人体--结构系统的水平振动实验

针对静止状态人对结构水平振动特性的影响,建立实验平台,分别测试并分析了质量块-结构系统、单人-结构系统、多人-结构系统水平自振频率与阻尼比变化规律.给出了两种人-结构系统静态水平耦合模型的比较分析以及人体的水平振动频率估计.结果表明:在分析静止状态下人对结构水平振动特性的影响时,人体不可简单作为质量块或质量-弹簧-阻尼系统,而应看作带人体刚性质量的质量-弹簧-阻尼系统.结合实验测试数据和人-结构系统水平耦合模型,得到人体水平前后向频率范围为0.236～3.748 Hz,人体水平左右向频率范围为0.194～5.32 Hz.     

核电结构土-结相互作用分析分区混合计算方法

土-结构相互作用分析是核电结构进行抗震设计和安全评估的重要环节.在核电结构的土-结相互作用分析中,阻尼和非线性是影响结构反应的重要因素. 若采用频域分析,可以方便考虑阻尼,但需通过等效线性化来考虑非线性,不适合于强震作用下的土体非线性.若采用时域分析的逐步积分方法,适合于考虑非线性,但材料阻尼一般采用瑞利阻尼模型,除了紧靠指定阻尼比的少数几个振型外,其他振型的反应将受到瑞利阻尼模型所确定的大阻尼所抑制,造成地震反应与真实情形有较大差异.若采用时域分析的模态叠加法,可合理计入阻尼效应,但模态叠加法不能考虑非线性.因此,如何合理考虑阻尼和非线性是核电结构土-结相互作用分析需要关注的问题.基于此,本文提出一种模态叠加和时步积分结合的土-结相互作用分区算法.其中,出于安全性考虑,地震作用下核电主体结构一般不允许进入非线性,因此结构可采用模态叠加方法,以便合理考虑结构阻尼;土体和基础采用显式时步积分法,可考虑土体非线性;通过人工边界条件考虑无限域的影响 (辐射阻尼).通过简单算例对该方法进行了验证,并用于CAP1400核电结构的土-结相互作用分析中,对比分析了采用模态阻尼和瑞利阻尼时核电结构和场地反应的差异,结果表明结构阻尼模型对场地的反应影响不大,但对结构反应影响明显,在实际工程中应合理选取阻尼模型.      

环形调液阻尼器振动控制中拍的研究

对环形调液阻尼器减振控制中的拍现象进行研究,分析了环形调液阻尼器对结构纯扭转振动控制中的拍现象,分别考虑无阻尼结构体系、主体结构有阻尼而CTLCD无阻尼的体系及主体结构和CTLCD中均有阻尼的体系,从数学角度对拍现象发生的机理进行解释.研究结构表明,当拍现象发生时,主体结构的振动不仅不会受到抑制,有时反而会加强;当环形调液阻尼器的阻尼增大到一定程度时,拍现象会消失;对于受廹振动,发生拍现象时,由于结构反应的瞬态部分不能得到迅速衰减,结构的瞬态响应将会占结构响应的很大一部分,如果仅考虑结构的稳态响应会带来较大的误差.     

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基于结构动力学基本理论,系统地分析了路面材料阻尼系数的求解方法,以 及材料阻尼效应对路表动态弯沉的影响规律. 结果表明：利用第1,第2主振型的固有频率 计算阻尼系数的方法,能克服传统简化计算阻尼系数而带来的结果偏差;黏性阻尼系数几乎 对路表弯沉时程变化没有影响;土基阻尼效应是影响路表动态弯沉时程变化的关键因素,而 其它层材料的阻尼特征影响甚微. 研究结果为进行路面结构动力学分析时,材料阻尼参数的 计算以及合理取值提供了理论与实践依据.     

阻尼系数时域识别的灵敏度分析

本文分析了为何在应用时域方法识别结构参数时,阻尼系数往往是难以识别精确的,提出了一些提高阻尼系数识别精度的措施。     

基于任意四边形单元的约束阻尼板的模态分析

约束层阻尼技术目前广泛应用于薄壁结构的减振降噪中,关于约束阻尼板的有限元分析基本采用矩形或三角形单元,但用于模拟不规则形状结构时,会带来形状拟合上的困难或精度上的不足。基于离散Kirchhoff理论和Layer-wise层合板理论,利用Hamilton原理推导了约束阻尼板的任意四边形单元,并在此基础上考虑粘弹性材料本构的频率相关性,给出了约束阻尼结构复特征值问题的迭代求解算法。数值算例对不同形状的约束阻尼板结构进行了模态分析,通过与解析解、实验结果及有限元结果的对比,表明了本文单元的有效性和对不规则形状结构的适用性。     

玻璃纤维、碳纤维复合材料的阻尼性能分析

对复合材料的阻尼性能进行分析和有效预报能够实现对结构振动冲击、噪声、疲劳破坏的有效控制,有着非常重要的工程实际意义。本文采用悬臂梁法对玻璃纤维和碳纤维复合材料进行阻尼测试;同时用Adams-Bacon法和Ni-Adams法对实验结果进行了分析。结果发现:玻璃纤维、碳纤维复合材料的损耗因子峰值均出现在纤维角度30°附近;载荷低频段时材料的阻尼性能优于高频段时的阻尼性能。     

