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柔性结构的多次弹塑性撞击问题具有广泛的工程背景和重要的理论研究价值。由于柔性结构的多次弹塑性撞击过程涉及到材料的动态力学性能、弹塑性应力波的传播以及结构的动态响应等一系列相互作用的力学行为,使得柔性结构多次弹塑性撞击的研究相当复杂。本文以工程中常见的刚性质量撞击简支梁、自由梁撞击简支梁、自由杆撞击简支梁、考虑轴向约束和考虑应变率效应时的刚性质量撞击简支梁等五种撞击系统为代表,提出了一种研究柔性结构多次弹塑性撞击问题的方法,并采用此方法对柔性结构多次弹塑性撞击问题进行了一些探索性研究,主要工作和研究成果包括:
(1)将三种单次弹塑性局部接触模型进行了扩展,使之均能够模拟柔性结构间的多次弹塑性接触问题。比较了三种弹塑性接触模型在研究多次弹塑性撞击问题上的差异,发现三种模型均可以合理描述撞击力响应特性、撞击动力响应特性和撞击过程能量转换特性,但由于三种模型代表了不同的接触刚度,计算得到的撞击力幅值有差异。
(2)为研究多次弹塑性撞击问题,提出了将多次弹塑性接触模型和有限差分法相结合的MCIS方法,使之能够考虑弹塑性波动效应,考虑多次撞击和分离过程,并且计算效率相对较高。
(3)将MCIS方法应用于研究刚性质量撞击筋支梁、自由梁撞击简支梁、自由杆撞击简支梁、考虑梁轴向约束和考虑梁材料应变率效应时的刚性质量撞击徇支梁等五种典型撞击系统的多次弹塑性现象,并与弹塑性粘附撞击方法、刚塑性方法和有限元方法进行了对比,表明了MCIS方法的有效性和高效性,可用于系统性研究柔性结构的多次弹塑性撞击现象。
(4)研究了五种撞击系统的撞击过程,发现整个撞击过程是一个复杂的多次弹塑性撞击过程,一般存在两个以上的明显撞击区,每个撞击区包含了形式多样的复杂的次生撞击过程。与第一个撞击区的冲量值相比,其它撞击区的冲量值不可忽略,与第一次撞击过程中损失的撞击动能相比,其它撞击过程中损失的撞击动能的总和不可忽略,后续撞击力的幅值也可能与第一次撞击力的幅值相当。因此,多个撞击区和多次撞击过程将对梁的撞击物理行为产生重要影响。
(5)多次弹塑性撞击行为对柔性结构的动力响应影响明显。弹塑性效应使得“驻定铰”和“移行铰”概念受到撞击结构形式的影响,其应用性变得不确定。多次弹塑性撞击行为还可能造成柔性结构的动力响应表现出奇异的相转变现象,如出现“瞬态相-稳态相-瞬态相-稳态相”的二次稳态相转变。
(6)在撞击过程后期,次撞击基本上为弹性撞击,出现了被撞击物向撞击物“能量反哺”的现象,而且“能量反哺”过程基本上是一个弹性行为。
(7)次撞击过程的生成和消失与结构瞬态变形响应是同步的,表明次撞击过程可能是由结构瞬态变形响应造成的。
(8)初步探讨了多次弹塑性撞击现象的产生机理,发现:总的撞击区与系统结构的一阶弹性自由振动周期有关,第一撞击区与三阶弹性自由振动周期有关,而第一分离与二阶弹性自由振动周期有关。