基于有限元仿真分析的防刺服的防护性能研究

论文摘要

近年来,随着国际社会恐怖组织犯罪愈加猖獗,很多国家对枪支管理更加严格,但刀具等利器还未受到管制,持刀行凶的作案方式给人们带来的威胁仍然存在。本课题通过对防刺服的防刺机理分析,利用有限元法建立了防刺服的等效冲击有限元仿真模型和人体着装防刺服的冲击有限元仿真模型。通过设计研发人体防刺装备冲击试验机,分别做了防刺材料冲击物理实验和人体着装状态下的防刺服冲击物理实验,用来验证两个冲击有限元仿真模型。应用两种仿真模型分析了在不同的初始速度下的防刺服的防护性能。本课题的结论如下:(1)研究分析了防刺服的防刺机理,包括刀具以零度或以某一角度入射角刺入防刺服时,防刺服的受力情况分析。得出刀具以零度入射角或以小于45度入射角刺入防刺服时,上层防刺层抗剪切性能强。随着层数增多,防刺层材料抗拉伸性能逐渐增强有利于提高防刺材料的防刺性能。当刀具以大于45度入射角刺入防刺服时,防刺材料表层抗拉伸性能力强,底层抗剪切能力逐渐增强有利于提升防刺材料的防刺性能。(2)设计并研发了人体防刺装备冲击试验机。该冲击试验机可以测试多种防刺材料的防护性能,且能够测试人体着装防刺服状态下的防刺服的防护性能。该设备能够实现冲击刀具以0度和45度角冲击防刺服,测试数据包括冲击力随时间变化曲线、加速度随时间变化曲线,且能够测试冲击刀具接触到防刺服瞬间的速度。(3)建立、验证并应用防刺服的等效冲击有限元仿真模型。通过对防刺服的防刺机理分析,建立防刺服胸部的简化几何模型,通过分析防刺服的等效有限元模型的构建原则,确定材料本构模型及失效准则,根据实际冲击情况确定有限元模型的载荷和边界条件,网格划分类型,相互接触等,建立防刺服的等效冲击有限元仿真模型。通过对比防刺材料冲击物理实验结果验证防刺服的等效冲击有限元仿真模型,结果发现,两种实验结果具有较好的一致性,防刺服的等效冲击有限元仿真模型有效。应用防刺服的等效冲击有限元仿真模型分析了不同初始速度下的防刺材料的防护性能。(4)建立、验证并应用人体着装防刺服的冲击有限元仿真模型。通过防刺服的等效冲击有限元仿真模型,进一步完善模型并建立人体着装防刺服的冲击有限元仿真模型。使用逆向建模方法建立人体与防刺服几何模型,根据几何模型的不同,使用两种有限元软件划分网格,并对比了网格的优劣。根据实际情况创建边界条件、载荷和相互作用等,建立了人体着装防刺服的冲击有限元仿真模型。使用人体防刺装备冲击试验机做人体着装防刺服的冲击物理实验,包括实验用防刺服的设计与制作,实验方案设计等,对比分析了物理实验与仿真实验结果,结果发现:整体来看,由于人体着装防刺服的冲击有限元模型的复杂性,试验结果存在略微差异,但整体模型的仿真结果与物理实验结果匹配度较高,两种实验结果具有较好的一致性。应用人体着装防刺服的冲击有限元仿真模型分析了不同初始速度下的防刺服的防护性能。本课题中,冲击有限元模型的建立方法能够为功能性服装的建模方法提供技术路线与建模思路,同时所建立的防刺服的等效冲击有限元模型与人体着装防刺服的冲击有限元模型能够应用于多种防刺材料的防刺性能验证分析。图59幅,表14个,参考文献61篇。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1 绪论
•   1.1 本课题的研究背景与提出
•   1.2 相关领域的研究现状
•     1.2.1 防刺冲击行为的国内外研究现状
•     1.2.2 有限元方法在防刺服仿真方面的国内外研究现状
•   1.3 本课题的研究目的与意义
•   1.4 本课题的研究内容和技术路线
•     1.4.1 本课题的研究内容
•     1.4.2 本课题的技术路线
•   1.5 本论文的章节安排
• 2 课题相关基础理论与技术
•   2.1 防刺服的测试标准与方法
•     2.1.1 国内防刺服测试标准
•     2.1.2 国外防刺服测试标准
