人体上体系统振动生物力学模型研究

基于分析力学基本原理 ,结合人体上体系统实际状况 ,从动力学普遍方程推导了人体上体系 5自由度的振动生物力学模型。通过软件仿真 ,自动地生成动力学微分方程表达式 ,避免了复杂的人工推导 ;并通过数值分析 ,模拟了人体对不同振动类型的响应 ,研究了人体上体的振动特征。所得结果对说明人体坐姿式在振动环境下舒适性以及进一步研究有关人体的振动有一定的指导意义 ;利用提出的模型与仿真软件能够实现对座椅结构参数的优化。     

汽车液压阻尼器的四段线性化模型

通过对现有某车用液压阻尼器的实验研究和车辆悬架系统动力学仿真研究，发现这种阻尼器的动力学特性存在复杂的非线性行为。为准确描述这类阻尼器的动力学特性和进行汽车悬架系统的动力学仿真研究，本文根据阻尼器的实验数据，提出一种新型四段线性化阻尼器模型，并建立其相应的数学模型。通过汽车悬架系统的动力学仿真研究表明，采用四段线性化阻尼器模型，汽车悬架系统簧载质量在不同路面不平度函数作用下的加速度响应和均方根加速度响应随频率变化不会出现大的波动。与等效线性化阻尼器模型相比，四段线性化阻尼器模型，能较好降低汽车悬架系统簧载质量的加速度响应和均方根加速度响应，有利于提高汽车乘坐舒适性和行驶稳定性，并为新型阻尼器设计提供一个新的思路。     

高冲击载荷作用下弹载记录仪防护系统动力学响应特性

为了给弹载记录仪的防护设计提供依据，从机械振动的角度揭示了高冲击载荷作用下弹载记录仪防护系统的动力学响应机理。在分析弹载记录仪内部载荷传递关系的基础上，基于双自由度弹簧-质量-阻尼系统建立了一种简化的防护系统动力学响应模型，并开展了数值模拟，通过脉冲响应分析和谐响应分析辨识了模型参数。理论计算与数值模拟的对比分析结果表明:建立的动力学响应模型能较准确地预测高冲击载荷作用下弹载记录仪防护系统的动力学响应特性。在此基础上，以模型的幅频响应特性为依据，分析了防护系统动力学响应特性随各种参数的变化规律。研究结果可为更有效地指导弹载记录仪的防护设计提供依据。     

粘弹性阻尼器动力设计及其应用的实验研究

本文提出一种圆柱式剪切型粘弹性阻尼器，给出其具有结构阻尼特性的单自由度动力学系统模型，用正弦扫频实验技术实现了对阻尼器动力学特性的测量。通过实验，研究了粘弹性材料动态特性与阻尼器动力学特性的关系，并给出这种关系的数学表示，给出了这类阻尼器的设计方法和基本公式。实验结果表明，应用这种阻尼器可有效控制桁架结构的振动，实现对结构的阻尼控制。     

质量周期分布对偏心旋转环状结构自由振动的影响

工程实际中，某些旋转对称设计结构由于存在制造安装误差常呈现偏心旋转状态，进而影响结构稳定性.针对该类环状周期结构，考虑其偏心运动，研究附加质量周期分布参数以及偏心率对系统固有频率与动力稳定性的影响.首先，在环状结构上建立随动坐标系，利用Hamilton原理建立动力学模型.其次，采用经典振动理论求解系统的特征值，分析不同参数组合下的模态特性和不稳定性.最后，利用数值法计算系统的动态响应，并与解析结果进行对比.结果表明，当附加质量个数与波数满足一定关系时，固有频率发生分裂；对于不同的偏心率和周期分布特征，系统在不同转速下动力性能差异较大，适当提高偏心率、选取合适的附加质量个数及大小可有效抑制不稳定性.此研究有助于分析工程实际中该类结构的动力学稳定性，为其振动控制提供借鉴.     

