Video在线视频

下一个环节

这个乘员动力学

动力学跟运动学的差别就是力

刚才的运动学就是加速度

速度 位移 相对速度 相对位移

全是运动学的关系

动力学呢我就不管车了

车的话这个汽车的结构设计

那实际上相对简单一点

我们在结束的时候

会稍微接触一点点

但是乘员的动力学设计

就是约束系统设计要更难一点

因为这个乘员的身体姿态

包括假人它不那么听话

不像你说前纵梁 保险杆 发动机

想让它在哪儿就在哪儿

它不那么听话

所以乘员动力学

要比汽车动力学稍微复杂不少

因为它的那个

哪怕是标准的坐姿也很复杂的

所以这个乘员动力学是涉及到力

碰撞力 约束力了

好 我们看第一个概念叫约束耦合

这个约束耦合

我们还用这么一个简单的

质量弹簧系统来说明这个问题

假如说这个代表车Mv是车

这个F是车的前端的刚度

就是你设计的车的那个

前纵梁 保险杆就是产生碰撞波形

就是这个F和这个Mv

然后车上这个人是Mo

O是occupant的意思

这个人的质量70公斤 80公斤

这个K和这个Δ是约束系统

K就是约束系统的刚度

你的安全带有多硬

安全气囊有多硬

这个Δ就是一个间隙

你不是在第一秒钟

就跟安全气囊发生关系

所以你一定要自由飞行

刚才说的自由飞行20毫秒也好

多少毫秒也好

所以这个Δ呢

就是这个约束的叫间隙 K叫刚度

所以我们在这么一个简单的

一维的质量弹簧系统

双质量双弹簧系统上

来理解这个乘员跟车

它之间的相互作用力

我们叫做约束耦合

这个约束耦合就是对约束系统

这个约束系统

就是把乘员跟车联系起来

或者连接起来这么一个过程

100毫秒的这么一个过程里

你这个相互的作用力

发生的关系这么一个过程

叫做约束耦合

我要把它念一下就是

是乘员通过约束系统被加载

它的相互作用的阶段这叫约束阶段

用这么一个系统来描述它

我们看看这个约束系统里的

一个重要的设计参数我管它叫刚度

我这里边把这个约束系统的刚度

我把K和Δ给它混起来说

我认为Δ是K的一部分

你看我画的时候那个

那个加速度对时间的函数

一开始力是零加速度是零那块就是Δ

然后力就开始上上去了

所以我把它混起来说

也就是说什么是刚度

刚度就是力对位移的关系就叫刚度

那你那个地方

就是当有位移的时候力是零

那也是刚度就是零刚度

所以这个里面我们把K和Δ

这两件事儿混起来说

为什么得混起来说呢

我的约束系统设计的终极目标

就是要怎么能够减少Δ

我减少了Δ我就能够减少K

K大了以后要伤人的 对吧

Δ大了也不好

所以我一直在看这两个参数的相互关系

我们把它混起来说

这是一个乘员这是一部分

第二个呢 间隙是刚度的一部分

这是耦合的定义

然后我看刚度

为什么管它叫特征刚度是这么个意思

当我说这个约束系统刚度的时候

就是这个刚度K和Δ

它是这两个质量之间的关系

所以这个刚度

你一个弹簧在两个支点间变化

我一定得是看这两个物体

之间的相对位移

当车往前走的时候大家都一块往前走

这个力是零所以我一定得找出

这俩之间的相对位移才是K这个刚度

所以第一件事儿

当我画这个图的时候

这个横坐标就改成位移了

这个位移我没有重新画

就是刚才的运动学分析里边

别忘了我们已经有了乘员跟车之间的

相对位移图那个图已经有了

我们当时画的是纵坐标

乘员对车的位移和横坐标是时间

我把那个纵坐标那个位移

现在画到这个横坐标里

我已经有了这个车

和乘员之间的相对位移

画在这个横坐标

纵坐标呢是这个乘员的加速度

就是我乘员胸部测到的加速度

那我为什么加速度

因为加速度就代表力

所以这个加速度胸部的加速度

实际上你把它看成这个加速度

如果乘上乘员的质量

不就是乘员的力吗

但是这个事儿有点模糊

乘员的质量不那么好乘的

因为我这是胸部加速度

你乘哪块质量 对吧

所以我管它叫一个有效的质量

所以这一边

我就不去稀里糊涂的去乘质量了

我就说这就是单位乘员质量的力

