微惯性传感器建模及冲击响应分析

研究了微惯性传感器在冲击环境下的可靠性问题，重点分析了微惯性传感器在冲击载荷作用下的冲击响应问题。根据微惯性传感器结构部件主要由质量块、支承梁、衬底组成的特点，建立了微惯性传感器结构部件的集总参数模型，得出了微加速度计和微陀螺在半周正弦加速度冲击载荷作用下的冲击响应解析解，并采用有限元分析软件ANSYS验证了该解析解的正确性。此冲击响应解析解对预测微惯性传感器在冲击环境下的可靠性具有重要作用。     

多网格防阻块护栏系统的冲击响应

防阻块薄壁结构是护栏系统中重要的吸能元件,通过防阻块的优化设计提升护栏防护能力,最大限度地减小对乘员的伤害具有重要的意义。应用有限元软件ABAQUS,建立了单跨多网格防阻块波形梁护栏系统受质量块冲击的有限元分析模型,计算了壁厚分别为2、3和4 mm的多网格防阻块护栏系统的冲击响应过程,分析了3种不同壁厚的防阻块在给定冲击速度下,内能的变化情况。通过对比分析发现:冲击过程中,壁厚2 mm的双网格防阻块最终内能质量比明显高于其他情形,能量吸收能力最强;并且壁厚2 mm双网格防阻块情形的质量块加速度峰值比壁厚3 mm单网格防阻块情形小约47.6%,更有利于乘员安全。此外,根据WSTC曲线,模拟工况下,冲击引起的人体头部减速度均在安全忍受范围内。     

PP/CF增强珊瑚砂水泥基复合材料冲击压缩力学性能研究

在人工海水制备珊瑚砂水泥基复合材料中混杂加入碳纤维和聚丙烯纤维,得到4种不同纤维掺量的碳-聚丙烯混杂纤维增强珊瑚砂水泥基复合材料。采用直径100 mm的分离式Hopkinson压杆,对材料进行5种应变率下的冲击压缩试验,采用LS-DYNA进行相应的冲击压缩数值模拟。结果表明：(1) 试验应变率临界值为200 s⁻¹,当试验应变率大于200 s⁻¹时,混杂碳纤维和聚丙烯纤维所形成的纤维网络对试块的增韧效果加强;(2) 碳-聚丙烯混杂纤维增强珊瑚砂水泥基复合材料峰值应力具有明显的应变率效应,且动态增强因子对应变率的敏感程度较高;(3) 使用珊瑚砂细骨料导致试块内微裂纹和微空洞等缺陷较多,在珊瑚砂水泥基复合材料内混杂掺加碳纤维和聚丙烯纤维后,试块冲击抗压强度的提升有限,但珊瑚砂水泥基复合材料的抗冲击韧性显著提升;(4) 通过试验数据和参数调试确定了HJC模型的参数,试块峰值应力的模拟结果与试验结果的误差在5.97 %以内。

     

大冲击后力反馈微加速度计吸合失效与防止

冲击载荷强迫微加速度计的敏感质量大大偏离平衡位置,使差动静电力发生器的非线性效应体现出来,其结果是使正常工作时敏感质量仅在平衡位置附近有微小位移的状况下成立的负反馈闭环系统模型不再适用,敏感质量的受控特性可能变为正反馈,从而使微加速度计失效。为提高微加速度计受外界大载荷冲击后的可靠性,分析了加速度计的敏感质量在不同限制的静电反馈力下的受控特性及对应的闭环系统特性,推导了在已知止挡机械参数下确定微加速度计相应电气参数从而避免此类失效的防吸合准则。多次的验证实验表明,按防吸合准则设计了系统参数的静电力反馈加速度计,在受到远超过其本身量程的载荷冲击后,可以100%地防止吸合现象的出现。     

凝聚炸药的短脉冲冲击起爆

本文介绍了利用电炮研究两种凝聚炸药（TNT/RDX=35/65和PBH-9）的短脉冲冲击起爆的实验结果。炸药样品为直径20mm,长度分别为3.0、5.0、10.0mm的圆柱及楔形药块。在所研究的实验条件下,当药柱长度大于5.0mm时,两种炸药的起爆判据可用p?=常数描述。当药柱长度小于3.0mm时,撞击飞片的阈值速度明显增加。我们还观测了飞片直径对起爆阈值速度的影响,用楔形药块观测了不同加载条件下的到爆轰时间和距离。     

