次碰撞的研究現(xiàn)狀及存在的問題

程 峰

（河海大學(xué)文天學(xué)院，243000）

1 課題研究的目的及意義

首先給大家解釋一下什么叫“次碰撞”，從字面上了解就是發(fā)生再次的碰撞，舉個(gè)例子,當(dāng)兩個(gè)物體發(fā)生碰撞時(shí)，被撞擊的物體會發(fā)生形變，在恢復(fù)過程中可能會再次撞擊，就是不止發(fā)生一次撞擊，稱為次碰撞。這種現(xiàn)象肉眼是看不見的，通過高素相機(jī)可以觀察到。

在很多的工程中會涉及到次碰撞，其實(shí)我們可能都接觸過，只是我們沒有發(fā)現(xiàn)或者說我們根本不知道有這一現(xiàn)象存在。比如說：我們會在電影中或新聞中看到一些衛(wèi)星，他們吸收太陽能時(shí)，帆板會打開，打開會有撞擊，衛(wèi)星對接的時(shí)候也會有碰撞，因?yàn)檫@些之中有間隙的存在，導(dǎo)致構(gòu)件之間經(jīng)常發(fā)生碰撞。這些不止一次的撞擊行為在很多領(lǐng)域中有時(shí)會被應(yīng)用為驅(qū)動力。例如：電動錘、沖地鉆、打樁機(jī)等一些快速做往復(fù)直線運(yùn)動都是利用該原理。但是多次撞擊的行為，會給機(jī)構(gòu)和零件本身帶來破壞回應(yīng)器被撞擊和撞擊部位的變形當(dāng)物體在第一次手里變形正在恢復(fù)后又再次受到撞擊會使構(gòu)建抖動從而更容易上海構(gòu)件。柔性結(jié)構(gòu)次撞擊， 常出現(xiàn)在高速機(jī)械系統(tǒng),微機(jī)械系統(tǒng)，納米桿機(jī)構(gòu)和復(fù)合材料組合桿中,對柔性結(jié)構(gòu)次碰撞問題的研究，對于諸如車輛碰撞的安全性能,一些發(fā)射器動力裝置耐撞性,掌控某些終端的機(jī)械控制器,受撞擊后，運(yùn)行的可靠度。磁頭與硬盤接觸碰撞后數(shù)據(jù)的安全性等都是非常必要的。

2 次撞擊的研究現(xiàn)狀

對于柔性結(jié)構(gòu)次碰撞問題，國內(nèi)外的工程技術(shù)人員進(jìn)行了大量研究，對其研究一般使用的有，理論方法、數(shù)學(xué)幾何、實(shí)驗(yàn)方法等，實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)用較少，因?yàn)椴灰讓?shí)現(xiàn)，成本大，還有用軟件模擬方法，這樣減少了大量的費(fèi)用。

我們研究的彈性次碰撞在很多的領(lǐng)域中是一種常見的現(xiàn)象。舉幾個(gè)例子：精密度很高存儲器，航天飛機(jī)在軌道上飛行時(shí)，高能量的發(fā)動機(jī)，核力發(fā)電站運(yùn)輸部分中，柔性碰撞可能會嚴(yán)重影響正常運(yùn)行，會對結(jié)構(gòu)造成想不到的影響。對碰撞這一學(xué)術(shù)區(qū)域研究，是工程領(lǐng)域亟待解決的問題。

有很多高端技術(shù)人才，現(xiàn)在都在研究該現(xiàn)象涉及的領(lǐng)域，因?yàn)橹挥邢戎榔渥矒舻倪^程，了解其原理，才能想出好的解決方案，像上面所說的，也可以利用這一現(xiàn)象，和其中的原理做出有利成果。

