人体落地冲击力冲量的分析和计算

本文根据人体落地受伤是受冲击力的大小、冲击作用时间长短以及冲击力矩(如扭伤)等因素所致的事实出发,将人体着地瞬间看作撞击过程,以冲击力的冲量和冲量矩作为人体和各关节所承受的冲击作用的度量.利用多刚体系统动力学理论及计算方法给出了计算总撞击冲量及关节内冲量、冲量矩的算法;编制了相应的计算程序.以垂直落地为例所作的计算与已有结果一致.     

跑速对男性大学生下肢关节负荷特征的影响

比较不同跑速下膝关节和踝关节屈伸峰值力矩、峰值功率、关节做功、关节冲量矩以及单位距离关节累积冲量矩等指标的变化，旨在探讨不同跑速对下肢关节单次触地负荷和累积负荷特征的影响。选择12名青年男性大学生为受试者，使用VICON红外高速运动捕捉系统、Bertec Fit三维测力跑台同步采集8 km/h、10 km/h、12 km/h和14 km/h共4个速度下跑步膝关节和踝关节的动力学参数，分析膝关节和踝关节屈伸峰值力矩、峰值功率、做功、冲量矩和单位距离关节累积冲量矩等指标。结果表明，支撑期踝关节跖屈峰值力矩、落地缓冲期和离地蹬伸期峰值功率、踝关节做功均随速度的增加显著增加(P<0.05),而膝关节伸膝峰值力矩、峰值功率和做功随着速度的增加均无显著变化(P>0.05);跑步1 km时膝关节和踝关节的累积冲量矩随着速度的增加均显著减小(P<0.05),膝关节和踝关节单步冲量矩随着速度的增加无显著变化(P>0.05)。跑速增加不会影响男性大学生踝关节和膝关节单次触地冲量矩，但会减小跑步者膝关节和踝关节单位距离累积冲量矩；跑速增加，男性大学生踝关节跖屈峰值力矩、峰值功率、关节...     

烧脑之问：撞击力有多大?

作为冲击加载的一种类型,撞击指的是一个具有质量m 的物体(或结构) 以某一初速度V0 撞到另一个物体(或结构) 的加载行为,以及由之产生的力学和物理现象。动量--冲量定理是求解撞击问题的基本方程,但仅由此定理并不能解出撞击后各物体的速度,所以刚体动力学中通常建议引进一个\恢复系数" 来求得解答。可是,恢复系数" 实际上并不是材料常数,而且仅凭动量-- 冲量定理和\恢复系数" 仍然不能得出撞击脉冲的参数,如峰值力、撞击时长和脉冲形状。本文基于冲击接触力学和结构冲击动力学,对确定撞击脉冲提出了一些思考,并指出工程中沿用的\动载系数" 是缺乏理论根据的,许多撞击问题值得深入探讨。     

鸟撞击叶片时载荷因素的数值模拟分析

鸟与叶片的撞击过程是一个复杂的加载过程。为了将其简化,以建立一个简单且合理的鸟撞击载荷模型,需要分析鸟撞击载荷的各种因素对叶片响应的影响。本文通过计算机数值模拟进行上述工作。以矩形悬臂板模拟实际叶片,以冲击载荷模拟鸟撞击载荷,采用有限元法计算悬臂板在冲击载荷下的非线性瞬态响应。从鸟撞击载荷的冲量、时间因索、空间因素三个方面分析了冲量、加载持续时间、力-时间函数、初始冲击压力、加载位置、载荷的空间分布以及载荷类型等七种因素对叶片响应的影响。本文得出的结论为合理简化鸟撞击加载过程及建立鸟撞击载荷模型提供了参考与依据。     

脉冲X射线辐照材料引起的汽化反冲冲量

分析比较了计算Ｘ射线辐照固体材料引起汽化反冲冲量的几种计算公式。通过对Ｘ射线辐照后材料运动过程的数值模拟和分析，提出了一种计算汽化反冲冲量的数值计算公式。计算结果表明:数值计算得到的汽化反冲冲量与ＢＢＡＹ公式的结果比较接近；脉冲Ｘ射线引起的汽化反冲冲量与Ｘ射线的能谱及辐照量有明显的依赖关系，且汽化反冲冲量随辐照量的变化是非线性的。     

