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好 同学们

那我们现在开始

这个本节的讲座

这次为了准备这个课

把过去十年的课件

这个英文翻译成中文

碰到很多术语的问题

所以我看我还列了很多

英文的部分

有些术语我不知道翻译的准不准确

其中我们碰撞波形

就是我刚才说的

加速度对时间的函数

和乘员的乘降

乘员的乘降呢

就是乘员在安全系统

在约束系统的约束下

它的动力学过程

和运动学过程

是个怎么样的过程

那我看到文献里

有把它翻译成乘降

我们这次把它用

我们自己很少写中文的论文

所以很少用这个词

但是为了中文课件呢

我就借用这个词来去做

但是我也不觉得这个词

翻译的就是准确

所以英文叫Ride-down

Ride-down这个词很形象

Ride就是说我给你个Ride

就是你跟着车走

你乘车走

down呢就有停下来的意思

就是你在车里边

你以一个50公里80公里

每小时的速度运动

你怎么停下来

这是一个动力学

和运动学的过程

这个Ride-down

那我还真不知道

这个乘降谁翻译的

我们借用一下

就一直在用

所以看到这个词

想这个英文的Ride-down

就是乘员在乘员舱里边

在碰撞的环境下

在周围的约束系统作用下

它是怎么从原来的初始速度停下来的

这个过程

运动学和动力学的过程叫Ride-down

我们先看看碰撞波形

碰撞波形呢就是我刚才说的

汽车发生了碰撞

前端的结构发生了破坏

前端的结构发生了破坏和变形

它一定会产生一个碰撞力

这个冲击力

那这个冲击力

整个车的速度质量

牛顿第二定律

力除以质量就等于加速度

加速度我如果把这个加速度

这时间画一条曲线

整个汽车的碰撞过程是一个过程

也就是说加速度

是时间的函数

随着碰撞过程

从开始前保险杠接触

到最后碰撞结束

它这个加速度

不是一个常量 对吧

是一个变化

所以这么一个

前端变形产生一个碰撞力

碰撞力结合着整车的质量

变成一个加速度

这个加速度呢

会传递到乘员舱

你乘员坐在舱里边

会感受到这么一个加速度

或者减速度

那这件事

我们管它叫

汽车的碰撞波形

所以汽车的碰撞波形

这就有一个正式的定义

就是这么一个加速度

在这么一个碰撞的时间历程里边

或者碰撞过程里

我乘员舱里的乘员

直接能感受到的加速度

就叫做汽车的碰撞波形

这就是我刚才讲的

汽车的碰撞安全设计里边

那个汽车耐撞性

和乘员约束系统设计

中间的连接

连接就是那个载荷条件

或者边界条件

就这个波形

所以这是为什么这么重要

这是连接结构

和乘员约束系统的载荷条件

好 所以

这么一个碰撞加速度

对 时间的一个时间响应历程

我们就管它叫做汽车的碰撞波形

英文叫Crach Pulse

严格来讲叫减速度

因为是车

从一个初始速度减成零的过程

但是我们在讲课的过程中

和大家在工作的过程中呢

很习惯管它叫加速度

我们是混着用的

大家如果要做作业的时候

别把符号搞错了

所以实际上这应该是负的

把它翻过来

但是为了表达方便起见

为了咱们口语说起来方便呢

我们都管它叫加速度

都把它弄成正值了

实际上是个负值

是个减速度 对吧

因为我们的速度

是从初始速度减成零的

所以呢碰撞波形

就乘员能够感受到的

一个响应载荷

它是一个时间的函数

这是我们的对加速度波形的定义

那我们看看

根据这个定义

汽车的这个碰撞波形

是怎么测量到的

测量实际上是两个含义

一个是在整车的碰撞实验里边

你最核心

你要测量很多假人的响应

你还要测量

这个车的碰撞波形怎么测

那如果我们做的是

汽车碰撞模拟

或者汽车碰撞仿真

在汽车碰撞仿真里面

这是一个仿真模型

也是有一个

我在什么地方来输出

这个加速度波形

那我想问大家一个问题

在整车的这个碰撞过程中

它车的各部分停下来的时间点

是不一样 对吧

发动机 前保险杠 后保险杠

座椅 乘员 车顶

它是以不同的时间历程停下来的

也就是说我现在定义的

