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.     

基于连续体损伤理论的硼钢高温成形极限确定法

为了应对节能减排及汽车安全性的双重要求,先进高强钢的开发和应用受到愈来愈高的重视. 超高强度钢板热冲压成形技术是减轻车身重量、提高汽车抗冲击和防撞性能的重要途径,目前已经成为世界汽车制造行业的热门技术. 成形极限是硼钢热冲压成形过程中一个非常重要的表征参数,但由于高温半球形凸模胀形试验(Nakazima) 的复杂性造成实验测试面临诸多困难. 针对硼钢热冲压成形过程特点,提出将韧性损伤模型与有限元数值模拟技术结合起来预测硼钢高温成形极限的方法. 在连续体损伤力学基础上,建立了考虑有效应力和等效塑性应变对微孔损伤影响的勒迈特(Lemaitre) 韧性损伤演化方程,在损伤耗散势函数中引入了等效塑性应变因子,从而寻找到能够准确反映硼钢在奥氏体状态下的成形特性的勒迈特耗散势函数. 选取基于遗传算法的基于非支配排序的多目标优化算法(NSGA-II) 与有限元分析软件“FORGETM” 相结合的方法优化韧性损伤模型中材料的损伤因子,并利用优化后的损伤因子准确预测到板料成形过程的拉伸失稳和断裂现象. 将建立的韧性损伤模型引入到硼钢高温半球形凸模胀形有限元仿真模型中,通过预测的成形极限与实验测定结果的比较,验证了所提韧性损伤模型预测硼钢高温成形极限的可靠性.      

头部与大挠度弹性板的撞击响应特性分析

在行人与汽车碰撞的研究中，头部-汽车发动机罩撞击损伤是重要的内容．把此问题简化为柔性球体与大挠度弹性板的大变形撞击响应问题，采用有限元方法分析了头部与汽车发动机罩撞击的动态响应特性，得出了相关因素对撞击响应的影响特点，并提出了具有行人保护作用的发动机罩的设计原则．为非线性动态响应力学问题的研究提供参考．     

过载性损伤与防护生物力学

损伤与防护生物力学(injury and protection biomechanics)是研究生物组织或器官损伤机理及其防护方法的一门交叉性学科,属于现代生物力学的重要分支.其研究目标是降低载荷环境下组织或器官的损伤程度,主要内容包括载荷造成生物组织和器官的损伤机制、损伤耐受极限以及损伤过程中的生物力学动态响应、如何改善组织和器官所处的力学环境降低其损伤程度、有效的防护装备优化设计思路.高过载性载荷由于其作用短时性和爆发性具有较高致命性, 因此,人在过载环境下的抗损伤能力已越来越成为航空器研制、汽车性能提升、运动员竞技能力提升与充分发挥的瓶颈;尤其是更快、更灵活新型飞机的出现,超音速弹射救生、大过载高增长率的机动飞行防护等问题向损伤与防护生物力学研究提出了新的挑战,同时也为损伤与防护生物力学的发展提供了新发展机遇.随着科技不断进步,航空航天、交通事故、体育运动乃至日常生活中老年人跌倒等过程中人体冲击过载性损伤越来越呈现发生率高、防护效率低等问题,一方面由于人体耐限实验会造成损伤而难以获得真实数据,另一方面生物组织具有复杂非线性及黏弹性、可再生和重建特性,涉及到如何精准描述生物组织或器官的本构关系、组织解剖学特征与其力学特性之间相关性,建立不同尺度的组织或器官损伤机理与耐受极限、防护方法及防护装备设计准则.为此,本文将主要总结过载性损伤与防护生物力学的主要研究内容和研究方法,并在此基础上针对人体在复杂过载环境下的损伤类型、损伤机制(包括生物力学和力学生物学响应)、损伤耐限及防护方法进行回顾,包括近年来该领域国内外的主要进展, 并提出该领域发展趋势.过载性损伤与防护生物力学研究对于保障和提高复杂过载环境下人体安全性具有重要意义,可为解决航空航天、交通、体育运动中广泛涉及的骨肌多轴向损伤评价方法与标准制定提供科学依据,对指导防护装备优化设计具有重要理论价值,同时该方面研究在工程仿生材料和防护装备方面具有潜在实用价值和广阔应用前景.      