BUFFER AND COMPLIANT DYNAMIC SURFACE CONTROL OF SPACE ROBOT CAPTURING SATELLITE BASED ON COMPLIANT MECHANISM$^{\bf 1)}$

研究了空间机器人在轨捕获非合作卫星过程避免关节受碰撞冲击破坏的缓冲从顺控制问题, 为此在机械臂与关节电机之间配置了一种柔性机构, 其作用在于: (1)在接触、碰撞阶段可通过其内置弹簧的变形来吸收被捕获卫星对空间机器人关节产生的冲击力矩; (2)在镇定运动阶段, 结合与之配合的缓冲从顺控制策略来适时开、关关节电机, 以保证关节受到的冲击力矩受限在安全范围. 首先, 利用多刚体系统理论获得配置柔性机构空间机器人及目标卫星分体系统动力学方程; 之后, 结合整个系统动量守恒关系, 捕获操作后系统运动几何关系及力的传递规律, 建立了两者形成联合体系统的动力学方程, 并计算了碰撞过程的冲击效应与冲击力. 为了实现失稳联合体系统的镇定控制, 提出了一种基于动态面的缓冲从顺控制方案. 上述控制方案可在实现吸收捕获操作产生的冲击力矩的同时, 还能在冲击力矩过大时适时开启、关闭关节电机, 以避免关节电机发生破坏; 此外, 动态面的引入避免了反演法存在的计算膨胀问题, 有效减少了计算量. 基于Lyapunov函数法证明了系统的稳定性, 并通过系统数值仿真结果验证了上述缓冲从顺控制策略的正确性.     

CFRP-混凝土-钢管组合结构在低速侧向撞击下的动力响应

采用有限元软件ABAQUS建立了碳纤维增强聚合物（CFRP）-混凝土-钢管组合结构在低速侧向撞击作用下的有限元模型。模型的计算结果与试验结果吻合良好,能够较好地模拟CFRP-混凝土-钢管在侧向撞击下的力学特性。利用该模型,对试件在冲击荷载作用下的动力响应全过程进行分析,采用正交分析法研究了冲击高度、空心率等7种因素对试件冲击力峰值、冲击力平台值和跨中残余挠度的影响。结果表明:冲击高度（冲击能量）是影响冲击力峰值的主要因素;空心率是影响冲击力平台值的主要因素,并且当空心率在0.3~0.7之间时,试件的抗撞击性能随着空心率的提高而逐渐增强;冲击后结构的跨中残余挠度由冲击高度、空心率、CFRP层数、CFRP方向等因素共同影响。     

基于柔性机构捕捉卫星的空间机器人动态缓冲从顺控制

研究了空间机器人在轨捕获非合作卫星过程避免关节受碰撞冲击破坏的缓冲从顺控制问题, 为此在机械臂与关节电机之间配置了一种柔性机构, 其作用在于: (1)在接触、碰撞阶段可通过其内置弹簧的变形来吸收被捕获卫星对空间机器人关节产生的冲击力矩; (2)在镇定运动阶段, 结合与之配合的缓冲从顺控制策略来适时开、关关节电机, 以保证关节受到的冲击力矩受限在安全范围. 首先, 利用多刚体系统理论获得配置柔性机构空间机器人及目标卫星分体系统动力学方程; 之后, 结合整个系统动量守恒关系, 捕获操作后系统运动几何关系及力的传递规律, 建立了两者形成联合体系统的动力学方程, 并计算了碰撞过程的冲击效应与冲击力. 为了实现失稳联合体系统的镇定控制, 提出了一种基于动态面的缓冲从顺控制方案. 上述控制方案可在实现吸收捕获操作产生的冲击力矩的同时, 还能在冲击力矩过大时适时开启、关闭关节电机, 以避免关节电机发生破坏; 此外, 动态面的引入避免了反演法存在的计算膨胀问题, 有效减少了计算量. 基于Lyapunov函数法证明了系统的稳定性, 并通过系统数值仿真结果验证了上述缓冲从顺控制策略的正确性.      

薄片炸药与固体靶冲量耦合的计算模型

薄片炸药可用于模拟强脉冲X射线辐照下空间结构的响应,其与固体靶的冲量耦合作用是进行模拟载荷设计的基础。本文中基于有限元模拟技术,研究不同直径薄片炸药的边界稀疏作用和安装支座的反射作用对薄片炸药与固体靶冲量耦合的影响,结果表明:边界稀疏作用对薄片炸药的比冲量起到减弱的作用,由边界稀疏作用引起的薄片炸药比冲量的变化量和薄片炸药直径的倒数近似成线性关系;薄片炸药安装支座的反射作用对薄片炸药的比冲量起到增强的作用,由支座反射作用引起的薄片炸药比冲量的变化量和薄片炸药直径的平方近似成反比;随着薄片炸药直径的增加,薄片炸药比冲量趋于定值,边界稀疏作用和支座反射作用可以忽略;存在一个临界直径,当薄片炸药的直径为临界直径时,薄片炸药的边界稀疏作用和支座反射作用达到平衡,其比冲量大小和薄片炸药的直径为无穷大时的比冲量值相等。     