闭孔泡沫铝低速冲击防护的临界条件与优化设计

建立了高孔隙率闭孔泡沫铝抗低速撞击的分析模型,通过落重冲击试验验证了模型预测的准确性;采用所建立的模型,计算了闭孔泡沫铝作为大质量结构抗低速冲击构件的临界冲击速度,研究了不同冲击条件下结构响应的最小加速度和临界加速度。结果表明,闭孔泡沫铝适合作为大质量结构的低速冲击防护材料：当撞击速度低于临界冲击速度时,泡沫铝的作用应力不会超过其平台压缩应力,具有高孔隙率的泡沫铝甚至可使冲击响应加速度大幅降低,具有优良的防护效果;当撞击速度超过相应条件下的临界速度时,由于泡沫铝压缩密实阶段的应力增强作用,不仅使其作用应力迅速增大（为平台应力的5～15倍）,而且使冲击响应加速度迅速增加甚至超过1000g,从而对结构的安全防护构成威胁。最后,讨论了冲击质量比、泡沫铝孔隙率、泡沫几何尺寸等冲击参数对临界冲击速度和冲击响应加速度的影响。     

近壁声空泡溃灭微射流冲击流固耦合模型及蚀坑反演分析

超声场下液体环境中近壁空泡溃灭会产生强烈的微射流,为探究微射流冲击壁面流固耦合效应,利用流体力学及冲击动力学,考虑了率相关的J-C材料本构模型,建立并分析了微射流冲击壁面流固耦合三维模型,并通过超声空化试验和基于球形压痕试验理论的反演分析进行了验证。结果表明:微射流冲击下材料表面出现微型凹坑,凹坑深度由微射流速度和微射流直径共同决定且随其增大而增大,凹坑直径主要与微射流直径正相关,而凹坑径深比则主要与微射流速度负相关;壁面压强基本呈对称分布且最大压强出现在微射流冲击边缘;超声空化试验验证了微射流冲击下材料表面出现的微型凹坑,反演分析方法表明,在16~18的径深比下,微射流冲击强度为420~500MPa,对应的微射流速度为310~370m/s。试验及反演分析结果与理论分析结果相符,验证了流固耦合模型及反演分析方法的合理性及准确性,为后续工程应用中空化强度、微射流速度等的控制提供了理论参考。     

非均匀泡沫金属材料在冲击载荷下的变形模拟

提出一种二维非线性弹塑性质量-弹簧-连杆模型,该模型将泡沫金属材料离散成许多质量块,质量块在受载方向由非线性弹塑性弹簧连接,垂直于受载方向由可延伸的弹性连杆铰接。采用该模型模拟并分析了层非均匀泡沫金属材料及局部不均匀泡沫金属材料在冲击载荷下的变形特性,说明了非均匀性对泡沫金属材料冲击变形的影响。     

环形无源万向微机电惯性开关

针对传统惯性开关阈值散布大、万向性差等缺点,设计了一种环形无源万向微机电惯性开关.环形的可动质量框作为可动电极,由内部的四根折叠悬臂梁支撑,和外部的环状固定电极有一定间隙,构成 xy 平面内的万向开关.对设计开关进行有限元动态接触仿真,结果表明开关在1000 g 加速度作用下的响应时间和接触时间分别约为0.142 ms 和5ms,表现出较高的触发灵敏度和良好的接触效果.研究悬臂梁线宽与开关阈值加速度的关系,结果表示悬臂梁线宽的微小变化会引起阈值加速度的较大变化.利用冲击台试验对封装后的开关进行阈值试验,试验结果表明实际阈值分布在900 g ~1300 g 范围内,80%的开关阈值比设计值大.用微电镜对悬臂梁线宽进行静态测量,悬臂梁线宽加工误差大多分布于0~+2mm,加工误差直接导致开关的阈值加速度增加,设计阶段应充分考虑加工误差对阈值加速度的影响.     

