当前课程知识点:汽车碰撞安全基础 > 第2讲:汽车前碰撞结构响应与乘员乘降(上) > 2-3:车辆运动学分析 > Video
想用一个实际的
汽车碰撞实验的例子
一个真实的一个例子
把这个汽车的碰撞过程中
它的车的运动学
和车里边假人
这里边只是假人了
假人的运动学
以及这两个物体之间的
动力学的关系说清楚
从这一个例子
因为这个事比较重要
从理论上
所以我们就说的比较仔细一点
大家看着
然后我们这个
仔细到什么程度呢
就是说这个有几十页PPT完了以后
一个小时
学生的作业可能要做几天
就是把这个重复一遍
重复的时候呢
什么都是重复
只有一个事不重复
就是那个算例
就是说我同样的东西
我换一个实验
因为网上有的是实验
你去美国那个
NHTSA的网站上去下载
成百上千的实验
我用实验一讲完了
有实验二
重复一下
好 那运动学描述
这个乘员的伤害呢
主要是乘员
在车里边的相对于车辆的内饰
这个内饰呢
也是这个翻译成中文就不准确了
Interior其实就是车的内部环境
并不是装饰
并不是装饰
就是跟车的内部环境发生碰撞
运动产生的
所以它一定要
我反反复复用红字提示
一定是一个相对运动的概念
相对速度 相对位移
加速度我们就不说相对了
所以这个伤害是有相对运动产生的
那我们车的运动学响应
和乘员的运动学响应
它之间有个交互关系
如果有安全气囊安全带
它的交互关系就是通过
约束系统实现的
因为它有力的相互作用
如果没有大家什么都(没有)
你坐在出租车的后排
既不系安全带
也没有气囊
它也有这个交互作用
只不过是飞出去以后
最后那一刹那
发生了交互作用
没有交互作用
你怎么能停下来呢
对吧 牛顿第几定律
忘了第几定律了
就是说
这个自由行进的物体
如果没有外力作用
它是停不下来的是吧
然后我们为了这个
在这个课上
阐述的简明起见呢
我们只关注车辆的纵向运动
也就是X方向的运动
就是说本来汽车的运动是很复杂的
而且碰撞事故的形态也是很复杂的
就算是一个正面全宽的碰撞
它的其他方向的运动
比如说这个Y方向的英文叫Pitch
中文叫俯仰
然后这个绕Z轴的这个转动
这些呢对车内的乘员的运动学响应
都有影响
那这个事情大家如果用实验
或者是仿真分析去做
必须得把这些复杂的事情
都分析进去
否则的话
你那个伤害是怎么产生的
就搞不清楚了
那我们在教学这个环节里面
我就只假设一维运动
只假设X方向
只假设这个纵向
这样呢会简单很多
但是呢这不是一个完全真实的场景
我们只是用这个假设呢
把理论给阐述清楚
好
这么一个真实的这个事例呢
这个美国的NHTSA是
美国的高速公路管理局
National Highway Traffic Saftey Administration
因为全世界的第一部
汽车碰撞安全法规
是1964年美国政府颁布的
所以呢美国政府的这个网页上呢
就有很多很多
它历史长嘛
五十年了
我是1964年出生的
它这个
就积累了很多实验
所以而且是免费下载的
大家可以去
连实验报告带视频
带所有的数据信息全部能下载下来
包括我估计北汽的车还没有出口到美国
什么时候北汽的车出口到美国了
你的车也会进那个数据库
不由你去做实验
美国政府就会从市场上
去买几辆北汽的车
这个按照它的要求
在它指定的实验室
做了实验
然后就把这个实验数据 实验报告
跟你一点关系也没有
放到网上去了
好 这是一个很好的一个
一个数据库
我们就可以不断的去挖掘
那我这里边用的例子呢
其实不是特别典型
这个是一个2005年的
TOYOTA Corolla
我说它不是典型呢
是这件事 我待会儿说啊
这个车是个典型的车
一般我们不想选这个SUV
或者这种不典型的车
所以是一个典型的轿车
然后呢
而且年头也还比较新
2005款的
它这个实验的法规呢
是美国的碰撞法规
208法规
那是这个车呢
对这个正面的刚性墙
做一个 一个碰撞
这是它的载荷工况
车的信息在这
重量长度
当然还有很多别的信息了
跟我们相关的信息就这几个
宽度 长度 重量
碰撞速度
39.9公里每小时
大概是11米每秒
然后碰撞完了以后
把这个车量一量
原来是这么长
再从这量到这呢
发现最大压缩量419毫米
什么意思呢
就这个车变短了419毫米
大概这么多
这就是一个实验
那我说这个
它不是很典型在哪呢
第一它这个约束系统
只有安全气囊
我可能我以后
把它换成一个算例是
既有安全气囊也有这个安全带
第二呢
它这个速度只有40公里每小时
所以我想美国呢
我最近在想它可能这个实验呢
是一个低速实验
这个他想这个看
速度不是很高的情况下
如果你又忘了系安全带
会产生什么情况
这是我想的了
实际上应该是我们找一个
56公里每小时的速度
既有安全气囊
又有安全带的算例
不过呢
为教学的目的
这个例子已经足够好了
这是它的实验报告
好 我们就看看
我们把这个实验的这个运动学呢
这个仔细的剖析一下
这就是这个
从实验报告里
这个下载下来的加速度波形
当然是经过滤波的
这个滤波就是按照标准的滤波
SAE Class 60之类的
所以呢
这就是我们放的加速度计
在这个门槛梁和B柱那放上去测量
所以这是原始的实验数据
只不过经过滤波的
我们从这 以这为起点
是纵向的X方向
这个Y方向 Z方向的
不去管它
那这么一个碰撞力
这个加速度就代表力
这个加速度乘上车的质量
不就是碰撞力嘛
对吧
所以你看这么一个碰撞力呢
沿着这么一个
大约100毫秒的碰撞历程里边
它是有抖动的
这个抖动呢
或者叫振荡
基本上就代表了
汽车前端碰撞
结构不断的
英文叫不断的engage
就是这个结构是一点一点进来的
你比如说
一般来讲这个最高的峰值
如果我们做加速度
这个碰撞分析的话
一定要关注这个最高的峰值
这个最高的峰值通常来讲
是发动机 这个进入角色了
因为发动机并不是在最前端 对吧
这个你撞撞撞
当你撞到发动机的时候
可能发动机离最前端
假设有这么远
当你撞到发动机的时候
这么大的发动机
我不知道多重啊
比如说150公斤重
还是多少公斤
这么大的发动机
我们上午讲的惯性力
也就是说这个发动机150公斤
原来的行驶速度是50公里
40公里每小时
你要在瞬间一两个毫秒
你看看这个波形
波形宽可能三个毫秒
你要在三个毫秒里边