加速度（乘以质量） ma是力

除以m就变成a了

这就是单位质量的

所以大家把这个纵坐标

虽然是加速度也看成力

那这样的话

这就是一个力对于相对位移的

一个关系 函数关系

那这个时候呢

乘员的力 胸部加速度

对时间的曲线我已经有了

相对位移对时间曲线我已经有了

我把两个交互画一下

就变成了这一条蓝线

就是乘员的胸部加速度

对于这个相对位移的

这么一个关系

都是刚才运动学关系里边

把它摘出来的

那这么一个关系升到峰值再降下来

这个上升的过程这不就是力吗

乘员跟车之间的

这个约束系统作用力

在不断上升的过程

开始作用力是零

然后呢一直上升到峰值

然后沿着这条曲线走

我把它做一个线性拟合

就是这一条粉线

这个线性拟合

我取的数据我没有从这儿取到这儿

因为这儿这个力已经降下来了

我从这个点数据点

一直取到这个最大位移或者峰值

我忘了取到哪儿

实际上就是这条线的线性拟合

就到这儿后边这个不去管它

我做一个粉线的线性拟合

你看看 当然不那么直线了

接近一个直线 基本上这个斜率k

就是0.07G每毫米

这是毫米 这是加速度G

这个就是我所谓的

特征的约束刚度

所以特征两个字

实际上就是单位质量的力

单位质量的

这就是特征是从这儿来的

那这个曲线有了

我们也看着基本上是一个力

你大概能看到这个地方就是安全气囊

力突然就上去了 对吧

大概是这么一个关系

那接着来看这个特征刚度

这里边我们要解释一下

就是刚才说的这个特征刚度K

实际上呢我刚才也解释过了

是单位的或者是有效的质量

然后约束是这个相对而言

我们解释过了

看第二点 第二点就是

我这个刚才也说过了

就是我这个拟合这条曲线

使用的数据范围是从这儿到这儿

所以这个这么刚度

这个刚度我拟合出来的刚度

0.07G每毫米或者是力每毫米力对位移

是有一定的这个随机性的

要看我的取值范围

所以这个不是最好的方法

但是我就是想表达这么一个意思

这个力对位移的一个上升的过程

一个近似的一个斜率

就是代表我的约束系统有多硬有多软

如果这个斜率稍微低一点

就说明这个约束系统比较软

高一点就比较硬

那低一点的话你想这个力

下边是位移呀

如果低一点 力倒是好了

但是你需要的位移就更长了

这个位移更长

那就看你有没有那么大的

内饰空间了

其实有人说大车安全

我说大车安全

也许相对于后排座位

和副驾驶座位是对了

对驾驶员没区别

无论你开大车和小车

你到方向盘的距离

是由你的手臂的距离决定的

和由你的脚的（脚的长度决定到油门踏板的距离）

所以大个儿相对安全一点

因为你离那个前边远一点儿

这个大车不一定安全

大车你得坐在后排

或者是副驾驶的位置

你才能坐得远离

给你自己让出更大的空间

你如果是驾驶员

你那空间是跟你开车是有关系的

前两天我们在做

今年的自然科学基金的申报

我就提了一个未来车

未来车是什么车

如果是无人驾驶

咱们就没有司机的功能了

没有司机的功能

给我们的约束系统设计

实际上提供了更大的空间

我有可能朝后坐了朝后坐安全

小孩子都朝后坐

那有可能增加我这个有限空间了

我没有不用在开车的时候限制

这是一个刚度的概念

第三点就是我这么得到的

一个刚度是一个平均刚度

或者是一个叫整体的刚度

因为你看它每一段的刚度都不一样

因为英文叫lump-sum

因为每一段这一段是有间隙

那一段是安全带

这一段是安全带跟安全气囊联合作用

这一边你撞到方向盘管柱了

所以在整个这个过程中

它是一个不同的装置

给你起不同作用时间

我们这么看一个粉线的刚度

就给大家一个概念

这是一个叫做整体的平均的刚度

因为这个刚度

实际上是代表了所有约束系统刚度

如果你的腿我们看碰撞实验

这个腿是一定能撞到前边的那个

叫做膝部保护垫的

这个昨天我在看这个实验的报告

看图片的时候

那个前边的那个塑料挡板

就膝部这个撞过去的那挡板

