偕老同穴海绵启发的仿生结构吸能特性研究

目的为得到质量更轻、吸能效果更好的结构,以自然界中偕老同穴海绵复杂硅质骨针结构为仿生原型,提出一种偕老同穴海绵仿生吸能结构。方法通过有限元仿真对偕老同穴仿生结构和4种对比结构进行准静态压缩仿真,并在此基础上分析不同构型参数对海绵仿生结构吸能性能的影响。结果结果表明,偕老同穴海绵仿生结构在压缩过程中呈现二次受力平台效应,使得其吸能效果优于传统结构,同时当斜肋板位置系数Rkl为0.3时仿生结构的吸能效果最佳。随着斜肋板厚度的增大,结构的比吸能线性增加。从压溃力效率来看,当斜肋板厚度是纵横筋板厚度的1.6倍时,结构的压溃力峰值基本等于平均压溃力,结构压溃力效率达到最优,结构的整体吸能性能效果达到最优。结论本文所提出偕老同穴海绵仿生结构为高刚轻质吸能结构设计提供了参考,在吸能防护领域具有一定的应用前景。

剪式座椅悬架系统动态性能分析

基于达朗贝尔原理,在建立座椅悬架系统的虚平衡状态的基础上,推导出了系统的运动微分方程,得到了系统的传递函数。采用试验测定手段,得到了座椅悬架主要元件的力学性能及座椅传递特性,并通过试验结果验证理论模型的准确性。在此基础上,讨论各参数对悬架系统共振频率及幅值的影响,针对其结构参数对悬架系统进行了部分改进,可为座椅结构设计提供思路和解决方法。

实测数据驱动的挖掘机工作装置疲劳寿命预测

以某型挖掘机为研究对象,建立其工作装置刚柔耦合动力学模型,基于实测油缸位移数据驱动该模型,得到其主要性能参数和典型工况危险部位应力.根据强度理论、动力学仿真结果和工程经验,分析挖掘机动臂和斗杆的易开裂部位,得到典型焊缝高危点,并通过实测应力应变数据进行验证.以刚柔耦合动力学仿真所得的铰点载荷作为输入,利用nCode疲劳分析软件仿真预测挖掘机动臂和斗杆的疲劳寿命.结果表明,实测数据驱动的刚柔耦合动力学仿真可以准确获取挖掘机实际挖掘过程的动力学特性,基于该仿真模型提取铰点载荷并用于预测疲劳寿命的方法切实可行.

基于模型标定的重型卡车座椅动态舒适性仿真研究

为了减轻重型卡车驾驶员的疲劳,增加了减振机构来提高座椅的动态舒适性。提出一种基于模型标定的座椅动态舒适性研究方法。首先通过台架试验得到了空气弹簧的刚度和阻尼器的阻尼参数。然后对座椅进行模态试验和传递率特性试验,获得座椅模态频率与传递率信息,采用迭代寻参的方法确定连接部位的刚度和阻尼参数,从而建立准确的有限元模型。最后进行模态、传递率和随机振动仿真分析,通过仿真结果评估座椅动态舒适性。结果表明,仿真与试验的模态频率误差小于3%,传递率峰值误差小于10%,且该座椅固有频率与人体敏感频率不重合,座椅在非共振频率段的传递率较小。降低共振频率下传递率的波峰值与响应点的均方根加速度值可以提高座椅的动态舒适性。

基于仿生原理的板壳结构加强筋优化设计

目的加强筋的合理分布可有效提升结构抗振性,为了提高板壳结构的抗振性能,本文基于仿生原理,以板壳加强筋分布为研究目标,进行动力学的优化与设计研究。方法采用自适应成长法,通过引入等效静态载荷法,建立以动柔度为目标的加强筋分布优化模型,推导出基于准则法的设计变量迭代更新公式,分别研究单点激励和多点不同动态载荷作用下板壳结构的加筋分布设计,并研究单点激励和多点不同动态载荷激励下的板壳加筋结构特性。结果研究结果表明,板壳结构加强筋采用仿生原理对其分布进行优化,可实现任意动态载荷作用下加强筋分布的设计,且优化的加强筋形态分布清晰,无须再处理即可应用到加强筋的生产制造中。结论根据对不同约束的板壳结构进行优化设计,通过加强筋的设计,提升了板壳结构的抗振性能。

