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基于虾螯结构的仿生夹层板设计及数值模拟

吉林大学学报（工学版） 2024年第3期54卷 842-851页

作者：杨欣王阳宋家锋朱勇黄彬兵许述财河北农业大学机电工程学院河北保定071001 清华大学苏州汽车研究院(相城) 江苏苏州215134 清华大学智能绿色车辆与交通全国重点实验室北京100084 运输车辆检测、诊断与维修技术交通行业重点实验室济南250357 清华大学车辆与运载学院北京100084

探索了基于虾螯轮廓外形设计的仿生夹层板(BSP)的耐撞性。按照拉伸试验获得的材料本构参数设置了Hyperworks有限元模型,制造了BSP样件,并试验验证了有限元模型有效性。比较了BSP-L0、BSP-L180、BSP-T0、BSP-T180四种配置方案的耐撞性指... 详细信息

探索了基于虾螯轮廓外形设计的仿生夹层板(BSP)的耐撞性。按照拉伸试验获得的材料本构参数设置了Hyperworks有限元模型,制造了BSP样件,并试验验证了有限元模型有效性。比较了BSP-L0、BSP-L180、BSP-T0、BSP-T180四种配置方案的耐撞性指标,选择BSP-T0方案进一步研究。分析了圆弧高度比γ和梯形晶元窄底宽度B对BSP-T0耐撞性的影响规律,得到γ比B对BSP-T0耐撞性的影响更大。利用遗传学算法进行参数优化,Pareto前沿的一个最优解为比吸能SEA=3.080 kJ/kg、峰值载荷PF=30.700 kN、平均压溃效率CFE=86.884%,相应参数γ=0.355,B=4.23 mm,预测与仿真结果误差均在2%以内,预测效果理想,本文研究成果可为夹层结构设计提供新思路。

关键词：工程仿生学夹层结构耐撞性多目标优化遗传学算法

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模拟火壤结壳及其力学性能试验

吉林大学学报(工学版) 2024年

作者：党兆龙邹猛宋家锋陈百超申彦齐迎春北京空间飞行器总体设计部吉林大学工程仿生教育部重点实验室

火星表面除松散火壤外，还有一类特别的火壤类型—硬壳类火星地面，该火壤表层为脆性，底层为松软沙粒，对巡视器移动具有迷惑性。研究以Mars-1和Mars-3模拟火壤为对象，通过喷洒蒸馏水、MgSO4和NaCl溶液，自然风干形成硬质土壳结构。... 详细信息

火星表面除松散火壤外，还有一类特别的火壤类型—硬壳类火星地面，该火壤表层为脆性，底层为松软沙粒，对巡视器移动具有迷惑性。研究以Mars-1和Mars-3模拟火壤为对象，通过喷洒蒸馏水、MgSO4和NaCl溶液，自然风干形成硬质土壳结构。对所得土壳进行承压、贯入阻力和火星车通过性试验研究，结果表明：细颗粒Mars-1采用饱和NaCl溶液时结壳效果最好，面积最大且整体性强；而粗颗粒的Mars-3采用10%MgSO4溶液时结壳效果最好，面积较小，土壳厚度较厚但易碎。Mars-1结壳速度较Mars-3快。承压特性分析中，Mars-1土壳破坏点峰值载荷随NaCl浓度的提高而降低，随MgSO4浓度的提高而升高。两种土样均采用10%NaCl溶液结壳时，贯入阻力最大。对于Mars-1，贯入阻力随NaCl浓度的增加而增加，随着MgSO4浓度的增加而降低。所制备薄壳地形，满足火星车通过性试验需求。以上研究可为星球车行走机构优化设计和通过性能评估提供参考和依据。

关键词：模拟火壤土壳结构承载特性车辆通过性

仿枪虾虾螯纵向混合负泊松比结构设计与耐撞性研究

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重庆理工大学学报（自然科学） 2024年第1期38卷 77-86页

作者：杨欣王瑞祥许述财秦豪毅宋家锋河北农业大学机电工程学院和长城汽车学院河北保定071001 清华大学苏州汽车研究院(相城) 江苏苏州215134 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京100084 吉林大学工程仿生教育部重点实验室长春130022 运输车辆检测、诊断与维修技术交通行业重点实验室济南250357

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... 详细信息

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%。

关键词：工程仿生学纵向混合负泊松比结构耐撞性

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汽车碰撞驾驶员下肢行为响应及损伤分析

重庆理工大学学报（自然科学） 2024年第4期38卷 64-71页

作者：秦豪毅杨欣马帅宋家锋王瑞祥许述财河北农业大学机电工程学院河北保定071001 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京100084 清华大学苏州汽车研究院(相城) 江苏苏州215134 河北省智慧农业装备技术创新中心河北保定071001 吉林大学工程仿生教育部重点实验室长春130022 运输车辆检测、诊断与维修技术交通行业重点实验室济南250357