受电子束辐照的硬铝靶的喷射冲量耦合系数随能通量的变化规律

采用通光式传感法和直接测量特定时间间隔的探头原理，在闪光２号装置上进行了电子束辐照硬铝靶产生的喷射冲量耦合系数与能通量关系的研究。结果表明:在能通量为１１５～２４０Ｊ／ｃｍ２范围内，喷射冲量和亏损质量面密度都随能通量近似线性变化，而喷射冲量耦合系数随能通量增大而缓慢递增，并趋于一渐近值；硬铝产生喷射冲量的能通量阈值为４０Ｊ／ｃｍ２左右；喷射冲量值为８１～２１８Ｐａｓ，亏损质量面密度为３．１ １０－２～８．６１０－２ｇ／ｃｍ２，喷射冲量耦合系数为０．７０～０．９８Ｐａｓ／（Ｊ／ｃｍ　２）。     

一种基于Hopkinson杆的冲量校准方法

在爆炸与冲击实验中,常利用冲击摆等实验装置间接测量载荷的瞬态冲量。但是针对该类装置的校准方法较少,因此难以确定实验装置的测量精度和可信度,对所获取冲量数据的分析处理带来了一定困难。文中通过测量Hopkinson杆中入射与反射脉冲的应力波形σ(t),得出该脉冲动量的变化量,并将该变化量作为标准值对现有冲量测试装置进行校正。根据这一原理建立了一套针对爆炸与冲击环境下冲量测试的校准系统。利用该系统对一种水平导轨方式的冲量测试装置展开校准实验,所得结果确定了该装置的测量精度和可信度,同时证实了该校准方法的可行性。     

两自由度振动系统的斜碰撞分析

研究斜碰撞振动系统动力学的一个关键问题是对系统在碰撞前后的状态进行合理描述和正确计算．针对两弹性体斜碰撞问题，基于瞬间碰撞假设，提出了采用步进冲量来分析和求解斜碰撞前后的状态关系；并以弹簧摆和振子组成的两自由度斜碰撞振动系统为例，具体介绍了该算法如何实现．用解析方法讨论了该系统在斜碰撞过程中可能出现的各种力学现象，将冲量步进算法得到的数值解与解析结果进行对比，取得了完全一致的结果．该数值方法能适应多种斜碰撞问题的计算．     

爆炸荷载作用下结构冲量的测量

冲击摆是间接测量爆炸荷载下瞬态冲量的一种有效装置。常用的冲击摆为典型的复摆模型,设计、加工和数据处理复杂,质心难以准确测定,对冲量测定的精度影响较大。特别是测量爆炸载荷试验中的冲量时,遇到较大的困难。文中引入一种冲击摆的改进装置,将传统的冲击摆简化为等效单摆,限制了传统冲击摆的转动效应,考虑了阻尼对冲量计算的影响,减小了不确定性因素产生的试验误差。对比分析两种冲击摆在爆炸荷载下冲量的测量原理,改进装置具有设计加工简单、试验精度高、数据处理方便等优点。最后将改进装置应用于泡沫铝夹芯壳的爆炸试验中,通过测量其最大平动位移得到了待测冲量。试验结果也证明了改进装置的可行性．     

具有固定点物体的撞击轴

在通常的理力教材中,讨论了具有固定轴物体的撞击中心问题。即研究在主动碰撞冲量作用下,如何才能使支座不传感到冲击。对具有固定点的物体碰撞时,也存在类似的问题。我们定义:使支座不传感到冲击的主动碰撞冲量的作用线称为撞击轴。本文提出了一个关于撞击轴存在的充要条件的定理。作为定理充分条件的证明,讨论了四种情况。对每种情况,分别证明撞击轴存在,并给出撞击轴的方程。本文得到的结果比讨论类似问题的文献[1]简明。一、具有固定点物体的碰撞方程...     