实测数据与理论模型驱动的Adams-EDEM耦合仿真挖掘阻力研究

面向矿山机械智能化环境下设备性能优化的需求,建立了具有广泛适用性的挖掘机挖掘阻力求解模型,使其同时具备高效性和准确性。基于达朗贝尔原理建立挖掘阻力理论方程并求解,利用动力学仿真验证其准确性。以理论结果标定出精确土壤参数,通过Adams-EDEM耦合驱动构建仿真模型,得到挖掘阻力精确解,并用实测应力数据验证该方法的精度。此外,还分析了不同土壤参数对仿真挖掘阻力的影响。结果表明,与传统的理论方程相比,建立的求解模型在精度和计算效率方面具有优势;以理论模型输出的挖掘阻力作为标准修正仿真土壤模型,修正后仿真模型输出的应力与实测应力吻合,验证了所提出方法的准确性;为复杂土壤的参数标定及精确土壤模型的建立提供了重要依据。

汽车座椅骨架构件布局设计方法

传统的汽车座椅骨架构件布局依靠经验设计,不仅设计效率低,而且得不到性价比最优的结构.以某轿车后排座椅板管结构骨架为研究对象,基于结构拓扑优化设计技术,提出了座椅骨架构件布局设计方法.首先,根据骨架外观形状及尺寸要求,确定设计区域,并根据实际的安全带加载工况,建立设计模型;然后,以结构静刚度最大为优化目标,采用变密度法对结构进行拓扑优化设计,并根据拓扑优化结果,提出2种不同的布局方案;最后,根据有限元分析结果确定最终的设计方案,并对优化设计结果进行行李箱后撞的安全性分析.研究结果表明,在骨架质量下降1.92%的情况下,整体静态刚度提高19.0%,并满足动态碰撞的安全性要求.采用所提出的设计方法,可以得到最优座椅骨架构件布局结构.

仿真与实测多信息融合的机械结构外载荷反演技术

针对机械结构在复杂工况下载荷边界条件难以确定的问题,提出一种仿真与实测多信息融合的外载荷反演技术。首先建立待研究结构的有限元模型,在结构外载荷作用位置施加单位载荷,计算构件全场应变响应;然后基于D-最优设计原则得到应变测试的测点最佳布置方案和最优载荷系数矩阵,据此建立外载荷与应变间的动态响应关系;根据得到的测点布置方案,在结构上粘贴应变片,测得机械结构在实际工作过程中的动态应变历程,基于该实测应变历程以及载荷与应变的响应关系,反演结构的动态外载荷历程。以液压挖掘机工作装置为例,通过提出的方法确定其动臂的铰点载荷,并将载荷反演结果作为动臂瞬态动力学分析的输入,计算得到基底测点和非基底应变仿真值,将实测值与仿真值进行对比分析,证明了提出方法的有效性。

双材料自由阻尼层结构拓扑优化设计方法

目的在不减小板壳结构动刚度的前提下有效提高板壳结构的抗振性能,提出一种板壳阻尼复合结构拓扑优化设计。方法以结构模态阻尼比为目标函数,以某阶固有频率不小于设定值为约束条件,推导目标函数和约束条件对设计变量的灵敏度表达式,采用SIMP插值函数和移动渐近线法求解优化数学模型。结果研究表明,文中提出的双材料阻尼层结构相比传统单材料阻尼层结构的振动响应明显减小,同时适当改变设计目标和约束条件,可满足不同的工程应用需要。结论通过在宏观上对高刚度低阻尼材料和低刚度高阻尼材料的分布进行了设计,优化后的结构兼顾低刚度高阻尼材料的高阻尼特性和高刚度低阻尼材料的高刚度特性,实现了结构高刚度高阻尼的设计。

基于多工况的汽车座椅骨架轻量化设计

安全带静态拉伸工况以及行李箱动态碰撞工况是汽车座椅安全法规中的2个重要工况。在满足安全法规要求的前提下,为实现汽车座椅的轻量化设计,提出了一种基于多工况的座椅骨架轻量化设计方法。以汽车座椅安全法规为设计准则,以座椅骨架质量最小为设计目标,综合考虑静、动态工况,对座椅骨架关键构件的尺寸进行优化设计。首先,建立座椅骨架的有限元模型,并以座椅骨架的质量为响应进行灵敏度分析,确定座椅骨架关键构件尺寸优化的设计变量;然后,建立座椅骨架关键构件尺寸优化的数学模型,实现座椅骨架的轻量化设计;最后,对优化后的座椅进行静、动态工况下的有限元仿真分析和试验研究,以验证优化结果的正确性。结果表明,相较于原座椅,优化后的座椅在满足安全法规要求的前提下减重7.89%,验证了所提出的轻量化设计方法的有效性。研究结果可为汽车座椅的安全性分析和轻量化设计提供参考,具有重要的工程实用价值。