一类滞回系统混沌振动的数值分析

在不同参数下,Brouc-Wen滞回模型使系统具有软或硬式响应特性,导致系统有非线性振动特性。利用数值方法,本文给出单自由度滞回系统 稳态振动最大振幅与频率之间的关系曲线。分析了滞回参数对硬式响应特性滞回振动系统的分叉与混沌的影响,发现一些新的现象。     

雨刮器非线性摩擦振动的稳定性与分岔特性

针对雨刮器建立2自由度非线性摩擦振动动力学模型,基于复模态理论计算复特征值并进行稳定性及其对刮刷速度的依赖性分析;通过数值计算分析摩擦振动对刮刷速度的分岔特性,并利用相轨迹、庞加莱映射、频谱特性分析不同刮刷速度下的非线性振动现象.研究发现:摩擦-速度特性的负斜率是导致系统不稳定的根本原因,增大刮刷速度有利于提高系统的稳定性;在高、低刮速区,随着刮刷速度的下降,系统振动形态遵循周期→准周期→混沌的演化规律,并会伴随显著的粘滑振动;仅高速区的周期振动和非振动条件下,刮刷时无附加的粘滑振动.     

含剪力销(锥)螺栓法兰连接结构非线性特性

连接结构广泛应用于航空航天、化工装备和核电站等大型工业装备中。对于轴弯剪组合作用下的连接结构,需要螺栓、法兰和剪力销的联合工作以抵抗外力。本文针对含剪力销(锥)的螺栓法兰连接结构的动力学问题开展研究,将该类结构抽象为三自由度的质量-双线性弹簧系统,建立非线性动力学模型的数学列式,并进行数值求解。重点研究该系统在横向冲击(剪力)下的动力学特性。通过理论分析与数值计算,指出该非线性系统存在3个方向自由度全耦合的振动现象,并阐述该系统自由度的解耦条件;对纵向振动与横向错动的耦合振动频率关系进行讨论并分析其相互联系;研究剪力销倾角对螺栓最大轴向拉力的影响规律并给出关系曲线,指出其最佳设计角度区间。     

基于并联机构的车辆座椅参数优化及性能分析

为进一步提升车辆座椅悬架的隔振性能,利用连杆弹簧并联机构,设计了一种具有准零刚度的非线性座椅;在对座椅参数进行加速粒子群算法优化后,建立了"人-座椅-车"七自由度集中参数耦合模型,完成了汽车在不同路面激励下的人体动力学响应仿真实验,对比分析了相同激励下线性座椅人体动力学响应。研究结果表明:参数经过加速粒子群优化算法处理的并联机构座椅满足汽车座椅设计国标GB 15083—2006和行标QC/T 740—2005要求;该座椅具有准零刚度特性,在各种路面激励下均能保持较好的隔振效果,在随机路面激励下并联机构非线性座椅悬架系统的人体各部位加速度均方根值下降了86%,位移均方根值下降了38%。     

输流管道动力有限元建模及实验研究

在输流管道系统中由结构-流体相互耦合作用导致的管道振动对工业生产的安全性、经济性具有重要影响。工程中常用有限元中的管单元建立管道动力学模型，用附加质量法或顺序耦合方法进行输流管道系统的动力学分析，这种建模和分析方法可能会造成管道中结构-流体相互耦合效应的缺失。本文搭建了输流管道系统的实验平台，分别在管道无水和充水两种状态下进行管道系统模态实验，并将实验结果分别与所建立的无水管道有限元模型和充水管道流固耦合模型分析结果进行了对比，验证了壳单元及实体单元管道动力学模型的合理性。通过实验和数值分析研究其动力特性发现：壳单元动力学模型更合理准确，管道系统由于流固耦合作用的影响产生了新的振动形态；附加质量法分析结果缺失了系统的某些低阶模态，表明了输流管道系统流固直接耦合动力学建模的必要性。     

Fuzzy Logic Control of Seat Vibrations of a Non-Linear Full Vehicle Model

In this paper, the dynamic behavior of a non-linear eight degrees of freedom vehicle model having active suspensions and a fuzzy logic (FL) controlled passenger seat is examined. The non-linearity occurs due to dry friction on the dampers. Three cases of control strategies are taken into account. In the first case, only the passenger seat is controlled. In the second case, only the vehicle body is controlled. In the third case, both the vehicle body and the passenger seat are fully controlled at the same time. The time responses of the non-linear vehicle model due to road disturbance and the frequency responses are obtained for each control strategy. At the end, the performances of these strategies are compared.     

