基于Sobol法的载人空降人体头-颈部损伤响应特性研究

建立了载人着陆冲击的"假人-座椅"数值模型,并进行数值模拟和实验验证。模型经验证后,其数值结果与实验数据非常接近,并基于Sobol法对人体不同部位角度对人体头-颈部损伤响应的影响进行了灵敏度分析。结果表明:人体头-颈部角度和体位角对人体损伤响应有着重要影响。根据分析结果,可为最佳人体着陆姿势的研究提供变量选取依据,在载人空降防护技术领域具有一定的实际工程意义。     

一种多体系统冲击响应谱分析法

提出一种多体系统冲击响应谱分析法,以一个基础受加速度冲击刚柔系统为例,详细阐述了该方法的理论基础,主要为:首先利用传递矩阵法求得系统任意点的状态矢量和系统振型;建立系统相对基础运动微分方程.进而建立系统的多体动力学方程;利用系统增广特征矢量的正交性求得广义坐标,结合速度冲击谱的定义获得各模态最大响应,最后经各模态响应合成得到系统的冲击响应时间历程.用一个具体工程实例,通过与一般力学解析方法、有限元冲击响应谱分析法结果的对比,验证了所提方法的有效性.     

两端并圈多股弹簧的冲击响应研究

针对实际工作中的多股簧是两端并圈,且主要用作往复运动中的复进簧来承受冲击载荷的问题,推导了两端并圈多股簧的中心线数学模型,通过CATIA软件生成了两端并圈多股簧的三维几何模型,进一步建立了两端并圈多股簧的有限元冲击模型并利用ABAQUS软件进行冲击响应计算。计算结果表明：多股簧受冲击载荷时,使各簧圈产生振动,弹簧上各质点的运动以纵波的形式向固定端传递,并会在固定端和受力端反射,因此弹簧上各质点的位移和速度不再沿轴向呈线性分布;受力端变形大,固定端基本没有变形,当冲击载荷超过极限值时,就会使多股簧的簧圈产生压并现象;实际设计多股簧时,必须进行冲击响应分析,合理选择多股簧的刚度,避免压并现象的发生。     

船用主汽轮机汽缸冲击响应的计算与实验研究

目前船用大型设备的抗冲击性能研究主要采用数值手段进行仿真,而相关实验研究较少,数值计算的精度能达到多少还不确定。为此以船用主汽轮机汽缸为研究对象,建立有限元模型,采用时域模拟法计算汽缸模型在冲击载荷作用下的响应;以计算结果为指导,在大型冲击振动台上进行扫频、冲击实验。将计算值与实验值对比验证,证明计算模型和方法的正确性,分析误差产生原因,评估结构的强度。研究表明：时域模拟法计算的结果比实验值有30%左右的误差;实验与数值计算相结合才能合理的对设备进行抗冲击分析。     

基于磁流变弹性体的缓冲装置设计及其冲击响应特性研究

利用聚氨酯基磁流变弹性体,结合ANSYS有限元仿真,设计制作了一种剪切式磁流变弹性体缓冲装置。搭建自由跌落冲击试验系统和冲击响应谱试验系统分别测试了该缓冲装置的冲击响应特性,研究了在不同磁场下缓冲装置的缓冲性能。实验结果表明在自由跌落冲击和冲击响应谱两种试验中,所设计的磁流变弹性体缓冲装置都具有较高的缓冲率,且装置的缓冲率随着磁场的增加而增大,表明磁流变弹性体缓冲装置起到了一定的缓冲作用,且可以实现外加电流对其缓冲效果的控制,该研究为磁流变弹性体在半主动/主动隔振缓冲领域的应用做出了有益探索。     

