爆炸冲击作用时间差对盆骨和腰椎的损伤研究

为研究爆炸冲击环境下车内乘员小腿和座椅所受垂向冲击时间差对乘员盆骨和腰椎损伤的影响,利用Hyperworks和LS-DYNA进行建模和仿真分析,并结合小腿冲击试验和座椅跌落试验开展研究。分析结果表明:乘员小腿和座椅安装点单独受冲击时盆骨加速度、动态响应指数和腰椎z向力会分别产生正向和负向的峰值,但同时作用并控制冲击时间间隔时并不会出现正负峰值相抵消的现象;小腿和座椅安装点不同时受冲击时会加重乘员盆骨和腰椎损伤,且小腿先受冲击时损伤程度较座椅安装点先受冲击时严重。     

高速列车追尾碰撞时乘员头颈部损伤力学响应与风险评估

基于代表我国50th百分位男性人体特征的假人模型,构建了列车-假人一体化被动安全性仿真分析有限元模型,分析了列车追尾碰撞过程中乘员的运动姿态,探讨了乘员头/颈部的生物力学响应特征,揭示了座椅排次对乘员头/颈部损伤响应的影响机制,建立了基于生物力学参数的乘员头/颈部损伤风险预测模型。结果表明：追尾列车中乘员面部与前排座椅的碰撞接触可能会引起原发性脑干损伤,乘员颈部前/后弯曲均会导致下颈部颈椎出现较大应力,而颈部前/后弯曲分别导致上颈部和下颈部椎间盘出现较大应力;现有标准中规定的N_ij耐受限值会显著低估列车追尾碰撞中乘员颈部的损伤情况。     

基于正面碰撞实验的胸部损伤有限元分析

安全带的逐步使用极大地提高了车内乘员的安全性,但最近的交通事故研究表明,在正面碰撞工况下,乘员胸部损伤的防护效率还需要进一步提升.利用已验证生物逼真度的人体有限元模型和PMHS(post mortem human subjects)实验结果,建立配有安全带的乘员有限元分析模型,研究在不同碰撞工况下安全带定位设计参数对胸部变形量和肋骨应力应变响应等损伤相关物理参数的影响,并提出在安全设计中为改进防护效率,有效减少胸部损伤风险的一种虚拟试验方法.参考PMHS实验,基于全球人体有限元模型建立了一个基准佩带有限元人体模型,结合实验中测试的运动学响应、安全带的拉伸力和胸部变形量指标验证其生物逼真度.通过参数分析研究正面碰撞中安全带高度位置、安全带角度和碰撞速度对乘员胸部损伤的影响.结果表明胸廓应力应变分布及胸部变形量对安全带的高度位置更加敏感,基于安全带设计参数变化预测的胸部变形量宏观指标和应力应变的微观指标的变化趋势一致.对乘员安全带相关的胸部损伤研究提供虚拟设计分析方法,相关胸部损伤机理的研究结果可为今后约束系统的优化设计提供参考.     

航空飞行器驾驶员座椅抗坠毁性能分析

抗坠毁性能是指在可生还的坠毁事故中通过飞行器结构变形或破坏达到保护乘员安全目的的能力.因此抗坠毁性能是飞行器结构设计的重要方面.目前关于飞行器座椅抗坠毁性能的研究主要采用的是简化的座椅模型,并且主要针对的是乘员座椅结构.论文以驾驶员座椅为研究对象,对其数值模拟方法和抗坠毁性能开展研究.基于实际驾驶员座椅几何模型,建立了座椅的有限元模型.基于建立的有限元模型,对座椅静强度和动强度进行研究.静态载荷包括前向、侧向、向下、向上和向后五种情况.向前9g载荷是最危险的工况.动态冲击载荷则包含了斜向下30度夹角的14g冲击载荷和前向10度夹角的16g冲击载荷.支撑杆两端在冲击过程中遭到了破坏.     

