基于仿真技術的沖擊響應計算方法研究

張偉 來希雪

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201722053

摘要：沖擊響應問題在工業工程領域經常出現，但沖擊載荷作用下響應大小是困擾機械工程發展的主要因素。本文針對仿真技術研究方法進行了總結，研究的意義在于比較總結沖擊響應的計算方法優劣，更好的應用于實際工程問題，為抗沖擊結構的設計提供參考，以提高梁的使用性能。

關鍵詞：仿真技術；沖擊響應；計算方法

在機械產品設計領域，仿真技術被越來越多的廣泛采用，是在概念設計階段提前預知性能的有效方法。仿真技術是一門多學科的綜合技術，以計算機和專用設備為輔助工具，利用系統級模型，來預測該系統的各項設計指標參數。仿真過程是一個不斷迭代不斷完善的過程，尤其對于高精密儀器及航空產品，設計過程更加復雜，往往通過仿真計算及地面試驗驗證才可以保證產品設計順利實施。沖擊響應過大在機械設計領域往往因為剛度不足造成的，但是又是一個無法規避的問題。由于沖擊響應過大會造成空間不足，甚至損傷其他零部件，從而使整個產品失效，造成因小失大的災難性問題。因此，在設計初期，必須考慮機械產品的沖擊響應。目前，預測沖擊響應的方法主要有：仿真技術和實物驗證。本文著重介紹各個仿真技術在沖擊響應中的應用。

1 仿真技術

1.1 系統仿真技術

系統仿真技術是根據系統分析的目的，在分析系統各要素性質及其相互關系的基礎上，用圖標符號表示仿真系統中的各個元件，這些圖形符號包括工程領域的標準圖標。通過模塊化建模省去了大量的時間進行數學分析，而是通過類似于搭積木的方法完成系統模型的建立，從而使用戶能夠更專注于仿真目標的研究。因此，可以用盡可能少的要素來建立具有復雜系統和零部件功能的模型。并且系統仿真平臺囊括了流體力學分析、機械結構動力學分析、熱力學分析、電磁場作用分析和控制系統分析等多個領域，并能夠將各個領域和專業的系統模塊有機結合起來。

1.2 多體動力學仿真

多體動力學仿真技術是一門復雜的學科，它的發展大概分三個階段，早期是以現代計算力學為基礎的多體動力學仿真階段，近期擴展到與結構、控制、優化結合的多體動力學系統仿真極端，正走向機電液聯合仿真高級階段早在20世紀70年前，隨著計算機的不斷應用于普及，很多美國大學計算與應用力學學者開始以牛頓的運動定律對機械構造組成建立數字化的模型，這就是最早的多體動力學仿真的雛形。第二階段發生在90年代前，多體動力學進入了蓬勃發展期，許多重要數學模型、算法以及有效求解，建立新的幾何模型與數學模型關系等大量涌現，為第三階段有限元模型的多體動力學出現奠定了基礎。第三階段發生在90年代后，各種幾何模型、數學模型、數學算法已經成熟，將多體動力學引入有限元算法，把傳統的數學模型，搬到計算機上求解，大大節約了時間，并且增加了計算的精度。當沖擊響應問題引入到有限元中求解，首先簡化三維幾何模型，將多體動力學零部件剛柔轉化，全部轉化成柔性體求解，第二步定義各個零部件的連接關系，利用系統仿真得到的沖擊載荷曲線，沖擊載荷曲線引入到多體動力學有限元仿真工具中，最后得到產品的沖擊響應大小。

1.3 數據擬合

曲線問題直線化是數據擬合技術的根本。對于有些非線性問題可以分割成多個線性問題求解，通過簡單的直線變換使之可以用現有手段分析其曲線規律，這樣可以按最小二乘法原理求解變換后的直線方程。在工程實際中往往利用直線方程繪制資料的標準曲線，同時可以根據需要將此直線方程還原成曲線方程，實現曲線的擬合，從而實現曲線問題直線化求解在仿真技術中，往往需要大量的試驗數據做支撐，比如試驗得到不同力作動下沖擊力的大小、沖擊載荷曲線沖擊響應曲線等，運用數據擬合工具將不同工況下的沖擊響應做簡單分析、擬合出沖擊響應曲線，當載荷發生變化時，可以通過擬合曲線得到沖擊響應情況。除此之外，數據擬合方法還可以通過仿真工具得到，將載荷放大或縮小一定倍數，得到沖擊響應大小，通過試驗數據，標定調整倍數關系，經過大量試算摸索，最后得到合適的倍數關系，當載荷發生變化時，利用該標定好的倍數，仿真得到沖擊響應曲線，可以準確模擬實際沖擊響應情況。

1.4 結構動力學仿真

目前，結構動力學仿真技術是仿真技術中發展較為成熟的，廣泛應用在機械、航空航天、兵器、土木、艦船等各個領域，結構動力學仿真涉及的學科也較多：線性靜力學分析、接觸非線性分析、材料和幾何非線性分析、熱分析、屈曲分析、蠕變分析、復合材料分析、電磁分析等；模態分析、復模態分析、瞬態動力學分析、時域和頻域響應分析、非線性動力學分析、隨機振動分析、響應譜分析。可以對帶有預緊力或接觸的模型通過轉化進行動力學分析；拓撲優化、尺寸優化、位置優化、形狀優化。可以進行多目標多變量優化，以及對帶有接觸的結構進行優化分析。此外，還可以進行流固聲耦合分析、熱固耦合分析、電磁和熱耦合分析、電磁學分析、電動力學分析等，針對工程中遇到的各種復雜力學問題，提供了至善至美的可靠解決方案，從而實現產品性能和質量的提高并保證產品的高可靠性。沖擊響應問題是結構動力學中的非線性問題，實際工程問題中，很多結構響應與所受的外載荷并不成線性關系。由于非線性，結構中可能產生大位移、大轉動或多個零件在載荷作用下接觸狀態不斷發生變化。要想更精確的反映實際問題，就必須考慮材料和幾何、邊界、單元等非線性因素。以往基于線性的結構分析因為過于保守而不能贏得當今國際市場的激烈競爭，很多材料達到初始屈服極限時往往還有很大的承載潛力可挖，通過非線性分析，工程師可以更加深入的掌握結構的特性，充分利用材料的塑性和韌性。薄殼結構或橡膠一類超彈性材料零件在小變形時反力較小，而隨變形增加，反力也會加速增大。這些狀況是用簡單線性分析不能描述的。類似的，非線性分析還可以解決蠕變問題，這對于高聚合塑性和高溫環境下的結構件尤為重要。接觸分析也是非線性分析中一個很重要的應用方面，如輪胎與道路的接觸，齒輪墊片或襯套等系統連接件都要用到接觸分析。當一個結構與另一個結構或外部邊界相接觸時通常要考慮非線性邊界條件。由接觸產生的力同樣具有非線性特性。對于這些非線性接觸力，有限元提供了兩種方法：一是三維間隙單元，支持開放、封閉或帶摩擦的邊界條件；二是三維滑移線接觸單元、支持接觸分離、摩擦和滑移邊界條件，沖擊響應便是利用上述有限元方法求解得到。

2 總結

隨著仿真技術的不斷發展，大量試驗數據的收集，對于沖擊響應分析提出了更高的需求，研究也更加具體深入仿真技術在沖擊響應分析領域發展多年來，雖然取得了許多成績，但是在精度難題無法完全解決，精確的仿真技術還需要進一步研究。