舰船动力轴系冲击响应性能分析

摘 要：介绍了舰船轴系冲击激励的类型、基于有限元法建立的轴系冲击动力学模型以及基于有限元法在MATLAB平台上开发的舰船轴系动力学及冲击性能仿真平台(SHAFTFE)的基本功能,用SHAFTFE建立了一个包括推进轴系、推进电机和推进电机隔振器在内的整个动力轴系模型,计算了在不同冲击强度和动力轴系参数条件下整个动力轴系的冲击性能,分析了动力轴系的结构设计参数对动力轴系冲击性能的影响。结果表明,动力轴系在冲击作用下会出现较大的位移,因此在舰船动力轴系的设计中必须对轴系的冲击特性引起足够的重视,以增强整船的可靠性和生存能力。     

金属蒙皮飞机冲击威胁研究

飞机服役中会遭受外来物冲击威胁,对机身蒙皮造成冲击损伤。分别对国内南北方两航空公司的飞机维修记录进行了调研,得到了金属蒙皮飞机飞行过程中的冲击损伤分布规律;基于ABAQUS软件建立有限元模型,采用不含损伤的Johnson-Cook本构模型,研究铝板的低速冲击响应特性,设计并实施铝板低速冲击试验,对模型可用性进行了验证;得到了凹坑深度逆向推导冲击能量的计算公式,将损伤凹坑深度数据转化为冲击能量,并估算在一定概率水平下,金属蒙皮飞机可能遇到的最大冲击能量。结果显示,冲击能量较小时,铝板凹坑深度与冲击能量近似为线性关系;在指定的概率水平下,机翼、机身、翼身整体的最大冲击能量分别为21.3 J,25.5 J,33.8 J。     

舰艇冲击响应数据滤波频率选取方法分析

由于冲击响应数据具有较强烈的非线性与瞬态性,研究难度较大,目前在舰艇抗冲击技术研究领域还没有相应的标准规范或统一的滤波频率选取方法。本文利用冲击响应的冲量信息变化情况作为滤波频率选取依据,给出了具体的分析方法及判据。并应用该方法分别分析了舰艇船体结构与设备的冲击响应数据滤波频率,结论如下：不同爆距,船体结构同一部位,冲击响应数据的滤波频率取值相同;不同爆距,舰艇同一设备相同部位,冲击响应数据的滤波频率取值不同。     

刚柔耦合多体系统的冲击响应分析方法及应用研究

利用多体系统传递矩阵法建立了刚柔耦合多体系统的动力学模型,并且将冲量模型和碰撞接触模型与多体系统传递矩阵法结合,提出了基于传递矩阵法的刚柔耦合多体系统的冲击响应分析方法。根据柯西方程推导出系统中的柔性梁在冲击载荷作用下的冲击应力分布公式。以某型汽车起重机为例分析了在起吊过程中的冲击载荷特点,计算了该刚柔耦合多体系统的冲击响应及柔性梁的冲击应力分布规律,并与试验结果对比,证实了该方法的正确性。     

坐姿人体的冲击动力学响应分析

基于人体生物动力学模型简化原则建立了坐姿人体二维有限元模型,计算得出人体坐姿模型在不同冲击工况下的动力学响应。结果表明,坐姿人体受垂直方向冲击时,头部加速度和速度响应较大,同时头部伤害指标值（Head Injury Criterion,HIC）远大于水平冲击时的头部伤害指标值。受水平冲击时,人体腰部的加速度响应较大。在提供安全带保护的情况下,尽管骨盆处安全带能起到一定的保护作用,但肩部安全带的保护效果更为明显;此外,同时使用肩部和骨盆处安全带能大幅降低坐姿人体的加速度响应和头部伤害指标,是一种有效的安全保护措施。     

两类船-桥碰撞力差异及桥梁结构响应分析

 船桥碰撞是跨航道桥梁需考虑的重要问题。本文以美国AAHSTO规范推荐两类船舶为例,研究了驳船和散装货轮撞击桥梁后碰撞力、船艏刚度和碰撞能量的变化过程,讨论了导致两类船舶碰撞力、船艏刚度和碰撞能量变化差异的原因,分析了两类船桥碰撞桥梁结构的主要响应,并将本文动力模型计算响应与已有规范计算得到响应进行了对比。结果表明,两类船舶不同的船艏外形及内部构造会对碰撞力造成较大影响;同等吨位和碰撞速度下,驳船碰撞峰值荷载比散装货轮大,驳船碰撞的墩顶位移比散装货轮小,基底剪力和弯矩比散装货轮大,驳船与散装货轮作用下桥梁结构响应的动力反应系数存在较大差异;不同规范对于碰撞荷载规定差异较大,欧洲规范计算得到响应总体较大,中国公路规范荷载对于内河船舶撞击计算得到的响应最小,中国铁路规范计算得到的响应与其他规范海轮撞击响应进行对比最小。     