简谐激励下阻尼复合结构多尺度拓扑优化设计

目的为得到抗振性能良好的板壳结构,保证设备的正常工作,文中提出一种板壳阻尼复合结构多尺度优化设计方法。方法以动柔度为目标,建立频域激励下和固定频率点激励下板壳阻尼复合结构中阻尼材料宏观分布和微结构协同设计的多尺度问题的数学模型,推导目标函数和约束条件对设计变量的灵敏度,并基于移动渐近线法求解优化数学模型。结果所提多尺度设计方法可以有效获得板壳结构最优阻尼材料宏观布局和最优阻尼复合材料微结构构型,提高了结构的动力学性能,同时结果也表明涂敷阻尼复合材料结构的振动响应相较于仅涂敷单一阻尼材料的振动响应大幅减小。结论研究表明,不同激励频率下阻尼材料的宏观分布形态不同,阻尼材料主要分布于结构模态振型位移的最大处和支撑端,通过加强结构的刚度,抑制了结构变形,减小了振动响应。微结构构型基本类似,其基本形态都是低刚度、高阻尼材料呈条状分布,条状分布的阻尼复合材料微结构在受弯方向上的刚度较大,可以有效抵制结构的弯曲变形。

材料力学实验教学的改革与研究

本文针对材料力学实验课程的性质与特点,从培养学生综合素质能力的角度,分析材料力学实验教学过程中的重要性。从实验教学形式、授课手段、实验考核方法等方面,提出对材料力学实验教学进行改革,建立更加适用于本实验课程的教学方案,以提高材料力学实验课程的教学质量,为社会培养综合能力更强的技术人才。

材料力学实验教学方法的研究与创新

本文主要对材料力学实验课程的教学方法进行研究,以该实验课程的目的为依据,分析了当前部分实验教学方法中存在的问题与不足。根据材料力学实验课程的特点,从实验时间、课堂形式、授课方式以及授课内容等方面,给出了创新性的教学方法,以提高实验教学质量。

汽车碰撞冲击脉冲波形数学建模

对汽车碰撞过程中,加速度冲击脉冲问题进行了研究。为解决汽车碰撞中冲击能量和复杂冲击加速度曲线难以表达的问题,文章通过对汽车碰撞冲击脉冲的时域与频域分析,提出一种构造复杂冲击加速度曲线的方法,建立了相关数学模型,并给出了构造生成的加速度冲击脉冲与实际碰撞加速度冲击脉冲波形精度评估公式。经实验证明:该方法能够从能量的角度来分析冲击加速度时域与频域上的参数,对比碰撞的冲击能量大小,便于仿真分析,也能够评价碰撞的冲击过程与特征。该方法为汽车实际碰撞的冲击加速度曲线的产生与控制,以及汽车碰撞有限元仿真分析提供了很好参考价值。

汽车碰撞中座椅转角数学建模

对汽车碰撞过程中,座椅产生的转角与能量问题进行分析与研究。为解决汽车被动安全中座椅转角难以预知的问题,通过对汽车碰撞时能量的传递与转移进行分析,提出一种预测座椅最大转角的方法,建立了相关数学模型,并以此模型的结果与FEA实验进行对比分析,证明了其可行性与正确性。该方法为研究汽车碰撞中座椅最大转角提供了一种预测手段,也为提高座椅被动安全的研究增加了一定的理论依据。

基于贴体网格的高分辨率三维结构拓扑优化研究

针对高分辨率三维结构拓扑优化中计算成本高的问题,提出一种基于水平集方法融合自适应贴体网格的拓扑优化并行计算新框架。通过水平集函数零等值面,清晰描述优化结果边界,实现了“所见即所得”的拓扑优化设计结果;并在每一迭代步中基于该等值面进行网格重构,加密边界周围网格,稀疏其余区域内网格,从而大幅减少了网格数量,有效降低计算成本;在计算过程中通过对网格进行分割,并指派给不同的CPU进行计算,实现并行计算,可以有效处理大规模计算问题。该框架基于开源软件FreeFEM,Mmg和PETSc进行开发,以经典的刚度问题为例,在工作站平台上,求解网格规模达380万的数值算例,验证该方法的高效性。

