面向汽车安全的中国体征50^(th)百分位男性乘员生物力学模型开发及验证

汽车安全领域的智能化和数字化发展都急需能代表真实人体特征的生物力学计算模型。本文以最新中国成年人人体尺寸标准为依据,开发具有自主知识产权的50^(th)百分位中国男性体征汽车乘员生物力学模型(TUST IBMs M50-O)。通过重构3组正面钝性冲击、5组侧面钝性冲击和3组整人滑车尸体及志愿者试验,模拟C-NCAP可变形移动壁障侧面碰撞试验,多角度、全方位验证所开发模型的有效性及应用价值。结果表明:11组重构试验数据均在相应的尸体及志愿者试验通道内,平均差异在10%左右,验证了模型的有效性。TUST IBMs M50-O与WorldSID 50^(th)假人模型在侧面碰撞中的运动趋势相同,但TUST IBMs M50-O模型上肢对胸部的挤压,使得胸椎T4和T12质心合成加速度峰值达到43.5g和47.3g,高于WorldSID 50th模型峰值38.5g和41.2g。同时,TUST IBMs M50-O模型也从应力应变角度评估人体组织层面的损伤风险。综上,TUST IBMs M50-O模型展现了类似真实人体的高生物逼真度,可用于组织层面的损伤机理研究,也可为智能汽车安全防护装置及智能高端装备领域产品研发、汽车虚拟测评提供可靠的计算工具和技术支撑。

冰雹形状及重复加载对叶表皮细胞壁仿生结构撞击损伤影响分析

为了提高纤维轻量化构件的冰雹载荷防护性能,基于高垂直刚度特性的叶表皮细胞壁仿生结构(a biomimetic isosceles trapezoid corrugated lattice cellular, bio-ITCLC),构建基体为涤纶纤维层合材料的仿生夹层结构数值模型,分析了冰雹形状、速度及重复撞击对叶表皮细胞壁仿生夹层结构力学行为及动态损伤的影响。结果表明:撞击接触力随冰雹形状的变化而改变,在相同撞击速度条件下,接触力峰值、初始上升率均随冰雹接触面的增大而提高,但加载时间减小;柱形及锥形冰雹的接触力峰值随撞击速度的增大而线性增长,半球形冰雹的接触力峰值与撞击速度呈抛物线关系。bio-ITCLC仿生夹层结构在柱形、半球形和锥形冰雹下的损伤模式分别为撞击区域屈曲压溃而引起纤维断裂、压痕导致的纤维断裂及基体开裂、仿生芯层与上层面板的分层失效。重复撞击并不改变仿生结构的失效模式,但bio-ITCLC仿生夹层结构的基体分层及累积损伤范围随冰雹重复撞击次数的增加而显著增大。

仿虾螯式抗冲击微加速度传感器设计

针对外弹道信息测量过程中,低量程微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)加速度传感器在上万g_n过载环境下的损坏问题,提出了一种仿虾螯式抗冲击微加速度传感器,可以实现抗过载30000g_n、量程50g_n的指标要求。有限元仿真结果表明,在50g_n载荷作用下,加速度计敏感单元位移为0.99μm,灵敏度为0.124 pF/g_n;引入仿虾螯式抗冲击缓冲结构的加速度传感器在30000g_n过载作用下承受的等效应力的最大值从1022.5 MPa降低至84.326 MPa,有效地提高了该传感器件的可靠性。

仿生多胞薄壁结构冲击吸能特性研究

仿生多胞薄壁结构具有质量轻、抗冲击性能强等优点。对莲藕、问荆进行仿生结构设计,与薄壁空管进行耦合,提出了两种新型的仿生多胞薄壁结构:一是薄壁空管与莲藕耦合结构(LR-IS),二是薄壁空管与莲藕、问荆耦合结构(LR-HS-IS)。通过Pro/E建立模型,导入到有限元软件Abaqus中进行数值模拟分析。此外,采用3D打印成型技术制作结构,通过落锤冲击试验和有限元数值模拟,对其在轴向冲击下的力学行为及吸能特性进行研究。结果表明,仿生多胞薄壁结构具有较好的吸能效果,显著提高了承载能力、载荷效率和比吸能。与单独的薄壁空管相比,仿生多胞薄壁结构不但能显著降低冲击效应,而且初始峰值力较为稳定。除此之外,该结构也非常符合轻量化、高吸能的要求。