这个汽车碰撞的加速度波形

实际上是只针对一个点

或者一个现象

所以为什么我要专门把

碰撞波形的测量提出来呢

这就跟刚才我说的这个定义有关系

这个波形的定义是

指得前端的这个碰撞减速度

传递到乘员舱

乘员能够感受到的加速度

换句话说 你测量的时候

就必须得在乘员舱测量

虽然你可以在碰撞实验里边

放很多加速度计

加速度传感器

你在车的各处都布置加速传感器

我希望见到的信息越多越好 对吧

但是只有乘员舱里边

你布置的加速度传感器

测量到的加速度波形

才是我们做汽车碰撞安全设计里

要定义好的要用的那个

其他的你也可以测

信息越多越好

所以这个加速度波形

是我们在车里边

放着传感器得到的

那有一个问题就是说

我在什么位置来安放

如果大家做这个碰撞实验的话

这个几百页的这个手册里边

其中有一个关键的问题就是

在什么地方安放 安置

我的加速度传感器

使得我测到的是加速度波形

大家想一想

首先必须得在乘员舱里边

在乘员舱的什么地方

乘员舱这么大呢

在乘员舱的什么地方

座椅横梁这是一个可能的地方

或者我们常常说的B柱和门槛梁

这是B柱 这是门槛梁

这个三接头的地方

座椅衡量或者你最好找一个

纵梁和横梁接头的地方

所以你看看这两个地方

当然也包括其他类似的地方

你看看这些类似的地方

我制定安装的加速度计的地方

有什么共同的特点

第一个特点都在乘员舱里边 对吧

第二个特点

我来问大家问题

一定在乘员舱里边

一定是一个在非碰撞变形区

在这个碰撞变形区里边

我也可以安放下加速度计

测到的加速度的波形

跟这个肯定是不一样的

车是在不同的顺序里停下来的 对吧

不同的时间

那我安放的地方一定是在

结构的刚度比较大的地方 对吧

B柱和门槛梁或者座椅横梁

我为什么不把加速计

放在车顶上或者地板上

这也是乘员舱啊

为什么我加速计一定要放到

加速度传感器

一定要放在刚度比较大的区域

而不能放在像车顶

地板 刚度小的区域

实际上是高频振动

我要测的是整个乘员舱

我想象把它看成一个刚体

它减速的一个过程 对吧

那这个乘员舱它又不是铁板一块

它那个顶

车顶 底板都也在减速

大的方向都是一致的

但是如果你把加速计放在车顶

偏软的地方

或者地板上偏软的地方

它除了测到宏观的减速过程之外

它还测到很多局部的

高频的振荡 振动 对吧

那些信号是我们不希望要的 对吧

你进来的

你不要的信号越多

给你的负担就越重

你能够找到真实的信息的

需要花的工夫

就努力就要越大

而且你找到真实信息的可能性

或者准确度就越低嘛 对吧

所以这些道理就是这个道理

所以一定要把加速计放到乘员舱里边

而且是结构比较强壮的地方

那在碰撞实验里 边

我们经常在发动机上

也放一个加速度计

我们管它测到的叫做

发动机的加速度信号

他会更剧烈一点

我刚才说的

信号越多越好 信息越多越好

那不是什么坏事

但是那个不是我们要的定义

不是我们定义的乘员碰撞波形

好

我们看看我们测到的加速度信号

那我们测到的加速度信号

就由这个蓝线像这样的

我在一个200毫秒的碰撞过程中

我这放一个加速度计

或者我现在加速度计都很便宜

我放好几个加速度计

可以取个平均

它测到的信号

一定是带很多噪声的这种信号 对吧

大家具体看看硬件的测量

和这个信号处理都是这样

那这么一个信号

蓝色的

带着高频噪声的

我说不好用的

我从里边能看到什么信息

峰值加速度你能看到吗

是这个峰还是这个峰

你怎么知道那个峰是真的

它有可能是噪声呢

也就是说你真正想使用

这个加速度信号的时候

必须先要经过滤波

滤波呢

就是要把其中的噪声给滤掉

你测任何信号都是有噪声的

待会我们来阐述一下

这个噪声都是从哪来的

都有什么成分

那好这个滤波呢

我们不去多讲

这是信号处理的部分

那像在教科书里边都有

或者是在大家的设计手册里都有

那我如果测到的加速度波形

或者是假人的胸部加速度

它一定会有不同的滤波的通道

那这个时候

我故意把它放的比较小

就告诉你

你可以去查手册