构件等效动态的强度试验

基于构件的动态冲击试验和相应的静态试验,以动静态试验的响应近似等效为原则,提出了以静态试验代替动态试验的等效动态强度试验方法。以两端固支圆管构件为例,首先对构件进行动态冲击试验和相应的静态试验,并建立相应的有限元分析模型;基于试验数据,修正相关的有限元仿真模型;通过正交试验设计,基于动静态试验的响应近似等效原则,提出了动静态试验输入之间的关系模型;并通过追加试验,分析了用静态试验强度预测动态冲击试验强度的误差。提出的方法可对承受动态冲击载荷的构件在初步设计阶段,利用简单的静态试验强度快速判断设计方案是否满足动态冲击设计要求。

考虑阻尼性能的复合结构多尺度拓扑优化设计

最优阻尼复合结构应该是阻尼材料自身的材料性能和阻尼材料在板壳结构上的分布形态均是最优的。针对板壳阻尼复合结构的多尺度设计问题,建立了基于非比例阻尼模型的复合结构多尺度拓扑优化方法,实现了阻尼材料在宏微观两尺度上的协同设计,同时获得最优的阻尼材料宏观分布形态和微观构型。以结构模态阻尼比为目标,分别研究了复合结构的单目标和多目标多尺度设计问题。结果表明,在单目标设计中,当最大化结构的某一阶模态阻尼比时,优化后结构的该阶模态阻尼比最大,同时结构在该阶处的频率响应最小;在多目标设计中,以结构前3阶模态阻尼比之和为目标,虽然在每一阶处的性能劣于单目标设计结果,但是结构前3阶模态阻尼比的总体性能更优。同时,从微结构的构型可得,最优的微结构构型中低刚度高阻尼材料的分布相互连接,其损失模量(微结构复弹性矩阵的虚部)和阻尼因子(微结构复弹性矩阵的虚部与实部之比)都相对较高,且呈现负泊松比现象。优化后复合结构的动力学性能显著提高。

硬膜外静脉丛曲张致腰腿痛研究进展

临床上引起腰腿痛的病因较多,一般认为来源于发生退变的椎间盘及周边的韧带和肌肉等组织,其中硬膜外静脉丛曲张是一个长期被忽视的病因。硬膜外静脉丛广泛分布在椎管内侧与硬膜、神经根直接相邻,并作为腔静脉辅助引流系统在体液循环中发挥重要作用。由于骨性椎管容积相对固定,所以若硬膜外静脉丛严重迂曲、扩张则有可能直接挤压硬膜、马尾或者相应节段神经根,导致类似椎间盘突出症或椎管狭窄症的临床症状。因扩张的静脉丛缺乏特异的影像学表现,在临床上很难准确地与椎间盘突出症或椎管狭窄症等相鉴别,故极易被忽视。然而,扩张的静脉丛迂曲且壁薄,术中很容易出血,增加手术难度,同时也会导致如术后硬膜外血肿等相关并发症。虽然对硬膜外静脉丛的研究开展较早,且已经被纳入大多数的解剖学图谱中,但临床医生对于硬膜外静脉丛的解剖结构、形态学特征、临床意义和影像学检查等细节仍然所知甚少。通过对以上几个方面进行文献综述,介绍硬膜外静脉丛的最新研究进展。

环状RNA在脊柱脊髓相关疾病中的作用研究进展

环状RNA(circular RNA,circRNA)是一种具有环状结构的RNA。circRNA独特的结构赋予了其多种细胞生物学功能与特性,成为近年来的研究热点。circRNA能通过微小RNA(microRNA,miRNA)海绵、RNA结合蛋白、肽段翻译以及调控基因转录等机制发挥作用。研究发现,circRNA与椎间盘退变、脊髓损伤、脊柱侧凸以及关节突关节炎存在一定的联系。利用生物信息学技术以及分子生物学技术,进行疾病组织的基因芯片或者高通量测序,预测并挖掘与疾病相关的circRNA,可以评估circRNA是否能够作为脊柱脊髓相关疾病的分子生物学标志。在明确circRNA作用的基础上,制定相应的治疗策略,在实验动物体内进行验证,为脊柱脊髓相关疾病的基因治疗提供理论依据。目前,circRNA在脊柱脊髓相关疾病中的研究相比其他领域尚显不足,主要研究方向集中在circRNA的miRNA海绵机制。由于脊柱外科涉及的疾病类型多样,相应的circRNA研究进展也有所差异。基因芯片和高通量测序技术的发展极大地推进了circRNA的研究,能否利用现有的公共数据库资源对研究脊柱脊髓相关疾病也具有重要意义。本文对目前circRNA在脊柱脊髓相关疾病中的研究情况作一综述,旨在帮助科研人员加深对circRNA在脊柱脊髓疾病中的作用的认识。