履带车辆路面激励响应的简化计算

为了快速计算履带车辆在路面不平度激励下的动力学响应,基于合理假设采用理论力学方法建立了某履带车辆的简化动力学模型,用ADAMS 软件建立了同种工况下的履带车辆动力学模型,并把两种模型的求解结果进行了对比,验证了简化模型的合理性. 研究结果为基于简化模型的动力学方程对车辆悬挂系统进行优化和逆动力学分析奠定了基础.     

基于DRBF-EKF算法的车辆质心侧偏角与路面附着系数动态联合估计

车辆质心侧偏角和路面附着系数是实现车辆底盘智能化所需要的关键参数. 车辆质心侧偏角对于提高车辆安全性和操控性至关重要, 轮胎-路面附着系数决定轮胎力的峰值, 进而确定汽车的动力学稳定性边界. 本文针对四轮独立驱动电动汽车提出了一种基于惯性测量单元、轮毂电机内置转速/转角传感器的车辆质心侧偏角和路面附着系数动态联合估计方法. 对四轮独立驱动电动汽车进行车辆动力学分析, 结合Dugoff轮胎计算模型得到车辆质心侧偏角估计器; 利用机器学习中高维数据降维PCA多元分析方法, 提取主元特征参数, 建立路面附着系数估计器. 采用可自适应调节网络结构的双径向基神经网络和扩展卡尔曼滤波DRBF-EKF方法, 通过K-means算法改进RBF神经网络结构, 扩展卡尔曼滤波进行噪声滤波提高估计精度, 实现车辆质心侧偏角和路面附着系数的动态联合估计. 通过仿真和实车实验表明, 所设计的DRBF-EKF动态联合估计器实时性和估计精度均优于扩展卡尔曼滤波算法, 可以适应车辆行驶过程中路面附着特性与车速的变化, 表现出较强的鲁棒性; 与DRBF方法相比, 显著提高了估计精度; 并且分析了可以同时满足估计精度和实时性要求的最佳隐含层神经元个数.      

Autocorrelation model of road roughness

Road surface roughness is the excitation source for the dynamic response of a moving vehicle system. Driving comfort is indicated by either the driver absorbed power level or the vehicle vertical acceleration level. An autocorrelation function model for road roughness is proposed to specify the road surface random characteristics. Subsequently, the power spectral densities (PSDs) for both road roughness and vehicle response, the driver-absorbed power level, are formulated. A road quality index (RQI) in accordance with such energy considerations is defined to catalog the road grade. The laboratory test results show the applicability of the RQI method for road classification using the ISO criteria as a comparison check.     

An optimization method designed to improve 3-D vehicle comfort and road holding capability through the use of active and semi-active suspensions

The primary purpose of this paper is to analyze the effects of vibrations on the comfort and road holding capability of road vehicles as observed in the variation of different parameters such as suspension coefficients, road disturbances, and the seat position. This study required the development of a mathematical model to simulate the dynamic behavior of a 3-D vehicle. With this model, various types of non-linear suspensions such as active and semi-active suspensions may be investigated. The results obtained from the simulation of the 3-D vehicle demonstrate that the use of active and semi-active suspension models on road vehicles prove to be beneficial for comfort without unduly compromising road holding capability.     

