由间隙或撞击运动面导致的冲 击 或碰撞振动。例如，飞船对接引起的碰撞、大型太阳能帆板因关节间隙产生的碰撞 振动、飞行器稳瞄系统的非光滑性导致的碰撞振动、海洋平台桩腿受到海冰的往复挤 压碰撞、机械手在作业中对产品的碰触、电动冲击机械等等 在各类机械系统中，有一些是利用重复撞击作为驱动力的，如；电动锤、振动 进料器、振动筛、打桩机、针式打印机、撞击阻尼器等。而在其他各类机械系统中， 存在大量的重复撞击现象，是我们不期望的，但又是难以避免的。这类机械系统的 操作过程中，产生重复撞击现象有各种各样的原因，比如不必要间隙的存在， Dubowskys 和 Winfrey，R.C 等对此方面
4、进行了比较详细的研究。 2003 年 6 月 6 日，针对“哥伦比亚”号航天飞机可能因泡沫撞击导致失事之疑， 事故调查委员会首次提出了具体的证据，表明泡沫材料撞击确实会导致航天飞机机 翼部件破裂。到目前为止，国内外很多学者对柔性体的撞击问题进行过研究。对此 类撞击问题的研究有重要的理论和工程应用价值。在工程结构中，撞击事件的发生 不是孤立的事件，往往出现多次撞击现象。至今为止，对杆撞击问题的研究主要集 中于一次撞击问题，对二次撞击问题及多次撞击问题的研究很少。主要是由于多次 撞击问题中，撞击过程和分离过程交叉出现，撞击机理复杂。而且，所求解的撞击 力出现在一个强非线性方程中，数值求解可能出现不
5、收敛现象。安徽工业大学 毕业设计开题报告第 2 页对柔性体的撞击问题和空间航天器多点撞击问题进行了相关的研究，表明此方法可以有效处理撞击问题。但是，在目前已有的研究中，子结构数目的划分和每个 子结构单元数量的划分带有随意性，不仅缺乏可靠的理论分析也缺乏必要的数值对 比分析。许多学者运用有限元法进行变形场的空间离散。如 Hughes 和 Taylor 曾就 撞击问题的有限元分析法引入了组集刚度矩阵的思想，讨论了接触撞击问题的概 念、条件以及动力方程的积分方法。Hsu 和 Shabana 基于动量守恒定律，利用恢复 系数表述撞击瞬间的动力学行为，研究了旋转梁撞击中弯曲波的传播。Wu 和 Haug
6、曾提出用子结构法解决此类柔性体的撞击问题。郭安平，洪嘉振和刘锦阳等采用子 结构方法。 随着微型机械、精密机械的深入研究及其不断发展，传统刚性机构难以完全满足现代机构的设计和使用要求，逐渐采用柔性机构,利用柔性构件或柔性铰链的变形 来输出运动或动力。其中，直梁型柔性构件以其柔性好，结构简单等优势在柔性机 构中得到了广泛的应用，所以研究其在各种载荷条件下的变形特性，对于更好的发 挥其在柔性机构中的作用是至天重要的。直梁型柔性构件受力产生大变形，由此而 带来的几何非线性问题，已成为力学、机械以及航空航天等领域研究的热点难点问 题，各国学者做了大量研究，目前对于其变形特性的研究主要采用以下方法：椭圆
7、积分法，该方法计算量大，推导复杂，而且只适用于简单载荷条件下柔性构件的变 形分析；随后，Howell 提出了伪刚体模型法，大大简化了变形计算的复杂性，但是 该方法也只适用于末端承受集中载荷作用的等截面柔性构件的变形分析。然而在实 际应用中，很多柔性构件需要承受分布载荷，例如在 MEMS 中静电驱动是通常采 用的一种新型驱动加载方式，施加的静电力属于非均匀分布载荷，所以研究直梁型 柔性构件在分布载荷作用下的变形分析方法，同时考虑其变形的非线性，具有一定 的实际意义。三、三、现有研究中存在的问题现有研究中存在的问题与单次弹塑性撞击不问，在多次弹塑性撞击过程中，撞击过程和分离过程交替 出现。在撞击过