基于任意四边形单元的约束阻尼板的模态分析

约束层阻尼技术目前广泛应用于薄壁结构的减振降噪中,关于约束阻尼板的有限元分析基本采用矩形或三角形单元,但用于模拟不规则形状结构时,会带来形状拟合上的困难或精度上的不足。基于离散Kirchhoff理论和Layer-wise层合板理论,利用Hamilton原理推导了约束阻尼板的任意四边形单元,并在此基础上考虑粘弹性材料本构的频率相关性,给出了约束阻尼结构复特征值问题的迭代求解算法。数值算例对不同形状的约束阻尼板结构进行了模态分析,通过与解析解、实验结果及有限元结果的对比,表明了本文单元的有效性和对不规则形状结构的适用性。     

基于遗传算法的建筑结构最优阻尼研究

为了确定建筑结构的最优阻尼,本文采用了具有鲁棒性的临界激励法。使用临界激励法时,频率作用区问较难确定,为此,本文通过模态变换以减少高阶频率的影响,这样可以简化频率作用区间的搜寻。在保证结构抗震效果的前提下,为进一步减少结构总的阻尼增量并使优化算法简单可行,本文引入实代码遗传算法。此外,通过实例分析可知,底部楼层阻尼取较大的值是有利的。     

非比例阻尼体系等效Rayleigh阻尼模型时域计算方法

Rayleigh阻尼模型具有数学简易性的优点，应用广泛，其阻尼矩阵构造依赖于结构模态阻尼比。结构阻尼(复阻尼)模型的阻尼矩阵直接由材料损耗因子和刚度矩阵决定，在非比例阻尼体系中具有阻尼矩阵便于构造的优点，但存在时域计算结果发散、初值条件不易确定和频响函数非因果等缺陷。本研究结合两种阻尼模型的优点，分别依据阻尼衰减和阻尼耗能，提出了与结构阻尼模型等效的Rayleigh阻尼模型。算例分析结果表明：等效Rayleigh阻尼模型克服了结构阻尼模型的缺陷，同时保留了非比例阻尼体系中阻尼矩阵易构造的优点；与基于阻尼衰减等效的Rayleigh阻尼模型相比，基于阻尼耗能等效的Rayleigh阻尼模型计算结果近似相等，但避免了复模态分析，且计算过程直观简单。     

颅脑受撞击时的动态光弹性应力分析

对模拟人颅脑的矢状面、冠状面光弹性模型，在５个不同位置分别施加相同的撞击载荷，获得了应力波在其中的传播和分布规律，给出了应力集中的部位及其数值，为分析颅脑损伤机理提供了若干实验依据。     

人颅骨应力应变分布的实验研究

本文给出了人颅骨在颅顶受压时用电测法得到的应力——应变分布。文中叙述了直角应变花的布置、粘贴、温度补偿以及载荷和约束的处理,给出了在80kg静载荷作用于颅顶时各测点实测线应变值,得出了沿经线方向线应变为负值,沿纬线方向线应变为正值,45°方向线应变小于经线和纬线方向应变一般规律,计算得出两个主应力值并与有限元计算结果对比,同时得到最大主应力方向与经线夹角小于25°一般规律。颅骨在颅顶受静压力400Kg时破坏,最先破坏部位为蝶额缝与蝶鳞缝区域。     

爆炸冲击波作用下颅脑损伤机理的数值模拟研究

爆炸引起的颅脑损伤已经成为现代战场单兵的主要致伤形式，而相关的致伤机理尚未完全阐明。本文中，针对头部在爆炸冲击波作用下的动态响应及相关致伤机理进行了数值模拟研究。首先，基于颅脑的核磁共振切片建立了人体头部三维数值模型，该模型真实地反映了颅脑的生理特征与细节构造；利用该模型对人体头部碰撞实验进行数值模拟，模拟结果与实验结果吻合良好，验证了头部模型的有效性。在此基础上，基于欧拉-拉格朗日耦合(Euler-Lagrangian coupling method，CEL)方法发展了爆炸冲击波-头部流固耦合模型，对头部受到爆炸冲击波正面冲击工况进行了数值模拟，分别从流场压力分布、脑组织压力、颅骨变形与加速度等方面对头部动态响应过程进行了分析。爆炸冲击波峰值压力在流固耦合作用下增大为入射波的3.5倍，致使受到直接冲击处的颅骨与脑组织发生高频振动，相应的振动频率高达8 kHz，这与碰撞载荷下的脑组织动态响应是完全不同的。同时，该处颅骨的局部弯曲变形会沿着颅骨进行“传播”，影响着整个颅骨的变化构型，从而决定了脑组织压力与损伤的演化过程。     

RESEARCH ON MICRO-STRUCTURE AND ENERGY ABSORPTION MECHANISM OF THE HUMAN SKULL BONE 1)

