人体颈部动力学响应分析有限元模型的建立和验证

根据汽车碰撞事故中人体颈部损伤防护技术研究的需要。建立了一个人体颈部三维有限元模型。该模型参照人体解剖结构模拟了颈椎骨、椎间盘、小关节、韧带、肌肉和软骨等组织，共由15811个单元构成。各组织的材料特性采用了弹性、粘弹性、和刚性材料模型来描述．模型用前碰撞志愿者实验数据进行了验证。其头部的加速度、位移曲线与实验数据得到了较好的吻合。本文初步研究了软组织特性参数对于颈部运动的影响。该模型具有较高的生物逼真度，可对头颈部在汽车碰撞载荷条件下的加速度、速度、位移等动力学响应参数进行分析研究。     

基于本构模型参数的肌肉主动力响应有限元分析

研究了肌肉主动力有限元模型的力学性能与稳定性,使其适用于头颈部动力学响应的仿真研究.运用准线性黏弹性被动单元与Hill主动单元相耦合的方法,建立了兔子胫前肌的有限元仿真模型.对比Myers实验数据验证了该模型在不同应变率下离心收缩的应力应变特性.同时研究了等长收缩与轴向压缩模式下的肌肉的力学特性.仿真结果表明,仿真模型与实验输出应力应变曲线具有较好的一致性,在相同应变情况下,最大应力误差仅为0.07MPa.该模型具有较好的计算稳定性与生物逼真度,能够满足人体颈部肌肉建模的需求.     

基于OpenSim人体步行腓肠肌静态生物力学分析

为准确、快速地研究人体下肢运动规律,构建人体下肢模型。针对该模型推导出了人体步行状态下腓肠肌相应的力学方程F_1(t)。利用OpenSim搭建人体骨骼肌肉模型,并以腓肠肌进行静态力学分析为例,解析了肌肉在逆向运动学(IK)和残差缩减(RRA)两种不同分析方法中的肌肉激活度和力矩。研究结果表明:此模型能准确地模拟人体下肢肌肉的运动规律,利用RRA分析能够真实反映腓肠肌的受力情况,分析出肌肉激活度,为进一步揭示膝关节和踝关节的生物力学特性和为设计人体下肢康复机器人提供肌肉阻尼奠定基础。     

中国人体上肢碰撞损伤有限元模型的开发

针对中国人体特征进行损伤生物力学研究的重要目的是为完善中国汽车安全法规提供科学依据.为了深入探讨中国人体损伤生物力学机理和损伤响应,根据中国人体解剖学结构,建立了具有较高精度的中国50百分位成年男性乘员的上肢有限元模型,包括上肢骨骼及关节、韧带、肌肉和皮肤等软组织.针对长骨骨干断面几何不均匀的特征,建立皮质骨不等断面厚度和形状连续变化的长骨数值模型.筛选并汇总国内外尸体实验数据,在准静态和动态加载下验证长骨和上肢模型的可靠性,以及肩关节侧面碰撞响应.结果表明,该模型能准确反映人体上肢损伤特性.     

电力线信道噪声分析及建模研究

电力线信道噪声干扰是影响电力线通信(power line communication,PLC)的主要因素,为了研究电力线信道噪声的统计特性,以采集的场测噪声数据为依据,在时域和频域分析了低压电力线信道的噪声特性,并以此为基础,利用统计的方法建立了窄带噪声和脉冲噪声模型。通过实测噪声的统计特性对所建噪声模型进行优化,对电力线信道噪声的统计特性进行了计算和仿真。结果表明,所建立的电力线信道噪声模型与采集的实际噪声相比,时域波形几乎一致,而在频域上误差小于8.51%,从而验证了所建立模型的有效性。     

云雾天气下卫星信道两状态Markov模型研究与实现

为研究云雾天气下卫星信道的传播特性,建立了云雾天气下卫星信道两状态模型。首先分析多径效应、阴影效应及云雾天气对卫星信道链路的影响;然后分别建立表征云和雾天气下信道传输特性的Corazza信道模型和Nakagami信道模型,并利用两状态Markov模型实现云雾天气变化带来的信道转换;最后设计了信道模型的实现方法。仿真结果表明,所建模型模型的仿真数据与理论数据具有较好的吻合性。     

负载横移扰动下人体步态频率变化特性

为了研究人体行走时适应负载横向动态干扰的机制,从而设计可靠的穿戴式机器人辅助策略,提出采用基于双自由度受迫振动模型构建人-负载耦合系统。基于机械振动原理分析人-负载耦合系统特性,给出不同行走频率对人和负载位移的影响,提出人体通过调节行走频率适应负载横移扰动影响的假设;搭建负载横向动态干扰人体行走实验平台,获得实验对象无负重行走以及负载横向扰动下的肌肉协同特征及腿部激励频率,并与仿真结果进行对比分析。实验结果表明：负载横移扰动下人体行走是一个适应性调整并最后进入动态稳定的过程。其中,在负重情况下的人体上肢躯干摆动幅度比无负重情况下摆动增幅大60%,人体通过调整行走频率以及相关肌群肌肉协同策略来减少负载横向动态干扰带来的上肢躯干摆动影响。在负重情况下,不同行走速度的步态频率均趋向于人-负载耦合系统的固有频率,设定常速频率与固有频率相同,慢速下行走到达稳态时腿部激励频率上升4.30%,快速下腿部激励频率下降2.71%,负重下的行走控制策略与无负重下的行走控制策略相比发生了改变,以适应负载横移扰动带来的影响。     