汽车仿生防撞主梁设计与碰撞性能研究

汽车前防撞梁作为汽车安全行驶的重要防护组件,其主梁的横截面形状是影响缓冲吸能特性的主要因素。针对防撞主梁的碰撞问题,基于仿生原理提出了3种防撞主梁仿生横截面结构,建立3点弯曲动态力学模型。通过LS-DYNA软件对防撞主梁进行碰撞模拟仿真,得到各防撞主梁的变形压溃情况,为更深入地研究各防撞梁的碰撞性能差异,进一步对碰撞过程中的冲击力和比吸能等特征进行对比分析。结果表明内嵌水滴形防撞主梁撞击性能最优,其最大残余冲击力为3 062 N,最终吸能量为738 kJ,且具有良好的比吸能特性。

防鸟光缆的测试方法探讨

本文通过文献资料了解到啄木鸟啄取冲击的特点以及相关参数,设计仿啄木鸟鸟喙的工装,采用仿生工装对4个型号光缆的抗鸟啄冲击性能进行试验验证,探索光缆抗鸟啄性能的测试方法。

仿生敲击式山核桃破壳机的设计与试验

针对目前国内山核桃破壳机实用机型少,破壳率较低,果仁损伤率较高等情况,提出了一种仿生敲击(即模仿人工加工山核桃的方式)破壳方式,研制一款仿生敲击式山核桃破壳机。根据山核桃的物料特性以及破壳时所需的各项力学特性参数,建立了破壳机构设计的数学模型。确定了敲击臂的结构尺寸,优化了凸轮结构,并最终得到了凸轮的实际轮廓曲线。该文阐述了破壳机的总体结构与性能,建立了整机的三维实体模型,并根据建模制造了样机。该样机通过现场试验,结果表明:山核桃的含水率为14.55%~16.35%,大小为直径18~22 mm(沿缝合线方向)时,破壳率为99.41%,果仁损伤率为6.25%,生产率为94.93 kg/h,满足生产要求。该研究丰富与完善了坚果类果实的破壳机理与方法,为含隔坚果类的破壳机具设计与开发提供系统的理论依据和应用基础。

三种仿生不育剂对栗山天牛成虫的不育效应

为筛选出防治栗山天牛Massicus raddei(Blessig)成虫的不育剂,本研究利用灭幼脲Ⅲ号、除虫脲和杀铃脲3种仿生制剂分别稀释500倍、1000倍、1500倍、2000倍、3000倍和4000倍等6种浓度进行处理,对其成虫进行了不育性试验。结果表明,这3种不育剂不同处理在雌雄虫寿命、产卵量和产卵期、子代卵的孵化历期的差异均不显著,但经不育剂处理过的雌虫后期产卵量要明显小于对照;不同处理间子代卵的孵化率差异显著,特别是3种药剂500倍液处理后的孵化率分别为19.07%、23.74%和26.3%,远低于对照组的90.21%。三种不育剂1500倍以上的稀释浓度对卵的孵化均有明显的抑制作用,孵化抑制率与浓度之间呈正相关关系,其毒力方程均达到了极显著水平,其中灭幼脲Ⅲ号比其它两种不育剂效果更好。

表面对称电极含金属芯PVDF纤维冲击振动传感特性研究

模仿昆虫感觉毛的结构和功能,设计制备了表面对称电极含金属芯PVDF纤维(SMPF)冲击振动传感器。在含金属芯PVDF纤维胚体纵向表面对称涂镀2片导电胶层,极化后,制成SMPF传感器。基于第一类压电方程和振动理论,建立SMPF的冲击振动传感理论模型,分析传感信号与冲击振动角度和幅值的关系。把SMPF固定在基体上,搭建了实验系统,测试了SMPF对冲击振动的响应,验证了理论模型。结果表明,SMPF的传感信号和冲击振动的幅值成线性关系,和方向成"8"字形关系。得出了SMPF传感器能够测量冲击振动幅值或方向的结论。