头盖骨对于维持生命安全至关重要。作为一种多孔夹芯结构,头盖骨由密质骨面板和松质骨芯子构成。本文通过头盖骨截面与冲击物相互作用,并基于能量守恒定律分析了人头盖骨能量吸收随着冲击速度的变化规律,给出了头盖骨在不同冲击速度下的破坏形貌图。通过头盖骨截面的失效面积,反映出结构的吸能特性。     

Human Head-Neck system: The effect of viscoelastic neck on the eigenfrequency spectrum

Summary The present study is concerned with determining the dynamic characteristics of the human head-neck system which is described as a fluid-filled spherical cavity supported by a viscoelastic neck reacting in three dimensions. The material of the skull is assumed to be a homogeneous, isotropic, elastic material, and that of the brain-cerebrospinal fluid as an inviscid irrotational fluid. The neck is approximated by a three-element viscoelastic model, the constants of which are computed by using experimental data. The obtained results show that the viscoelastic properties of the neck affect only the first two eigenfrequencies and the corresponding damping coefficients, while the remaining spectrum remains unchanged. Received 18 December 1997; accepted for publication 23 April 1998     

Stresses in a human skull due to pulse loading

Summary Assuming the human skull to be an isotropic homogeneous viscoelastic prolate spheroidal shell and the brain to be a homogeneous viscoelastic fluid, the stresses in the skull due to three various types of pulse loading for different load-durations have been reported in the present paper.

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übersicht Unter der Annahme, da? die menschliche Sch?deldecke als isotrope, homogone, viskoelastische, flache sph?roidische Schale und das Gehirn als homogene, viskoelastische Flüssigkeit aufgefa?t werden k?nnen, werden in der vorliegenden Arbeit die Spannungen im Sch?del infolde dreier veschiedener Arten von Impulsbelastungen mit unterschiedlicher Lastdauer dargestellt.

     

Determination of mechanical properties of the bones of the skull

This paper presents the initial results of a research project concerning the mechanism of head injury. In order to begin to define the mechanism, it is necessary to determine mechanical properties of the various skull bones, organize them into constitutive equations, and develop a structural model of the skull. The material presented is concerned primarily with the development of experimental procedures and the results which have been obtained. The specimen-testing program has been split into four parts: (1) The procural of 3/4-in. and 11/2-in.-diam plugs from human skulls at autopsy and the precise determination of specimen location and orientation; (2) the fabrication and strain gaging of small test specimens for basic tension, compression, tension-compression, and shear tests; (3) the conducting of tests; and (4) the correlation of experimental findings with microscopic structure by standard and nonstandard techniques of histology.     

Stresses in the human head generated due to thermogenesis

Of concern in the paper is a study of the stresses in a human head, developed due to thermogenesis. As in most of earlier studies, the human head is modelled as an elastic spherical shell. The temperature at any point of the skull has been considered to be a function of both the radial and angular coordinates. The analysis is carried out for a general power law variation of the heat produced in the head, so that the derived expressions can be used to study the response due to different environmental temperatures. The applicability of the analysis has been illustrated through an attempt to compute the stress-variation at different angular distances.     

Magnetic Resonance Measurement of Transient Shear Wave Propagation in a Viscoelastic Gel Cylinder

A magnetic resonance measurement technique was developed to characterize the transient mechanical response of a gel cylinder subjected to angular acceleration. The technique employs tagged magnetic resonance imaging (MRI) synchronized to periodic impact excitation of a bulk specimen. The tagged MRI sequence provides, non-invasively, an array of distributed displacement and strain measurements with high spatial (here, 4 mm) and temporal (6 ms) resolution. The technique was validated on a cylindrical gelatin sample. Measured dynamic strain fields were compared to strain fields predicted using (1) a closed-form solution and (2) finite element simulation of shear waves in a three-parameter “standard” linear viscoelastic cylinder subjected to similar initial and boundary conditions. Material parameters used in the analyses were estimated from measurements made on the gelatin in a standard rheometer. The experimental results support the utility of tagged MRI for dynamic, non-invasive assays such as measurement of shear waves in brain tissue during angular acceleration of the skull. When applied in the inverse sense, the technique has potential for characterization of the mechanical behavior of gel biomaterials.     

考虑人体耦合作用的结构竖向隔振研究

结构在环境振动或地震作用下的竖向振动不容忽略,有必要采取竖向隔振装置进行减振控制。考虑人体与结构耦合作用后不仅使隔振动力模型更加真实,还可以直接获得人体的动力响应。采用碟形弹簧支座对结构进行基础竖向隔振,并根据国际标准ISO5982规定的不同姿势下的人体动力模型,建立了考虑具有非经典阻尼的人与隔振结构耦合运动方程,利用复模态分析实现了方程的解耦,通过算例分析了竖向隔振以及人体作用对结构响应的影响。结果表明:对于一般的质量和刚度分布均匀的结构,人体对结构具有微弱的减振作用。碟形弹簧支座可以显著地降低结构的竖向振动并改善居住舒适度。