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... 详细信息

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。

关键词：汽车碰撞驾驶模拟器中国体征假人人体损伤下肢行为响应

生物轻质高强结构及其在吸能结构中的仿生应用

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机械工程学报 2023年第4期59卷 80-95页

作者：周剑飞郭子琦许述财宋家锋邹猛吉林大学工程仿生教育部重点实验室长春130025 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京100084

在长期进化过程中,自然界中的多种动物、植物形成了独特的轻质、高强结构,以此来抵抗外界的复杂冲击载荷,保护自身完整,满足生存需要。生物轻质高强结构的优越性,启发了科研和工程人员采用结构仿生学的方法来对管状和板状两大类吸能结... 详细信息

在长期进化过程中,自然界中的多种动物、植物形成了独特的轻质、高强结构,以此来抵抗外界的复杂冲击载荷,保护自身完整,满足生存需要。生物轻质高强结构的优越性,启发了科研和工程人员采用结构仿生学的方法来对管状和板状两大类吸能结构进行设计优化和改进。对竹子、茎秆/树干、羽轴、骨骼四类管状生物结构和甲虫鞘翅、贝壳、柚子皮、龟壳四类板状生物结构进行综述,阐述了分层、多孔、螺旋、中空等多种结构与轻质高强特性之间的关系。在此基础上,对比和分析了相应的结构元素在单胞管、多胞管、嵌套管、波纹管等管状吸能结构和蜂窝夹芯板、复合材料板、混合结构板等板状吸能机构中起到的作用。进一步对当前仿生吸能领域存在的结构复杂、质量大、缺乏普适性的机理和过渡“桥梁”等问题做出了分析;最后对仿生吸能技术的形式简单化、结构轻量化、理论通用化、“形神兼备”化发展趋势做出展望。

关键词：生物结构轻质高强吸能结构仿生

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基于虾螯结构的仿生夹层板设计与数值研究

吉林大学学报(工学版) 2022年

作者：杨欣王阳宋家锋朱勇黄彬兵许述财清华大学苏州汽车研究院(相城) 汽车安全与节能国家重点实验室清华大学河北农业大学机电工程学院运输车辆检测诊断与维修技术交通行业重点实验室

夹层板是应用广泛的吸能部件，本文探索了基于虾螯轮廓外形设计的仿生夹层板(BSP)耐撞性。按照拉伸试验获得的材料本构参数设置Hyperworks有限元模型，制造BSP样件，并试验验证了有限元模型有效性。比较BSP-L0、BSP-L180、BSP-T0、BSP-T...

夹层板是应用广泛的吸能部件，本文探索了基于虾螯轮廓外形设计的仿生夹层板(BSP)耐撞性。按照拉伸试验获得的材料本构参数设置Hyperworks有限元模型，制造BSP样件，并试验验证了有限元模型有效性。比较BSP-L0、BSP-L180、BSP-T0、BSP-T180四种配置方案的耐撞性指标，选择BSP-T0方案进一步研究。分析圆弧高度比γ和梯形晶元窄底宽度B对BSP-T0耐撞性的影响规律，得到γ比B对BSP-T0耐撞性影响更大。利用遗传学算法进行参数优化，Pareto前沿的一个最优解为SEA=3.080 kJ/kg、PF=30.700 kN、CFE=86.884%，相应参数为γ=0.355，B =4.23mm，预测与仿真结果误差均在2%以内，预测效果理想。以期本研究为夹层结构设计提供新思路。

关键词：

车辆碰撞中驾驶员手部主动响应对人体损伤的特性

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汽车安全与节能学报 2023年第5期14卷 544-554页

作者：杨欣秦豪毅马帅宋家锋朱勇王瑞祥许述财河北农业大学机电工程学院保定071001 汽车安全与节能国家重点实验室清华大学北京100084 清华大学苏州汽车研究院(相城) 苏州215134 河北省智慧农业装备技术创新中心保定071001 工程仿生教育部重点实验室吉林大学长春130022 运输车辆检测、诊断与维修技术交通行业重点实验室济南250357

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... 详细信息

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。

关键词：汽车碰撞中国体征假人手部主动响应人体损伤头部伤害指标(HIC) 胸部压缩量大腿压缩力

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中国体征假人下肢研制及其力学性能

重庆理工大学学报（自然科学） 2022年第11期36卷 100-107页

作者：吴娜李庆森许述财宋家锋李少鹏朱勇山东交通学院汽车工程学院山东济南250357 清华大学苏州汽车研究院(相城) 江苏苏州215134 汽车安全与节能国家重点实验室清华大学北京100084 运输车辆检测、诊断与维修技术交通行业重点实验室济南250357

