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。     

考虑织布弹性的软着陆气囊缓冲特性研究

对缓冲气囊模型进行合理简化,从能量守恒和热力学基本方程出发,计入气囊织布弹性势能的影响,建立了缓冲气囊的物理解析分析模型,同时采用LS-DYNA对其有效性进行了验证。并基于该模型,进行了水平圆柱式气囊缓冲特性的研究。研究结果表明对于带固定排气口的水平圆柱式气囊,忽略织布弹性,得到的最大冲击过载值要比弹性织布气囊低,若织布的弹性模量小于0.2 GPa时,织布弹性对缓冲性能的影响更加突出。初始充气压力以及排气口面积对此类气囊缓冲特性同样有显著的影响。增加初始充气压力可以降低气囊缓冲过程中的最大冲击过载,但是有效载荷触地速度有所提高。排气口面积过小,释能不充分,气囊将发生反弹,排气口面积过大,能量转化不够,有效载荷触地速度较高。     

新型自充气式着陆缓冲气囊的理论分析与设计研究

目的针对目前着陆缓冲气囊充气展开方面的功能缺陷,设计研究一种新型自充气式气囊。方法详细论述气囊的结构及其自充气原理,建立气囊整体结构模型;分析气囊进气孔的结构和工作原理,并进行相关计算;最后理论分析气囊缓冲着陆过程及其缓冲性能。结果新型自充气式缓冲气囊展开时仅有1/6的体积需要自带气源充气,进气口结构能满足空投下落时气囊的自充气,实例计算得出空投载荷的最大冲击加速度只有60 m/s2,小于允许的最大冲击加速度。结论新型自充气式气囊能够大大减轻空投系统自身的重量,进气口结构能满足气囊功能要求,使空投物资受到的冲击加速度小于允许的最大值,气囊能对空投货物起到很好的缓冲保护作用。     

爆炸冲击下车辆底部结构与座椅系统多参数优化研究

为了减少爆炸冲击环境下某防护型车辆内的乘员损伤,对车辆底部结构与座椅系统进行多参数优化。优化过程中,利用多物质单元与流-固耦合算法仿真乘员损伤,并通过试验标定。以乘员小腿受力、颈部力矩为目标函数,以车辆底部结构的厚度、材料、座椅安装位置为设计参数,建立了底部结构及座椅系统的优化数学模型。引入多元统计学的降维技术,形成了基于因子分析的多参数优化方法,在满足精度的条件下,合理缩减参数样本空间,节省了计算成本。通过该算法得到了优化模型的帕累托解集,最终获得了减小乘员损伤的底部结构与座椅系统设计方案。     

基于代理模型的空投装备气囊缓冲系统多目标优化

基于有限元法和控制体积法建立装备-气囊系统有限元模型,并采用试验数据对模型进行验证。复杂气囊系统着陆缓冲过程仿真计算资源消耗大,难以应用传统迭代方法进行参数优化。为克服这些问题,结合扩展拉丁超立方设计,以最大着陆冲击加速度和最大翻转角度为响应,采用径向基函数构建代理模型。在代理模型基础上,利用多目标遗传算法对主气囊高度、横向宽度及排气孔面积等气囊缓冲系统参数进行了多目标优化。优化结果表明:优化后最大冲击加速度减小了15.5%,最大翻转角度减小了70.3%,缓冲性能与横向稳定性均有所提高。     

缓冲气囊着陆过程仿真研究

以冲压式快速空投气囊为研究对象,对冲压式快速空投气囊的垂直着陆缓冲过程进行了仿真。首先使用Solidworks 软件建立了气囊的仿真模型,然后使用Ansys/ LS-Dyna 有限元分析软件,仿真研究了冲压式快速空投气囊着陆过程中气囊的应力应变的动态参数。研究得出了气囊在着陆缓冲过程中受到的最大应力值,以及出现最大应变的区域,从而更好地确定空投物体的质量,并且可以针对性地加强对气囊应力应变较大区域的防护,防止气囊在冲击过程中被破坏。     

复合材料薄膜充气床垫的多物质ALE数值模拟

某型充气床垫是典型的气囊结构,该床垫由新型柔性薄膜材料制成,力学性能复杂。目前,国内外气囊仿真研究多采用两种方法,一种是控制体积方法(CV),该方法比较简便计算需求较少,但计算精度只能满足一般的工程需要;另一种方法是基于有限元技术的ALE方法,该方法计算精度高,可用于气囊的详细仿真。针对充气床垫充气爆破工况和载人工况的复杂性,采用多物质ALE方法对其进行了详细数值模拟。充气爆破工况通过与物理试验对比,判断出床垫结构的薄弱位置,同时提出结构改进方案。载人工作工况通过参数分析方法,分析不同充气内压时床垫变形和应力状况,并判断出床垫最佳工作内压。最终的仿真结果可作为该型产品设计定型的重要依据,也为同类问题提供了参考。     

