天然不含节竹管在轴向压缩冲击载荷下冲击响应与吸能特性的数值分析

天然不含节竹管在工程中应用较广,研究此类天然薄壁管结构的抗冲击能力具有重要的意义。利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB),研究天然竹管的抗冲击性能并进行有限元分析。在ABAQUS中应用三维Hashin和Puck单向纤维复合材料失效准则,结合应变率效应对强度的修正建立竹管本构模型,对冲击载荷下的天然不含节竹管进行模拟,得到的动态应力-应变曲线和破坏模式与SHPB实验接近,验证有限元模型的准确性。结果表明:实验与模拟的极限抗压强度误差最小为2.19%、最大为8.68%;在不同的冲击压缩载荷下,竹管出现端面压溃、沿轴向劈裂等破坏形式;竹管外壁节点处的位移、速度和加速度响应均随冲击载荷的增加而增加;随冲击载荷升高,入射能、反射能、吸收能和比吸能随时间均呈上升趋势,透射能随时间变化不大;不含节竹管的峰值载荷远低于薄壁圆管GFRP (glass fiber reinforcement plastic),但比吸能较为接近,说明不含节竹管并不适用于需承受大冲击能量的高速冲击防护领域。初步结果可为竹管用于工程结构防护给予理论参考。

糖尿病患者“寸、关、尺”脉搏压力波形的频谱分析

目的对糖尿病受试者的脉搏信号进行频域分析,研究糖尿病受试者脉搏波形在频域范围内的特性,探讨从频域特征判断糖尿病的可能性。方法应用三通道中医脉象仪,通过中医切脉定位寸、关、尺,采集糖尿病受试者和健康受试者的脉象信息,对采集的脉象信息进行频域分析,并对功率谱密度的峰值进行指数拟合、统计糖尿病受试者与健康受试者的频域分布范围、峰值个数,以及低次谐波偏差、高次谐波偏差、总谐波偏差。结果通过对数据的统计分析、与健康受试者的数据对比发现:糖尿病受试者的脉搏波频率分布范围较大,谐波峰值的指数衰减特征与健康受试者具有很大不同,同一受试者寸、关、尺同样具有很大不同,且糖尿病受试者的第一主峰的分布频率要比健康受试者的高。结论糖尿病受试者与健康受试者频率分布范围不同,高次谐波偏差以及寸位置的第一主峰频率可以作为区分健康受试者以及糖尿病受试者的特征参数。临床测量验证了寸、关、尺脉搏波信号的不同,也恰佐证了中医脉诊过程中,区别寸、关、尺脉象,并综合诊断的实际应用。本文的初步研究结果将为进一步认识糖尿病及其中医临床脉诊的科学化奠定基础。

渐变型流道燃料电池热-电-力-化多场耦合数值模拟

本文设计了一种渐变型气体流道的平管型固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,SOFC),并建立了热-电-力-化学多物理场耦合三维模型,模拟并对比分析了渐变型和蛇形两种不同流道结构在平管型固体氧化物燃料电池不同电压下的气体流速、温度、电流密度和热应力大小.结果表明,当电压高于0.7 V时,渐变型流道气摩尔分数相比蛇形流道情形增加了1.9%.在相同电压下,渐变型流道结构的电流密度增加了0.72%,渐变型流道情形的气体出口处流速增加了148%,且渐变型流道SOFC的温度场和热应力相比蛇形流道情形分别降低了8.7%和61.5%.