A spatial motion analysis model of tracked vehicles with torsion bar type suspension

A spatial motion analysis model for high-mobility tracked vehicles was constructed for evaluation of ride performance, steerability, and stability on rough terrain. Ordinary high-mobility tracked vehicles are equipped with independent torsion bar type suspension system, which consists of road arms and road wheels. The road arm rotates about the axis of torsion bar, and rigidity of the torsion bar and cohesion of damper absorb sudden force change exerted by interaction with the ground. The motion of the road arms should be considered for the evaluation of off-road vehicle performance in numerical analysis model. In order to obtain equations of motion for the tracked vehicles, the equations of motion for the vehicle body and for the assembly of a road wheel and a road arm were constructed separately at first. Two sets of equations were reduced with the constraint equations, which the road arms are mechanically connected to the vehicle body. The equations of motion for the vehicle have been expressed with minimal set of variables of the same number as the degrees of freedom for the vehicle motion. We also included the effect of track tension in the equations without constructing equations of motion for the tracks. Numerical simulation based on the vehicle model and experiment of a scale model passing over a trapezoidal speed bump were performed in order to examine the numerical model. It was found that the numerical results reasonably predict the vehicle motion.     

考虑胎路多点接触的电动汽车?路面耦合系统振动分析

轮毂电机驱动电动汽车的簧下质量大, 使得轮胎动载荷增加, 且电机激励进一步加剧车轮振动. 同时, 轮胎与路面单点接触的简化模型, 其动力学计算结果与实际存在差别. 鉴于此, 考虑电机的电磁激励、胎路多点接触和非线性地基, 建立了电动汽车?路面系统机电耦合动力学模型, 通过Galerkin法推导了非线性地基梁的垂向振动, 利用积化和公式推导了非线性地基梁中非线性项积分的精确表达式, 提出了路面截断阶数选取的简易方法, 并通过路面位移响应的收敛性进行了验证. 在此基础上, 研究了胎路多点接触、非线性地基、电机激励、车速、路面不平顺幅值等对路面及车辆响应的影响. 结果表明, 非线性地基及多点接触对车辆响应的影响中, 轮胎动载荷的影响最大, 车身加速度和悬架动挠度的影响较小, 且考虑电机激励时, 二者对车辆响应的影响显著增大. 从对路面响应的影响看, 电机激励的影响最大, 非线性地基的影响次之, 多点接触的影响较小. 所建模型及研究方法可为电动汽车的垂向动力学分析提供一种新思路.      

THREE DIMENSIONAL MODELING AND DYNAMIC ANALYSIS OF FOUR—WHEEL—STEERING VEHICLES

The paper presents a nonlinear dynamic model of 9 degrees of freedom for four-wheel-steering vehicles. Compared with those in previous studies, this model includes the pitch and roll of the vehicle body, the motion of 4 wheels in the accelerating or braking process, the nonlinear coupling of vehicle body and unsprung part, as well as the air drag and wind effect. As a result, the model can be used for the analysis of various maneuvers of the four-wheel-steering vehicles. In addition, the previous models can be considered as a special case of this model. The paper gives some case studies for the dynamic performance of a four-wheel-steering vehicle under step input and saw-tooth input of steering angle applied on the front wheels, respectively. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (59625511)     

人车路系统三维耦合振动分析及舒适度评价

基于将车身视作三维弹性梁、车轮为刚性体的全车模型,人体采用坐姿并联动力模型,路面简化成Kelvin地基上的板,通过轮胎的刚性滚子接触模型将车辆与路面耦合在一起,建立起考虑人车、车路耦合作用的用于评价车辆乘坐舒适度的三维人车路耦合系统振动模型,并推导出其运动平衡方程；通过Galerkin法对路面方程进行离散,采用New-mark积分法对耦合系统方程组进行求解,对人车路系统振动响应进行了分析；采用人体加权振动加速度均方根值对车辆乘坐舒适度进行评价,并对系统各参数对车辆乘坐舒适度的影响进行探讨.数值分析表明:传统模型下车辆乘坐舒适度指标与本文模型的指标相差最高可达到约30％；在分析车辆振动响应及乘坐舒适度时,不能忽视车辆与路面、人体与车辆相互作用,系统各参数对车辆乘坐舒适度都有一定程度的影响.