8、程中，撞击物体接触在一起，而在分离过程中，撞击的物体相互分 离，是一个典犁的变结构拓扑问题。不仅撞击过程会激发弹塑性应力波，分离过程 的卸载也叫激发波扰动。从动力学角度看，撞击过程和分离过程的交替出现，使得 动力学方程的初始条件交替发生变化，在数学求解不是十分困难的。多次撞击不仅 会引起柔性结构接触区域的塑性变形或损伤区域的累积和扩展，还会出现前面撞击 引发的残余动力响应影响后续撞击下结构的动力响应问题。因此，多次弹塑性撞击 下柔性结构的动力响应要远比单次弹塑性撞击下的动力影响复杂。目前，关于柔性 结构多次弹塑性撞击的研究工作中存在的主要问题有： (1)对于多次弹塑性撞击问题的研究，虽然有了些
9、工作，但是，几乎没有一项完 整的研究工作，相关研究工作的重点并不在多次弹塑性撞击现象上，仅仅是附带了 多次撞击力(2 次至 6 次)的计算或测试结果。因此，对多次弹塑性撞击现象最基础的 研究工作尚未得到展开，导致对多次弹塑性撞击现象的概念性的认识和基础性的认 识，仍然相当缺乏，对多次弹塑性撞击的重要性和规律的认识也远远不够。安徽工业大学 毕业设计开题报告第 3 页(2)多次撞击对弹塑性动力响应的影响尚未得到研究。采用撞击粘附假设时，初期弹塑性动力响应与刚塑性动力响应的差别虽然得到了一定的研究，但是，尚没有 认识到多次弹塑性撞击现象可能对柔性结构的弹塑性动力响应产牛明显影响，甚至 响应特征也可能
10、出现明显的变化。 (3)在出现多次弹塑性撞击现象时， “塑性铰”的概念能禽继续应用，如果能够运用的话，多次弹塑性撞击会带来什么影响，也没有得剑相应的研究。 (4)在多次弹塑性撞击过程中，首次撞击过程和后续撞击过程的撞击力幅值、冲量值和能量损耗晕有何关系，棚对的重要性程度是一个十分重要的问题，需要得到 足够的重视。 (5)多次弹塑性撞击过程的发生机理和影响凶素，以及它本身可能存在的规律性，也足相关研究需要关注的，这方面的研究工作鲜有开展。1.4 柔性结构低速撞击的应用场合和研究意义弹塑性撞击在柔性机械系统中是一种常见的物理现象。例如，在超高密度热一 机数据存储器，在轨航天飞机，航空发动机，核电站
11、管道系统等中，弹塑性撞击可 能会严重影响系统运行的可靠性和安全性，对它的分析研究，是工程领域亟待解决 的一个重要课题。柔性结构的撞击现象在航空、航天、机械、交通、土木、电子和军事等工程领 域中普遍存在。例如，飞鸟吸入航空发动机，哥伦比亚航天飞机受到脱落泡沫撞击， 飞行器稳瞄系统的非光滑性导致的碰撞振动，汽车撞击护栏，地震中桥面与桥墩的 撞击，磁头对硬盘的读写撞击，炮身后座冲撞，核电站和化工厂的管网撞击等。 柔性结构发生撞击时，撞击部位将产生局部弹塑性变形，同时产生幅值高、变 化快的撞击接触力，激发弹塑性瞬态波，引起复杂的弹塑性动态变形响应，并可能 导致结构刚度的迅速劣化和结构的失效。弹塑性撞击
12、问题的研究，对于诸如车辆碰 撞的安全性能、航空发动机的耐撞性、在轨航天飞机受到空间碎片撞击后的结构完整性、机器人终端受动器受撞运行的可靠性、磁头与硬盘碰撞接触后数据的安全性、 阵列碳纳米管膜对噪声和冲击波吸收能力的分析、泡沫复合夹层结构防护性能的评 定和核电站结构撞击安全性设计等都是必要的。 根据结构材料变形形式的不同，可将柔性结构的撞击问题分为弹性撞击、弹塑 性撞击和塑性撞击。弹性撞击是指柔性结构在撞击过程中仅发生弹性变形。例如， 大型太阳能帆板因关节间隙产生的碰撞振动，机械手在作业过程中对物品的抓取碰 撞等。弹塑性撞击是指柔性结构在撞击过程中不仅发生弹性变形，而且还在接触区 域或者整体结构
