汽车侧面和斜碰撞中人体胸部损伤响应数值分析

车辆侧面和斜碰撞在导致乘员严重损伤的交通事故中占有相当大的比例, 但与正面碰撞事故研究相比仍缺少对车内乘员在侧面和斜碰撞中的胸部损伤生物力学的深入研究. 因此本文采用数值模型来分析这两种碰撞载荷下的人体胸部生物力学响应以及损伤相关的物理参数. 首先, 将自主开发验证的胸部、头颈部和下肢有限元模型相结合, 建立了一个完整的人体坐姿有限元模型;然后, 采用该坐姿模型模拟了文献中的7例尸体胸部侧面碰撞和斜碰撞实验;仿真计算获得的碰撞力、胸部变形量和力-变形等损伤相关的响应曲线都在对应的生物力学实验曲线走廊范围内;仿真与实验结果对比表明了坐姿模型的有效性;从仿真结果发现碰撞力峰值较接近于实验结果的较大值, 而变形量趋向于实验结果的较小值;同时, 侧面碰撞条件下所得到的碰撞力峰值比斜碰撞中稍大, 峰值出现的时刻较早;而侧面碰撞中胸部变形量峰值比斜碰撞中较小, 出现的时刻同样较早, 这与实验结果所呈现的趋势一致. 分析说明在相同载荷强度下侧面碰撞胸部耐受限度高于斜碰撞时的耐受限度. 该胸部有限元模型可较准确地再现侧面碰撞和斜碰撞生物力学实验中的胸部响应过程, 具有较好的生物逼真度, 可进一步用于侧面碰撞和斜碰撞中乘员胸部损伤生物力学研究.      

基于汽车与行人碰撞载荷特点的下肢长骨建模

基于THUMS(total human model for safety)下肢长骨有限元模型, 在材料和单元属性等方面进行了改进. 在详细分 析行人下肢长骨载荷特点的基础上, 采用多种不同载荷工况下较新的生物力学实 验数据, 对长骨模型进行了前-后和外-内加载 方向的准静态三点弯曲验证, 同时对近心端1/3处、中部和远心端1/3处加载的动态三点弯曲 验证. 验证结果表明, 该模型具有较好的生物逼真度, 能够准确地模拟行人下肢长骨的骨折 及碰撞响应, 可用于后续行人下肢模型的开发, 并为行人下肢损伤机理和安全防护研究提供 准确高效的研究手段.     

多种冲击载荷条件下的人体肋骨骨折有限元分析

旨在研究不同碰撞载荷条件下基于不同失效模型的人体肋骨骨折机理. 为此采用已验证的人体有限元胸部模型来分析人体肋骨骨折现象. 该模型基于人体解剖学结构,包含了人体胸椎、腰椎、肋骨、胸骨、肋间软骨、胸腹部器官和其他的软组织,定义的生物材料参数都基于已有的文献记载. 基于人体在损伤生物力学领域内一些较为典型的肋骨骨折失效模型,根据已发表文献中的人体标本实验载荷条件模拟了人体肋骨结构在不同冲击载荷下的骨折现象,并与这些实验结果进行了对比分析. 所引用的实验结果包括单根肋骨强度结构实验和人体胸部正面碰撞块冲击实验. 从文中有限元仿真分析的结果来看,针对不同的载荷条件,不同肋骨骨折失效模型的适用性各不相同. 该人体胸部有限元模型可用于车辆交通事故中冲击载荷条件下的人体肋骨损伤生物力学研究.      

一种分析手指接触摩擦的新型试验装置

手指接触摩擦行为的研究对人类生产生活具有重要的意义,鉴于影响这一行为的因素众多,到目前为止手指接触摩擦特性还未被深入认识.针对当前手指接触摩擦试验中的试验变量难以控制和试验可靠性较差等问题,设计出一种新型的试验装置并对受试者手指进行了接触摩擦重复性试验,得出新型装置能确保手指与样品间的法向力、接触角度的稳定性,使得试验结果具有很好的可比性和可靠性,并证实了该试验装置能准确地考察粗糙度、接触角度等因素对手指接触摩擦过程的影响.该装置的研制将对系统深入揭示手指接触摩擦学行为具有重要的意义.     

