冲击力仿真计算与实验研究
工程力学中的力的冲击问题
工程力学中的力的冲击问题工程力学是研究力和运动之间关系的学科，其中力的冲击问题是该学科一个重要的研究方向。
冲击是指作用时间极短但作用力较大的力量，会引起物体的突然位移和形变。
在实际工程中，力的冲击问题经常出现，如车辆碰撞、建筑物倒塌等。
合理解决冲击问题对于确保工程结构的安全性至关重要。
一、力的冲击问题的背景和定义力的冲击问题是指受到突然作用的力所引起的结构或物体的响应行为和破坏情况。
冲击力与作用时间密切相关，作用时间越短，冲击力越大。
冲击力的大小受到多种因素的影响，包括冲击物的质量、速度，以及冲击物和被冲击物的相对速度等。
二、力的冲击问题的影响和分析方法力的冲击问题对工程结构和装置的安全性有重要的影响。
首先，冲击力会对受力物体产生突然的位移和形变，可能导致结构的破坏或失稳。
其次，冲击力对人身安全也构成威胁，如车辆碰撞可能导致乘车人员伤亡。
在工程实践中，可以采用多种方法来分析和解决力的冲击问题。
常用的方法包括理论分析、模型试验和数值模拟。
理论分析是基于力学原理和公式推导的方法，可以得到较为精确的结果。
模型试验是通过构建缩比模型进行物理试验，观察冲击力对结构的影响。
数值模拟则是利用计算机对力的冲击问题进行仿真计算，可以模拟不同冲击条件下的物体响应。
三、力的冲击问题的应用领域和案例分析力的冲击问题在多个工程领域都有应用。
下面以车辆碰撞为例进行案例分析。
在汽车工程中，碰撞是常见的冲击问题。
当车辆发生碰撞时，车辆上的乘客和行李会受到冲击力的作用。
为了提高车辆碰撞安全性，工程师通常使用安全气囊等装置来减轻冲击对乘车人员的伤害。
力学原理被应用于车辆碰撞的模拟和设计中，可以评估不同冲击条件下的碰撞效果，为汽车制造商提供安全性能参考。
又如在建筑工程中，土木工程师经常面临地震冲击的问题。
地震产生的冲击力对建筑物的抗震设计和结构强度要求提出了挑战。
在地震工程中，工程师采用合适的数值模拟方法，模拟不同地震条件下建筑物的响应，评估结构的稳定性和安全性，从而设计出抗震性能良好的建筑物。
高中物理冲击试验教案模板
高中物理冲击试验教案模板教学目标：1. 了解什么是冲击力和冲量，掌握它们的计算方法；2. 理解质量、速度和碰撞时间对冲击力的影响；3. 能够进行简单的冲击试验，并通过实验数据验证理论模型。
教学重点：1. 冲击力和冲量的概念及计算方法；2. 质量、速度和碰撞时间对冲击力的影响。
教学难点：1. 冲击力和冲量的区分和计算；2. 质量、速度和碰撞时间的相互关系。
教学准备：1. 实验器材：弹簧测力计、小车、杆状物等；2. 实验数据表格；3. 实验报告表格。
教学过程：一、导入：引入观察小车撞击墙壁的实验现象，观察小车的速度、碰撞时间、撞击力等相关参数，并引入冲击力和冲量的概念。
二、理论讲解：1. 讲解冲击力和冲量的定义和计算方法；2. 阐述质量、速度和碰撞时间对冲击力的影响。
三、实验操作：1. 利用弹簧测力计测量小车在不同速度下的冲击力；2. 改变小车的质量或碰撞时间，观察冲击力的变化。
四、实验分析：1. 绘制实验数据的图表，并分析数据之间的关系；2. 讨论实验结果与理论模型之间的符合程度。
五、实验总结：总结实验结果，得出结论，并提出改进和展望。
六、实验报告：撰写实验报告，包括实验目的、原理、方法、结果、分析和总结等内容。
七、作业布置：布置相关作业，如练习计算冲击力和冲量的题目，或提出实验设计的思考题。
教学反思：教师反思本节课的教学效果和存在的问题，为下一节课的教学做好准备。
