飞行过程中头盔对飞行员颈部损伤的影响

为研究飞行过程中不同头盔对飞行员颈部损伤的影响,基于头颈部多刚体动力学模型,对急转弯及稳定盘旋飞行工况下4种头盔情况开展了动力学分析。得到了不同头盔作用下颈部肌肉力、椎间力、力矩及颈部损伤指数N_ij的变化规律,对不同头盔作用下的颈部损伤风险进行了评估。结果表明:所建立的头颈部模型与实验结果较为吻合,可以用来进行仿真模拟分析;相同飞行工况下,B头盔的佩戴使得头部质心前移,增加了颈部前屈时斜方肌的肌肉力;对于同一颈椎节段,B头盔的轴向压缩力最大,而C头盔导致的后伸力矩最大;在所有的计算工况中,上下颈椎的颈部损伤指数N_ij均小于0.5,满足航空领域的安全要求;B头盔和C头盔的质量相近,而B头盔质心位置靠前,C头盔靠后,说明头盔质心的前后位置会对颈部的损伤产生重要影响。研究结果可为飞行员头盔的设计优化及其对颈部损伤的影响提供研究支撑。      

二维编织C/SiC复合材料板疲劳损伤分析

为探索复合材料损伤的基本规律,首先,基于损伤力学,结合Tsai-Hill强度理论,提出了表征二维编织C/SiC复合材料损伤各向异性的损伤演化方程;然后,在商业有限元软件ANSYS环境中进行了二次开发,形成了考虑材料刚度随损伤折减的损伤模拟程序;其次,对二维编织C/SiC复合材料板模型进行了损伤模拟分析,结果表明材料损伤过程中应力与损伤度对单元破坏起共同作用;最后,对损伤演化方程的形式提出了讨论与改进,并通过模拟计算揭示了复合材料在损伤驱动力及材料特性作用下损伤呈现各向异性演化的特征,说明材料各向异性损伤是其材料特性及受载形式产生的必然结果。      

人体上肢多体系统动力学模型

在弹射过程中，当敞开的弹射座椅进入气流中时，会造成人体各部位的损伤，特别是会造成肢体的骨骼或肌肉损伤－－甩打伤。为设计飞行员的保护装置，对肢体的动态响应，如角速度、运动轨迹等进行了研究。介绍计算人体上肢动态响应的多体系统动力学模型，包括两种初始姿态（握扶手和握中央环）下弹射的情况，结果表明双手握中央环弹射比双手握扶手弹射安全。     

基于Ansys的飞行员座椅坐垫舒适性仿真

鉴于飞行员对飞机座椅的舒适性要求越来越高,针对人与座椅之间的应力分布这个座椅舒适性评价指标,建立了包括骨盆在内的人-座椅坐垫有限元模型,对坐姿下人与坐垫的应力分布进行了仿真计算.通过比较1g重力环境下仿真和实验坐垫上应力分布,验证模型的有效性,在此基础上开展了不同过载下的仿真计算.分析可知仿真模型在坐应力分布和应力值大小方面与实验数据具有较高的一致性;不同过载下体内以及坐垫上应力最大值与施加的过载加速度直接呈线性关系.结果表明,建立的人-座椅坐垫有限元模型是有效的,可以用于评估不同坐垫或不同过载环境下的舒适性.      

短距离起飞加速度对飞行员操作影响的分析

短距离起飞产生的过载加速度可能对飞行员的安全操作造成极大隐患。本文建立飞行员-座舱系统的多刚体模型,仿真分析了胸-背方向的加速度载荷（Gx）对飞行员驾驶状态下的人机动力学响应。首先,根据第3百分位的男性人体测量学数据,通过三维CAD软件建立了飞行员的虚拟假人模型;并根据设计参数的要求建立了包括座椅和操作杆（油门杆与驾驶杆）在内的飞机座舱模型。然后,以标准的短距离起飞的加速度模拟曲线为载荷条件,利用多刚体动力学软件ADAMS模拟了飞行员在短距离加速起飞过程中的动力学响应及飞行员与操作系统之间的力学相互关系。仿真结果表明,过载加速度会经飞行员身体传递给操作杆,5G加速度载荷产生的传递力作用在驾驶杆和油门杆上的值分别为128 N和211 N,两者均已超过了通常操作杆所设计的有效阈值,因此存在误操作的可能。另外,本文结合仿真结果和国外现有战机设计,提出了短距离起飞下飞行员避免误操作的可行方式,结果显示该方式可以有效地转移加速度传递所带来的影响。本文方法将为在短距离起飞作用下避免误操作的分析提供技术途径,得到的结果将为驾驶部位的人机设计提供参考。      