垂向冲击下穿戴装备对乘员损伤影响研究

军事人员在战斗中需要穿戴装备,穿戴装备后对车内乘员承受车辆底部爆炸垂向冲击时的损伤有影响。通过垂向冲击试验与仿真模拟的方法,研究了穿戴装备在身上的分布对于乘员损伤的影响。根据AEP55乘员伤害准则,以盆骨z向加速度和腰椎轴向力为乘员损伤的参考目标,首先通过垂向冲击试验的进行,研究了不同穿戴装备质量对于乘员损伤的影响;接着通过有限元模型对试验进行验证和优化,进而研究穿戴装备位置与松紧度对于垂向冲击下乘员损伤的影响。结果表明随着穿戴装备质量的增加,乘员腰椎损伤加重,脊柱损伤概率减小;装备分布在躯干位置越靠近上部,与身体接触松紧度越紧,乘员腰椎与脊柱的负荷越小,越不易受伤。     

乘员股骨在轴向压力--弯矩下的损伤生物力学机理研究

汽车前碰撞事故中在冲击力作用下乘员股骨经常产生骨折创伤.为研究乘员股骨在不同的轴向压力--弯矩作用下的损伤机理及其耐受限度值,首先建立了一个较为精细的50百分位乘员的坐姿下肢有限元模型,并通过模拟股骨动态三点弯曲及下肢的轴向膝部冲击实验对模型的有效性进行了验证.在此基础上,针对股骨在轴向压力--弯矩载荷下的断裂失效分别进行了曲梁力学模型分析及有限元虚拟实验研究.结果表明:股骨骨折位置依赖于膝部轴向压力及弯矩的载荷大小的变化,在预加载弯矩从0增加到676Nm时,股骨失效部位由股骨颈部转移到股骨干末端区域;失效部位发生在颈部及股骨干时的最大力矩分别为285～296Nm和381～443Nm.股骨损伤机理的分析结果阐释了在膝部轴向冲击实验中失效部位位于股骨颈部,而在汽车前碰撞事故中仍有大量的股骨干骨折出现的原因.     

BIOSID Dummy撞击实验的计算机模拟研究

给出了一个BIOSIDdummy侧撞有限元模拟结果 ,和实验结果比较验证后可知该模型是可靠有效的。这一模型不仅可以用于任何侧撞情况下车辆乘员损伤防护模拟的研究 ,而且也可用于dummy本身的改进发展。     

空间稳定惯性导航系统参数的姿态误差标校法

为提高空间稳定惯性导航系统的姿态精度,利用姿态误差进行系统级参数标定和校准.首先,给出了姿态误差模型,考虑陀螺漂移、加速度计误差、壳体翻滚失准角、安装误差和框架角零偏的影响;接着,利用姿态误差模型进行可辨识性讨论和分析,总结出能分离的参数和标定方法,并据此设计试验方案.获得姿态误差后,结合最小二乘法和姿态误差模型进行系统级参数标定和校准,结果表明,参数标定误差小于15％的姿态精度指标,校准后,纵横摇角和航向角精度提高了60％和40％.     

新一代大射电望远镜馈源舱索支撑系统的优化设计

基于对馈源舱姿态由40°增加到60°的设计要求,本文首先将原来的等高塔改成两组不等高塔,这对确保馈源舱60°姿态角的实现起到了关键作用。其次,对舱索支撑系统进行了优化设计。设计参数包括索与馈源舱的连接点坐标、索横截面积、塔高等物理量,约束函数为平衡方程、材料强度及边界条件,目标是使索张力差最小。再者,增加平衡重,且平衡重离舱顶端距离可在整个工作空间内实时改变,这不仅有利于舱姿态角的实现,而且可使索张力差进一步减小。最后,通过大量的数值计算和LT5m实验,结果证明了本文所提模型方法和措施的可行性与有效性。     

利用地磁与红外辐射融合的姿态估计方法

针对目前导航控制系统多元化、新型化、低成本的要求,提出了一种利用地磁与红外辐射融合的姿态估计方法。在分析地球红外辐射场的组成及其产生机理的基础上,采用普朗克黑体辐射定律构建红外传感器的姿态测量模型,并将其与地磁三分量姿态测量模型结合,推导了红外与地磁复合的姿态测量模型。基于推导出的红外与地磁复合测量模型,设计了自适应扩展卡尔曼滤波切换姿态估计算法。研制了红外与地磁复合姿态测试系统的半实物装置,利用三轴转台开展了半实物验证实验。所提出的方法在加入红外屏蔽的情况下能够迅速进行调整,将俯仰角、横滚角、航向角估计误差分别保持在±1°、±1.5°、±1.5°以内。该姿态估计方法大大降低了姿态角的估计误差,表明红外与地磁复合的测姿方法有效可行,抗干扰能力较强。该方法适用于旋转弹体的姿态估计。     

