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冲击活塞的动态反演设计与试验研究》pdf


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  机械工程学报980414 机械工程学报 科技期刊 Chinese journal of mechanical engineering 1998年 第34卷 第4期 No.4 Vol.34 1998 冲击活塞的动态反演设计与试验研究* 刘德顺彭佑多李学军 李夕兵周灿丰陈庆寿 摘要基于冲击活塞的撞击力学模型,应用波动力学和特征线理论,提出了由给定的应力波计算冲击活塞形状 的动态反演设计方法。试验结果表明冲击活塞反演设计法是有效的。此外,从方法论角度,就反演设计的应用 前景和有待解决的问题进行了探讨。 叙词:活塞冲击机械应力波反演设计 中图分类号:TD421,TU67 0前言 冲击活塞是诸如冲击式凿岩机、打桩机等冲击机械的核心部件,它一方面要实现来回往复运动并获得一定 的动能或势能;另一方面要以一定的速度撞击其他部件,并使被击部件贯入工作介质中或使工作介质破坏。冲 击活塞的设计品质对整个冲击机械的效率和零部件寿命有着重要影响。 在60年代以前,冲击机械的活塞的设计都是基于牛顿的碰撞理论进行的,该理论将两个相撞的物体视为质 点,只考虑整体运动而不考虑其内部应力。根据该理论,既无法设计出活塞形状,也无法给出各部件所受的应 力,这就是传统的静态设计方法。60年代以来,人们开始较系统地应用波动力学理论研究冲击机械的工作过 程,发现了冲击机械的工作过程实质上是应力波撞击产生、传播和耗散的过程,其应力波的波形对冲击机械的 效率和寿命有着重要影响,而应力波波形不仅取决于冲击活塞与被击部件的质量比,而且还取决于冲击活塞的 几何形状。这时,就开始探讨由冲击应力波波形来动态设计冲击活塞的途径,目前常规的设计方法是,根据初 拟的冲击活塞结构形状,应用离散数值计算方法分析该冲击活塞所撞击产生的应力波、受力和效率等,将其与 [1] 设计要求的应力波波形相比较后,人工修改原结构方案,如此重复几次,以基本满足要求 。这种常规设计 方法不但计算工作量大,而且一般很难达到设计的要求。事实上,这种常规的设计方法,只是在设计中应用了 动态分析方法,而本身并非动态设计。 本文将基于波动力学理论,应用特征线方法,提出直接由冲击应力波波形计算冲击活塞形状的动态反演设 计方法,继而应用冲击试验技术进行验证,以期为冲击活塞的设计提供一种新颖、简便和可靠的方法,并在此 基础上,就反演设计原理和特征进行讨论。 1反演设计原理和方法 1.1活塞与杆撞击的数学模型 在冲击机械工作中,活塞与被击部件撞击产生应力波,该应力波沿被击件传播并使之贯入工作介质或使工 作介质破坏。因为活塞一般较被击部件短得多,故在研究中通常将 万方数据 file:///E/qk/jxgcxb/980414.htm(第 1/7 页)2010-3-23 1:43:00 机械工程学报980414 图1冲击活塞与被击件撞击模型及其网格 两者的撞击视为一有限长变截面杆与半无限长杆的共轴撞击问题。又由于活塞与被击件在撞击时,两者的撞击 端面不可能完全同时全面接触,而有一个局部变形过程,一般在活塞与被击件之间虚设一个线性弹簧来近似这 一非线性力学过程对撞击应力波的影响,其弹簧刚度主要取决于活塞与被击件撞击端面的形状和材料性能 [2] 。这样,冲击活塞与被击件就可以简化为一有限长变截面杆与一半无限长杆的共轴间接撞击问题,如图1所 示。 考虑到两相撞部件通常都为圆柱形,这一撞击问题可用数学形式表示为 式中v,F——所考察截面的运动速度和作用力 ρ,c——冲击活塞的材料密度和纵波速度 k——虚拟弹簧的刚度 A(x), r(x)——冲击活塞x处的截面积和半径 L——冲击活塞的长度 A ,r——被击部件的截面积和半径 0 0 v——冲击活塞的撞击速度 0 F * (t)——冲击活塞撞击产生的力波 为了便于分析,这里将诸变量作如下无量纲变换,为简化书写,冲击活塞的动态反演设计与试验研究》pdf仍沿用原符号,即 x=x/Lt=ct/Lv=v/v F=F/ρcA v 0 0 0 2 * * A F =F /ρcAvr=r/r k=kL/ρc 0 0 0 0 于是,方程(1)就变换为 万方数据 file:///E/qk/jxgcxb/980414.htm(第 2/7 页)2010-3-23 1:43:00 机械工程学报980414 1.2波动力学分析方法 特征线方法是求解双曲线型偏微方程组的常见的数值分析方法。根据特征线)的特征线方程和相 应的相容关系方程为 将冲击活塞离散成n等分,相应的时间步长Δt=1/n,空间步长Δx=1/n,并将各离散截面从左至右连续编。


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