基于无量纲分析的法向恢复系数模型研究

作为描述接触碰撞过程能量损失的重要参量,恢复系数的深入研究对于提升现有接触碰撞力模型预测性能、准确描述接触碰撞现象,并进一步探明其对机械系统整体动态特性影响规律方面具有重要作用.鉴于现有恢复系数模型计算精度的局限性,本文基于无量纲分析方法,提出了一种考虑材料特性与初始碰撞速度的新型恢复系数模型.具体实施过程如下:首先,利用有限元软件ABAQUS建立弹性球-理想弹塑性基底法向接触碰撞数值仿真模型,分别从最小网格尺寸设置与接触碰撞能量转换角度验证了所建模型的有效性;基于此模型开展多工况下的数值模拟研究,分析不同材料弹塑性参数与初始碰撞速度对接触碰撞响应的影响;在此基础上,引入无量纲化参数E*/(ρv_nc²)与σ_y/E*,寻找恢复系数与弹塑性参数及初始碰撞速度间的函数关系;进一步结合Johnson塑性碰撞理论,反向推算获取屈服速度与材料属性的映射关系,最终建立无量纲化恢复系数新模型;通过与低速试验数据、高速有限元模拟结果的对比,验证了新模型的预测精度和泛化性能.     

单面碰撞TMD的减振性能分析与试验

根据质量块单面碰撞的特点,得到了SS-PTMD的动力特性;开展黏弹性材料自由碰撞试验,根据试验数据识别了碰撞力模型参数,验证了碰撞力模型的可靠性;设计了可改变频率的单自由度结构的试验模型,开展了减振试验。仿真分析表明:调谐时在自由振动阻尼比由0.1%增加到3.66%时,在简谐激励下的减振率达到95.1%;在频率失谐时(-11.6%)自由振动阻尼比可达到1.71%,在简谐激励下减振率达到94.6%。采用试验分析评估了结构在自由振动、简谐振动的控制效果,分析表明:调谐时在自由振动阻尼比由0.1%增加到3.52%,在简谐激励下的减振率达到95.6%;在频率失谐时(-11.6%)自由振动阻尼比可达到1.43%,在简谐激励下减振率达到95.3%。理论仿真分析和试验结果表明:SS-PTMD能够有效控制自由振动和简谐激励下结构的振动。     

柔性纤维简单剪切流场中的运动特性研究

基于杆链模型,对简单剪切流场中柔性纤维进行模化;通过对有效刚度较大的纤维进行数值模拟,所得结果满足Jeffery轨迹,从而验证了模型的正确性;本文还对半稀相条件下不同浓度对柔性纤维的运动特性的影响机制进行了数值模拟研究。结果表明:纤维在运动过程中发生不同程度的弯曲扭转等变形,形态上呈现出弹簧形、蛇形、缠绕形等;纤维的碰撞摩擦对纤维弯曲角有着显著的影响,但对纤维的扭转影响不大;碰撞摩擦次数增大时,纤维弯曲程度和波动幅度依次增大;半稀相条件下,纤维间的碰撞摩擦和纤维的弯曲扭转变形开始取代水动力作用,并对纤维的运动特性有着决定性的作用,使得纤维取向分布趋于随机状态。     

汽车工程中的若干力学问题

汽车的设计、开发和使用离不开力学.简述汽车的发展历史、主要组成及其性能.介绍汽车工程中的几个关键力学问题,包括汽车轮胎力学、行驶稳定性分析、驱动与阻力、振动与噪声、碰撞力学与车身耐撞性、撞击损伤生物力学、行人保护力学等.展望了汽车工程中需要关注的力学问题.     

基于LuGre摩擦模型的接触约束法旋转柔性梁斜碰撞研究

基于接触约束法和LuGre摩擦模型对在重力场作用下作大范围旋转运动的柔性梁系统和斜坡发生含摩擦斜碰撞的动力学问题进行研究. 首先运用刚柔耦合的多体系统动力学理论对大范围运动的柔性梁进行离散化和动力学建模, 在碰撞时采用冲量动量法求出跳跃速度, 其次在法向上引入接触约束求解出碰撞力, 在切向上采用LuGre摩擦模型分两种方式求解摩擦力, 第一种是在滑动时摩擦力由摩擦系数和碰撞力计算得出, 黏滞状态下引入切向约束计算拉格朗日乘子反应实际摩擦力, 根据黏滞/滑动切换判断计算出碰撞过程摩擦力(与Coulomb摩擦模型计算摩擦力一致); 第二种根据LuGre摩擦模型摩擦系数和法向碰撞力计算其摩擦力, 从而在碰撞时无需黏滞/滑动切换, 采用相同的摩擦力计算公式. 通过与Coulomb摩擦模型对比发现, LuGre摩擦模型描述碰撞切向摩擦过程更精确, LuGre摩擦模型黏滞时建立约束方程和碰撞采用统一的摩擦力公式这两种建模方式描述的斜碰撞动力学特性没有区别, 进而说明采用法向接触约束和LuGre摩擦模型具有满足碰撞非嵌入情况、避免黏滞/滑动切换、描述摩擦力相对准确的优势.      