复合材料层板冰雹高速冲击损伤预测及失效分析

针对冰雹冲击对复合材料结构安全造成的潜在风险,提出了一种基于连续介质损伤力学的非线性有限元模型,研究了碳纤维复合材料层板冰雹高速冲击力学行为。综合采用拉格朗日法和光滑粒子流体动力学（SPH）法对冰雹进行建模,引入水的状态方程描述冰雹破碎后的流动特性;考虑应变率的单向复合材料本构模型,根据三维Hashin失效准则及材料刚度折减方案,进行复合材料层内损伤预测;引入界面单元结合双线性内聚力模型模拟层间分层现象;编写用户材料VUMAT子程序,实现基于ABAQUS/Explicit显式模块的数值求解。模拟了冰雹高速冲击复合材料层板的瞬态过程,分析了材料的损伤特性和失效机理。探讨了冰雹冲击速度、冲击角度对层板冲击损伤性能的影响,为复合材料结构冰雹冲击问题数值分析提供参考。      

TC4喷丸强化仿真与试验

针对目前喷丸有限元仿真研究中弹丸规则排列、覆盖率无法精确计算的研究现状,基于ABAQUS二次开发建立了弹丸空间位置随机分布、弹丸数量由覆盖率决定的多弹丸喷丸有限元模型,实现了不同工况、不同喷丸覆盖率条件下所需弹丸个数的精确计算;在此基础上研究了不同喷丸参数对TC4钛合金材料表面残余应力与表面粗糙度的影响规律。进行了TC4喷丸试验,将得到的残余应力分布、表面粗糙度与仿真结果进行对比,验证了该有限元模型的合理性。研究成果对喷丸工艺参数的确定具有一定的指导意义。      

复合材料层板低速倾斜冲击损伤分析

纤维增强复合材料层板对低速冲击事件敏感,冲击产生的损伤会导致材料结构承载性能及使用寿命大幅下降。基于此,提出了一种基于连续介质损伤力学的有限元模型,研究了复合材料层板低速倾斜冲击力学行为。采用Hashin准则结合渐进退化模型预测层内损伤起始和演化;采用界面单元结合双线性Traction-Separation本构关系模拟层间分层;编写用户材料VUMAT子程序,实现基于ABAQUS/Explicit软件平台的数值求解。数值计算结果与现有正冲击下实验数据吻合较好,验证了模型的有效性。探讨了冲击角度、冲击能量对复合材料层板倾斜冲击力学性能的影响,分析倾斜冲击下层板损伤模式及失效机理,为复合材料结构倾斜冲击问题数值分析提供参考。      

平面编织混杂铺层层板穿透挖补修理参数分析

基于ABAQUS软件平台建立穿透挖补修理后混杂铺层层板有限元模型,对修理后层板的拉伸强度和破坏模式进行预测.为验证模型的有效性,对无损伤板和修理后层板进行了试验研究,模型计算结果和试验吻合良好.使用计算模型对修理后结构进行参数研究,比较不同挖补斜度、胶层韧性、胶层厚度、损伤尺寸及附加修理层等设计参数对修理后结构拉伸强度的影响,得到的结果可以为含穿透损伤混杂铺层层板修理设计提供理论指导.     

硅通孔中电致应力的有限元分析

在三维电子封装中,硅通孔(TSV,Through-Silicon-Via)是实现芯片垂直互连的关键环节,其可靠性至关重要.随着硅通孔中电流密度的增大,电致应力对TSV可靠性的影响也越来越大.基于该耦合方程和有限元的一般原理,详细地推导了弹性材料属性下TSV内部的电致应力、应变的有限元分析模型;利用ABAQUS中的用户自定义单元(user defining element)接口,实现了该模型的有限元计算,并利用解析解对该有限元模型的正确性进行了验证.利用有限元模型对TSV中铜填充的电迁移问题进行了分析计算,描述了铜填充在电迁移过程中电致应力、应变以及空位浓度的演化过程和分布规律,为三维电子封装可靠性的全面评估提供了一定的依据.     