着陆器足垫冲击特性模型试验

本文探讨了着陆器在星球表面降落冲击过程中土壤类型和密实度、冲击高度和足垫直径对冲击深度、加速度峰值和冲击力峰值的影响。分析结果表明,土壤类型和密实度对冲击深度的影响最大,其次为足垫直径,冲击高度的影响最小。相较于冲击高度,土壤的密实度对足垫在冲击过程中的加速度峰值的影响较冲击高度的大。建立了足垫冲击力峰值模型,模型的拟合相关系数R2均达到0.9以上,结果表明该模型能较好的预测足垫冲击力峰值。

驾乘人员受冲击或振动时的心律变异性分析

针对驾乘人员的安全防护,采用生理参数记录检测仪,研究了冲击和振动对人员的心率变异性(HRV)影响。船体冲击试验时,被试者平均心率比航行时最大增加了44.3%,最小增加了1.4%;被试者的差异平均值平方根(rMSSD)、低频率(LF)、高频带(HF)下降,但LF/HF升高。振动试验时,驾驶员在驾驶1h后的平均心率增加了12.6%,副驾驶增加了4.8%;驾驶员和副驾驶的rMSSD、LF和HF均降低,但LF/HF升高。结果表明:在冲击与振动环境下,人员交感神经活动和迷走神经活动减弱;知识越多,年龄、责任越大,心理紧张度呈升高趋势。因此,心率变异性分析在人员的紧张、疲劳监测以及安全防护等方面有广阔的应用与研究前景。

功能梯度仿生头盔防护性能与头部损伤分析

为了提高摩托车头盔防护性能降低头部损伤风险,本文引入功能梯度仿生泡沫结构替代传统头盔的均匀密度泡沫衬垫.通过头盔耦合生物力学头部有限元模型,获取撞击过程中头部质心加速度、生物力学响应和头盔结构响应,综合分析不同密度梯度方案对头盔防护能力的影响.结果表明,功能梯度泡沫结构在中高速冲击下有更明显的优势.相比传统头盔吸能缓冲层的均匀泡沫密度方案和新型头盔的正/负密度梯度方案,最大密度为80 kg/m3的负密度梯度泡沫设计方案可以更有效改善头盔结构碰撞响应并降低碰撞过程中头部损伤,且随着密度差的增大,负密度梯度头盔的防护性能得到了进一步提高.

鹿角骨单位仿生薄壁管斜向冲击耐撞性研究

为提高薄壁管结构的耐撞性和吸能性,基于鹿角骨单位结构特征,结合结构仿生学原理设计出内径相同、外径等梯度逐层递减的仿生薄壁管。采用有限元法对75种仿生薄壁管结构进行10°、20°、30°等3种斜向冲击角度的吸能特性模拟;通过多项式回归元模型和多目标粒子群优化算法进行优化,以Pareto前沿最优原则得到各目标最优化的配置方案;采用最小距离选择法进行优化分析,得到各配置方案的最优结构设计参数。结果表明:仅考虑单一冲击角度时,在10°、20°、30°冲击角度下的仿生薄壁管耐撞性最优的仿生层数n均为6,最大壁厚与厚度梯度值参数组合tmax-a分别为2.84 mm-0.38 mm、2.89 mm-0.29 mm、2.91 mm-0.34 mm;综合考虑多种冲击角度权重因数不同配置方案时,仿生薄壁管耐撞性最优的仿生层数n均为6,最大壁厚与厚度梯度值参数组合tmax-a分别为2.95 mm-0.28 mm、2.92 mm-0.30 mm、2.85 mm-0.33 mm。