一种返回舱座椅水平缓冲杆设计

在对典型"联盟式"返回舱座椅局部改进的基础上,建立了能够吸收水平着陆冲击能量的水平缓冲杆支撑座椅模型。基于胀环式缓冲杆的缓冲原理和工作特性,定义了典型、极限水平着陆工况和水平缓冲杆设计要求;应用三部分设计方案和优化选择程序,分别设计了各段胀环长度相等和不相等的水平缓冲杆。座椅实例设计结果表明,综合了着陆工况、缓冲原理、工作特性和优化效率各个影响因素的设计方法,具有统一、全面和高效的特点;优化的水平缓冲杆支撑座椅,实现了同时缓冲头盆向和胸背向过载、适应更宽着陆工况的目的。     

飞机应急着陆时的人体冲击响应研究

摘要：本文针对飞机着陆撞击时人体的冲击响应问题,采用11自由度坐姿人体动力学模型,研究了从座椅到人体关键部位的振动传递率,并计算分析了坐姿人体在受到垂直方向上的冲击激励时的冲击响应。结果表明在飞机着陆撞击过程中,人体的腰椎响应较大,容易造成损伤,座椅对人体的支持刚度在冲击过程中对人体的冲击响应有较大影响,设计适当的座椅支持刚度可以减小人体的冲击响应。     

软着陆气囊缓冲特性与参数设置的理论研究

摘 要 本文将软着陆气囊的缓冲过程分解为绝热压缩和排气释能两个过程,从热力学和刚体动力学的基本方程出发,建立了软着陆缓冲过程的理论分析模型,并给出了缓冲响应的数值计算方法。针对立式软着陆气囊的参数设置和缓冲响应估计问题,给出了固定排气口型气囊和可控排气口型气囊相关参数的设计方法,同时以一个无人机模型的软着陆回收为例进行了缓冲响应仿真。基于简化模型及缓冲过程状态参数-时间特性曲线,分析研究了未设置排气口、固定型排气口与可控型排气口气囊的缓冲特性及其应用优劣,为工程与研究人员提供了气囊尺寸估算、缓冲系统性能预测、排气口面积选择与主动控制律设计的理论依据,研究结果具有明确的工程参考价值。     

冲压式快速类空投试验研究

目的通过类空投试验,对比研究冲压式快速空投气囊和传统缓冲气囊的着陆过程和着陆缓冲效果。方法以冲压式快速空投气囊为研究对象,建立气囊模型,制作类空投气囊和降落伞模型;在高约23 m处,分别进行不使用任何缓冲、采用传统缓冲气囊、采用冲压式快速空投气囊的类空投试验。结果采用传统缓冲气囊进行类空投时,装满水的玻璃瓶和矿泉水瓶损坏概率分别为22.2%和11.1%;采用冲压式快速空投气囊进行类空投时,损坏概率均为0。结论冲压式快速空投气囊的类空投效果远远好于传统缓冲气囊,为深入研究冲压式快速空投气囊打下了基础。     

基于 Ansys/LS-DYNA的缓冲气囊着陆过程仿真研究

目的以冲压式快速空投硬式气囊为研究对象,对气囊以特定角度着陆时的缓冲过程进行仿真分析。方法使用SolidWorks软件建立气囊的仿真模型,然后使用Ansys/LS-DYNA有限元分析软件,分别从气囊的材料定义、有限元模型的构建和仿真结果分析等方面进行仿真研究,并得出冲压式快速空投气囊着陆过程中应力应变的动态参数,以及货物和气囊的冲击加速度波动曲线。结果气囊在偏离竖直轴15°着陆缓冲过程中,在0.077 207 s时,地面与气囊的棱接触处受到的最大应力为1.47MPa,此时对应的最大应变为0.479 614 m。结论冲压式快速空投气囊在偏离竖直轴15°着陆时,气囊所受的最大冲击应力以1.47 MPa为标准,可更好地确定空投物体的质量,并且可以针对性地加强对气囊应力应变较大区域的防护,防止气囊在冲击过程中破坏。     