把它的速度从40公里每小时变成零
40公里39.9
或者11米每秒减去零
除以这个毫秒数
比如说3.7个毫秒
就是这个
就是这个发动机
块的减速度
这个减速度乘上发动机的质量
120公斤也好
190公斤也好
就是发动机的惯性力
你必须得给发动机施加
这么大的力
它才能停下来
这个力就进入了
我们整个的记录的碰撞力
所以这个是
这个发动机
你让发动机停下来的这个力
是整个碰撞力的一部分
我们在做分析的时候就要看
哪个是发动机的力
我这随便举个例
你做仿真的时候
你做实验时候
你摄象头你的什么
你都能看的清清楚楚
在这个时间点上
发动机开始介入了
然后我们再看其他的这些抖动
或者叫振荡
这个呢往往呢就是
前端结构
保险杠了
前纵梁 水箱啦
当然特别软的结构
大概不贡献什么
比较硬的前纵梁
比较硬的保险杠
它分别就会进入角色
这个有一个主要的部件进入角色
它就开始抖动一下
另外前纵梁呢
我们在这个课的结尾会讲
薄壁管件在压溃的时候
它每一个压溃的褶皱
一般也会形成这么一个
这个峰值 上下
当然呢
那个前纵梁的这个压溃的那个峰值
是不是一一对应到这个整车里边
那个不一定
但是我就想说
整个的这个加速度
我们看加速度
我上午说咱们不要看加速度
但加速度呢
因为代表了力
也能反应出这些信息来
对吧
它是
你要对着时间节点一点点看
什么结构进入了角色
在什么时间上
是惯性力主要引起的
还是你的前纵梁
或者保险杠的
这个提供的阻力
主要引起的
还是什么其他原因引起的
所以这是我们看这个波形
要看的
所以我们就一点点看
所有的从加速度开始
到速度
一点点看
都能看出来什么东西来
第二点
我们看到这是最重要的
说这个车
在这个工况下
它的加速度峰值是29个G
发生在第53毫秒
很重要的信息吧
你要是坐汽车碰撞结构设计的工程师
往往给你的要求就是说
给我把这个车的前端好好设计
当然这个峰值越低越好
对吧
越低就意味着他停下来越缓
越缓的话
伤害的风险就越低嘛
所以能不能把这个峰值设计的低
你想想你手里的武器可没多少啊
这个汽车的质量
一般不归你说了算
对吧
然后你就得设计这个结构
这个距离就这么大
长度一般也不归你说了算
对吧
那这长度不归你说了算
全部都给定
你去设计那个力
几乎就没有什么了
来去做
所以我要给大家
这个阐述这个观点就是
做工程师呢
就要学会这个
英文叫Trade-off
你手里就这点资源
你A行了B就不行了
什么都好了
成本上去了
所以这是峰值
这是一个很重要的事
第二件事呢
我们看看碰撞时间
大约这么一个典型的碰撞实验
大约就是一百毫秒
那有的车大一点
或者结构软一点
那可能是150毫秒
那所以这就
有的是比如说
偏置碰撞稍微车弯一下
可能这个毫秒数更长一点
没准到170毫秒
但大约就是100到200毫秒
这是一个整个的一个
典型的正面碰撞的一个历程
最后一点
这个我们看看说
这不是代表力吗
力对时间的一个函数
我看上去呢
这所有的这个峰值
大概都没有超出它的范围
我说啊 你信不信是你
让你看我能不能说服你
就是说
这个力呢
或者这加速度
我把它用一个框画下来
说哎这个基本接近一个矩形波
大家要学过点
那种无线电
或者那种什么对吧
矩形波总是有好处的
矩形波意味着
你这个力是一个常数 对吧
你这个碰撞非常有效力
但是你说我可没看出
是矩形波 对吧
但你想
我们待会再去论证
如果我这个整个
上看
你说这抖动的话
突然又高了 再下来
这个呢
我大概就很难说
它是一个矩形波了
很可能就说
这是一个三角形波
中间的峰值太高 对吧
所以这样呢
这样的一个抖动呢
我们认为它是一个
近似是一个矩形波
我们后面有证明
这其实也是一个设计理念
就是你在设计汽车的前端结构的时候
要尽可能的设计
你不能说
这个老板说了
这个地方峰值越低越好
怎么让这个地方峰值越低越好
你得让这个地方
峰值越高越好
因为它质量材料结构都在那呢
你要把这个压下来
就得把那个提上去
最后大家在哪扯平
大家在一个大概同样的这个矩形波
就同样的一个水准上扯平
所以这是我从这张图上
看出来的第三件事
那为什么这么认为呢
我们看下一页
所以这是加速度
这就是我说的速度
对吧
做一次积分这个有初始速度
39.9公里每小时
有初始速度
有加速度
做个数值积分
这个大概在大学一年级的事情
你就很容易
积分出来一个速度曲线
这个速度曲线很清楚
初始速度40公里每小时
然后看看我们看出什么
这个速度的递减
几乎是线性
我如果拿一条直线来代表它
差不多是线性嘛
这就是我说的矩形波的证明
这个事基本上是一个线性
就意味着它的速度变化是一个常量
速度变化是什么
就是加速度
也就是我们上一页的那个加速度呢
哎大致是一个矩形波
如果你要是那个
是的三角形波
抖动比较大
或者峰值和旁边的值差的很远
恐怕就不是这么一条
近似直线的一个速度变化了
有可能是
这样的一个速度变化
所以呢这就是我想证明
这个车设计得还不错
几乎是一个矩形波
速度的变化是一个常数
然后呢第二个是
我们在这看的
大约在77.5毫秒的这个位置
速度变成0了
速度变成零了呢
而且有一个反弹
这是负的 负多少 负五
所以就说这个车正面
以40公里每小时撞到墙上
到了77.5秒的时候呢
速度达到零 停止了
然后呢反弹回来
反弹回来的速度呢
不是40公里每小时 是5公里每小时
为什么不是40公里每小时
因为能量消耗
大部分动能消耗掉了
这是我们上午说的
为什么汽车的前端结构
一定得是一个塑性变形
永久变形
如果你设计成弹性变形
那这个反弹速度
就跟那个初始速度差不多了
你就撞两次 对吧
好 这是我们看出来这个反弹速度
当然了这个负五公里每小时呢
弹出去以后
通过摩擦等等就消耗掉了
那都是我们不关注的事
那这个速度曲线呢
我再做一次积分
再做一次积分呢
我就能得到车辆的位移 对吧
也就是这辆车 撞过去
从t等于零时
保险杠碰到壁障开始
(为这个)算
看看车往前走多少
因为保险杠
这时候已经不能走了对吧
车在接着往前走多少
都是车变短这个压溃的这一个形成
所以我这样一看呢
可不是
速度呢
是从40公里每小时降到零到反弹
那车变短多少呢
从零开始
注意我这个积分的这个点
从零开始
初始的时候车
我这个是变短量
这个或者往前行量