骨科植入物金属材料生物摩擦腐蚀研究进展

骨科植入物的生物摩擦腐蚀耦合行为对人工假体使用寿命有重要影响.本文作者概述了生物摩擦腐蚀耦合行为研究的试验方案和主要分类,其中按照摩擦方式不同,可将其分为磨粒磨损腐蚀、微动腐蚀、滑动(摩擦)腐蚀、模拟器仿真(摩擦)腐蚀等类型,分析了影响该行为的主要因素,包括摩擦、电化学、材料和溶液因素等.通过调研国内外文献,综述了钛合金、钴铬钼合金和不锈钢三种主要金属材料在微动腐蚀、滑动摩擦腐蚀和模拟器摩擦腐蚀三类损伤模式下的研究现状.接着介绍了钝化膜去除、磨屑颗粒产生和金属离子释放过程,以及摩擦腐蚀耦合损伤机理.最后总结未来应在假体真实工作环境模拟和再现、有机物(如白蛋白)等人体体液中特有物质对植入物耦合行为影响和其他假体如人工椎间盘生物摩擦腐蚀等三个方面开展深入研究.     

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针对汽车冲撞行人抛出速度问题,利用人体直杆模型,运用有关力学原 理,得出汽车与行人第一次冲撞后人体的转动角速度和平动速度,进而讨论了不同冲撞车速 下人体倒向发动机罩的可能运动状态,结果比较符合实际情况.这对交通事故鉴定工作具有应 用价值.     

Numerical simulation of pedestrian flow past a circular obstruction

In this paper, a revisiting Hughes' dynamic continuum model is used to investigate and predict the essential macroscopic characteristics of pedestrian flow, such as flow, density and average speed, in a two dimensional continuous walking facility scattered with a circular obstruction. It is assumed that pedestrians prefer to walk a path with the lowest instantaneous travel cost from origin to destination, under the consideration of the current traffic conditions and the tendency to avoid a high-density region and an obstruction. An algorithm for the pedestrian flow model is based on a cellcentered finite volume method for a scalar conservation law equation, a fast sweeping method for an Eikonal-type equation and a second-order TVD Runge-Kutta method for the time integration on unstructured meshes. Numerical results demonstrate the effectiveness of the algorithm. It is verified that density distribution of pedestrian flow is influenced by the position of the obstruction and the path-choice behavior of pedestrians.     

超高车辆与箱梁立交桥碰撞简化计算模型评估分析

为了考察受超高车辆撞击装配式钢筋混凝土箱梁跨线桥的冲击动力和破坏行为,以一起近来发生的实际工程事故为案例进行精化有限元数值分析,并提出了双质量-并联弹簧（double mass-parallel spring, DM-PS）简化车辆模型,以有效地模拟超高车辆与桥梁的非对心碰撞行为。所建议DM-PS简化模型的有效性通过与两种广泛使用的车辆模型包括全尺（full scale, FS）模型和简单刚体（simple rigid, SR）模型的比较而得到充分地评估。计算结果表明：采用FS模型可得到与事故现场照片基本一致的跨线桥撞击区域破坏特征;SR模型高估结构的局部破坏,弱化结构的整体变形;DM-PS模型对于预测结构破坏具有较高的准确性。因此,所提出的DM-PS模型为超高车辆撞击桥梁结构防护设计提供了一个简单有效的分析手段。在此基础上,利用DM-PS模型进行了详细的结构行为参数分析,深入考察了车辆撞击速度、撞击质量、撞击位置以及结构形式等效应。所得到的结论为：相比撞击质量,结构的冲击动力行为对于撞击速度有更高的敏感性;跨中受撞和边跨受撞的变形和破坏模式有较大差异,边跨受撞对于单侧支座损伤更严重;...     

列车碰撞被动安全性与司乘人员冲击生物损伤研究进展

尽管铁路客运列车具有系列的主动安全保障措施,但列车服役中的意外碰撞事故仍不能完全避免,并且一旦发生,将造成严重的人员伤亡和巨大的经济损失。随着列车运行速度的不断提高,列车碰撞安全与冲击防护问题愈发受到关注和重视,并已开展了大量的探索和研究。本文中综述了列车碰撞被动安全性与司乘人员冲击生物损伤的若干研究进展。首先,统计和梳理了近些年的列车碰撞事故,分析了典型列车碰撞事故中存活人员的生物损伤分布情况;其次,介绍了列车碰撞被动安全性的研究方法,总结了列车碰撞后的响应姿态与脱轨机理;然后,从车辆耐撞性设计与评价标准、基于多级能量耗散的吸能结构设计、基于碰撞能量管理的列车结构耐撞性设计三个方面,详细阐述了列车碰撞被动安全性的研究进展;最后,关注了司乘人员在列车碰撞过程中的冲击生物损伤,总结了相关减轻司机和乘客生物损伤的防护措施。     

