撞击力学

撞击力学 篇1

头部损伤的试验模型包括类人猿、人尸体和物理模型。这些模型为生物力学家验证他们的数学模型提供了与脑损伤相关的生物信息和力学参数。数学模型能帮助理解脑损伤机理, 量化特定撞击的机械参数, 以便于脑损伤容差可以公式化[4,5]。随着有限元技术在动态撞击领域的应用, 应用二维有限元法研究了头部受侧面撞击的动态响应, 现将二维模型扩展到三维模型利用ABAQUS研究人头部与发动机罩板的动态撞击问题。

1 损伤生物力学与损伤标准

损伤生物力学亦称为碰撞生物力学是汽车被动安全性研究的重要理论基础之一。在交通碰撞事故过程中, 人体暴露在一个机械冲击载荷的环境中, 在惯性力和接触力的作用下, 人体的各部分组织将产生一定的生物力学响应。若生物力学响应使人体组织超过可以恢复的限度或导致解剖学组织破坏或使正常生理功能变化或丧失, 就会造成人体损伤。人体组织在碰撞过程中所包含的有关力学问题就称为损伤生物力学。生物体结构的生物力学功能和在外界载荷下的生物力学响应是损伤生物力学研究的重点之一。

行人在与汽车发生碰撞过程中, 当头部的碰撞力超过人体头部的承受限度时, 头部就会受到损伤, 损伤程度主要取决于头部碰撞的位置和接触的面积。人体头部在人-车碰撞交通事故中常见的损伤类型包括脑震荡、颅骨骨折、颅内损伤以及脑挫伤等。头部损伤准则HIC考虑了平移加速度和时间的影响, 广泛用于汽车工业界, 用于实验条件下碰撞人体头部损伤评估。HIC是与时间和加速度有关的函数, 并规定HIC=1000为头部线性加速度耐受度阈值。HIC已经成为目前使用最为广泛的头部伤害评价标准, 但是其仍然具有局限性:头部的生物力学响应还包括可以引起头部损伤的角运动, 但HIC仅考虑了线性加速度, 此外HIC只在硬接触发生时有效, 因此冲击的时间区间有限。但到目前为止脑和头部损伤的耐受度与碰撞响应之间的关系还没有很好的建立起来, 因此在头部损伤研究和应用中主要还是使用HIC。

2 有限元模型的建立

采用有限元的方法来分析头部撞击损伤问题, 用ABAQUS建立了严格符合EEVC技术要求的头部有限元模型。试验参数和试验条件如下:成人的头颅模型直径为法规规定的165mm, 由表皮和本体两部分组成。 本体由铝制成, 表皮由5mm厚塑料制成, 两者之间粘结在一起, 没有相对滑动。发动机罩板取边长为2000mm, 厚度为1.0mm的正方形低碳钢板, 采用四周简支的边界条件。头部模型以40km/h速度和板的水平面成65°的撞击角撞击板中心[6,7]。

人头部与发动机罩板的撞击过程是瞬态的大变形非线性撞击过程, 可作为瞬态动力学问题进行分析。头皮、头骨和发动机罩板分别处理为均匀的、各向同性粘弹性材料和弹性材料[8], 见表1。其中:E为杨氏模量;V为泊松比;ρ为质量密度。

利用ABAQUS有限元软件建立了头部的有限元模型并对其进行了网格的划分, 如图1所示。依据上述的边界条件以及材料属性进行有限元分析, 得出分析结果的应力云图, 如图2所示。图中能够看出头部和罩板的应力变化, 真实的反映了头部与罩板碰撞过程中, 头部以及罩板的受力情况。

3 头部损伤的影响因素

3.1 罩板厚度的影响

图3显示了罩板厚度分别为0.8mm, 1.0mm, 1.2mm时头部模型与罩板的撞击加速度-时间历程曲线, 其中加速度单位为a/ms-2, 时间的单位为t/ms。

由图3可知, 板的厚度对撞击加速度的影响较大, 在其他条件相同的情况下, 板的厚度越小, 则发动机罩板的刚度小, 能产生更大的边形以吸收能量;同时, 板的厚度越小, 质量就小, 惯性也小, 变形就快, 能更好的吸收碰撞能, 对行人的头部伤害就小。

为降低行人头部与发动机罩板相撞时的损伤, 可以适当的减少发动机罩板的厚度, 以求产生更大的边形, 来吸收撞击过程中产生的能量, 减少发动机罩板对行人头部的损伤。

3.2 撞击角度的影响

图4显示了头部模型分别在30°、65 °、90 °的角度下撞击罩板得到的撞击加速度-时间历程曲线 (罩板的厚度为1mm, 撞击的速度为40km/h) 。

由图4可知, 撞击角度是影响撞击加速度-时间历程的一个重要因素。撞击面与头部的夹角越大, 造成撞击结果的峰值就越大.因此, 车辆的前端形状对头部撞击角度有很大的影响, 应适当的改变发动机罩板的流线, 以减少撞击的角度, 从而减少对行人头部的损伤。

3.3 撞击速度的影响

图5显示了头部分别在30km/h、40km/h、50km/h的速度下撞击罩板得到的加速度-时间历程曲线 (撞击角度为65°, 罩板的厚度为1mm) 。

由图5很显然的可以看出在其他条件相同的情况下, 撞击的速度越大加速度的峰值就越高, 对头部的损伤就越严重, 因此为了减少行人头部的损伤, 应该尽量控制汽车行驶的速度。

4 结论

通过运用有限元方法, 利用ABAQUS有限元软件分析头部与发动机罩板碰撞的动态响应特性, 得出了罩板厚度、撞击的角度、撞击速度等因素对撞击响应的影响特点。并绘制出了撞击加速度-时间历程曲线。根据数值模拟结果, 头部撞击发动机罩板时, 发动机罩板越厚、头部的撞击速度和撞击角度越大, 加速度越大, 对头部的损伤越大。研究内容为设计具有行人头部保护功能的车身结构提供了参考。

参考文献

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[6]刘奇, 夏勇, 周青.EEVC行人头模块标定试验[C].中国汽车安全技术国际研讨会, 2006:10-12.

[7]EEVC, Improved Test Methods to Evaluate Pedestrian Protection Afforded by Passenger Cars, European En-hanced Vehicle Safety Committee, Working Group17[C], 2002.

延伸喷管延展撞击动力学分析 篇2

延伸喷管延展撞击动力学分析

运用MARC软件对某发动机延伸喷管进行了非线性瞬态动力学分析,得到出口锥与延伸锥延伸过程仅经受撞击力作用下的变形及应力随时间的变化情况.对接合部位的密封圈进行了大变形处理,并在计算过程中对网格进行了重新划分.计算结果表明,该喷管出口锥与延伸锥结构是安全的`,但考虑到材料性能的波动,安全余量较小,应从设计上保证产品的可靠性.该计算方法对延伸喷管的设计具有指导意义.

作 者：宋金松 刘勇琼 尤军峰 徐秉恒 何树范  作者单位：中国航天科技集团公司四院四十一所,西安,710025 刊 名：固体火箭技术  ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF SOLID ROCKET TECHNOLOGY 年，卷(期)： 26(4) 分类号：V435 关键词：碰撞   应力   应变   延伸喷管   延伸锥   出口锥