桥梁结构地震碰撞分析模型的碰撞刚度计算方法研究

针对桥梁结构地震碰撞模拟问题,文中分别推导了基于波动理论的直杆共轴碰撞模型和基于接触单元法的刚体碰撞模型中相应的最大碰撞变形的计算式,并基于二者相等的关系给出了Kelvin模型和Hertz-damp模型中相应碰撞刚度的计算方法,并对所建议方法的合理性和精确度进行了验证分析。研究结果表明,文中建立方法计算的Kelvin模型的碰撞刚度数值明显小于较短主梁的轴向刚度,这一点与以前学者基于实测数据分析得到的结论相一致。数值分析结果表明,相比以前的碰撞刚度计算方法,采用本文建议的方法确定Hertz-damp模型的碰撞刚度时,可以显著提升其碰撞模拟精确度。     

铁路卧铺客车人体振动舒适性建模与仿真

铁路卧铺客车乘客在卧姿状态下所承受的全身振动是影响其乘用舒适度的主要因素。研究了卧姿人体垂直振动模型,在铁道车辆二系悬挂动力学模型基础上,考虑卧铺的隔振作用与卧姿人体的垂直振动响应特性,建立了14自由度"人-铺-车辆"振动系统空间垂向耦合动力学模型,研究了在轨道随机不平顺激励下的卧姿人体垂直振动响应。应用卧姿人体全身振动舒适性评价标准,建立了铁路卧铺客车人体振动舒适性仿真流程。通过对人体头-臀二部位加速度均方根值先后进行部位计权和频率计权,得到卧铺客车卧姿人体振动舒适性指标。以M atlab为工具编制了卧铺客车人体振动舒适性仿真软件,交互输入车辆与人体的结构和动力学参数后,自动完成卧姿人体振动舒适性仿真计算,进而为铁路卧铺客车人体振动舒适性分析及车辆悬架参数优化提供了有效分析手段。     

不同温度及加载速率对混凝土冲击变形韧性影响

利用Φ100 mm SHPB分离式霍普金森压杆装置研究不同温度及加载速率下混凝土冲击变形韧性。结果表明,高温后混凝土峰值、流动应变及冲击韧性均随加载速率增加而增加,应变率效应显著;试件峰前韧性比不断降低,峰后韧性比及韧性转化比逐渐升高;同一加载速率下温度升高总体上使混凝土峰值应变及流动应变增大、冲击韧性降低,试件峰前韧性比呈上升趋势,峰后韧性比及韧性转化比逐渐下降;200℃时其冲击韧性在低应变率下相对较小,在高应变率下超过常温水平。     

基于重叠网格法的飞机水上降落水动力砰击载荷研究

为分析飞机在水上降落过程中的砰击载荷及运动规律,基于数值模拟研究NACA TN2929飞机水上降落过程,考查飞机的初始速度、初始仰角对降落过程的影响。求解雷诺平均纳维-斯托克斯方程(RANS)模拟飞机与水的相互作用,采用VOF方法捕捉自由面,采用重叠网格技术及DFBI模型模拟飞机与流体的耦合运动。通过计算楔形体和圆锥体自由入水过程验证模型的可靠性,通过网格和时间步长的收敛性分析确定合适的网格和时间步大小,与实验结果对比确定计算结果的正确性。模拟飞机以不同初始速度与不同仰角的着水过程,分析飞机底部压力的变化规律,研究飞机初始速度、初始仰角对砰击载荷及运动姿态的影响规律。数值计算结果表明飞机在入水0.2 s左右砰击载荷会达到峰值,载荷峰值与飞机着水的速度的平方线性相关;飞机机身底部压力峰值出现在水面与机身的正向交界处;飞机初始仰角增加,砰击载荷峰值会有所减小。     