为了对中国体征假人下肢进行力学响应研究,参照中国人体测量学体征数据以及HybridⅢ假人结构对下肢进行设计,将PVC、DOTP等材料按照一定比例进行混合,并高温烘烤制备出假人下肢皮肤。对制备的假人皮肤进行力学性能试验,得到应力应变数据... 详细信息

为了对中国体征假人下肢进行力学响应研究,参照中国人体测量学体征数据以及HybridⅢ假人结构对下肢进行设计,将PVC、DOTP等材料按照一定比例进行混合,并高温烘烤制备出假人下肢皮肤。对制备的假人皮肤进行力学性能试验,得到应力应变数据,通过实验与仿真拟合的方法在LS-DYNA中得到模拟假人皮肤的MAT57材料的本构参数。根据法规的标定要求,对假人下肢进行仿真标定验证,结果显示:膝部冲击标定结果为5.48 kN,在膝部滑移量为10.2 mm和17.8 mm时,膝部受到的冲击力分别为1.51 kN和2.92 kN,均符合碰撞假人在法规中的响应要求。因此,研制的假人下肢可以应用于中国体征假人力学响应方面的研究。

关键词：中国体征假人下肢皮肤本构参数力学响应

基于轻量化与耐撞性要求的车辆保险杠仿生研究

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基于轻量化与耐撞性要求的车辆保险杠仿生研究

作者：宋家锋吉林大学

学位级别：硕士

汽车耐撞性是汽车安全研究的重要方向,对保障驾乘人员的生命和财产安全具有重要意义。薄壁管结构是汽车中重要的吸能和承载部件,因此,设计具有优良吸能和承载性能的薄壁管结构,对提高汽车的耐撞性至关重要。为提高汽车低速碰撞时的安全... 详细信息

汽车耐撞性是汽车安全研究的重要方向,对保障驾乘人员的生命和财产安全具有重要意义。薄壁管结构是汽车中重要的吸能和承载部件,因此,设计具有优良吸能和承载性能的薄壁管结构,对提高汽车的耐撞性至关重要。为提高汽车低速碰撞时的安全性能,本文运用结构仿生学原理对汽车保险杠系统进行了结构优化研究,为汽车被动安全研究提供新的思路和理论依据。以竹子为生物原型,基于宏观上直径、壁厚以及节间距表现的梯度分布规律,设计了1种仿生变壁厚薄壁吸能盒结构、3种仿生横梁和3种仿生截面横梁。吸能盒轴向碰撞仿真表明:壁厚比为3/2.47/1.78和节长比为1/2/1时仿生吸能盒的性能最优,与普通吸能盒相比,比吸能提高了6.2%,峰值载荷降低了28.23%,压溃力效率增加了7.48%,质量减少了19.3%。且仿生吸能盒在受到多角度的斜向碰撞时较普通圆形吸能盒的整体屈曲变形更稳定。当碰撞角度为10°时仿生吸能盒的比吸能较普通圆形吸能盒提高了39.2%,峰值载荷降低了32.7%。该结构具有吸能能力强、重量轻、峰值载荷小以及变形稳定等优点。同时落锤试验验证与仿真分析得到的结果表现出一致性。对竹节试样和节间试样进行了准静态三点弯曲试验,试验表明:有节试样抗弯强度和吸能量高于无竹节试样,吸能提高了56.7%,比吸能提高了31.4%,抗弯强度提高了78.8%。抗弯强度随着节数的增加而增加,而比吸能却随着节数的增加而减小。基于竹材的弯曲试验,设计两类共6种仿生保险杠横梁结构。仿真分析表明,仿生1和2型的耐撞性能均优于普通横梁。提出综合三种碰撞工况下,涵盖两种评价指标的综合评价指标S,通过计算发现,BBS2的综合性能最优,其综合性能值S较OBS提高了60%,且其质量较OBS轻了32.4%。为了找到一个最优的保险杠系统,采用响应面优化方法对仿生保险杠系统进行优化。优化之后的BBS2仿生保险杠系统较原结构有明显的提升,其中100%正面碰撞:BBS2的比吸能较优化前高4.5%,峰值载荷较优化前低了4.2%;40%偏置碰撞:BBS2的比吸能较优化前提高了7.5%,峰值载荷较优化前低了12.79%;柱撞碰撞:BBS2的比吸能较优化前提高了2.4%,峰值载荷较优化前低了34.37%,同时BBS2的质量较优化前轻了76%。

关键词：竹子保险杠结构仿生耐撞性比吸能