仿枪虾虾螯纵向混合负泊松比结构设计与耐撞性研究

为提高汽车安全防护结构耐撞性,以枪虾虾螯(大螯)作为仿生原型,通过生物实验提取虾螯微观结构,设计了24种仿生混合负泊松比吸能结构。以质量比吸能(SEA)、结构平均压溃效率(CFE)、初始峰值载荷(IPF)作为评价结构耐撞性的主要指标,借助经过验证的有限元模型对设计结构仿真模拟,经过结果数据分析确定影响结构耐撞性指标的关键参数a(胞元内凹深度),结合实际工况利用加权组合综合评价方法选出最优耐撞性结构。结果显示,当a=6.80 mm时的BCDA型混合结构耐撞性能最优,优化后SEA=3.21 kJ/kg,IPF=8.58 kN,CFE=31.29%。与单一胞元结构相比,优化后混合模型IPF最高降低35.24%,SEA最高提升35.72%,CFE有所下降,最多降低47.20%。

自主车辆前馈NMPC路径跟踪控制方法研究

在弯道等大曲率场景中,车辆转向系统的迟滞和车辆模型的线性化会导致转向不足和稳态误差,从而影响自主车辆路径跟踪精度和响应速度。为了解决这一问题,提出了一种路径跟踪框架。该框架在弯道等大曲率场景,触发前馈控制控制器,输出理想转角序列,提前使转向机构到达最优转角附近;随后将引入排斥目标函数的非线性模型预测控制器优化求解出的最优控制序列作用于车辆,刷新理想转角序列。搭建自主车辆实验平台,在不同场景下进行仿真验证,结果表明,与忽略滞后的传统模型预测控制相比,前馈非线性模型预测控制器跟踪精度和响应速度方面的性能有所提高。特别是在弯道等大曲率场景中,所提出的框架将横向均方根误差降低了近30%。

汽车碰撞驾驶员下肢行为响应及损伤分析

当前汽车碰撞试验中所用假人为标准姿态,忽略了驾驶员本能应急行为对自身损伤的影响。基于此问题,通过搭建沉浸式驾驶模拟器获取碰撞环境下驾驶员下肢姿态的变化特征并利用有限元方法对碰撞场景进行模拟仿真,最终通过数据分析对比驾驶员应急行为下人体各部位损伤情况。研究结果表明:当脚部位于油门踏板上时驾驶员头部以及大腿损伤较为严重,脚部踩压制动踏板时,胸部压缩量相较于其他姿态峰值增大了22.3%,脚部位于制动踏板上时颈部伸张力矩峰值最大,粘性指数峰值减小了25%。驾驶员下肢行为变化时其身体运动姿态、各部位的损伤程度有明显差异且与标准姿态相比各部位损伤情况也有显著不同。研究结果能够为针对中国驾乘人员的车辆安全防护设计提供新思路,同时对国内碰撞法规的完善具有很好的参考价值。

车辆碰撞中驾驶员手部主动响应对人体损伤的特性

研究了车辆碰撞环境下驾驶员手部在方向盘上的主动响应及对人体损伤的影响,以便对于人体损伤标准完善及车辆安全防护设计,提供参考数据。将假人手部结构重建,使手部具备抓握能力。利用关节约束力矩模拟抓握力,设置手部具有抓握力及抓握方向盘不同位置的仿真模型,计算获得假人各部位损伤数值,与标准假人损伤对比。结果显示:抓握状态下,头部伤害指标(HIC)峰值增加37.5%,颈部伸张力矩最大值减少22.3%,胸部压缩量最大值减少3%,大腿压缩力峰值减少36.5%。将方向盘划分为表盘的位置方位,手部位置在11点和4点方位时,头部HIC峰值最大;手部位置在8点和4点方位时,胸部压缩量和大腿压缩力峰值最大。碰撞中驾驶员手部主动响应对人体损伤影响较大。