国际结构碰撞会议

国际结构碰撞会议(An International Conference and Exposition“Structural Impact and Crashworthiness”)由美国空军技术研究所、英国帝国理工学院、美国陆军、威斯特兰直升飞机有限公司发起,1984年7月16—20日于英国伦敦帝国理工学院举行。会议主要讨论:①汽车、飞机、火车的耐撞毁性;②船舶和海上结构的碰撞;③地面设施对飞机的碰撞、地震以及瞬时加载的防御;④在建筑物和飞行器中的敏感装置和隔离;⑤金属和复合材料的撞击破坏和损伤;⑥金属和复合成分的毁坏、损伤和残余强度的评定;⑦在充满液体结构中的液压冲击;⑧为最佳防御高速碰撞而设计的结构和人体装甲。会议主席为帝国理工学院航      

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.     

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381443Nm.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.      

汽车发动机链条的多次冲击磨损特性研究

通过发动机总成和汽车道路行驶试验,研究了汽车发动机机油泵链的磨损机制,绘出了汽车链在不同试验工况下的磨损伸长曲线,阐述了汽车链主要零件的循环软化与循环硬化特性,通过微观分析研究了汽车链主要零件的磨损表面形貌和多次冲击疲劳裂纹,通过联结牢固度的压出力试验,分析了汽车链过盈配合零件间的微动磨损现象及其产生的原因.结果表明:销轴和套筒零件表层的裂纹生成、扩展与剥落是汽车链的主要磨损机制;在高载、高速及变速工况下滚子零件产生循环硬化现象,在正常载荷和速度下滚子零件产生循环软化现象;随着载荷和速度的提高,汽车链过盈配合表面的微动磨损加剧.     

汽车结构的动力响应计算

在时域内计算了汽车结构在不同类型路谱(地面不平度函数)激励下的位移、加速度和应力响应.汽车分割成包括车身、车架在内的悬挂部件和非悬挂部件,建立各部件的有限元动力结构模型,并计算其模态特性.通过子结构综合模态法,获得汽车结构的模态特性,进而计算汽车结构的位移、加速度和动应力响应时间历程.严重应力部位的分析结果与汽车试验台试验结果符合良好.     

微孔洞有核长大损伤演化模型研究

针对材料的层裂问题,从细观角度出发,提出微孔洞有核长大损伤演化模型假说。该模型包含损伤开始、演化和终止三个阶段,共有4个材料参数,分别是代表损伤开始发展的阈值应力的σ_0,损伤演化时损伤率对超阈值应力的依赖指数λ,损伤终止时材料发生层裂时的极限损伤D_c,和损伤持续的时间参数Ψ。通过对D6AC钢和45钢层裂实验进行计算分析,验证了本文提出的损伤演化模型假说的合理性。并结合试验,给出了模型中4个材料参数物理内涵、取值方法及影响规律。损伤发展的过程量λ对损伤影响最大,表明损伤演化过程并非简单的能量累积,其次是损伤阈值应力σ_0,极限损伤D_c和损伤持续的时间参数Ψ对损伤影响最小。     

一种基于材料韧性耗散分析的疲劳损伤定量新方法

依据疲劳过程中结构钢力学性能的变化规律,从反映疲劳损伤机理、对损伤过程表现敏感且便于实验测试等方面对上述材料弹性、塑性、强度和韧性等参量进行综合考察后指出,韧性是一个适合作为疲劳损伤表征的力学参量,并进一步建立了韧性随疲劳损伤演化的耗散模型。从交变载荷下材料韧性耗散规律出发,结合疲劳损伤的能耗过程分析,系统研究并提出了以韧性为基本参量的疲劳损伤变量、损伤临界值、损伤演化方程和累积损伤模型,据此建立了一种新的疲劳损伤定量方法,并在实验中得到了验证。通过与其它方法比较表明：根据韧性耗散定义损伤变量优于基于延性、强度和弹性模量变化的损伤度量方法,由此得到的累积损伤模型较Ｍｉｎｅｒ线性法则与Ｍａｎｓｏｎ双线性累积损伤法则更符合实验结果。因此,上述疲劳损伤定量方法可为现阶段工程结构的抗疲劳设计与寿命估算提供新的研究手段     