血液-血管耦合特性与脉搏波传播特性的关系

脉搏波既不可简单地理解为可压缩血液流体中的压力纵波,也不可简单地理解为沿固体血管传播的涨缩位移横波,而是超乎普通想象的流-固耦合和纵波-横波耦合的复杂波。从分析耦合本构关系的新途径出发,本文中提出了一个流-固耦合/纵波-横波耦合的串联模型,可为解读"位数形势"中医脉诊提供更丰富的信息。结果表明,脉搏波耦合系统的等效体积压缩模量Ks以及相应的耦合系统脉搏波传播速度cs主要依赖于两个无量纲参数:血液-血管模量比Kb(p)/E(p)和薄壁血管径厚比D(p)/h0,它们因人而异、因人的不同脉搏位置而异。文中定量分析了它们对cs的影响,显示人体的Kb/E值在103数量级,从而cs值在100~101m/s数量级,以适应人体生理生化反应。由临床有创测量,证实脉搏体积横波与脉搏压力纵波是相耦合地以相同速度传播;还显示脉搏波是在其波阵面上具有氧合生化反应的"生物波"。此外,还讨论了"脉压放大"现象与非线性本构关系和与血管分叉处加载增强反射之间的关系,并讨论了Lewis关于重搏波形成的假设。

多锚链系泊浮体的稳定性评估

基于单根锚链的悬链线方程.建立整体作用下的叠加型多锚链系泊浮体的准静态控制方程,给出了一定环境载荷作用下,多锚链浮体的漂移量与水平系泊力间的关系。计算结果对海上防撞设施的设计提供理论参考。

非对称层合梁瞬态响应回传射线矩阵法解

用回传射线矩阵法分析计及一阶剪切变形效应的层合复合材料梁瞬态动力响应;给出速度瞬态响应的回传射线矩阵法计算公式;计算分析轴向-弯曲-剪切耦合效应对层合梁瞬态动力响应影响。结果表明,回传射线矩阵法可求解计及一阶剪切变形效应时层合梁瞬态动力响应,且与有限元法解一致;横向(轴向)加载可引起明显的轴向(横向)响应,随铺层角增大轴向-弯曲-剪切耦合效应增加,沿不同方向加载下轴向、横向速度响应幅值明显增加。

非对称层合复合材料框架的动力响应

将求解结构瞬态响应的回传波射矩阵法扩展到非对称层合梁框架结构动力响应的计算.求解了层合悬臂梁在自由端脉冲荷载作用下的瞬态速度响应,与有限元法的计算结果进行了比较.并且,求解了一个9杆层合梁框架在半正弦波力脉冲作用下的应变瞬态响应,检验了节点处力矩的平衡,分析了应变响应随层合梁轴向-弯曲耦合刚度变化的规律.

二维颗粒堆积体中力的传递与分布研究

颗粒介质已成为国内外科学研究的热点,其研究结果正在被逐渐推广应用到岩土工程中去。本文运用焦散线法和激光全息光弹法对受集中荷载作用的颗粒堆中力的分布进行了较为详细的实验研究,通过对实验数据的定量分析得知:与传统连续介质弹性理论所揭示的规律不同,堆积体内部力的传递与分布遵循抛物线型方程。所得结果对现实工程具有重要指导意义。

用回传波射矩阵法的刚架模态分析

由于回传波射矩阵法提供了桁架结构用弹性波方法求瞬态响应的解析解,因此在这里扩展了回传波射矩阵法在频域里的公式,使其可用以求解在节点受单位脉冲载荷作用时的桁架位移,从而在频域位移解中得到振动模态和相应的自然频率,为求桁架振动频率和模态提供了一种新方法。简单例题表明求得的解很精确。

脉搏波本构关系实验研究的探索

脉搏波本构关系决定着脉搏波的传播特征。如何通过实验研究来确定脉搏波本构关系,以及如何通过这些方法从现有文献数据来获得脉搏波本构关系,是当前研究的核心之一。本文中探索了3个可行途径:(1)由实测脉搏波波速对压力的关系C(p)进行反分析(无创法);(2)直接对脉搏波p-V本构关系进行实测(有创法);(3)由一系列实测脉搏波波形进行Lagrange反分析(无创法)。采用上述方法,根据现有文献数据,发现由C(p)关系的Rogers-Huang简化式可推得指数型p(V)本构关系;由MK-Hughes式可推得对数型p(V)本构关系。脉搏波传播特性随非线性本构参数发生显著变化。按中医体质分类观点,相应的脉搏波本构关系原则上也有不同类型,因人而定。在这个意义上,脉搏波的Lagrange反分析具有广阔发展前景,但它对正确选择测点和提高测量敏感性和精度等方面提出了更高要求。