※温馨提示：1. 在实验操作过程中，要注意安全第一，避免发生意外事故；2. 鼓励学生勇于探索和实践，培养他们的实验能力和科学精神。
子弹药落地冲击响应数值模拟及实验验证
件 下撞击 混凝 土 介质 冲击过 载 一时 间历程 曲线 。 由图 ３看 出 ， ０ ｍｓ 为计算 初始 时刻 ； ２ ｍｓ 时子 弹较 低一 侧撞 击混 凝 土介 质 ， 对应 图 ４冲 击 过载 曲 线 第 一 个波 峰 ； ３ ． ５ ｍ ｓ 时子 弹 因翻转 另一 侧撞 击 混凝 土 ， 产 生 图 ４对应 的第 二 次 波峰 ， 该 碰 撞 峰值 过 载 远 比第 一 次 小， 故 本文 只对 第一 次 冲 击过 载 进行 对 比分 析 ； ９ ． ５ ｍｓ 时子 弹反 弹 ， 此 时 弹靶 碰撞 ■ ～ 一 一 一 一 过程 已完 一 ～ ～ ； 一 ～ 成； ５ ５ ｍ ｓ时 子 弹 在 反 弹过程 中 由 于具 有 旋 转 角 速 度 ， 子 弹 姿 态 较 初 始 时刻有 明显 翻 转 ； ７ ５ ｍｓ时子 弹完 全 翻 转 且 逐 渐 减 速
图 ２ 不 同落角 子弹跌 落计算模型
Ｆ ｉ ｇ ． ２ Ｔｈ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｓ ｕ ｂ ｍｕ ｎ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｗｉ ｔ ｈ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｇ ｌ ｅ ｓ ｏ ｆ ｄ ｒ ｏ ｐ
中 图分 类 号 ：Ｔ Ｊ ４ １ ０ ． １ 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｔ ｅ ｓ ｔ ｆ ｏ ｒ ｉ ｍ ｐａ ｃ ｔ ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｓ ｅ ｏ ｆ ｓ ｕ ｂｍｕｎ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｄｒ ｏ ｐ
但近年来 国内外在民用方面针对如何提高产品抗跌落
冲击 的本 质 耐撞 性 能 进 行 了大量 研 究 ， 应 用 有 限 元 仿
基金项 目：国防基础科研基金 （ Ｂ １ ０ ２ ０ ０ ６ ０ ３ ５ ７ ）
电涡流阻尼器冲击制动性能仿真与试验研究
电涡流阻尼器冲击制动性能仿真与试验研究摘要：为了研究电涡流阻尼器冲击制动性能，在圆环形永磁体磁通密度和电涡流阻尼力公式的基础上，提出了4种圆筒型电涡流阻尼器磁路方案，分析了各方案静态磁场的气隙磁密分布规律，建立了冲击载荷下电涡流阻尼器瞬态电磁场仿真模型，对4种方案进行了涡流密度分布和制动性能的仿真。
仿真结果表明：永磁体同极相对排列、具有导磁外筒的磁路设计方案涡流密度最大，阻尼效率最高，在高速冲击条件下导体内存在明显的涡流集肤效应。
搭建了电涡流阻尼器冲击响应试验系统，测量了冲击载荷下阻尼器制动位移和速度变化规律，验证了仿真结果的正确性。
研究表明圆筒型电涡流阻尼器具有优越的冲击制动性能，在列车制动、武器发射等工程领域具有广阔的应用前景。
关键词：电涡流阻尼器；冲击制动；磁路设计；气隙磁密；涡流密度；阻尼效率在高速列车、航天装备和武器发射等工程领域常面临高速大惯量机械装备高效可靠制动需求，传统制动装置采用液压阻尼工作原理，存在阻尼系统低、摩擦磨损大、工作介质易泄露、环境适应性差及维护保养困难等缺点。
电涡流阻尼器利用导体在恒定磁场中运动或在交变磁场中产生的电涡流效应进行工作,根据应用场合的不同形成了各种形式的电涡流阻尼装置。