行走过程中人体下肢受力模型的建立与验证

为了准确、简便地对人体行走过程中下肢的受力进行分析,构建了一个新的人体下肢力学模型:将人体的上半部分简化成固结至臀部的重物,将大腿、小腿和足部简化成3个刚杆,将踝关节、膝关节和髋关节简化成铰接点,将肌肉作用力简化成4对作用在刚杆上的未知力。针对该模型建立了相应的动力学方程,能够对足部和小腿的运动受力进行完整的描述。通过高速摄像机和足底测力台获取受试者的运动学和动力学数据,并使用APAS处理系统对数据进行处理,用于对动力学方程的求解,由此获得了下肢的受力状态。利用表面肌电仪测量了人体行走时的下肢肌肉电位,利用肌肉电位与肌肉力同时增大的原理,在一定程度上验证了模型的可靠性。研究结果表明:该模型能够较为真实地反映出下肢膝关节与踝关节的受力情况,具有较高的生物逼真度,可望为人体下肢运动机理的研究和下肢运动装备的开发提供参考。     

基于表面肌电的人体与环境交互力预测

提出了一种基于人体表面肌电信号的交互力预测方法.该方法仅通过使用表面肌电信号,获取各肌肉的激活状态以表征其等长状态下的肌肉力,并输入前向人体动力学模型,对下压与推两个静态动作的交互力进行了预测.静力学模型中涉及到的参数通过贝叶斯线性回归算法获得.实验结果表明该方法所预测的交互力均方根误差在2.20N以下.     

基于转发节点的无线体域网动态信道研究

无线体域网(wireless body area network,WBAN)的信道特性对于传输速率、传输质量以及连接鲁棒性有很大影响.当前的研究主要是假设人体处于理想状态(静止状态)时的信道特性,这与实际情况中的动态信道不相符合,理想状态下的信道特性也不能反映人体真实的信道特性.为了使WBAN的研究能够更好地应用于实践,建立了步行和跑步两态三维成年男性的人体动态模型,在人体不同部位部署传感器节点模拟无线信道,并在适当部位引入转发节点,在2.4 GHz时计算对比不加转发节点和加入转发节点对动态信道特性的影响.仿真结果显示,人体姿势变化对无线信道特性有很大影响,姿势变化幅度越大对信道特性的影响越大;基于转发节点的信道路径损耗要小于未进行转发的信道路径损耗,合理部署转发节点的位置能极大改善人体处于动态环境下的信道特性,提高通信可靠性.     

电液压脉冲液动力特性分析

根据电液压脉冲技术基础理论,通过分析等离子体活塞膨胀的特点,建立了电液压脉冲放电等离子体活塞的数学模型,推导出放电通道内流体的液动力方程.对圆柱形对称放电通道的液动力特性进行分析,推导出无量纲微分方程.通过对微分方程的求解,得到了放电通道的液动力特性与时间的变化关系,以及液动力特性与放电回路的电气参数(电感、电容、电压和电阻)间的关系,从而可以预测放电通道内的压力、通道半径和通道的膨胀速度,为电液压脉冲技术的应用提供理论依据.     

胃肠动力诊查仪的无线通信系统仿真

根据胃肠动力诊查仪的无线通信特性,建立从胶囊发射器到体外数据接收存储器的无线通信信道的仿真模型.重点分析了信噪比和由于人体组织吸收所产生的损耗对通信性能的影响.把误帧率作为通信性能的评价标准,设计了动态编码协议,保证了系统通信的可靠性.仿真结果为胃肠动力诊查仪的无线通信系统的通信协议设计、信道编码设计等提供了参考依据.     

垂直发育裂隙介质中PP波扰动法近似反射系数研究

为了实现裂隙介质中的地震AVO(amplitude variation with offset)反演,基于Christoffel方程和边界条件,推导了EDA介质中PP波、PS1波、PS2波精确反射系数表达式,并采用扰动法推导了极端弱各向异性介质中PP波的近似反射系数,通过弹性系数简化得到HTI、裂隙EDA介质中PP波的近似反射系数。模型计算结果表明:在弱各向异性条件下,HTI(horizontal transverse isotropy)介质中地震波的近似反射系数公式计算精度较高,相对误差在4%以内;当裂隙介质在弱各向异性(各向异性系数0.1)的情况下,当入射角在40°以内时,PP波近似反射系数与精确反射系数的绝对误差在10~(-4)以内,相对误差小于4%,但随着入射角的加大其计算误差有所增加。对各向异性较强烈(各向异性系数达到0.2)的裂隙介质,当入射角相对较小时(小于45°时),裂隙介质中PP波近似反射系数计算式对于强各向异性的介质仍然成立。通过对反射系数的近似研究,可以将裂隙介质中反射系数的非线性问题转为线性问题,进而利用这些特性进行参数反演,有利于提高反演速度。     