泡沫金属夹芯梁在重复冲击下的动态响应

为了研究重复冲击载荷作用下泡沫金属夹芯梁的动态响应,采用Abaqus数值仿真软件,基于可压碎泡沫模型（crushable foam）,建立了泡沫金属夹芯梁遭受楔形质量块冲击的有限元模型。通过将仿真获得的夹芯梁上下面板最终挠度与重复冲击实验结果进行对比,验证仿真方法的准确性。在此基础之上,分析了泡沫金属夹芯梁在楔形质量块重复冲击作用下的变形模式、加卸载过程以及能量耗散特性。结果表明,在重复冲击载荷作用下,夹芯梁的变形不断累积,上面板主要出现局部凹陷和整体弯曲,而芯层则是局部压缩,下面板表现为整体弯曲。在重复加卸载过程中,加卸载刚度随着冲击次数的增加而增大。随着冲击次数的增加,上面板和芯层的能量吸收增量不断减小,而下面板的能量吸收增量不断增加,且最终均趋于稳定。泡沫金属夹芯梁的塑性变形能增量不断减小,而回弹系数随着冲击次数逐渐增加,最后趋于稳定值。     

低g值微惯性开关单向敏感性设计与分析

选用典型的"弹簧-质量"系统,基于平面矩形螺旋梁结构,研制了一种具有良好单向敏感性的低g值微惯性开关。采用ANSYS有限元软件,对惯性开关的单向敏感性进行了静力学仿真分析。分析结果表明,横向加速度对惯性开关闭合阈值的影响较小。采用MEMS体硅加工工艺和圆片级封装技术,包括KOH腐蚀、ICP刻蚀和喷涂工艺等关键工艺技术,完成了微惯性开关的制备。经离心试验测试,微惯性开关的闭合阈值约为12.26g,具有约±0.2g的闭合精度。当横向惯性加速度小于15g时,对其闭合阈值的影响小于0.5g。测试结果表明,微惯性开关具有较好的单向敏感性,多次测试重复性好,具有体积小、结构简单、加工容易实现、环境适应性好等特点。     

竹质框架模型受侧向冲击测试及分析

针对第六届全国大学生结构设计竞赛命题要求设计一个四层缩尺竹质吊脚楼框架,测试其在侧向冲击载荷作用下的加速度响应. 采用有限元软件LS-DYNA,对模型进行模拟分析. 结果表明,有限元计算与加载测试所得的加速度时程曲线吻合较好. 以该模型为基础进行参数分析,结果表明随拉带初始松弛量增大、撞击板质量减小,结构加速度响应增大;相较入射球质量,入射球速度对结构峰值加速度的影响更敏感,随入射球速度增大,结构峰值加速度增大.     

竹质框架模型受侧向冲击测试及分析简

针对第六届全国大学生结构设计竞赛命题要求设计一个四层缩尺竹质吊脚楼框架,测试其在侧向冲击载荷作用下的加速度响应. 采用有限元软件LS-DYNA,对模型进行模拟分析. 结果表明,有限元计算与加载测试所得的加速度时程曲线吻合较好. 以该模型为基础进行参数分析,结果表明随拉带初始松弛量增大、撞击板质量减小,结构加速度响应增大;相较入射球质量,入射球速度对结构峰值加速度的影响更敏感,随入射球速度增大,结构峰值加速度增大.     

Method of model analysis for flexible head impacting with elastic plane

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈｅｓｓｈｏｗ :70ｔｏ 80ｐｅｒｃｅｎｔｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｓｔｈａｔｃａｕｓｅｔｈｅａｃｃｉｄｅｎｔｓａｒｅｓａｌｏｏｎｃａｒｓ[1].Ｉｎｔｈｅ 70ｐｅｒｃｅｎｔｏｆｔｈｅａｃｃｉｄｅｎｔｓ,ｔｈｅｈｕｍａｎｂｏｄｙｗｉｌｌｃｏｌｌｉｄｅｗｉｔｈｔｈｅｆｒｏｎｔｏｆｔｈｅｃａｒａｎｄｔｈｅｈｅａｄａｎｄｌｅｇｗｉｌｌｂｅｉｎｊｕｒｅｄ .Ｍｅａｎｔｉｍｅ ,ｔｈｅｈｏｏｄａｎｄｗｉｎｄｓｈｉｅｌｄｗｉｌｌｃａｕｓｅｔｈｅｉｎｊｕｒｙｏｆｔｈｅｈｅａｄａｎｄｔｈ…     