改进支持向量机的车辆定位导航精度提升方法

车辆定位导航是实现智能车辆环境感知的基础,为解决智能车辆在SINS/GPS组合导航下误差问题,提出一种基于蚁群算法改进支持向量机的车辆定位导航精度提升方法。首先,使用状态变换扩展卡尔曼滤波对组合导航进行初步降噪;其次,运用支持向量机及神经网络辅助导航,解决组合导航中位置误差较大、对导航效果产生影响的问题;然后,通过蚁群算法改进支持向量机,对支持向量机核函数参数进行迭代优化;最后,在实车采集数据集下,与神经网络辅助进行对比。结果表明:在东北天3个方向上,神经网络降低误差均方根值的效果达到了72.88%、68.66%、63.87%,而改进支持向量机的效果达到了82.09%、79.62%、90.14%。改进支持向量机能够辅助优化组合导航位置误差,提升车辆定位导航精度。

鲨鱼盾鳞仿生起苗铲减阻仿真分析

针对苹果苗木起苗机作业中铲尖磨损严重、碎土困难、能量损耗大等问题,基于锤头双髻鲨盾鳞的沟槽结构,利用仿生学原理设计了一种鲨鱼盾鳞仿生起苗铲。借助LS-DYNA软件对仿生起苗铲进行应力应变分析,并与传统起苗铲进行对比试验研究。结果表明,鲨鱼盾鳞仿生起苗铲最大等效应力为8.085×10-6MPa,等效应变为2.089×10-11,变形远小于设计要求的5mm,验证了设计的合理性;在土壤中作业时,鲨鱼盾鳞仿生起苗铲较传统起苗铲能量损耗平均减小了14.29%,减阻效果明显,满足减阻设计要求。结构合理、减阻耐磨的鲨鱼盾鳞仿生起苗铲可为进一步提高苹果苗木起苗机作业性能提供技术支撑。

面向智能汽车的地下停车场定位与路径规划

为了解决智能车辆在全球定位系统(Global Positioning System,GPS)信号缺失的地下停车场中的定位与路径规划问题,本文使用双目离线建图、单目在线定位的视觉方法在场景中进行定位,并使用改进的路径规划算法规划全局行驶路线。首先,利用双目相机在地下停车场中的多个节点位置进行场景采集,节点的不同信息分层存储入视觉多层级地图。然后,利用单目相机进行由粗到精的地图匹配和位姿计算实现快速高精度定位。最后,使用改进的路径规划算法在地图中对各路口位置进行检测并生成路口路径图(Intersection Roadmap,IRM),全局可行驶路线根据定位结果和路径图规划得到。实验结果表明:使用单目相机的视觉定位平均误差为1.3 m,平均误差率为7.4%,基于路口路径图的规划算法相比概率路径图(Probabilistic Roadmap,PRM)算法,规划时间由5 s左右缩短至0.2 s以内,路径长度缩短了约9.56%。定位导航系统能够实时准确地实现车辆在停车场环境中的定位与路径规划,具备良好的实用性。

颈部结构刚度特性对乘员生物损伤力学影响

针对颈部刚度对乘员生物损伤力学的影响,将假人颈部关节刚度曲线应用到颈部关节耐受极限的仿真测试,在LS-DYNA中得到了颈部损伤响应和损伤限值,研究了关节刚度和关节阻尼对颈部动态响应的影响;并利用颈部标定仿真试验评价了中国体征颈部模型的拉伸和弯曲响应特性。从低速后碰撞仿真对比曲线可以看出,HybridⅢ假人颈部力矩为40.2 N·m,中国假人颈部力矩为35.6 N·m,中国假人颈部不易达到CNCAP鞭打试验中的损伤限值。