逐渐的增加
读到这呢
大概是77.5毫秒
这是肯定是这样的
到77.5毫秒的时候
汽车的速度达到零
刚才那一页对吧
然后呢
这个地方的最大位移571毫米
也就是说
当速度为零的时候
77毫秒
我这车变短了517毫米
这里面有个问题
注意前面实验
测得它变短的量是419毫米
如果差别个十毫米 二十毫米
我们说是测量误差
这差别一百毫米
这是啥误差
这不是误差
这是真的东西
所以这个呢
419毫米车变短了
我们管它叫做静态压溃量
这个517毫米呢
管它叫动态压溃量
也就是说确确实实
在碰撞过程中
这个车变短了517毫米
也确确实实在反弹的过程中呢
它还有100毫米弹回去了
也就是说我希望把这个车
设计成塑性的永久变形
但是你手里给你的材料
钢也好 塑料也好 各种材料也好
它不可能完全塑性
它都有弹性在里面
对吧
况且发动机那个大块东西
你不可能让发动机塑性变形吧
它总是弹性变形
也就是说
它有一部分弹性
最后那部分能量
是要释放出来的
释放出来以后呢
它就又长了
所以这个事呢
就如果要做作业
这两个数字是有差别的
这个我们做呢
就一直按照动态的来做
但记住 最后是有一百毫米左右差别
我们大概给大家一个量
看看2005款的
TOYOTA Corolla
中文叫什么名字忘了
花冠还是叫什么
它有多长
刚才那长度来在那
它这设计的压溃空间是多少
真实的
所以你应有一个概念说
我做这么一个碰撞实验
大概我能够压溃半米左右
半米左右
碰撞力是多少
那个碰撞力乘上这半米的距离
就是整个的外力功 对吧
这个功应该能消耗掉
所有的动能
动能就是1/2mv^2
所以整个的关系就清楚了
-1-1:汽车安全问题的背景
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-1-2:车辆碰撞过程
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-1-3:汽车安全的定义
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-1-4:乘用车组件及车身结构碰撞区域
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-1-5:汽车碰撞的类型和碰撞设计要求
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-1-6:汽车碰撞安全设计与分析过程
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-2-1:汽车碰撞波形的定义
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-2-2:发动机对碰撞波形的影响
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-2-3:车辆运动学分析
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-2-4:乘员运动学分析
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-2-5:乘员动力学(1)
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-2-6:乘员动力学(2)
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-补充:整车碰撞试验视频
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-2-7:基于等效方波的质量弹簧模型及约束系统刚度设计
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-2-8:碰撞波形与乘员的约束系统设计匹配(上)
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-2-9:碰撞波形与乘员约束系统设计匹配(下)
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-3-1:冲击载荷下人体的受伤机理
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-3-2:冲击载荷下人体的力学响应
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-3-3:人体的损伤容限
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-3-4:人体冲击力学的试验方法
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-3-5:冲击载荷下人体胸部的力学响应
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-3-6:人体胸部碰撞损伤容限
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-3-7:冲击载荷下人体头部的力学响应与碰撞损伤容限
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-3-8:人体其他部位碰撞损伤研究
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-作业1
-4-1:碰撞假人演变和开发历史
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-4-2:混III 50百分位假人的结构
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-4-3:其他碰撞假人
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-4-4:假人的生物逼真度控制和改进