蒸压加气混凝土在乏燃料容器坠落工况下的减振性能分析

在核电厂燃料厂房结构安全性分析中需考虑乏燃料容器坠落所产生的巨大冲击作用的影响,在坠落位置铺设蒸压加气混凝土砌体作为减振层是一种有效的结构防护方法．为了确定合理的减振层厚度并评价其减振效果,本文首先应用ANSYS/LS-DYNA对蒸压加气混凝土砌块的落锤冲击试验进行了有限元模拟,标定了蒸压加气混凝土的MAT96材料模型参数;再通过对减振层缩尺试验的模拟,验证了模拟方法的可行性;最终建立了燃料厂房分层壳模型,模拟设置不同厚度的减振层时乏燃料容器坠落对燃料厂房的冲击响应,并从坠落处楼板冲击力、混凝土应变、跨中挠度以及乏燃料水池加速度响应方面对厂房结构的安全性进行分析．分析结果表明：乏燃料容器坠落时,铺设1 m、2 m厚度的蒸压加气混凝土减振层后,减振效果显著：楼板冲击力分别减小71.5%和76.4%,楼板混凝土破坏明显减轻,跨中挠度明显减小,乏燃料水池竖向加速度峰值分别削减29.2%和43%;同时,2 m厚的减振层并未取得1 m厚度减振层2倍的减振效果．     

Dynamic Deformation Behavior of a Golf Ball during Normal Impact

The normal impact between a golf ball and a rigid steel target was studied to examine ball deformation and the contact force during the impact. Using high-speed video images, the normal and tangential compression ratios of the ball were measured to analyze the ball deformation quantitatively. In addition, the inbound and rebound ball velocities, contact time, and coefficient of restitution were determined as basic parameters of the impact. As the inbound ball velocity increased, the maximum normal compression ratio increased while the maximum tangential compression ratio, contact time and coefficient of restitution decreased. The ball center displacements during the impact were measured to determine the ball center velocity and acceleration, and the contact force was calculated by the product of the mass and acceleration. The contact force increased almost linearly with the inbound ball velocity, and its relationship agreed well quantitatively with the results from a load-cell, and also agreed well qualitatively with Hertz contact theory.     

爆炸箔起爆器小尺寸飞片速度测试

设计了一套爆炸箔起爆装置,通过精确控制桥箔-飞片-加速腔三者的定位,在飞片表面镀一定厚度的铝膜（铝膜的质量与飞片的质量相比可忽略）,合理选择VISAR探头的工作距离和与干涉腔延迟时间相关的条纹常数,屏蔽测试系统以及加设滤光片等,利用VISAR测试技术有效解决了小尺寸飞片速度的测试问题。给出了两种尺寸0.7 mm0.025 mm和0.5 mm0.025 mm飞片的速度测试结果。结果表明,采取新的措施后,获得了信噪比好、能正确反映爆炸箔起爆器驱动飞片物理过程的信号和飞片速度历史。     

泡沫铝-复合泡沫冲击韧度及黏弹性分析

泡沫铝-复合泡沫互穿相复合材料是一种新型的结构功能一体化材料,在机械、交通、建筑等领域具有重要的应用前景。本文制备了纯泡沫铝及空心玻璃微珠四种体积分数的泡沫铝-复合泡沫试件,通过摆锤冲击实验研究了其冲击韧度,讨论了其断口形貌与结构性能的关系,通过单轴压缩的应力松弛实验研究其黏弹性性能。研究表明：空心玻璃微珠体积分数为10%的泡沫铝-复合泡沫试件的冲击韧度最大,随后其冲击韧度随空心玻璃微珠体积分数的增加而减小;当空心玻璃微珠体积分数较小时,泡沫铝的结构形貌决定了冲击断口的形貌,但当其体积分数达到30%时,空心玻璃微珠的破坏是形成断口形貌的主要原因;复合材料的黏弹性性能随着玻璃微珠体积分数的增加而增大。