面向预期功能安全的NOP巡航车速控制性能优化方法

为解决配备领航辅助系统(NOP)的车辆在视野盲区下因传感器性能局限导致NOP巡航车速控制能力下降的问题,引入预期功能安全设计方法及融合通信时延,提出NOP巡航车速控制性能优化方法。首先,基于STPA方法对NOP巡航车速控制功能进行风险评估,得到安全风险的触发条件并提出安全目标;其次,基于车-车通信获取不同驾驶工况的通信时延规律,解决通信时延对系统决策造成的影响;然后,制定交叉口路段车-车交互极限场景NOP巡航车速安全控制策略;最后,对提出的安全控制策略进行仿真和实车验证。结果表明:V2X-NOP巡航车速控制功能紧急减速制动时机对比单车感知提前启动,速度响应提前高达1.56 s,加速度响应提前高达2.26 s,NOP巡航车速控制能力的可靠性得到了加强。

爆炸冲击载荷下乘员小腿伤害评价指标的对比分析

为探究特种车辆内乘员在垂直方向安全性评价的有效指标,进行了两种不同强度的爆炸试验,针对小腿部位按照3种不同伤害评价指标,即Yoganandan评价指标、Hirsch评价指标和胫骨指数(TI),分别从小腿轴向力、加速度、综合小腿轴向力和力矩3方面进行乘员小腿伤害风险分析,结果表明:在乘员受到轻微爆炸冲击和剧烈爆炸冲击两种工况下,这3种评价指标结果较为一致,均可有效评价人员小腿安全性。此外,在Hirsch评价指标中,采用地板加速度而非足底加速度将得到更为准确的结果。

拉压型传感器静态性能虚拟标定系统

针对BLR-1拉压型传感器的静态性能,采用硬件QTC-300、DAQP-12和笔记本电脑为基础, 利用图形化编程语言DasyLab设计了BLR-1拉压型传感器静态性能虚拟标定系统,通过标定试验应用和对所采集数据的拟合处理,结果表明,虚拟标定系统精度高且稳定可用。

模型铲刀表面法向压力虚拟测试系统设计

硬件以WBK16、WaveBook/512和笔记本电脑为基础,利用图形化编程语言DasyLab设计了16通道应力应变虚拟测试系统,在模型铲刀表面法向压力测试试验中成功替代了传统的应力应变测试系统,并在数据的实时显示、实时存储、存储格式、数据处理及回放等方面明显优于传统应力应变测试系统,体现了其较高的性价比。

土槽室温虚拟测试系统设计

为研究土槽室温变化与土槽实验用土物理机械参数之间相互影响的规律,以温度信号调理模块5B34-02、信号扩展模块DBK42、数据采集模块DAQBOOK/120和笔记本电脑为硬件基础,利用图形化编程语言DASYLab设计的温度虚拟测试系统,可成功替代传统温度测试系统来实现对土槽室温进行长时间实时测量、分析与存储,结果表明,该系统精度高且稳定可用。

推土板表面形态对土壤动态行为影响的离散元模拟

土壤行为的变化过程直接受触土部件结构的影响,研究不同表面推土板作用下土壤动态行为的变化规律和影响因素对于触土部件的优化设计具有重要意义。根据液桥对土壤微观力学结构的影响,在传统离散单元法理论的基础上,建立了土壤颗粒接触非线性力学模型,并对光滑和波纹形表面形态推土板前端土壤的动态行为进行了离散元模拟。结果表明:离散元模拟不仅准确再现了实验中表面形态对板面前端土壤动态行为影响的定性和定量结果,而且通过离散元细观分析从土壤内部土壤颗粒运动合理解释了土壤宏观形态的变化规律以及推土板表面形态对土壤动态行为的影响,即波纹形表面使板面前端土壤波动频率变大,而波动幅度变小。该研究为土壤-机械相互作用分析提供了新的研究思路和手段。

苹果起苗铲有限元分析与结构设计

在AIP中创建苹果起苗铲三维参数化特征模型,根据起苗铲结构、材料、载荷和受力情况等,利用内嵌于AIP的ANSYS技术模块创建了起苗铲三维有限元模型,划分了有限元网格,获得了起苗铲三维应力、变形和安全系数。根据设计要求和分析结果,将起苗铲结构改进为L形,节省了材料,降低了工作阻力,安全系数达到设计要求。通过样机起苗试验,改进的起苗铲工作阻力小、起苗作业可靠,取得了预期的效果。