13、上出现弹塑性变形。例如，海洋平台桩腿受到海冰的往复挤压碰撞， 桥梁受到船舶的撞击等。塑性撞击是指柔性结构在撞击过程中接触区域或者整体结 构上的撞击变形以塑性变形为主，弹性变形相对而言处于次要地位。弹塑性撞击往 往伴随着损伤、撞击生热、侵彻和贯穿等现象。例如，爆炸生成的高速飞行弹体碎 片对目标物的侵彻毁伤，空间飞行器受到轨道碎片或者空间微粒的高速撞击等。工程实际中柔性结构的弹塑性撞击现象，物理状态的转换复杂，力学行为呈现 形式多样化。就撞击次数而言，可分为单次撞击和多次撞击现象两种。从牛顿时代 至今，绝大部分的研究主要针对单次撞击现象，对多次撞击现象的研究远少于对单安徽工业大学 毕业设计开题报告
14、第 4 页次撞击现象的研究。 实际上，多次撞击是日常生活和生产实际中经常发生的一种现象，对它的研究 涉及工程机械、土木工程以及生物工程等众多工程领域。多次撞击行为在工程可被 利用为驱动力，如：电动锤、气动锤、振动进料器、振动过滤器、捣碎机、打桩机、冲击钻、针式打印机、撞击阻尼器等，都是利用反复撞击行为产生驱动力。但是， 多次撞击行为往往对工程结构造成各种形式的损害，如：继电器和延时器的频繁开 关，会造成疲劳破坏；微型阀门的快速启闭会造成磨损和破坏；高速齿轮对由于不 平衡激励和后冲产生的反复撞击，从而降低运转精度；核电站热交换器因为冷热水 的循环诱发管道振动，导致与松散支撑之间的反复撞击磨损；太
15、阳能帆板住轨展开 和锁定时，因关节间隙产生的多次碰撞振动，将影响卫星的运动学形态，等等。另 外，间歇运动机构特有的“间歇撞击”方式，也会引发机构撞击失控问题：强震诱 发的曲边桥面或桥面与桥墩之间的多次重撞击破坏等等。因此，对多次弹塑性撞击 现象的研究，对于结构保护，延长结构使用寿命，提高机器工作的可靠性，保障相 关人员生命安全等，都具有重要的现实意义。 四、本课题的任务与基本要求、设计内容四、本课题的任务与基本要求、设计内容 （一）本课题的任务本课题的任务1.文献检索与综述。柔性构件的概述、柔性构件工程背景、柔性构件的应用场合及工作原理。2.水平撞击综合实验台的工作原理，明确设计依据。3.初步
16、拟出实验台的整体模型，确定各部分零件的尺寸，用 UG 三维软件建出实验台模型。4.在 ANSYS LS-DYNA 中建立简单的球及固支梁模型，给球加以初速度，固支梁加全约束，生成 k 文件。5. 将生成的 k 文件导入 ANSYS 求解器中分析，生成 rcforc 文件及 d3plot 文件，将 d3plot导入 lsprepost 进行仿真模拟，提取球撞击点处的米塞斯应力，固支梁背面中点处的位移及梁上离中点 L/3、L/6 处的拉应力曲线,研究撞击速度、撞击位置等对撞击过程的影响。6.说明书不少于 45 页、5000 字英文文献翻译、300 字中英文摘要。CAD 部件设计图不少于 2 张 A0（其中手绘 1 张 A1 图） 。（二）本课题基本要求本课题基本要求1.设计的柔性构件水平撞击综合实验台结构可靠、强度和刚度满足实验要求。2.可快捷有效模拟杆、球、梁等典型柔性构件之间的碰撞试验。3.撞击速度1m/s。（三）设计内容组成设计内容组成1.说明书（1）说明书内容依次为：封面、毕业设计任务书，中文摘要（300 字以内）安徽工业大学 毕业设计开题报告第 5 页英