整个就撞烂了所以那也是乘员

约束系统的一部分 要设计

那个要设计好

因为那个设计不好的话

会影响人的姿态的

所以别觉得设计乘员约束系统

只是安全气囊和安全带

我们设计乘员约束系统

最关键的是控制姿态

因为力的控制的话

已经没什么学问了

1/2mv^2等于力乘上距离

那个可用的空间很少

能不能控制姿态

那是一个很关键的事情

这是经验的东西

乘员有这么大的动能

1/2mv^2最后是零

有三个消耗途径

哪三个 第一个去处

就是约束系统做功

我们叫它约束能restrain energy

乘员跟约束系统之间

有没有力的作用 有力的作用吧

有力的作用

然后约束系统变形不变形

变形吧安全气囊要被你压瘪

这个座椅安全带要被你拉长

座椅要被你给

我们做碰撞实验

做完碰撞实验把座椅拆开

里边的金属结构都发生永久变形

就说明我们是在用汽车座椅的

金属结构在消耗乘员的动能

也包括车的动能

也就是说所有的

你对乘员约束系统座椅

座椅安全带 膝部挡块

你对它 破坏了它 让它变形了

你给它施加了力了

这部分我们叫约束能 能量

restrain energy

这是你的1/2mv^2的一部分

就去了这部分了

因为你让它变形了

那这些变形量呢都是相对位移

你怎么挤压膝部挡板

你怎么拉伸安全带

这可都是你乘员跟车之间的

相对位移 对吧

是B柱跟着往前走

你在拉B柱 要看你

你走的比B柱快你就拉伸了

你走的比B柱慢

这带子就松了 对吧

所以这是（红字）的相对位移

第一个去处 第二个去处呢

刚才哪位说的人的变形

这个人呢是要变形的 我打一拳

我明天上午要讲的

你是能吸收能量的

你吸收的能量越多你的伤害越大

你胖的人可能吸收的多一点

瘦的人吸收的少一点

然后身体壮的人可能吸收的多一点

所以人的变形 人身上会有力

这个力乘上位移这个变形

这一部分能量要被我们人体自身去吸收

这一部分我们是希望减少的不希望增加

那为了简单起见

在我们下边的分析里边

我把人体的这个变形的这个能量

给它合并在约束能量中

我这个量应该去掉约束能中

为了简单起见

我把这个人体的变形这一部分合二为一

就是说人体吸收的跟安全带吸收的

在我这儿看来是一个大包打走了

因为呢 怎么让人来变形

实际上很大程度上

也不由我们的工程师说了算

由那个人说了算 对吧

所以你只好对着这个假人来设计

这个我们打包打进去了

然后第三部分就是刚才说的结构

我们有一部分能量1/2mv^2

我这里的m是指的我自身的m

乘员的质量不是车的质量

我这个是车辆

通过约束系统的耦合过程做功

我们称为乘降能 Ride-down energy

我们来看看有没有这么回事

你乘员跟车身你们俩之间

是发生了约束力的

你通过安全带在拉车 拉B柱

你去撞座椅 座椅被你撞坏了

座椅是车的一部分 对吧

所以你跟车之间是有力的 这是第一点

第二点你沿着这个力的作用方向

有没有位移 有位移吗

这个位移不是你把带子

拉长的位移

你把安全带拉长的位移

我们已经把它包含在

这一部分里边是说你沿着这个带子

拽的这个力的方向

这个车本身也有位移

在你发生作用的这个过程中

车是不是也在往前跑 车也在变形了

那519毫米其中的一部分呀

所以车也在往前跑

也就是说两个物体之间

你们俩之间有一个相互作用力

沿着这个力的方向

这个物体有位移

它俩一相乘就是你对它做的功

所以这一部分稍微难一点

我们 这个这一页解释完了

再用公式解释就很清楚了

所以这一部分呢是通过约束耦合过程

你这个乘员把力作用在变形的车辆上

然后把能量这个输出到

车辆的变形上去

我们把它叫做乘降能

也就是说很清楚了

乘员的能量去了三个地方

你把约束系统弄坏了 能量

然后你把你自己弄坏了

这个能量 然后在这里

我们把这两个合二为一

然后你还对车辆做功

所以你这1/2mv^2

那边加起来应该是百分之百

就去了这三个地方