复合材料低速冲击损伤分析方法

为了研究复合材料层间损伤,建立了一种新型零厚度界面单元模型,可以准确预测复合材料低速冲击与冲击后压缩过程中的分层损伤.模型包括本构关系建立、损伤准则和损伤演化引入,并在大型商用有限元软件ABAQUS用户单元子程序VUEL中实现.层内使用三维实体单元,采用三维Hashin准则作为纤维与基体损伤的判据,并在用户子程序VUSDFLD中实现.将该模型应用于国产碳纤维增强树脂基复合材料(CCF300/5428)低速冲击与冲击后压缩的模拟分析中.结果表明:此方法能够准确预测复合材料低速冲击与冲击后压缩过程中的损伤,为复合材料低速冲击损伤分析提供了一种有效的方法.     

侧边边界条件对铝合金加筋板轴压性能的影响

工程实际中,飞机加筋板结构受到梁或墙限制而呈简支状态,侧边受约束的高强铝合金加筋板在轴向压缩时,表现出与侧边自由加筋板不同的压缩特性。本文就此问题进行了试验和数值模拟研究。轴压试验中,通过影像云纹和应变计监测试验件屈曲及后屈曲过程。基于ABAQUS软件建立有限元模型,采用含韧性损伤和剪切损伤的Johnson-Cook本构模型,研究不同侧边约束下加筋板轴压特性。计算结果与试验结果相吻合,研究表明:侧边简支加筋板蒙皮同时发生失稳,而侧边自由加筋板侧边蒙皮首先发生失稳,侧边自由加筋板失稳载荷虽远低于侧边简支加筋板,但其结构破坏强度仅下降约9%。      

复合材料混合连接结构拉伸性能与影响因素分析

胶螺混合连接设计适当,能够提高结构的连接效率.针对复合材料胶螺(螺钉)混合连接结构中存在的分析与设计问题,在ABAQUS软件平台上建立了损伤累积三维有限元模型,其中考虑了胶层物理非线性以及非线性接触等问题,连接结构拉伸强度及损伤破坏过程的计算结果与试验结果基本吻合,证明了所建模型的有效性.在此基础上,研究了复合材料层合板端头翻边、胶层厚度、胶层韧性以及接触面摩擦系数等因素的影响.结果表明:复合材料层合板端头翻边对混合连接结构具有增强作用,能够提高结构的拉伸强度;韧性胶层能够提高结构的拉伸强度,但胶层厚度对结构的强度基本没有影响;螺钉杆与连接孔接触面间摩擦系数越大,连接结构的拉伸强度越高.     

带衬套沉头螺栓复合材料/金属接头拉伸性能

对带衬套沉头螺栓连接复合材料/金属接头进行拉伸试验,测量了接头的载荷-位移曲线和面外变形等性能,研究了接头的拉伸行为。利用ABAQUS软件,建立了接头的有限元模型,计算得到的条件挤压载荷、极限破坏载荷和破坏模式与试验结果吻合较好,证明了所建有限元模型的有效性。利用该模型,分析了接头破坏的机理,并进一步研究了螺栓与衬套过盈量、拧紧力矩和钛板厚度等因素对接头拉伸性能的影响。结果表明:适度的增大螺栓与衬套的过盈量能有效提高接头的刚度和强度;在一定范围内增加拧紧力矩能提高接头的承载能力;增加钛板的厚度,对接头的刚度有明显提升,但对极限破坏载荷影响较小。      

月球着陆器着陆腿非线性有限元建模与仿真

为了准确地预测着陆冲击过程中着陆腿的载荷缓冲和吸能性能用于指导着陆缓冲机构的设计和优化,采用非线性有限元方法进行着陆冲击动力学仿真.建立了单腿着陆冲击有限元模型,采用ABAQUS/Explicit显式动力学程序作为求解器.为提高计算效率,采用了质量缩放技术.对2个单腿着陆冲击工况进行了动力学仿真分析,通过与试验数据的对比证明了分析结果的正确性.分析结果表明:非线性有限元模型可以综合考虑各种非线性因素的影响,能较准确地预测着陆腿着陆缓冲性能;着陆腿的弹性对套筒间的摩擦力有较大的影响,增大着陆腿刚度可以减小摩擦力.