因?yàn)榘l(fā)生這樣的碰撞需要條件限制，在因?yàn)檫@些現(xiàn)象所發(fā)生的領(lǐng)域都是一些工程類的，所以代價(jià)比較大，有時(shí)候就因?yàn)榇鷥r(jià)大而不能實(shí)現(xiàn)， 所以有些問題得不到很好的解決，所以次碰撞這一現(xiàn)象很少能得到實(shí)驗(yàn)的滿足，所以只能用軟件來模擬，把一些結(jié)構(gòu)在軟件中創(chuàng)造出來，并對其設(shè)置參數(shù)，從而很好的對其進(jìn)行模擬，得出構(gòu)件的受力情況，總的來說還是可以得到很多結(jié)論的，缺點(diǎn)是模擬有很多因素是考慮不到的，也可以說，實(shí)驗(yàn)相對是理想化的，除了認(rèn)為設(shè)置就沒有意外情況，從而和實(shí)驗(yàn)相比較沒有實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)可能會有意想不到的收獲，所以，日后會盡量的滿足實(shí)驗(yàn)提高準(zhǔn)確性。

所要解決的主要問題

（1）進(jìn)行水平次碰撞簡易實(shí)驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)；

（2）進(jìn)行主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算；

（3）依據(jù)零部件圖和總裝配圖，進(jìn)行零部件的三維建模和裝配設(shè)計(jì)

（4）用ANSYS LS-DYNA 軟件模擬一些工程常見的構(gòu)件碰撞問題，研究碰撞速度、不同碰撞位置、對其有什么不同影響。

3 本課題研究存在的問題

次碰撞，和一次碰撞不一樣，一次碰撞是只發(fā)生一次碰撞，而多次碰撞時(shí)梁和剛體分離和結(jié)合交替著出現(xiàn)。當(dāng)兩結(jié)構(gòu)撞擊在一起時(shí)結(jié)構(gòu)間相互接觸，當(dāng)兩結(jié)構(gòu)受力分開時(shí)，兩構(gòu)件又會相互分開，這是一種典型的可變結(jié)構(gòu)拓?fù)涞膯栴}。撞擊過程不僅會是被撞擊物體發(fā)出相互干擾的破壞性震蕩，分開的過程也將產(chǎn)生同樣大的問題。從運(yùn)動的受力情況看，目標(biāo)物和撞擊體的結(jié)合和分離過程的交替，使得動力學(xué)中毫無規(guī)律，也就是說沒有公式可以計(jì)算和分析，很難用數(shù)學(xué)現(xiàn)有的理論去解決的。不僅會造成多種影響的積累和擴(kuò)大塑性變形或損壞的接觸面積的柔性結(jié)構(gòu)的區(qū)域，將出現(xiàn)在殘差功率的正面影響的沖擊的動態(tài)響應(yīng)所引起的后續(xù)影響反應(yīng)根據(jù)問題的結(jié)構(gòu)。所以，對于發(fā)生的多次碰撞的柔硬材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)方面的動力響應(yīng)比較復(fù)雜?，F(xiàn)如今，在學(xué)術(shù)界，對這一領(lǐng)域的研究還有很多很難解決的問題：

1.對于次碰撞柔性結(jié)構(gòu)的研究問題，看似一直在不同的研究，但都沒有什么實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展還存在許多重要的問題。對撞擊和分離過程的規(guī)律也沒有準(zhǔn)確性的了解，對于次碰撞柔性結(jié)構(gòu)的碰撞實(shí)驗(yàn)，連基礎(chǔ)性的認(rèn)識都沒有得到滿足。

2.多次碰撞對彈塑性動力響應(yīng)的影響沒有得到相應(yīng)的解決方案。 采用撞擊粘附假設(shè)，也沒有得到相應(yīng)的研究。

3.在次碰撞柔性結(jié)構(gòu)的撞擊和分離的過程中， 第一次碰撞過程較第二次撞擊過程撞擊力有什么本質(zhì)區(qū)別，和大小區(qū)別，能量消耗在什么過程中，又有什么關(guān)系，這是一個(gè)研究的重點(diǎn)問題，因?yàn)?，研究會發(fā)現(xiàn)撞擊會分兩種，在研究這方面的人員要特別注意。