冲压式空投气囊着陆缓冲性能仿真研究

目的 以冲压式空投气囊为研究对象, 对气囊的着陆缓冲过程进行有限元仿真, 以研究其缓冲性能。方法 使用SolidWorks软件建立了气囊和装备的几何模型, 导入到有限元分析软件Ansys/LS-DYNA中划分网格, 加载并进行求解, 并用后处理软件Ls-prepost对仿真结果进行分析, 得出了气囊的体积和压力变化曲线, 以及空投装备的位移、 速度和加速度的变化曲线。结果 气囊在着陆缓冲过程中的最大压力为0.198 MPa, 空投装备的着陆冲击加速度峰值为175 m/s（ 2 17.9g）。结论 空投装备的最大冲击过载是17.9g, 装备最大过载Amax＜允许过载20g, 气囊满足性能要求。气囊内压力峰值对于气囊的设计有重要影响, 以气囊峰值压力0.198 MPa为参考标准, 在气囊材料选取和气囊加工方面要确保气囊能承受相当的峰值压力, 以避免缓冲时气囊发生爆裂。     

圆柱筒式空投气囊缓冲模拟

目的研究某空投缓冲系统圆柱筒式气囊的缓冲过程,得出缓冲特性曲线,并校核装备冲击过载。方法基于有限元理论,利用Ansys中的显示动力学分析软件LS-DYNA建立气囊缓冲系统的有限元模型,采用粒子法,对气囊缓冲过程进行数值模拟,并与传统气囊仿真所使用的控制体积法进行对比。结果经模拟得出空投着陆缓冲过程中气囊排气口打开时间为63.4 ms,缓冲过程中的最大过载为13.3g,获得了缓冲高度、货台加速度等特性的变化规律。将气囊缓冲特性与使用传统的控制体积法仿真的结果进行了对比,排气口打开时间误差为10.7%,最大过载误差为8.6%。结论 2种方法的结果对比一致性较好,验证了粒子法进行缓冲气囊模拟的可行性,同时使用圆柱筒式气囊缓冲的最大过载满足装备空投对过载不超过20g的要求。     

重型装备空投用连通型气囊缓冲特性仿真

目的为了探究连通型气囊在重型装备空投缓冲时的着陆缓冲特性,对其进行有限元建模及仿真研究。方法采用均压多腔室流动气囊模型理论建立装备-气囊系统有限元模型,通过显式非线性有限元方法模拟求解其跌落缓冲过程,并进行连通孔大小对缓冲特性的影响分析。结果随着连通孔面积的增大,各气室之间的内压差距变小,最大偏差从13.2%逐渐变小至0,加速度峰值从7.130g逐渐变小直至6.925g,但是总体上加速度峰值变化不大。采用连通型气囊能够实现与非连通气囊基本相同的缓冲特性,对于重心偏前的装备而言,为了避免装备俯仰过度,连通孔的大小不宜设置过大。结论该研究可为重型装备空投用连通型气囊的设计、改进提供理论基础和技术手段。     

小型电子设备着陆缓冲气囊的优化设计

目的针对一种新型分离式飞行数据记录系统的着陆缓冲气囊外形进行优化设计。方法基于多岛遗传算法和近似建模法通过ISIGHT优化设计平台制定相应的优化流程,建立不同坠落姿态下气囊缓冲着陆过程的数学模型,并以电子设备过载为优化目标,对气囊的外形尺寸参数进行优选,从而得出相应的气囊外形设计方案。结果描述气囊缓冲着陆冲击过程的近似模型具有较高的可信度。基于近似模型的多岛遗传算法可提高在多初始坠落倾角下气囊外形尺寸的优化效率。相较于初始外形的气囊模型,经上述优化流程运算后得到的最优气囊模型在不同初始坠落倾角下的电子设备着陆冲击过载均有所下降。结论该研究的过程和方法对于开展轻小型设备缓冲气囊的设计和优化具有指导意义。     

空投着陆气囊缓冲系统环境适应性研究

目的 研究在空投着陆过程中, 气囊缓冲系统的缓冲特性和环境适应性, 分析空投着陆环境变化对气囊缓冲特性的影响。方法 以热力学理论和刚体动力学为基础, 建立空投着陆气囊缓冲系统动力学模型, 以此为基础编写气囊缓冲特性计算分析软件; 针对某型主-辅囊结构气囊进行地面冲击试验,对比验证了计算模型的正确性。结果 空投着陆海拔高度为0, 3000, 4500 m时, 空投装备着地瞬间的着地速度分别为0.52, 0.96, 2.31 m/s, 随着海拔升高, 空投装备着地速度明显增大。环境温度、 大气密度和大气压力等参数对气囊缓冲特性的影响比较显著。结论 气囊缓冲系统的缓冲特性满足设计要求, 可适应海拔较高的空投环境。同一气囊系统在较高海拔环境中使用应充分评估其适用性和安全性, 避免空投装备着地速度较大而造成装备损坏。