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-4-5: 碰撞假人主要结构介绍
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-4-6:典型整车碰撞试验过程介绍
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-4-7:典型滑车碰撞试验
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-补充1 正面100%重叠刚性壁障碰撞试验
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-补充2 正面40%重叠可变形壁障碰撞试验
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-补充3 可变形移动壁障侧面碰撞试验
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-5-1:安全带与气囊的功能
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-5-2:安全带结构
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-5-3:气囊的结构与工作原理
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-5-4:气囊的潜在危险性
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-5-5:气囊对离位乘员的危险性
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-5-6:碰撞感知的概念与难点
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-5-7:点爆策略的制定过程
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-5-8:周青教授解读汽车乘员约束系统工作原理
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-6-1:汽车座椅的结构
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-6-2:颈部挥鞭伤及影响因素
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-6-3:座椅的功能和碰撞安全性设计
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-6-4:防挥鞭伤的原理和保护装置
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-6-5:座椅刚性和柔性的争议
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-6-6:基于座椅滑动的尾撞乘员保护
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-6-7:座椅主要结构及功能介绍
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-6-8:基于座椅滑动的尾撞乘员保护(会议报告版)
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-作业2
-7-1:儿童乘员碰撞保护问题
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-7-2:儿童身体生物力学特性及伤害研究
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-7-3:获取儿童损伤生物力学特性数据及儿童假人设计
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-7-4:儿童乘员约束系统
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-7-5: 儿童乘员约束系统碰撞性能评价
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-7-6:儿童座椅台车试验过程介绍
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-7-7:儿童约束系统使用正确与否的对比
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-8-1:碰撞法规试验的单一性与交通事故的多样性
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-8-2:自适应乘员约束系统优化仿真平台
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-8-3:可调式乘员约束系统构型优化结果56kph工况
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-8-4:可调式乘员约束系统构型优化结果40kph工况
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-9-1:侧面碰撞保护设计评价方法
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-9-2:侧面碰撞过程分析
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-9-3:髋部缓冲衬垫设计考量举例