这个信号用什么滤波

那个信号用什么滤波

我们这里 不去仔细去讲

那这个蓝色的带噪声的信号

滤波完了以后

就是这个粉色的线

这个粉色的线看上去就很光滑了

那我把这个粉色的线放大

我应该用一个粉色的颜色

这个线呢

就是粉色的线的放大

所以这就是我们经常看到的

滤波之后的加速度信号

看上去

信息就看的就很清楚 对吧

我们要花很多时间

来讨论这张图

那我们接着讨论滤波

当你从手册里边找到

实验手册里边

或者是教课书里边

找到说做碰撞实验

因为他都有经验了

假人也好 结构也好各种地方

告诉你有个表格

你按这么来滤波

那这里边的滤波的通道

和各种频率的信号

我这放一个警告

很多人不知道这件事

仅用于碰撞实验数据滤波

我们现在做碰撞设计

很大程度上是做计算机仿真

计算机模拟

你做计算机模拟的时候

你会有同样的信号 对吧

说波形

我也在那测一个

仿真也出来一个加速信号的波形

假人 胸部加速度

头部加速度

你也有一个

在仿真的时候也有

这个定义是同样的信号

我们很多学生和工程师

自然的就从同一个手册里去

去找同一个滤波的波形

不是滤波的波形

去找同一个滤波的方法

公式去滤波

这件事

我们就发现是不对的

大概百分之六七十是对的

但是还有百分之三四十是不对的

从数学上更多的阐述

大家得去看那个信号处理去

我从道理上给大家说一下

其实道理很简单

同样是加速度波形

你实验中测到的加速度波形

跟仿真中测到的加速度波形

这两个都代表一个

物理的真实的响应

但它里边所含的噪声的信号是不同的

我可以用一页PPT来展开来说

没有

但是我总是在这多花点时间

因为这涉及到大家做碰撞仿真

做碰撞设计经常会说

哎怎么我得到的峰值加速度

跟你得到的峰值加速度

差五个G啊

为什么我的仿真

跟我的实验对不上啊

或者是什么

或者是你对上了其实是错的

有一部分错误的原因

是因为我错误的利用了实验

因为碰撞实验

已经进行了六 七十年了

然后测量里边

所以它已经很成熟了

别忘了碰撞仿真才二十年的历史

所以现在还没有太多的规律

不叫规律

公式告诉你说碰撞仿真

你就给我这样来滤过

大家很自然的就去用

碰撞实验里边的公式去滤过

这两部分

它的噪声的成分是不一样的

我们先看这个实验

实验的曲线里边有噪声的成分

大概来源于两部分

一部分是你测到了这个物理信号

真实的有噪声 高频 对吧

你希望保留一个真实的东西

但里边的那个高频的响应

我把它滤掉

这是物理的真实存在的问题

第二部分

我测量的时候

总是要仪器来测量 加速度计

然后数据采集系统

所有这些采集系统和这些仪器

它自己会带着一个仪器的信号 对吧

这部分你仿真里有吗

你仿真不是这么测的吗 对吧

所以仿真里边共享的噪声是真实的

物理的规律 响应规律

它的噪声成分

这部分是无论是你用仿真

还是用仪器测量

这是共享的噪声成分

所以你要是用同样的滤波通道的话

这一部分是可以滤掉的

它是共享的都有的

但是仪器产生了噪声

你那个加速度计

你那个数据采集系统产生的噪声

在我们碰撞仿真里 可是没有的

它占多大的比例是什么

我没有研究过

我只告诉你没有

然后如果这个信号是碰撞仿真产生的

它还有另外一个噪声源

是我们在仪器测量里

在物理实验里面没有的

它会有数值噪声

你做数值运算的时候

整个碰撞仿真

有限元也好 各种也好

它不外乎是在计算机里做

成千上万次上亿次的加减乘除

任何加减乘除都有误差的

浮点运算都有噪声的 对吧

所以碰撞仿真里这一部分

计算产生的噪声

在物理实验里是没有

也就是说我们看看这两个信号

它只共享一个

真实的物理规律里边的那个噪声源

但各自又带各自一个独特的噪声源

数值仿真带着自己的浮点运算等等

那些数值的噪声源

物理的实验

带着它的仪器的那些噪声

所以这里边

如果你用同样的方法去滤波的话

至少有一部分

噪声成分是不一样的

但为什么大家用着还觉得挺好使呢

是因为它毕竟

还有一大部分是一样的

所以这里边

我觉得

我没有做过深入研究