仿生波纹夹层结构耐撞性分析及优化

为提高薄壁夹层结构耐撞性,以虾螯为仿生原型,设计梯度分布的仿生波纹形夹层结构,包括单层、双层和三层波纹结构。以初始峰值载荷Fp、比吸能Es为耐撞性指标,利用有限元法分析了单元高宽比γ(γ1、γ2和γ3分别为单元第1层、第2层和第3层的高宽比)对波纹夹层结构耐撞性的影响,采用多目标粒子群优化方法得到了夹层结构最优参数。结果表明,单层波纹结构耐撞性随单元高宽比γ的增大逐渐变差,双层波纹结构下层结构单元高宽比γ对耐撞性的影响大于上层结构单元高宽比γ对耐撞性的影响,较小的γ值有利于提高三层波纹结构的比吸能。结构优化结果表明:单层结构最优尺寸γ1为0.8;双层结构最优尺寸为γ1=0.5和γ2=1.2;三层结构最优组合为γ1=0.6,γ2=0.6和γ3=0.9。上述结果可为薄壁夹层结构轻量化设计提供新思路。

仿生多胞薄壁管耐撞性分析及优化

为提高薄壁管结构耐撞性,以雀尾螳螂虾螯为仿生原型,结合仿生学设计方法,设计一种含正弦胞元的多胞薄壁管结构。以初始峰值载荷、比吸能和碰撞力效率为耐撞性指标,通过有限元数值模拟分析了不同碰撞角度(0°、10°、20°和30°)条件下,仿生胞元数对薄壁管耐撞性的影响,通过多目标的复杂比例评估法获取仿生薄壁管的最优胞元数。基于不同碰撞角度权重因子组合,设置了4种单一角度工况和3种多角度工况,采用多目标粒子群优化方法获取了不同工况下薄壁管结构最优胞元高宽比和壁厚。复杂比例评估结果表明,胞元数为4的薄壁管为最优晶胞数仿生薄壁管。优化结果表明,单一角度工况下,最优结构参数高宽比的范围为0.88~1.50,壁厚的范围为0.36~0.60 mm,碰撞角度为0°和10°的最优高宽比明显小于碰撞角度为20°和30°的;多角度工况下,最优高宽比范围为1.01~1.10,壁厚范围为0.49~0.57 mm。

冰雹载荷下基于碳纤维增强复合材料的腔棘鱼鳞双螺旋仿生结构的撞击损伤分析

为了提高纤维复合材料构件抗冰雹载荷性能,基于腔棘鱼鳞独特的双螺旋结构,建立了以碳纤维增强复合材料为基体的腔棘鱼鳞双螺旋仿生结构数值模型,并验证了该仿生结构模型的有效性。对比分析了双螺旋仿生结构和正交层合结构的毁伤特性,进而探究了冰雹撞击能量及分布密度对该双螺旋仿生结构动态响应的影响。结果表明,双螺旋仿生结构在冰雹作用下的毁伤程度低于相同密度条件下的正交层合结构。当撞击能量达到1149.3 J时,正交层合结构出现了明显的基体破碎及纤维断裂,而双螺旋仿生结构仅表现为撞击区域的浅表分层并伴随少量纤维断裂。双螺旋仿生结构在冰雹撞击下的力学响应可分为3个阶段。随着撞击能量的增加,撞击区域首先发生基体拉伸,撞击点临近区域发生分层及面外凸起;进而分层区域向四周扩展,在冰雹的持续加载下撞击位置的位移达最大值;此后,仿生结构出现回弹直至稳定。该双螺旋仿生结构的能量吸收比率及接触力均随撞击能量的增加而线性增大。在相同质量冰雹的作用下,随着冰雹分布密度的增加,双螺旋仿生结构的上表面损伤程度减小,下表面损伤区域增大。研究结果为基于碳纤维增强复合材料的腔棘鱼鳞仿生结构在冰雹载荷下的轻量化设计奠定了基础。