纤维增强复合材料界面力学性能表征技术研究进展

界面是复合材料极为重要的微结构,复合材料的综合力学性能很大程度上取决于纤维与基体之间的界面黏结性能。准确地评价纤维与基体间界面结合情况,进而对界面进行优化设计与调控,是制备高性能复合材料的关键之一,复合材料界面力学性能表征技术也因此备受关注。从微观和宏观两个方面详细阐述了纤维增强复合材料界面力学性能的表征方法,并分析对比了两类表征方法的优缺点,对开发新型复合材料界面力学性能表征方法及实验仪器具有重要的指导作用。

论心脏功能的“泵说”与“波说”

分析了心脏功能的“泵说”和“波说”。研究表明,心脏扮演的角色实际上不是泵,而是脉搏波发生器,产生一系列携带能量的脉搏波。每个脉搏波由升支和降支组成。前者对应于加载过程:压力、粒子速度、能量和血氧饱和度均随时间升高。而后者则对应于卸载过程:压力、粒子速度、能量以及血氧饱和度都下降,直至为零。因此,“泵说”中诸如Windkessel效应、一机二泵和舒张泵等概念都难以成立。所谓约1.5 W的心脏功率实质上表征了每个脉搏波的功率。针对脉搏波是流-固耦合和纵波-横波耦合的复杂波之特征,研究表明,能量的主要部分(99.99%)由横波携带,它沿固体血管传播,损耗低,效率高。研究还表明,血管分支处广义波阻抗的增大有助于抵消脉搏波传播中的衰减耗散,升高传入血管分支的脉搏波脉压,可视为人体的一种自我调节机制。

框架在脉冲位移作用下的回传波射矩阵法解

基于Bernulli梁理论推导了回传波射矩阵公式,并将该方法的分析扩展到脉冲位移载荷的情形,利用回传波射矩阵法求解了17杆框架承受正弦半波脉冲位移作用时的瞬态响应,并将求出的内力、位移与用ANSYS软件得到的有限元解进行比较,两种解法的结果吻合较好。

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4mm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2mm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2mm双网格防阻块情形的质量块加速度峰值比壁厚3mm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。

含诱导缺陷多边形薄壁管结构的优化设计

应用有限元法对薄壁结构在轴向冲击下进行了数值模拟,分析了薄壁管的截面形状、诱导孔尺寸对其结构的变形模式及吸能能力的影响。结果表明:薄壁管棱边上受到的冲击力较大,随着截面边数在一定范围内的增加,正多边形和星形多边形薄壁管的吸能指标参数呈递增的趋势。含诱导缺陷薄壁管的初始峰值力较之前降低了50%。若含诱导缺陷薄壁管长度不变,随着宽度的减小,薄壁管的吸能量、平均压缩力及比吸能逐渐增加。应用有限元分析结果并结合响应面法对含诱导缺陷薄壁管进行了优化设计,为诱导型薄壁吸能结构的优化设计提供初步的数据和分析结果。

柔性基/硅层合悬臂梁振动响应的有限元分析

应用ABAQUS建立了柔性基/硅层合悬臂梁有限元模型,计算了在位移载荷下,柔性基/硅层合悬臂梁中硅层的应力变化,分析了层厚比的变化对柔性基/硅层合悬臂梁低阶固有频率以及振动响应的影响,并与铝基层合悬臂梁进行了对比。结果表明:柔性基可以大幅减小硅层上的应力;封装层和硅层的层厚比越大,柔性基/硅层合悬臂梁的低阶固有频率越大;同时,位移和速度响应明显减小,响应的周期也减小。表明增大封装层和硅层的层厚比,可以有效地提高柔性基/硅层合悬臂梁的整体性能和稳定性,提高其抗冲击性能。反之,会增大柔性基/硅层合悬臂梁发生共振现象的概率,不利于其整体稳定性的提升。此研究结果可为柔性电子器件结构振动特性的优化设计提供理论参考。