推土板切土角对干土壤动态行为影响的离散元模拟

根据液桥对土壤微观力学结构的影响,在传统离散单元法理论的基础上,建立了土壤颗粒接触非线性力学模型,并对不同切土角推土板前端干土壤的动态行为进行了离散元模拟。准确再现了实验室实验中切土角对板面前端干土壤动态行为影响的定性和定量结果,并通过离散元细观分析从土壤内部土壤颗粒运动合理解释了干土壤宏观形态的变化规律和影响因素。

儿童约束系统误使用安全性试验研究

儿童约束系统误(CRS)使用是一个普遍存在的问题,而儿童约束系统只有在正确使用的情况下才能充分发挥其保护作用。对儿童约束系统的误使用情况,本文报告了在北京地区对儿童家长进行的问卷调研。中国儿童安全座椅误用率在70%以上,儿童安全座椅使用者对于误使用概念模糊且意识薄弱。基于这些调研数据以及国外误使用研究数据,针对8种常见的儿童安全座椅误用模式,进行了台车碰撞模拟试验研究。试验结果表明:儿童座椅的误使用对儿童安全性的影响显著,其中儿童肩带在儿童腋下的误使用模式,是对安全性影响最大的误使用模式,它可导致HIC15(15 ms间隔的头部伤害指标)增加500%。

汽车碰撞中锥形晶胞薄壁金属管吸能特性的仿真研究

薄壁金属管是汽车碰撞时为安全性所设置的吸能结构件。为优化设计金属薄壁管,该文研究了不同锥度、晶胞数的LD2铝合金锥管的吸能特性。用Hypermesh和Ls-Dyna软件,在轴向和偏斜方向动态载荷两种作用下,以初始峰值载荷(IPL)和比吸能(SEA)来表征吸能特性,进行仿真分析。结果是:对于单、双、四晶胞的锥管,IPL均随着锥度的增加而降低;锥管的IPL均低于直管的IPL,SEA随着锥度的增加而提高;随着斜碰角度的增大,锥度为0.3的四晶胞锥管在斜碰的峰值载荷和比吸能均降低。因此,合理地调整锥度和晶胞数,可以提高薄壁管的吸能特性。

舰员抗冲击鞋性能试验及评估方法研究

水下爆炸在极短的时间内产生巨大的冲击加速度,引起舰船结构设备破坏和人员损伤。在自下而上的垂向冲击加速度作用下,甲板上的立姿舰员下肢首先承受强大的冲击载荷,人体的跟骨和脚踝是最易损伤的薄弱部位。研究舰员的抗冲击鞋,目的是通过缓冲脚底部载荷并降低到耐受限值以下。利用双波冲击机模拟3种典型冲击强度,采用国际标准假人代替真人作为试验载体,开展舰员抗冲击鞋的防护性能试验及评估方法研究。结果表明,舰员抗冲击鞋具有较强的冲击防护作用,可以衰减约60%的冲击载荷,从而达到有效避免或减轻舰员冲击损伤的作用。

中国和美国校车国家标准对比及校车座椅动态试验

学童乘车安全受到公众广泛关注。该文对比了中国和美国校车国家标准中关于车辆结构耐撞性和乘员保护相关内容。在保证乘员生存空间和有效减轻学生乘员二次碰撞伤害方面,两国标准有不同解释。依据中国新国家标准中相关的试验方法,在清华大学汽车碰撞试验室,采用减速台车,对中国某校车和美国某校车的座椅系统分别进行了30次的抗前倾性能动态试验。试验结果表明:两种座椅的假人头部、胸部、腿部的伤害允许指标HIC、ThAC、FAC等的各种指标,均能达到中国校车国家标准相关规定;但在骨架型式、制造工艺和结构强度方面,中美校车座椅有诸多不同之处。