基于可拓决策法的车辆自适应避撞控制方法研究

车辆的避撞控制可以有效避免或缓解车辆的碰撞事故,是自动驾驶汽车的关键控制技术之一.各种交通条件、不确定的道路附着系数以及复杂的液压制动执行系统都会降低避撞控制的有效性.因此,本文提出了一种基于可拓决策法的自适应避撞控制,该控制方法对路面附着系数具有自适应性,并能够精确控制制动系统的制动液压力.首先,设计了滑模观测器来估计轮胎纵向力,并基于观测得到的轮胎纵向力,进一步提出带遗忘因子的递推最小二乘法估计道路附着系数.其次,基于递推最小二乘法的估计值,提出了基于路面附着系数自适应调节的自适应避撞控制方法,该方法基于可拓决策法的先决判定决定当前时刻应采用何种避撞控制策略,即采用可拓决策方法判断进行点刹预警制动、全制动或者不制动.再次,通过对执行系统-电控液压制动系统进行精确的液压控制,实现主动减速控制效果.最后,采用软件联合仿真手段对上述方法进行了验证,结果表明所提出的算法在避撞行驶工况中具有良好的避撞效果.     

THE COLLISION MODEL OF THE BICYCLE ROLLING UP A STEP

自行车前车轮与台阶发生斜碰撞以后可能落上台阶,也可能弹回地面,后者容易引发侧翻或倾倒的事故。本文将建立一个基于恢复系数的通用薄车轮台阶碰撞模型,并通过一个实际案例代入具体参数数值,得出此案例下车轮速度大小与速度方向的安全可行域,并讨论台阶高度对可行域的影响。     

基于MTMD的大跨度人行悬索桥人致振动控制

大跨度人行悬索桥柔度大且阻尼小,易在人群荷载激励下产生过大振动,导致舒适度不满足规范要求.对于此类结构,需要采取有效减振措施控制其动力响应.本文介绍了多重调谐质量阻尼器(MTMD)对主跨600 m人行悬索桥的人致振动控制性能.利用有限元软件建立了某大跨度人行悬索桥模型,以德国EN03规范为计算依据,计算了悬索桥的人致振...     

Kinematics of the motorcar body side deformation process during front-to-side vehicle collision and the emergence of a hazard to car occupants

The kinematics of the process of deformation of the motorcar body side in the culminating phase of a front-to-side vehicle collision has been examined as a possible basis for analyzing and modeling the process of emergence of a hazard to car occupants during a road accident. The course of such accidents has a complex nature and their models are necessarily based on the approximation of non-linear elastoplastic characteristics of impact processes, especially during the transition from the compression phase to the restitution phase of the deformation process. For such characteristics to be obtained, a lot of experimental tests have to be carried out. This paper addresses the short-duration processes with a high degree of complexity.

A front-to-side motorcar collision model has been prepared, which made it possible to analyze the process of deformation of the car body side and the emergence of a hazard and injuries to car occupants. The results of calculation of the deformation rate and range in various car body zones, velocity of the test dummy placed on driver’s seat and velocity of possible dummy’s impact against the car body side being deformed may be taken as a basis for designing effective occupant protection systems. The kinematics of the phase of vehicle contact and deformation process was modeled with taking into account results of experimental tests, including the curves characterizing the largely non-linear processes that are decisive for the deformation of the car body side. The deformation processes analyzed on these grounds showed at the same time the range of penetration of the deformed body part into the car interior, which causes a hazard to vehicle occupants. The calculation results have shown e.g. that the car body side is deformed to a depth of 0.2 m as quickly as within 0.02–0.03 s. At such a car body side deformation range, the car body part being deformed hits occupant’s body in his/her hips and pelvis area with a velocity of about 6 m/s.

     

船舶碰撞动力学过程的数值仿真研究

在分析显式非线性有限元基本理论和关键技术的基础上 ,探讨了船舶动力学过程的数值仿真方法 ,并对碰撞过程中船体的力学性能进行了分析 ,获得并讨论了碰撞力、能量吸收和损伤变形的时序结果 ,所得结论具有一般性。碰撞仿真分析中 ,被撞船的舷侧受撞区域和撞击船的首部区域作为可变形结构处理 ,而其余区域则视为刚体。被撞船周围的水划分成Euler有限体积网格 ,船体结构则划分成Lagrange有限元网格 ,并采用耦合技术将它们联系在一起。撞击船周围的水的影响采用附连水质量进行处理。