电涡流阻尼装置具有非接触、无需流体介质的特点，能够有效克服液压装置的弊端，在旋转机械、建筑及桥梁等领域的振动控制方面得到了广泛应用。
Sodano[1]详细地介绍了多种阻尼器，对磁制动、旋转机械涡流阻尼以及动态系统涡流的近年研究进行回顾，提出了涡流阻尼机制未来应用在太空和汽车减震与制动系统的可能性。
Bae等[2]对永磁体置于导电管内时的涡流阻尼特性进行了分析和试验研究，验证了提出的模型可以准确预测稳态阻尼力及低激励频率下的阻尼力。
Ebrahimi[3]设计开发了直线永磁执行器，可应用于汽车悬架系统。
宋伟宁等[4]以上海中心大厦为对象，对电涡流阻尼器在建筑上应用的可行性、安全性和效益性进行了分析。
冲击力仿真计算公式
冲击力仿真计算公式引言。
冲击力是指物体在短时间内受到的力的作用，通常用来描述碰撞、撞击等情况下物体所受到的力的大小。
在工程领域中，对于物体受到的冲击力进行仿真计算是非常重要的，可以帮助工程师们预测和评估物体在受到冲击力作用下的变形、破坏等情况，从而指导工程设计和改进。
冲击力仿真计算公式。
冲击力的大小通常可以通过冲击力仿真计算公式来进行计算。
冲击力的计算公式可以根据具体的情况来确定，但是一般可以使用以下的基本公式来进行计算：F = m a。
其中，F表示冲击力的大小，m表示物体的质量，a表示物体受到的加速度。
根据牛顿第二定律，物体受到的力与其质量和加速度成正比，因此可以通过这个公式来计算物体受到的冲击力的大小。
冲击力仿真计算的步骤。
冲击力仿真计算通常需要进行以下的步骤：1. 确定物体的质量，首先需要确定物体的质量，这可以通过测量或者计算来得到。
2. 确定物体受到的加速度，根据具体的情况，确定物体受到的加速度，可以通过实验、模拟等方式来得到。
3. 计算冲击力，根据上述的公式，将物体的质量和受到的加速度代入公式中，即可计算出物体受到的冲击力的大小。
冲击力仿真计算的应用。
冲击力仿真计算在工程领域中有着广泛的应用，可以帮助工程师们进行设计和改进。
以下是一些常见的应用场景：1. 车辆碰撞仿真，在汽车工程领域中，对于车辆在碰撞情况下受到的冲击力进行仿真计算是非常重要的，可以帮助工程师们评估车辆的碰撞安全性能，从而改进车辆的设计。
2. 建筑物抗震仿真，在建筑工程领域中，对于建筑物在地震等自然灾害情况下受到的冲击力进行仿真计算可以帮助工程师们评估建筑物的抗震性能，指导建筑物的设计和改进。
3. 机械设备受力仿真，在机械工程领域中，对于机械设备在运转过程中受到的冲击力进行仿真计算可以帮助工程师们评估设备的稳定性能，指导设备的设计和改进。
冲击力仿真计算的挑战。
冲击力仿真计算虽然在工程领域中有着广泛的应用，但是也面临着一些挑战。
ansys冲击振动仿真步骤
ansys冲击振动仿真步骤ANSYS冲击振动仿真是一种通过计算机模拟冲击力对物体造成的振动效应的方法。
该方法可以帮助工程师预测和优化产品在冲击负载下的性能和可靠性。
以下是ANSYS冲击振动仿真的步骤：1.确定仿真目标：首先需要明确仿真的目标，例如确定需要分析的物体、冲击力的大小和方向，以及所需的振动响应参数。
2.准备几何模型：根据需要进行仿真的物体，使用CAD软件创建几何模型。
确保模型的几何信息和尺寸准确无误。
3.网格划分：对几何模型进行网格划分，将其划分为小的单元或网格。
这是为了在仿真中对物体进行数值计算和离散化处理。
4.材料属性定义：根据物体的材料特性，定义材料的力学性质，例如弹性模量、泊松比等。
这些属性将用于计算物体的应力和应变。
5.冲击载荷定义：根据实际情况定义冲击力的大小、方向和作用时间。
