基于仿真技术的冲击响应计算方法研究

张伟 来希雪

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201722053

摘要：冲击响应问题在工业工程领域经常出现，但冲击载荷作用下响应大小是困扰机械工程发展的主要因素。本文针对仿真技术研究方法进行了总结，研究的意义在于比较总结冲击响应的计算方法优劣，更好的应用于实际工程问题，为抗冲击结构的设计提供参考，以提高梁的使用性能。

关键词：仿真技术；冲击响应；计算方法

在机械产品设计领域，仿真技术被越来越多的广泛采用，是在概念设计阶段提前预知性能的有效方法。仿真技术是一门多学科的综合技术，以计算机和专用设备为辅助工具，利用系统级模型，来预测该系统的各项设计指标参数。仿真过程是一个不断迭代不断完善的过程，尤其对于高精密仪器及航空产品，设计过程更加复杂，往往通过仿真计算及地面试验验证才可以保证产品设计顺利实施。冲击响应过大在机械设计领域往往因为刚度不足造成的，但是又是一个无法规避的问题。由于冲击响应过大会造成空间不足，甚至损伤其他零部件，从而使整个产品失效，造成因小失大的灾难性问题。因此，在设计初期，必须考虑机械产品的冲击响应。目前，预测冲击响应的方法主要有：仿真技术和实物验证。本文着重介绍各个仿真技术在冲击响应中的应用。

1 仿真技术

1.1 系统仿真技术

系统仿真技术是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，用图标符号表示仿真系统中的各个元件，这些图形符号包括工程领域的标准图标。通过模块化建模省去了大量的时间进行数学分析，而是通过类似于搭积木的方法完成系统模型的建立，从而使用户能够更专注于仿真目标的研究。因此，可以用尽可能少的要素来建立具有复杂系统和零部件功能的模型。并且系统仿真平台囊括了流体力学分析、机械结构动力学分析、热力学分析、电磁场作用分析和控制系统分析等多个领域，并能够将各个领域和专业的系统模块有机结合起来。

1.2 多体动力学仿真

多体动力学仿真技术是一门复杂的学科，它的发展大概分三个阶段，早期是以现代计算力学为基础的多体动力学仿真阶段，近期扩展到与结构、控制、优化结合的多体动力学系统仿真极端，正走向机电液联合仿真高级阶段早在20世纪70年前，随着计算机的不断应用于普及，很多美国大学计算与应用力学学者开始以牛顿的运动定律对机械构造组成建立数字化的模型，这就是最早的多体动力学仿真的雏形。第二阶段发生在90年代前，多体动力学进入了蓬勃发展期，许多重要数学模型、算法以及有效求解，建立新的几何模型与数学模型关系等大量涌现，为第三阶段有限元模型的多体动力学出现奠定了基础。第三阶段发生在90年代后，各种几何模型、数学模型、数学算法已经成熟，将多体动力学引入有限元算法，把传统的数学模型，搬到计算机上求解，大大节约了时间，并且增加了计算的精度。当冲击响应问题引入到有限元中求解，首先简化三维几何模型，将多体动力学零部件刚柔转化，全部转化成柔性体求解，第二步定义各个零部件的连接关系，利用系统仿真得到的冲击载荷曲线，冲击载荷曲线引入到多体动力学有限元仿真工具中，最后得到产品的冲击响应大小。

1.3 数据拟合

曲线问题直线化是数据拟合技术的根本。对于有些非线性问题可以分割成多个线性问题求解，通过简单的直线变换使之可以用现有手段分析其曲线规律，这样可以按最小二乘法原理求解变换后的直线方程。在工程实际中往往利用直线方程绘制资料的标准曲线，同时可以根据需要将此直线方程还原成曲线方程，实现曲线的拟合，从而实现曲线问题直线化求解在仿真技术中，往往需要大量的试验数据做支撑，比如试验得到不同力作动下冲击力的大小、冲击载荷曲线冲击响应曲线等，运用数据拟合工具将不同工况下的冲击响应做简单分析、拟合出冲击响应曲线，当载荷发生变化时，可以通过拟合曲线得到冲击响应情况。除此之外，数据拟合方法还可以通过仿真工具得到，将载荷放大或缩小一定倍数，得到冲击响应大小，通过试验数据，标定调整倍数关系，经过大量试算摸索，最后得到合适的倍数关系，当载荷发生变化时，利用该标定好的倍数，仿真得到冲击响应曲线，可以准确模拟实际冲击响应情况。

1.4 结构动力学仿真

目前，结构动力学仿真技术是仿真技术中发展较为成熟的，广泛应用在机械、航空航天、兵器、土木、舰船等各个领域，结构动力学仿真涉及的学科也较多：线性静力学分析、接触非线性分析、材料和几何非线性分析、热分析、屈曲分析、蠕變分析、复合材料分析、电磁分析等；模态分析、复模态分析、瞬态动力学分析、时域和频域响应分析、非线性动力学分析、随机振动分析、响应谱分析。可以对带有预紧力或接触的模型通过转化进行动力学分析；拓扑优化、尺寸优化、位置优化、形状优化。可以进行多目标多变量优化，以及对带有接触的结构进行优化分析。此外，还可以进行流固声耦合分析、热固耦合分析、电磁和热耦合分析、电磁学分析、电动力学分析等，针对工程中遇到的各种复杂力学问题，提供了至善至美的可靠解决方案，从而实现产品性能和质量的提高并保证产品的高可靠性。冲击响应问题是结构动力学中的非线性问题，实际工程问题中，很多结构响应与所受的外载荷并不成线性关系。由于非线性，结构中可能产生大位移、大转动或多个零件在载荷作用下接触状态不断发生变化。要想更精确的反映实际问题，就必须考虑材料和几何、边界、单元等非线性因素。以往基于线性的结构分析因为过于保守而不能赢得当今国际市场的激烈竞争，很多材料达到初始屈服极限时往往还有很大的承载潜力可挖，通过非线性分析，工程师可以更加深入的掌握结构的特性，充分利用材料的塑性和韧性。薄壳结构或橡胶一类超弹性材料零件在小变形时反力较小，而随变形增加，反力也会加速增大。这些状况是用简单线性分析不能描述的。类似的，非线性分析还可以解决蠕变问题，这对于高聚合塑性和高温环境下的结构件尤为重要。接触分析也是非线性分析中一个很重要的应用方面，如轮胎与道路的接触，齿轮垫片或衬套等系统连接件都要用到接触分析。当一个结构与另一个结构或外部边界相接触时通常要考虑非线性边界条件。由接触产生的力同样具有非线性特性。对于这些非线性接触力，有限元提供了两种方法：一是三维间隙单元，支持开放、封闭或带摩擦的边界条件；二是三维滑移线接触单元、支持接触分离、摩擦和滑移边界条件，冲击响应便是利用上述有限元方法求解得到。

2 总结

随着仿真技术的不断发展，大量试验数据的收集，对于冲击响应分析提出了更高的需求，研究也更加具体深入仿真技术在冲击响应分析领域发展多年来，虽然取得了许多成绩，但是在精度难题无法完全解决，精确的仿真技术还需要进一步研究。