基于Bayes估计的民航维修人为差错评估技术研究

研究了基于Bayes估计的民航维修人为差错评估技术。首先,将维修人为差错概率视为随机变量,利用航空公司积累的历史信息作为先验数据,以THERP手册提供的5%分位点作为维修人为差错概率中值,运用点估计法确定维修人为差错的先验分布模型。其次,给出了Bayes先验分布参数的求解方法。最后,选取验后Beta分布的中值作为θ的贝叶斯估计,构建了民航人为维修差错概率计算方法。通过实例分析,可以看出随着维修次数的增多,维修人为差错概率就越接近于极大似然法估计的失效概率。现场数据的检验反映了该评估方法的有效性、精确性和实用性。     

等离子体窄通道中的电磁波传播特性分析

在等离子体鞘套中激光成丝形成等离子体通道,该通道可以被等效为内部是低密度等离子体、外层为无限大厚底高密度等离子覆层的等离子体圆柱波导。分析了该模型下的传播特性,重点讨论了各类模式下的特征方程、截止的条件及波导的截止特性。     

汽车悬架减振器绕流涡旋动态特性分析

为了麦弗逊悬架运动造成其翼子板内流场特性多变的问题。通过将该问题简化为绕流圆柱平面流场,首先利用 SST方程对静态的圆柱绕流体模型进行理论计算和仿真,获得了稳定涡旋下的升力、阻力系数及斯特劳哈尔数等特征值。在此基础上,分析空气流速、减振器直径、横向振动频率和振幅等结构和动力学参数对涡旋动态特性的影响,获得了平均升力系数和瞬时阻力系数曲线的拟合方程。结果表明,斯特劳哈尔数的最大误差为5%,简化模型忽略减振器结构的三维效应是可以接受的;脱涡频率与减振器直径的倒数成二次关系;横向振动频率则对动态脱涡频率起到了关键作用,且对流场的压力分布影响显著,而横向振幅对无边界流场条件下的涡旋特性及压力场分布影响不大。     

基于正交频分复用的低压电力线载波通信技术

 电力线信道的复杂性使得其通信质量难以提高,正交频分复用（OFDM）技术可提高抗多径干扰能力,使电力线通信质量有望得到提高。本文分析了电力线信道的基本特性,建立了一个反映信道特征的近似模型,在已有的研究基础上提出了一种改进的子信道利用方法来实现OFDM技术在电力线载波通信中的应用;通过建立Matlab仿真模型,实现了基于改进方法的电力线载波通信仿真;结果表明,在电力线信道条件比较恶劣、数据传输误码率较高的情况下,依据改进方法传输数据较为可靠。     

圆柱形炸药空爆在近场空间的超压估算公式

圆柱形炸药空爆后在近场空间会形成强度不均匀的超压场,在相同等效衰减距离、不同空间角度上的近场超压可相差数倍甚至一个量级以上. 为了准确、快速地评估圆柱空爆近场超压强度及分布差异给近场不同区域毁伤效应和防护效果带来的影响,在圆柱空爆近场实验数据匮乏的情况下使用经过实验效验的模拟数据来补足样本空间,通过数据拟合的方式给出了圆柱装药空爆在较小等效衰减距离下的超压估算公式. 首先,通过与球形装药下的经验公式和圆柱装药下的实验结果对比,分别验证了模拟结果在球形和圆柱装药情况下均具有一定置信度;之后,以二次多项式的形式拟合得到了圆柱空爆近场超压估算公式,并给出了6种不同长径比圆柱空爆在不同空间位置上超压的实验结果与估算公式结果的对比. 结果表明,估算公式可在较小误差范围内给出炸药空爆在近场空间任意位置上的超压,其经实验校验具有一定置信度的适用范围是圆柱长径比为1/4~4、等效衰减距离为0.2~2.0 m/kg1/3.      

基于时频误差分析法的随机介质波场特征分析

设计了含裂缝的随机介质模型和含随机介质的复杂盐丘构造模型,基于声波方程有限差分法,进行了波场快照及共炮点地震记录模拟;利用连续小波变换的时频误差分析方法,分析了与所给模型相同构造的各向同性介质模型的地震记录的时频振幅误差;统计分析了各道地震记录的时频特性,所得结果与利用连续小波变换的时频误差分析法吻合较好.表明时频误差分析法能为研究随机介质波场特征提供一种可行的思路.     

TDCS的压缩感知稀疏信道估计方法

为充分利用变换域通信系统高速无线传输时信道表现出来的稀疏多径传输特性,提高TDCS的信道估计精度,提出一种基于压缩感知的TDCS稀疏信道估计方法。针对TDCS设计了一种导频图案,该导频图案设计的数据帧结构保证了TDCS信号授权用户的正交性,且其构造的测量矩阵具有较低的互相关特性;利用Dantzig Selector重构稀疏信道冲激响应值。基于COST207乡村信道模型的仿真表明:新方法可有效降低稀疏信道估计的均方误差,在误比特率为0.002时可获得比最小二乘估计方法高约1dB的性能增益。