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-9-4 :侧面碰撞缓冲衬垫设计
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-9-补充1:车与车侧面碰撞试验
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-9-补充2:C-NCAP可变形移动壁障侧面碰撞试验
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-9-补充3:侧面柱碰撞试验
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-9-补充4:可变形移动壁障侧面碰撞试验
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-10-1:乘员头部碰撞问题的背景
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-10-2:力学建模及其依据
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-10-3:研究结果如何指导乘员头部碰撞保护设计
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-10-4:乘员头碰撞小结
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-作业3
-11-1: 行人碰撞事故特点及伤害
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-11-2:行人下肢碰撞损伤机理研究
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-11-3:行人安全评价方法、法规及实验模块
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-11-4: 基于行人模块试验评价方法利弊
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-11-5:车辆前端结构的行人碰撞保护设计
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-11-补充1 行人碰撞保护中成人及儿童头模块碰撞试验
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-11-补充2 行人碰撞保护中下肢模块碰撞试验
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-12-1:薄壁管件轴向压溃设计和分析
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-12-2:塑性铰的概念
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-12-3:薄壁方管轴向压溃变形模式和机理及其力学模型
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-13-1:结构和材料碰撞响应之复杂性
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-13-2:冲击载荷下材料的表征与测试-材料特性的复杂性
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-13-3:冲击载荷下材料的表征与测试-应用环境的复杂性
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-13-4:冲击载荷下材料的表征与测试-试验设计与优化
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-13-5:碰撞载荷下材料和结构的建模与仿真
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-作业4
-14-1:影响两车相撞安全性的因素
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-14-2:具体说明重量、刚度、几何尺寸等如何影响两车相撞安全性
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-14-3: 不同重量级别汽车的安全性设计
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-14-4:事故统计及车重的发展
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-14-5:轻量化技术对汽车安全利大于弊
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-15-1:电动车事故
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-15-2: 电动车电池排布及电池的细观结构
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-15-3: 电池的起火条件及设计准则
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-15-4: 电池碰撞安全性研究
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-15-5:小型轻量化电动车的碰撞安全性研究
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