冲击载荷下Al2O3陶瓷材料的动态力学行为和响应

采用分离式Hopkinson压杆实验装置和ABQAUS软件,对氧化铝陶瓷材料进行冲击压缩实验和有限元数值模拟;分析了此类材料中的应力-应变关系、应力波的传播特性和冲击动态响应。结果表明:氧化铝陶瓷的极限强度和应力波波速均随着应变率的增加而明显增加,应变率效应明显;氧化铝陶瓷材料属于递减硬化材料,随着应变的增大,应力波的波速降低,动态切线模量逐渐减小;当应变率增加50%时,此类材料的应力、应变、速度、加速度等参量的冲击动态响应分别增加约68.67%、77.42%、22.84%、25.75%。

柔性基层合柱瞬态响应的有限元分析

良好的尺寸设计可优化结构的力学性能,为了研究几何参数对柔性基底结构抗冲击性能的影响,本文运用ABAQUS软件,计算了柔性基底层合柱受冲击载荷时的瞬态响应,对比分析了不同基底厚度、截面尺寸的柔性基底层合柱的动态力学性能。给出了层合柱上端面中心点的位移、速度、加速度等响应,以及接触面中心点处的应力、应变响应,发现冲击过程中柔性基层合柱出现了大变形。结果表明:柔性基底对中间层的缓冲保护起到了较大的作用,减少了冲击力对中间层的破坏;柔性基层合柱瞬态响应随基底厚度的增加而减小。均布载荷冲击下,截面尺寸为10mm或7.5mm的层合柱瞬态响应平缓且出现一定幅度的波动;截面尺寸为4mm、5mm、5.2mm层合柱出现失稳现象,发生失稳的时刻分别为7.8ms、11.4ms、13.6ms。

血液黏性对脉搏波传播特性影响的定量分析

目的通过定量分析血液黏性对脉搏波传播特性的影响,为血液黏性的无创检测研究提供一种新的思路。方法假设血管为弹性薄壁圆管、血液为均质牛顿流体,应用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics建立血液-血管系统的有限元模型。采用双向流固耦合方法,分别选取血液动力黏性系数0、0.002、0.004、和0.006 Pa·s计算得到压力脉搏波与轴向速度脉搏波曲线,从脉搏波峰值以及波速方面定量分析人体肱动脉中血液黏性对脉搏波传播特性的影响。结果血液黏性对脉搏波波速的影响比较微弱,不同动力黏性系数下的波速差距仅在1%左右。血液黏性对能量的耗散作用会使脉搏波的波峰值减小,初步分析可知,当血液动力黏性系数在0~0.006 Pa·s时,血液黏性越大脉搏波峰值衰减幅度越大;且黏性系数每增大0.002 Pa·s,压力脉搏波峰值衰减幅度增加约1.76%,轴向速度脉搏波峰值衰减幅度增加约1.20%,血管壁的变形程度减小约2.98%。结论研究结果可以为通过脉搏波进行血液黏性的无创检测研究提供参考依据。

髂动脉的流-固耦合模型及脉搏波传播特性分析

本文研究髂动脉分叉几何特性对脉搏波传播特性的影响,应用多物理场分析软件,分别建立了基于髂动脉的直管分叉和曲管分叉流-固双向耦合有限元分析模型,对比分析了血管分叉角度对脉搏波传播特性的影响。研究发现,分叉几何特性对髂动脉脉搏波传播有明显影响,在一个心动周期内,这两种模型预测的压力脉搏波和速度脉搏波幅值在血管分叉前一致度较高;分叉后,曲管分叉模型预测的脉搏波幅值较低、压降小,更符合人体实际情况。另外,分叉点处伴随着血管壁的应力集中现象,速度脉搏波幅值出现瞬时增加,这与分叉部位容易出现动脉狭窄和硬化等现象相一致。本文的初步研究结果将为脉搏波形用于动脉疾病的诊断提供一定的参考。