动物进化的抗冲击策略及其仿生机理研究

经过长期的自然选择,自然界中的动物已经进化出各种各样高效的、可靠的、适应性强的抗冲击策略和机体防护机制,抵抗来自周围复杂环境的碰撞和冲击载荷,保护生物外部结构和内部器官在进行激烈生物活动时不受伤害.相比传统工程防护结构,这些天然的生物防御系统具有优异的抗冲击特性、高效的能量耗散效率以及可重复使用等特征.因此,近年来,关于探索生物及其仿生机理的研究越来越受到广大学者的关注.本文作者结合近期在该领域的研究成果,综述了自然界各类动物的抗冲击策略与身体防护机制及其相关仿生设计与应用的最新研究进展.特别地,我们归纳分析和讨论了面对不同载荷环境时生物抗冲击结构独特的进化过程和非凡的力学性能,并且介绍了相关的抗冲击仿生应用研究.最后,讨论了动物抗冲击策略与防护机制及其仿生应用研究的挑战和未来发展方向.本文可为研究人员和工程师提供有效的数据资料,为可重复使用能量吸收装置及其飞行器结构的抗冲击与防护设计提供有益借鉴和仿生依据.

仿贝壳珍珠母层仿生结构设计与抗冲击性分析

研究贝壳珍珠母层的结构发现,它具有极佳的抗冲击性能。因此,通过仿贝壳珍珠母层的结构,设计出砖-泥夹层结构,以期达到良好的抗爆炸冲击性。同时,为了验证结构多层蜂窝夹层结构与砖-泥夹层结构的抗爆炸冲击性能,通过控制框架与填充物的体积比为6∶4,分别以实体、砖-泥、多层蜂窝作为“面板-夹层-背板”的夹层。通过AUTODYN数值分析手段得出:砖-泥夹层结构的比吸能是实体的16倍,多层蜂窝夹层结构的比吸能是实体的9倍;抗爆炸冲击性能方面,多层蜂窝夹层结构最优,砖-泥夹层结构次之,实体夹层结构最差。

叶表皮细胞壁仿生结构在冰雹作用下的动力学响应分析

基于具有低横向刚度、高垂直刚度特性的叶表皮细胞壁仿生结构(bio-ITCLC)结合柔性蒙皮,构建了具有小切向刚度和大法向刚度特性的新型仿生夹层结构。以涤纶纤维层合板为基体,建立仿生夹层结构的冰雹撞击有限元仿真模型,验证了冰雹撞击模型的有效性。分析了冰雹速度和直径对叶表皮细胞壁仿生夹层结构动态力学响应及失效模式的影响。结果表明,在冰雹作用下bio-ITCLC芯层与上面板连接位置首先出现开裂,进而上面板产生基体开裂及纤维断裂,冰雹载荷的持续作用使得芯层撞击区域发生屈曲直至压溃。冰雹撞击速度及直径的增加并不会改变bio-ITCLC仿生结构的失效形式,但其对bio-ITCLC仿生夹层结构的作用力随冰雹直径的增大而线性递增,且随撞击速度的增加呈抛物线增长。

仿荷薄壁管的耐撞性研究

针对传统薄壁圆管结构存在的问题,本文采用结构仿生原理,主要对仿荷薄壁管在轴向冲击下的耐撞性进行研究。利用有限元分析软件对薄壁管做碰撞仿真,以比吸能和峰值力为评价指标,结合不同薄壁管在碰撞时发生的变形模式,分析3组仿荷薄壁管的轴向吸能特性。仿真结果表明,仿荷薄壁管较普通圆管有更好的吸能特性;在比吸能指标方面,3组结构同一系列的仿荷薄壁管比吸能为:B组>C组>A组,B组结构的比吸能提升最高,比A组平均提升20%;在峰值力指标方面,同一系列的B组仿荷薄壁管较A组仿荷薄壁管的峰值力也有所提升,C组仿荷薄壁管的峰值力受胞数增加的影响最大,当胞数增加到7以上时,C组峰值力大于B组,在不影响吸能的情况下,减小碰撞过程中产生的峰值力,可以保护车内乘员的安全,说明B组仿荷薄壁管是一种更合理的吸能结构。该研究在汽车数值结构分析与优化设计中具有广阔的应用前景。