圆柱形钨破片撞击铝靶时的跳飞临界角

采用理论计算、数值模拟与实验相结合的方法,研究了直径5.7 mm、长6.7 mm的圆柱形破片以800~1 200 m/s的速度撞击2~10 mm厚铝靶时的跳飞特性。建立了破片斜侵彻有限厚靶板的跳飞临界角理论模型,计算得到破片跳飞临界角与破片入射速度、靶板厚度的关系,并与模拟值、实验值对比,三者吻合较好。结果表明:破片撞靶速度相同时,随着靶板厚度的增加,破片的跳飞临界角减小。靶板厚度相同的情况下,在所计算的速度范围内,入射速度越大,破片跳飞临界角越大。速度在800~1 200 m/s时,破片撞击2 mm厚靶板的跳飞临界角为81°~81.25°;撞击4 mm厚靶板的跳飞临界角为72.5°~76.25°。     

钨球对高硬度钢斜侵彻效应

为研究高硬度钢板抗不同着角钨球的侵彻性能及破坏模式,通过弹道枪进行了?8 mm、?11 mm钨合金球形破片以0°、20°、40°着角撞击厚度为6 mm、8 mm的高硬度钢板试验,得到了极限贯穿速度v₅₀;分析了钨球轴向径向变形及靶板失效模式与撞击速度的关系,发现高硬度钢板失效模式主要为压缩开坑破坏和沿厚度方向剪切破坏。采用有限元方法对试验进行了模拟,验证了数值模型及参数的合理性,并运用数值模拟方法研究了撞击着角对靶板吸能模式影响,结合试验数据,修正已有极限贯穿速度计算公式。结果表明:随侵彻着角增大,极限贯穿速度提高,且着角越大,极限贯穿速度增长越快;随着角增大,靶板吸能模式逐渐由压缩开坑向剪切冲塞过渡,且着角大于50°时,剪切冲塞耗能将超过压缩开坑耗能;修正后极限贯穿速度计算公式适用范围更广、精度更高,具有较好工程应用价值。     

轮胎破片冲击机身的非等比例相似模型研究

为降低机身结构抗冲击性能的实验成本,利用相似理论建立机身的非等比例缩放模型,开展模型实验是行之有效的方法。基于量纲分析的方法,建立Johnson-Cook线性应变率函数的修正关系;鉴于生产制造技术的限制,考虑扭曲厚度的非等比例机身模型对相似性行为的影响,采用指数函数法建立了非等比例模型的相似修正关系。通过对比实验中破片冲击过程的变形形态、靶板的应变时间历程曲线和最终变形轮廓,验证了数值模型的有效性。此外,分析了破片偏航姿态、机身材料、厚度和质量等因素对机身结构抗冲击性能的影响。结果表明:(1) 150 m/s的冲击速度下,破片冲击角度90o和着靶角度180o是最严苛的冲击条件。综合多种因素,分析认为3.5 mm厚的钛合金为机身结构的最佳选择,并以此作为全尺寸原型验证相似模型;另外,提出了一种可以快速获取缩比模型的设计方法。(2)应变率效应对轮胎破片冲击机身结构的影响并不显著,等比例缩放模型与原型结果吻合较好。(3)厚度扭曲的非等比例模型能够有效地预测原型结构的变形行为;虽然,在时间尺度上,模型与原型存在一定的偏差;但是,在空间尺度上,非等比例相似模型能够有效地修正扭曲厚度造成中心最大挠度的预测误差,修正后的最大误差不超过5.1%,这表明该方法能够有效地指导机身结构的相似模型设计。     

细颈倾角对挠性接头力学性能影响分析

为确定某单平衡环挠性接头的最佳细颈倾角,对挠性接头进行了力学性能分析。首先给出了挠性接头的离散动力学模型,然后利用ANSYS仿真分析软件对不同细颈倾角结构的挠性接头进行了抗冲击能力和等刚度的力学性能分析,得出了细颈倾角在30°～60°范围内的冲击响应和等刚度性能。最后结合两种力学性能分析可知:当细颈倾角为44°时,该挠性接头在加速度幅值为40g、脉宽为11ms冲击条件下的轴向最大响应应力为448MPa,径向最大响应应力为584MPa;在该倾角情况下挠性接头由不等刚度造成的g2项误差优于0.06(°)/h。综合两方面的性能指标可最终确定挠性接头的最佳细颈倾角为44°。     