在质量块冲击作用下刚架大挠度响应的实验研究

本文报道刚架跨中受到以不同速度运动的质量块冲击时动态大挠度响应的实验研究工作,实验测取了冲击点位移、速度随时间变化的曲线及某些关键点的动态应变历史,由此描述了在响应过程中,质量块与刚架间动量动能的传递过程,找出了塑性区域形成和扩展的规律。研究表明:初始撞击接近于理想非弹性,动态荷载不宜简化为瞬时冲量,此时初始冲击动能与刚架所能吸收的最大弹性能之比即便很大,响应中弹性成分仍占有很大的比例,能量比率作为判断是否宜于采用刚塑性解答的条件已不再充分;刚架在初始撞击中吸收的能量和冲量与初始动能和动量之比,仅与刚架承受初始撞击的相当质量和冲击物质量之比有关,而与冲击速度无关,文中给出了二者的关系式。     

撞击载荷下Nomex蜂窝夹芯梁的变形模式研究

本文研究了Nomex蜂窝夹芯结构在不同冲量下的变形模式和失效模式.实验采用子弹撞击的加载方式,对Nomex蜂窝夹芯梁施加大小不同的冲量,使用激光位移传感器测量每个试件后蒙皮的变形位移.分析了同芯层厚度,不同蒙皮厚度的Nomex蜂窝夹芯梁在不同冲量作用下抵抗变形的能力,以及冲量大小与蒙皮厚度对夹芯梁抵抗撞击能力的影响,计算分析了蒙皮与芯层的吸能性.实验结果表明:增加蒙皮的厚度能够改善夹芯梁在撞击荷载下抵抗变形的能力,在撞击过程中芯层吸收了50％左右的能量,且冲量越大,芯层吸收的能量越多.     

内部爆炸薄圆板的变形及有效载荷

为了研究内爆炸薄圆板的失效与作用载荷特性，在双圆筒装置内开展了铝质、钢质薄圆板内爆炸实验，分析了圆板破坏模式及比冲量载荷特性，并基于相同变形下载荷相等原理，得到了钢质圆板极限变形下的有效比冲量及作用时间，提出了该工况下圆板变形的预估模型。结果表明:在内爆炸载荷作用下，薄圆板的夹持边界和几何中心是应力集中区，产生了塑性大变形、拉伸撕裂、剪切断裂3种破坏模式；圆板的比冲量载荷由初始的波浪式增长逐渐转化为线性增长，30～80 g某温压装药使1 mm厚钢质圆板产生极限变形的有效比冲量作用时间在2.26～2.93 ms之间，经验证，圆钢板变形预估模型得到的装药质量与实验装药质量偏差小于13.3%。     

大气呼吸模式激光推进的机理分析及数值模拟

就大气呼吸模式的推进机理作了较为系统的分析和研究,导出了考虑反射面几何约束的冲量及冲量耦合系数的近似解析表达式。在数值模拟方面,采用前期点爆炸自模拟解和后期高分辨率PPM格式相结合的新方法,计算了固定的抛物面反射镜聚焦入射平行激光击穿空气形成的高温等离子体流场及其对反射面产生的推动作用。结果表明,推进效应(飞行器获得的推力、总冲量、冲量耦合系数等)与反射面的几何参数和入射激光强度密切相关。83J的激光单脉冲能量算例得到的冲量耦合系数为246Ns/J,略高于同种工况下W.O.Schall等实验得到的耦合系数。     

局部冲击作用下刚塑性平板的动力响应和失效模式

基于理想刚塑性的材料模型假定,同时考虑靶板弯曲塑性变形和剪切滑动,完整地分析了平板受刚性体撞击或受局部压力脉冲冲击的动力响应和失效模式。得到了撞击物侵彻深度、靶板穿透条件、塑性变形范围等特征变形破坏参数的解析表达式。讨论了撞击物速度、压力脉冲的冲量和形状等参量对响应和破坏模式的影响。比较了刚塑性理论分析结果与相关的实验和弹塑性数值计算结果。     

基于饱和响应时间的封闭空间内爆炸载荷等效方法研究

针对舱内爆炸载荷形式复杂、作用时间长、缺乏有效的简化描述方法的问题，首先采用显式动力学计算程序开展了内爆载荷作用下钢板动态响应的数值计算，在与试验结果对比验证的基础上分析了金属板的内爆载荷饱和冲量。通过对216种不同爆炸载荷加载时长与金属板响应关系的分析，提出了内爆炸载荷作用下结构最大变形所对应的饱和时间计算经验公式，并给出了饱和时间的无量纲系数建议值。考虑到内爆载荷初始冲击波的影响，结合爆炸载荷饱和作用时间的规律，提出了封闭空间爆炸载荷的矩形载荷等效方法，对比了18组简化载荷与耦合载荷分别作用下钢板的动力响应，验证了等效方法的有效性。