可以通过输入冲击力的时间历程来模拟实际的冲击过程。
6.约束条件设置：根据物体的实际应用情况，设置约束条件，如固定支撑、边界条件等。
这些约束条件将影响物体的振动响应。
7.网格优化：对初始网格进行优化，以提高仿真的计算精度和效率。
可以使用ANSYS提供的自适应网格技术进行网格优化。
8.求解模型：使用ANSYS的求解器对模型进行求解。
求解器将根据定义的边界条件和冲击载荷，计算物体在冲击加载下的振动响应。
9.结果分析：分析仿真结果，包括应力、应变、振动位移等。
可以通过结果图表、动画和数值数据来评估物体的性能和可靠性。
10.优化设计：根据仿真结果，对物体的设计进行优化。
可以通过修改材料、几何形状或结构来改善物体的振动响应。
11.验证仿真结果：根据实际测试数据，验证仿真结果的准确性和可靠性。
如果有差异，可以对模型进行调整和改进。
12.结果报告：根据仿真结果，编写报告，总结仿真过程和结果。
报告应包括模型描述、仿真设置、结果分析和优化建议等内容。
以上是ANSYS冲击振动仿真的一般步骤。
请注意，具体的仿真步骤和设置可能因应用领域和具体要求而有所不同。
结构材料力学性能的研究与仿真
结构材料力学性能的研究与仿真一. 引言结构材料力学性能的研究与仿真是工程领域的一个重要方向。
随着现代工程设计的发展，利用计算机模拟分析结构的力学性能已成为一种有效的手段。
同时，结构材料的性能也是设计中不可忽视的重要因素。
因此，本文将介绍一些对结构材料力学性能的研究与仿真方法。
二. 结构材料的力学性能结构材料的力学性能指的是材料在力学作用下的响应能力。
主要包括强度、刚度和韧度等指标。
1. 强度强度是材料抵抗外部力作用下破坏的能力。
常见的强度指标包括抗拉强度、抗压强度和抗弯强度等。
2. 刚度刚度是指材料在外部力作用下的弹性变形能力。
通常指的是材料的弹性模量。
3. 韧度韧度指的是材料在力学载荷作用下延展变形的能力。
常见的韧度指标包括断裂韧性和塑性韧性等。
三. 结构材料研究方法为了研究材料的力学性能，通常采用实验测试和数值模拟两种方法。
实验测试主要通过材料的物理试验来获得数据，包括拉伸试验、压缩试验和弯曲试验等。
而数值模拟则是通过计算机模拟来研究材料的力学性能。
1. 实验测试方法强度测试：在拉伸试验中，通过施加拉伸力，研究材料在受力下的延展性以及最终破坏的形态。
将材料从两端固定，施加力或压缩力，可以得到材料的抗拉强度和抗压强度。
刚度测试：弹性力学理论中，材料的刚度可以通过弹性模量来描述。
将材料固定在两端，施加外力使其产生弹性变形，并测量变形量和外力大小，可以求出材料的弹性模量。
韧度测试：韧度指的是材料在受到力作用下的延展能力。
常用的测试方法包括冲击试验和断裂试验等。
在冲击试验中，对材料施加冲击力并记录变形量，可以求出其冲击韧性。
在断裂试验中，测量材料在受外力作用下的断裂能力和断裂韧性。
2. 数值模拟方法数值模拟是利用计算机模拟分析材料的力学性能。
常用的数值模拟方法包括有限元法和分子动力学法。
有限元法是应用广泛的数值模拟方法之一，其基本思想是将物体分成有限个小的单元，对每个小单元进行力学分析，然后将这些小单元组装起来，形成整个物体的力学性能分析结果。
时域分析法在冲击仿真中的应用
为减震器的位移约束，设备的速度会逐渐减弱，当 ｔ ＝
０．０３５ ｓ 时，速度归为 ０，此时的减震器的位移变形量会
达到峰值。 先将加速度分段函数进行一次积分，在积
分过程中应注意在 ０．０１ ｓ 时刻速度达到最大值，对应
的数值即为正波的面积 １．６５６ ｍ ／ ｓ，处理得到速度的分