泥石流冲击荷载下拦挡坝的动力响应分析

选取典型的泥石流冲击荷载,把钢筋混凝土拦挡坝简化成悬臂梁,建立其动力偏微分方程,运用数学物理方程中的变量分离法和结构动力学中的振型叠加法求得动力偏微分方程的解析解,最后根据材料力学得到相应的应力以及应变。算例分析表明解析解是可靠的,且在拦挡坝的坝顶处有最大的位移,为实际工程力学计算提供一种思路。       

实体切片的数字化人体三维重建技术

以一组人体头部层去式实体扫描切片为对象，对数字化人体的三维重建技术进行研究。用基于颜色空间的方法提取目标图像，完成图像去噪和边缘检测工作；并用VC 语言编程调用matlab引擎追踪并记录目标象素的坐标值，获得点云数据文件；在CATIA环境下进行曲面拟合，完成三维数字化实体的重建，并生成可直接可供快速原型机的STL文件。     

圆形孔洞结构岩体冲击响应识别实验模拟研究

孔洞是地质和岩石工程中常见的结构,为了模拟孔洞结构岩体在高速冲击荷载下的响应特征,设计和加工了孔洞结构的花岗岩体试样,采用改进的冲击动力学测试模拟系统,在不同冲击能下,在垂直和平行孔洞轴线方向对孔洞结构花岗岩体进行渐进式循环冲击模拟试验,对实验杆入/反射应力波进行测量。研究表明,峰值反射应力比与冲击能大小无关,但反射应变比能比随冲击能的增大而降低;在低冲击能下,孔洞结构对反射应力波的响应影响不大;随着冲击能的增大,其影响增大;岩体沿孔洞结构的轴线方向发生开裂破坏,与冲击位置无关;在试样开裂后,应变比能显著增高但峰值应力比的变化不大,说明应变比能比可作为岩体结构破坏指示的响应指标。模拟实验为孔洞类岩石结构的钻进识别以及防护设计提供了理论依据。     

连续侧向冲击作用下钢筋混凝土管动力响应试验研究

为了揭示钢筋混凝土管在连续侧向冲击荷载作用下的破坏机理,完成了6个钢筋混凝土管的横向冲击测试,考虑了不同落锤高度、冲击次数以及简支、固支两种约束形式对钢筋混凝土管侧向冲击动力响应的影响。提出了冲击力和跨中变形的预测公式并采用试验数据进行了拟合,得到了不同冲击速度、冲击次数对管道冲击力峰值和跨中位移的变化规律。采用吸能系数来量化评价管道承受侧向撞击时的吸能能力。结果表明,固支约束管道变形破坏显著好于简支约束试件,承受多次侧向撞击后,吸能系数增大,抗冲击变形能力明显下降。     

Numerical simulations of low-velocity impact on an aircraft sandwich panel

The potential hazards resulting from a low-velocity impact (bird-strike, tool drop, runway debris, etc.) on aircraft structures, such as engine nacelle or a leading edge, has been a long-term concern to the aircraft industry. Certification authorities require that exposed aircraft components must be tested to prove their capability to withstand low-velocity impact without suffering critical damage.

This paper describes the results from experimental and numerical simulation studies on the impact and penetration damage of a sandwich panel by a solid, round-shaped impactor. The main aim was to prove that a correct mathematical model can yield significant information for the designer to understand the mechanism involved in the low-velocity impact event, prior to conducting tests, and therefore to design an impact-resistant aircraft structure.

Part of this work presented is focused on the recent progress on the materials modelling and numerical simulation of low-velocity impact response onto a composite aircraft sandwich panel. It is based on the application of explicit finite element (FE) analysis codes to study aircraft sandwich structures behaviour under low-velocity impact conditions. Good agreement was obtained between numerical and experimental results, in particular, the numerical simulation was able to predict impact damage and impact energy absorbed by the structure.