涉氢环境机械部件的摩擦学研究现状

氢气作为一种清洁、高效、可持续的二次能源,在未来我国终端能源体系占比至少10%,以氢能作为汽车和飞机动力学系统燃料的研究成为热点. 机械运动部件表界面与氢介质将发生复杂的物理化学反应,影响着机械运动接触面的摩擦学行为,使役过程中氢致疲劳、磨损及腐蚀失效行为,严重制约着机械动力部件运行稳定性、可靠性和安全性. 本文中重点调研了国际上氢气气氛环境下机械运动部件材料的摩擦磨损行为研究进展,总结了氢气环境下聚合物基、陶瓷基、金属基及低维度固体颗粒材料的摩擦磨损行为及其损伤失效演变规律,进一步阐述了摩擦工况下氢气和其他气体介质共存与使役材料的摩擦学行为之间的关联性. 从摩擦学角度提出了抑制氢致损伤的可行性关键技术及防护材料,并对未来涉氢机械部件服役安全性的科学问题进行了展望.      

含孔复合材料层合板静拉伸损伤演化的实验和表征方法

为了深入探究复合材料层合板结构的损伤机理和损伤演化,应用声发射技术和图像相关技术同步实时监测含孔碳纤维复合材料层合板试样在静拉伸过程中的损伤演化。实验结果表明,试样表面应变场呈现局部化特征。对应变集中带在加载方向的应变值进行了统计分析,获得了应变场的特征统计量(标准差)随加载的演化模型。层合板损伤时产生声发射信号的峰值频率大小能够有效区分复合材料的损伤模式,由此,建立了基于损伤模式累积声发射数的损伤演化模型。通过对应变场演化模型和声发射损伤演化模型的分析,可以将复合材料的损伤演化分为损伤初始阶段、损伤平稳扩展期、损伤严重阶段三个部分。统计分析结果表明:在损伤严重阶段,基于声发射事件数的各种损伤的损伤变量和局部应变场标准差快速增长,因此局部应变场统计标准差可以作为后期局部损伤严重程度的识别指标。     

基于改进卡尔曼滤波的汽车路试制动性能检测方法

针对传统汽车路试制动性能检测方法的不足,提出了一种基于改进卡尔曼滤波的汽车路试制动性能检测方法。根据卡尔曼滤波理论,以单频载波相位单点GPS接收机输出的速度和方位角作为观测量,通过改进的卡尔曼滤波递推算法高频率、高精度地推算出汽车制动过程的平面运动坐标和速度,进而确定汽车制动距离和平均减速度MFDD,以检测汽车的制动性能。实车试验表明,该方法的制动距离测量精度可达0.2~0.3 m,速度精度小于0.1 m/s,输出频率可达100 Hz,具有成本低、输出频率高、精度高、环境适应力强的优点,克服了传统方法的不足。     

复合材料层合板面内渐进损伤分析的CDM模型

基于连续介质损伤力学,提出了一个预测复合材料层合板面内渐进损伤分析的模型,它包括损伤表征、损伤判定和损伤演化3 部分. 模型能够区分纤维拉伸断裂、纤维压缩断裂、纤维间拉伸损伤和纤维间压缩损伤4 种损伤模式,定义了与4 个损伤模式对应的损伤状态变量,导出了材料主轴系下损伤前后材料本构之间的关系. 损伤起始采用Puck 准则判定,损伤演化由特征长度内应变能释放密度控制. 假定材料服从线性应变软化行为,建立了损伤状态变量关于断裂面上等效应变的渐进损伤演化法则. 模型涵盖了复合材料面内损伤起始、演化直至最终失效的全过程. 完成了含孔[45/0/-45/90]_2S 层合板在拉伸和压缩载荷下失效分析,结果表明该模型能合理进行层合板的强度预测和损伤失效分析.      