所示。
图 ３ 系统时域力曲线
２．２ 强制位移输入法
根据双半正弦波的特点对加速度分段函数进行二
重积分，将加速度等效成位移载荷的方式加载在设备
底部。 积分过程中注意在正波脉宽的结束时刻为速度
的峰值，在负波脉宽结束时刻为位移的峰值。 由图 ２
可知，在冲击的过程中，设备由初始零速度，加速度开
始工作，至 ０．００５ ｓ 时正波加速度达到峰值 ２６０ ｍ ／ ｓ２ 。
质量和刚度远大于自身的大质量块，在砝码设备和质
量块之间建立如图 ６ 所示的 ４ 个 ３ 向弹簧阻尼单元，
模拟砝码设备下端的减震系统。
（７）
由式（７） 可得速度时间函数的常数项为 ０．８３，将
积分得到的速度时间分段函数进行拟合，得到图 ４ 的
时域速度曲线。
— ４２ —
图 ６ 砝码减震系统
宋骏琛 等 时域分析法在冲击仿真中的应用
首先是正波冲击，按照波形不同可以将组合后的输入曲
线拟合成图 １ 所示的正负两个面积相等的半正弦波
从而完成冲击输入谱从频域到时域范围的转化。
ａ ２ ＝ ０．６ａ ０ ， Ｖ１ ＝ Ｖ２ ＝
ｔ１ ＝
πＶ１
２ａ ２
， ｔ ２ ＝
２ｄ ０
Ｖ１
［６］
，
２
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作者简介：蒋东霖（1979—），男，硕士，高级工程师，主要从事机械系统设计和理论研究工作。
冲击力仿真计算与实验研究
摘要：本文应用接触力学理论，应用虚拟平台，对冲击试验机冲击过程进行了仿真模拟和计算，得出了冲击力随时间变化的具体曲线，并和实际的冲击试验数据进行了对比，分析总结了两者的差别。
关键字：接触力学；冲击力；仿真
The simulation and test study of the impact force
Abstract: In this paper,according to the contact mechanics theory,application virtual platform,the simulation and calculation which the impact process of material impact testing machine has been done,the specific curve of the impact force changing with time is drawing.analyzed the differences between the simulation data and the actual impact test data
Keyword: contact mechanics theory;impact force; computer simulation
1引言
材料的抗冲击性能是材料的重要属性之一，而材料的抗冲击性能要依靠冲击试验测得，冲击试验应用的设备是材料冲击试验机，通过摆锤冲击试样后得出的冲击吸收功和冲击力来衡量材料的抗冲击性能。
冲击过程是个非常复杂的过程，本文应用多体动力学理论，应用虚拟平台，对材料冲击试验机冲击过程进行了仿真模拟和计算，得出了冲击力的具体曲线，并和实际的冲击试验进行了对比，分析总结了两者的差别，为更深入的研究打下基础。
2碰撞力模型
根据Hertz contact theory ，采用非线性等效弹簧阻尼模型作为接触力的计算模型。
当计算两个构件之间的接触力时，接触力由两个部分组成：一个是由于两个构件之间的相互切入而产生的弹性力；另一个是由相对速度产生的阻尼力。
其广义形式可以表示为： e ni i i F K CV δ=+