但我觉得这是一个问题

需要值得去

有些数学背景

或者信号处理人去研究一下

另外一个

也是讲滤波和噪声的问题

老是感觉说

我得去从手册里查一个东西滤波

现在学生们或者我们做实验时候

做实验老用碰撞仿真

又不知道用什么办法去做仿真

那只好借用这个实验里边的东西来

然后我们就发现

我干嘛不用积分呢

积分可是一种天然的滤波的方式

而且

这个会不带我刚才说的

就我根本就不用那个

你的数学里边那些滤波

那我们看这个例子

这里边的这个

这是刚才那张加速度曲线

蓝色的

是我的加速度计测到的加速度信号

我对这个蓝色信号

不进行任何滤波

我直接做积分

加速积分就是速度了

就得到了这个速度曲线

从40公里每小时降成零反弹

这里边这个蓝色

带着小振动的

带着小振动的这个蓝色

就是这个蓝色曲线

做积分来得到的速度曲线

速度的实验曲线

这个过程中我没有做任何滤波

无论是你这个蓝色的线

是从仿真来的

还是从这个仪器测量来的

是物理测量 没错

然后再看这条粉线

这个粉线呢

是我先对这个加速信号

进行了滤波

滤波通道是SAE60

我不去细讲了

滤成了一个我能看得懂的加速度

然后呢再把这个能看得懂的

这个粉色的这个加速度

再做对时间的积分

得到速度曲线

得到的是这条粉色的速度曲线

你看这条粉色速度曲线呢

如果我放大了看

比这条蓝色的这条曲线

稍微光滑一点

它没有那种小的毛刺了

但是你看几乎是一样的

换句话说

如果我不用所谓的SAE60

或者手册里查到的滤波

我只做积分

我不就是得到了带小毛刺的

速度曲线嘛

这个速度曲线里

几乎我所有的信息都有

初始速度

沿着时间什么时候降到零

所有的信息我该看都能看到

如果你只看加速度信号的话

你是看不到峰值加速度

什么信息都看不到

你希望看滤波以后的粉色的信号

但如果你做一个积分

去看蓝色信号

尽管它有微小的抖动

再一个我这个100毫秒的时间尺度上

我该要的信息都有

所以这就是我跟学生们讲的

说当我们还没有这个能力

这不是我们的研究领域

把滤波事去研究清楚

不得已我还得去做仿真

我还得把仿真跟实验做比对

我还是很担心

说我老去问

你是怎么滤波

他说我跟他用的一样的滤波

这个时候我干嘛不躲开这个滤波

我直接用积分

我不去比（加）速度曲线

这是我的实验测到的

我不去比加速度曲线

这是我实验中测到的加速度

这是我仿真中得到的加速度

把两个放在一起比

你比不清楚啊

你不做滤波

你是没法比的

做了滤波以后你就发现说

滤得对还是不对

也没法比

我说咱们就不要比加速度信号

咱们直接比速度信号

如果你这是仿真做出来的速度

这个是实验做出来的速度

都是从加速度做积分来的

这两条曲线

实际上是可比的

当然我这个粉色和蓝色

本来就是同一个信号的

我是说

如果你这一个是仿真得来的

一个是实验测来的

这两件事是挺好

所以我就极力来推荐

用积分做天然的滤波

当我们做比对的时候

我比速度我比位移

我少比加速度

但这件事

当你们去看碰撞实验的时候

当你们去看文献的时候

大家都在比加速度

都说哎呀你设计的这个结构

这个37个G

不行 回去再改进改进

37个G太高了

改成35个G

我的日子就好过了

都在说加速度

没有在说这个速度

所以这是我

希望从我的一点体会

那这里边我的问题

我只是说用积分是好

为什么积分是天然的滤波

这个实际上

我也没学过信号处理

但是数学我们都学过

微积分我们都学过

为什么积分是天然的滤波

这个实际上跟我们

这次第二讲里边

我给学生布置的

最重的作业怎么做也有关系

学生们就得自己把

我给他一个加速信号

他得做出积分来

得把速度信号做出来

他做的时候他就得想办法

这个数值积分我怎么做

他做的时候他就发现

确实积分是一个天然的滤波

大家想一想为什么

如果你要做数值积分的话

积分是什么

积分是加法 对吧

你要做数值积分

也就是说沿着这个时间轴上

取不同的点 对吧

甭管是正的 还是负的

你最后把它加起来