基于小波包能量谱的西安钟楼木结构的损伤识别

应用小波包能量谱对环道行驶地面交通下的西安钟楼木框架结构进行损伤识别分析,构建了能量比偏差和能量比方差两个损伤识别敏感性指标。从小波函数的选择、小波包分解层次的选择、损伤敏感性和噪声的影响方面进行了分析研究。结果表明:两个指标都能有效地发现钟楼木框架结构的损伤,随着损伤程度增加,损伤识别越明显;在损伤初期,能量比偏差识别效果优于能量比方差,随着损伤的积累,能量比方差损伤敏感性优于能量比偏差;两个指标对不同损伤区域和损伤构件的损伤敏感性不同;在信噪比SNR≥40dB时,两指标都能准确地识别钟楼木结构的损伤,提高信噪比,两指标的敏感性增强,具有一定的抗噪声干扰能力,可为环境激励下古建筑木结构损伤识别的研究提供理论依据。     

复合材料层合板面内渐进损伤分析的CDM模型简

基于连续介质损伤力学,提出了一个预测复合材料层合板面内渐进损伤分析的模型,它包括损伤表征、损伤判定和损伤演化3 部分. 模型能够区分纤维拉伸断裂、纤维压缩断裂、纤维间拉伸损伤和纤维间压缩损伤4 种损伤模式,定义了与4 个损伤模式对应的损伤状态变量,导出了材料主轴系下损伤前后材料本构之间的关系. 损伤起始采用Puck 准则判定,损伤演化由特征长度内应变能释放密度控制. 假定材料服从线性应变软化行为,建立了损伤状态变量关于断裂面上等效应变的渐进损伤演化法则. 模型涵盖了复合材料面内损伤起始、演化直至最终失效的全过程. 完成了含孔[45/0/-45/90]_2S 层合板在拉伸和压缩载荷下失效分析,结果表明该模型能合理进行层合板的强度预测和损伤失效分析.     

空间钢支撑框架损伤诊断研究

为诊断空间钢支撑框架的损伤,提出了两阶段损伤诊断法.该方法综合了损伤定位向量法和特征灵敏度分析.推导了空间梁、柱和支撑单元的特征应力计算公式,定义了连接单元的特征应力,推导了模态参数差量对结构模型参数的一、二阶灵敏度和梁端连接损伤的梁单元刚度矩阵.完成了一个空间钢支撑框架模型损伤诊断试验,模拟了支撑损伤和连接损伤的7种损伤模式.采用力锤激励方式,使用特征系统实现算法识别模态参数;使用损伤定位向量法判定可能损伤单元,采用二阶特征灵敏度分析确定可能损伤单元的损伤程度.结果表明,当杆件或连接损伤达到一定程度时,两阶段损伤诊断法能有效诊断损伤.     

绕丝加固预损钢筋混凝土柱的抗震性能试验研究

对4根钢筋混凝土柱进行了模拟地震的预损伤、预损伤后绕丝加固和加固后的低周往复荷载破坏试验,研究了绕丝加固地震损伤钢筋混凝土柱的抗震性能。根据试验数据分析了试件的承载力、延性性能、刚度退化及耗能能力。试验结果表明:经过绕丝加固修复后的预损伤试件,其延性性能和极限位移得到了明显提高;钢筋混凝土柱的预损伤程度对预损伤后的加固效果有重要影响。在轻度损伤程度情况下,绕丝加固柱恢复并超过受损前的抗震性能;预损伤越大的柱经绕丝加固后其延性、耗能能力、刚度和承载力越小。     

基于轮胎非线性特性的汽车动力学问题

长期以来,人们对轮胎的非线性进行了大量的理论与试验研究,总结出各种理论模型与经验模型。利用这些非线性轮胎模型建立汽车动力学的非线性常微分方程组,通过数值积分,可以获得汽车在各种工况条件下的稳态与瞬态转向特性。但这些模型的普遍缺点是不能用于对汽车行驶的稳定性作定性分析。本文提出了一种轮胎非线性侧特性的摄动模型,利用近似解析方法,讨论了轮胎非线性特性对汽车的转向特性、动态响应和汽车行驶稳定性的影响,导