•   2.2 逆向工程中的三维几何建模技术
•     2.2.1 数据采集技术
•     2.2.2 数据处理技术
•     2.2.3 模型重构技术
•   2.3 有限元法的基本原理
•   2.4 本章小结
• 3 防刺服的防刺机理分析
•   3.1 材料的破坏机理与受力分析
•   3.2 影响防刺服防刺性能的主要因素
•     3.2.1 刀具对防刺性能的影响
•     3.2.2 防刺材料对防刺性能的影响
•   3.3 本章小结
• 4 人体防刺装备冲击试验机的研发与物理实验研究
•   4.1 人体防刺装备冲击试验机的研发
•   4.2 防刺材料冲击物理实验
•   4.3人体着装防刺服的冲击物理实验
•   4.4 本章小结
• 5 防刺服的等效冲击有限元仿真模型的构建
•   5.1 防刺服的等效冲击几何模型构建
•     5.1.1 防刺服的等效冲击几何模型构建原则与依据
•     5.1.2 防刺服的等效冲击几何模型构建方法
•   5.2 防刺服的等效冲击有限元模型的构建原则与依据
•   5.3 有限元仿真中的材料属性及失效准则
•     5.3.1 材料属性
•     5.3.2 防刺材料失效准则
•   5.4 有限元仿真中的其他相关设置
•     5.4.1 单元划分方法及网格单元类型选择
•     5.4.2 接触相互作用
•     5.4.3 载荷和边界条件
•     5.4.4 输出设置
•   5.5 本章小结
• 6 防刺服的等效冲击有限元仿真模型的验证与仿真分析
•   6.1 防刺服的等效冲击有限元仿真模型的验证
•     6.1.1 防刺服的等效冲击有限元仿真实验方案
•     6.1.2 仿真实验与物理实验的结果比较
•   6.2 防刺服的等效冲击有限元仿真模型的仿真分析
•   6.3 本章小结
• 7 人体着装防刺服的冲击有限元仿真模型的构建
•   7.1 人体着装防刺服的冲击几何模型构建
•     7.1.1 人体着装防刺服的几何模型构建原则
•     7.1.2 人体着装防刺服的几何模型构建方法
•   7.2 人体着装防刺服的冲击有限元模型的构建原则
•   7.3 材料本构模型及失效准则
•     7.3.1 材料属性
•     7.3.2 防刺材料失效准则
•   7.4 有限元仿真中的其他相关设置
•     7.4.1 单元划分方法及网格单元类型选择
•     7.4.2 相互作用
•     7.4.3 载荷和边界条件
•     7.4.4 输出设置
•   7.5 本章小结
• 8 人体着装防刺服的冲击有限元仿真模型的验证与仿真分析
•   8.1 人体着装防刺服的冲击有限元仿真模型的验证
•     8.1.1 人体着装防刺服的冲击有限元仿真实验方案
•     8.1.2 仿真实验与物理实验的结果比较
•   8.2 人体着装防刺服的冲击有限元仿真模型的仿真分析
•   8.3 本章小结
• 9 结论
•   9.1 主要研究结论
•   9.2 不足与展望
• 参考文献
• 附录 A
• 附件 B
• 作者攻读学位期间发表学术论文清单
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 乔芳芳

导师: 徐步高,应柏安

关键词: 有限元法,冲击模拟,防刺服,防刺机理

来源: 西安工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 数学,轻工业手工业,工业通用技术及设备

单位: 西安工程大学

分类号: TS941.731;TB115

DOI: 10.27390/d.cnki.gxbfc.2019.000467

总页数: 97

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