其中，ni F 为法向接触力，单位为N 。
K （Stiffness ）为Hertz 接触刚度，表示接触表面的刚度，单位为N/mm 。
i δ（Penetration Depth ）—接触点的法向穿透深度，单位为mm 。
e （Force Exponent ）为碰撞指数，刚度项的贡献因子。
C （Damping ）为阻尼系数，单位为N •sec/mm 。
通常取刚度值的0.1~1﹪。
i V 为接触点的法向相对速度，i V 是i δ的导数，单位为mm /sec 。
接触刚度的表达式为：
0.5*43
K R E = 其中1212R R R R R =+，1R 、2R 为两碰撞物体在碰撞处的曲率半径；2212*12
111E E E υυ--=+ 1υ、2υ分别是两物体的泊松比，1E 、2E 分别是两物体的弹性模量[1]。
3仿真与试验
根据碰撞力的模型，试验中采用冲击刀半径为2.5mm ，采用10*10*55的标准试样，碰
撞指数(Force Exponent)。
碰撞指数e反映了材料的非线性程度。
其推荐值：金属与金属材料为1.5，橡胶材料为2。
C（Damping）为阻尼系数，通常取刚度值的0.1~1﹪。
本文采用虚拟仿真平台，因为其具有有好的界面和强大的计算功能，虚拟样机中常用的积分器有三种：GSTIFF、WSTIFF 与BDF，不同的刚性积分器，计算的效率和稳定性也有所不同，GSTIFF 是最常用的积分器，也是系统默认的积分器。
虚拟样机中有三种积分格式：I3、SI2和SI1。
I3格式求解速度快，但精度太差；SI2 格式可以避免Jacobian 矩阵的病态，而且考虑了约束方程，虽然求解时间变长，但求解精度高；SI1求解精度比SI2 还高，但它计算量太大，一般不采用。
积分误差决定了在求解动力学方程的过程中，某一步的预测值与校正值之间所能接受的差值。
积分误差过大，计算容易进行，但最终结果会产生过大误差；积分误差过小，求解时间太长，本例模拟计算积分误差设为0.001。
4
图1模拟计算结果图
图1为模拟计算的结果图，即冲击碰撞力随冲击时间的变化曲线，图中横坐标为时间，单位为s，纵坐标为冲击力，单位为N。
图2试验结果图
图2为通过试验得出的结果图，即实际测得的冲击碰撞力随冲击时间的变化曲线，图中横坐标为时间，单位为s，纵坐标为冲击力，单位为KN。
如图1、图2所示，图1的最大冲击力大约在25KN，整个冲击过程的时间区间在0.78s~0.788s之间，图2中最大冲击力大约在23KN，整个冲击过程时间区间要比模拟计算
的大，但是冲击力起始的时间很接近。
模拟计算和试验数据的整个曲线趋势是一致的，冲击力产生的前期阶段，冲击力变化率都比较大，而冲击的后期阶段，冲击力变化率都趋于缓慢。
模拟计算与试验测得数据的差距产生的原因主要是因为，模拟是理想状态，认为试样材料是均匀的，试样材料本身的物理属性是理想的，排除了试样夹具座各部件、冲击刀、以及整个冲击摆的变形，排除了试样夹具座各部件与冲击试样，冲击刀以及整个冲击摆的振动，还有模拟计算时采取的各个参数也并不能和实际的情况是完全一致的，但是整个模拟的结果与实际之间是比较接近的。
4结束语
本文应用Hertz接触理论，利用虚拟平台，模拟了冲击试验机摆锤冲击试样的整个过程，绘制了冲击力随时间变化的曲线，并和实际实验数据做了比较，分析了造成两者数据差别的原因，最终得出，模拟计算的结果和实际差别相差不大，可以作为摆锤冲击试验机冲击力计算的参考依据，为设计摆锤式冲击试验机打下基础。
参考文献
[1]彼得•艾伯哈特,胡斌.现代接触动力学[M],东南大学出版社,2003.。