再一个均匀的时间点加起来

那好 加起来的话

这个点跟这个点会抵消掉

它没有抵消掉的就是真实信号

它抵消掉的就是噪声信号 对吧

没有抵消

你看那个积分

你看得

我要给你五千个点

加速度曲线有正有负

所以这我觉得

积分是天然的滤波

它就是

因为你想这个点的噪声信号

跟这个点的噪声信号

它的成分是一样的

好 这个坐标系

这个坐标系呢

并不是汽车碰撞分析里

独有的坐标系

而是汽车工程坐标系的约定

你整个学汽车理论 汽车工程

任何跟汽车相关的事

都是这个坐标系

只不过

我们在汽车碰撞安全里边

也在沿用这个坐标系

唯一多了一个事

就是我多了个人

但是你别忘了

在汽车工程里边

并不是只有碰撞安全研究人

舒适性也在研究人 对吧

所以我就把坐标系

只要定义出来

那这个坐标系

X Y Z三个方向

汽车的纵向是X方向

汽车的横向是Y方向

从司机侧指向这个副驾驶侧

这是Y的正向

然后垂向就重力方向是Z向

所以这是汽车的三个坐标系

那人复杂一点

因为车

基本上看成一个刚体往前走

人 他是不同的刚体

所以这就要说

头上有头的坐标系

胸有胸 腿有腿

因为当人站姿和坐姿的时候

他每一个部分是不一样的

所以就要小心一点

人的坐标系

它的方向跟车是一样的

我人站在这儿

假如我在头部安排一个局部坐标系

朝前就是X方向

左右就是我的Y方向

垂向就是我的Z方向 对吧

头 胸也是

但是如果我在我的大腿上

放一个局部坐标系

那就麻烦了

当我站着的时候

确实是这是X方向 这是Y方向

这是Z方向

当我坐下来的时候

我大腿就变成另一个方向

而大腿的碰撞力

可是我做碰撞安全里边

需要涉及的

所以我这就要小心

一定要注意这是局部坐标系

在使用的时候

加速度传感器的安装机座

在旋转的时候一定要注意

很多工程师同学不注意这个事

是有原因的

就是说我在这

我的加速度计装好了以后

当我的大腿转动的时候

当你调坐姿的时候

它是随着坐姿是变化的

也就是说

现在是我大腿的Z方向 对吧

等到我把大腿抬起来

Z方向

可跟那个胸部的x方向是重叠的

是重合的

如果它是这个方向的话

它是跟着腿或者是胸 头

它是跟着它旋转的

所以我们在做碰撞安全时候

如果在碰撞过程中

头有大的转动

那别忘了X方向是要旋转的

那这个事

为什么大家在做的时候

经常会被忽略

因为这个是往往在实验

后期处理 和仿真的后期处理

人家那么做软件的人

都把它做进去了

但是你可能会充分信任

它程序的

我要给大家讲清楚这个问题

说 他也不一定是对的

另外你们在做这个设计的时候呢

有些犯的错误

就是坐标系的错误

所以记住

一定是局部坐标系

一定要注意旋转的时候

坐标系的方向

是跟着旋转的

所以我们要注意

我们所有安装

在人身上的这个传感器

我们会有一大部分是

碰撞安全里说假人

在假人不同部位上的传感器呢

它是按照站姿的方式来布置的

也就是说无论是胸部

还是大腿还是头部

它的X方向都是朝前的

y方向都是左右方向

Z方向都是重力方向

但是当我乘员

坐在车里的时候

我是以一个坐姿的形式 对吧

我腿可能是这样抬起来的

甚至还要往后靠

这个时候当我大腿在动的时候

原来这个Z方向的这个方向

会随着我的大腿的变成X方向

或者接近X方向

所以这是我想提醒大家的

这个加速度计是局部坐标系

是随着你安装的位置会转动的

包括在车里边也是

当我在B柱和门槛梁那

放一个加速度计来测

测量这个车的

碰撞波形的时候

别忘了在碰撞过程中

车在碰撞的时候

它有这个俯仰

所以它实际上是测到的

三向加速度

它的那个X方向

是永远跟着那个B柱

和那个门槛梁

它转的时候

那个X方向也转

所以还是不是

我实际的全局坐标系的X方向

至少可能差了

你看看那俯仰角有多少

那俯仰角大概有个五度以上

如果是小型车

看看我刚开始的那个录像

那个Smart

蹦起来这么高

俯仰角恐怕得有三四十度 对吧

所以那个时候

那X方向

就变成这个方向

所以这也提醒大家

局部坐标系要注意