过渡层对锆/钢爆炸复合板剪切强度的影响

为了考察钛作为过渡层提高锆/钢复合板结合强度的有效性,同时给出合理的爆炸焊接碰撞参数,对双层锆/钢和三层锆/钛/钢进行了小倾角法爆炸焊接实验研究。借助金相显微技术测量了复合板结合界面的波形参数,采用光滑粒子动力学法模拟得到了不同位置的碰撞速度和碰撞角,并按照国家标准(GB/T 6396-2008)测量了复合板结合界面的爆炸态及退火态的剪切强度。结果表明:钛作为过渡层能够显著提高锆/钢界面的剪切强度;退火消除加工应力后,锆/钢及钛/钢结合面的剪切强度会有所降低;当锆/钛界面的碰撞速度为734~805 m/s,碰撞角为19.8°~20.8°,钛/钢界面的碰撞速度为803~904m/s,碰撞角为19.5°~20.5°时,锆/钛/钢三层复合板的锆/钛和钛/钢界面的剪切强度都能高于140 MPa。     

层状岩体力学特性模拟实验研究

对层状岩体变形特性和强度特性的正确认识,合理选取其变形和强度参数,是水电站等大型岩体工程论证与设计需要解决的关键问题.为此,利用模拟实验对层状岩体的变形特性和强度特性进行了研究,得到了模拟试样的变形模量和强度随试样所含节理数、轴向应力与节理面间的夹角和围压之间的变化关系.结果表明:当最大主应力与节理面间的夹角由0°增加...     

乘波体前体/进气道一体化设计研究

为了研究乘波体几何外形参数和飞行参数对前体/进气道一体化设计的影响,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,以马赫数Ma=6和攻角α=0为设计状态、进气道总压恢复系数和前体阻力系数为目标函数,对乘波体前体/进气道进行了优化设计,并在此基础上研究了攻角、马赫数、前缘半径、前体宽度对气动参数的影响。结果表明:该乘波体前体/进气道构型具有良好的攻角特性,总压恢复系数比基准构型提高17.79%,阻力系数比基准构型降低78.5%,符合高超声速飞行器高升力、低阻力的要求,且非常适合小攻角高超声速巡航飞行;为了得到较高升阻比的前体,在前缘半径R≤2mm的范围内进行流场反设计时,可以将设计马赫数的取值比预期低一些。     

磁场对多孔介质方腔内空气热磁对流的影响

数值分析了微重力下圆形载流线圈倾斜时多孔介质方腔内空气热磁对流. 磁场计算采用毕奥--萨伐定律求解; 动量方程与能量方程分别采用达西模型与局部热非平衡模型求解. 计算结果表明随着磁场力数\gamma 数和Da数的增加, 方腔内对流变得越来越强. 线圈倾斜角x_{\rm euler}从0^\circ到90^\circ变化时, 对流结果关于x_{\rm euler}=45^\circ呈现对称分布. Nu_{\rm m}数随线圈倾斜角的改变而变化且每个工况下局部最大Nu_{\rm m}数出现在x_{\rm euler}=45^\circ. 局部最小Nu_{\rm m}数出现在x_{\rm euler}=0^\circ, 90^\circ.      

D型战斗部破片飞散性及威力场快速计算

破片威力场的快速计算是实现战斗部对目标快速评估的关键之一，本文中分别对型面宽度为 90°、120° 和 150° 三种 D 型战斗部的破片飞散规律进行实验和数值模拟研究，考察型面宽度和起爆模式对破片威力场的影响规律。结果表明:三种结构中包含 90% 破片的方位角分别为 21.16°、23.88° 和 30.08°；偏心线起爆和双端面偏心起爆，在 20° 方位角内破片总能量分别是周向均匀战斗部中心起爆能量的 3.4 倍和 3.3 倍；基于三种典型型面的破片威力场公式，通过构建二次插值函数获得其他型面战斗部的破片分布，为D型战斗部破片威力场的快速计算提供了一种有效方法。     

负泊松比蜂窝材料抗爆炸特性及优化设计研究

为了深入研究车辆底部防护组件爆炸冲击下的结构响应，提高防护型车辆的抗爆炸冲击性能，建立了某车辆底部防护组件在爆炸冲击下的有限元模型，并进行爆炸冲击台架试验验证了有限元模拟的可靠性；将内凹六边形负泊松比蜂窝材料作为防护组件的夹芯部分，分析负泊松比蜂窝材料在爆炸冲击下的变形模式，并对比了同等质量的其他3种防护组件的抗爆炸冲击性能。结果表明，含有负泊松比蜂窝夹芯的防护组件具有更优的抗爆性能。建立了以内凹六边形负泊松比蜂窝胞元尺寸参数为设计变量的多目标优化问题的数学模型，采用多目标遗传算法获得胞元几何参数的最优方案，有效降低了防护组件基板的最大挠度和最大动能。