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同学们好

那我们现在开始本节的讲座

下面我们开始介绍第10讲的内容

第10讲是我刻意选择的一个题目

大家看乘员头碰撞保护

乘员头碰撞保护

在中国的法规里并没有

也许以后会有

目前主要是美国的法规

之所以我选择这个题目

是有我的个人偏好

我是觉得一方面

这是一个乘员碰撞安全里面

非常有意义的设计

另外它是我自己经历的一个科研

大约是20年前

我在通用汽车研发中心工作的时候

所以我就想把这么一个完整的故事

呈现给大家

你看这几个题目

一个是我们碰到这么一个问题的时候

在公司里面

是怎么从一个实际产品中的问题

提炼出来

怎么来立项

它为什么要做这么一个研究

我个人接了这个项目

做了这个研究以后

我是怎么把它

从一个工程问题提升成一个研究课题

进而我们这个研究的课题

产生出来的研究结果

怎么反过去指导产品的设计

这么一个完整的故事

所以我个人比较喜好这个

那我们今天来看一看

这个不长的讲座

首先我们看一下

这个问题的背景

头碰撞保护就是说

在汽车的碰撞过程中

我们也很多可能性

是要发生头碰撞的

而且头碰撞受伤和这个死亡

是汽车碰撞里面

比较显著的

或者更致命的一种伤害形式

我们看在正面碰撞

侧面碰撞

滚翻等等很多种情形下

都有可能发生头碰撞

就是说我们乘员在车体里面

即使我被约束的很好

安全带气囊约束的很好

但是实际上的碰撞

工况比较复杂

你这个乘员的头部是有可能撞到

车里面的环境

比如说风挡玻璃

A柱车顶天窗等等很多地方

都有可能碰到

所以这是整个问题的背景

那么在1995年的时候

美国联邦政府交通部NHTSA

National Highway Traffic Safety Administration

这是美国联邦政府交通部的

做交通安全法规的部门

它在1995年就提出来

来修正一个法规

这个法规是FMVSS201

这个法规就是来约束乘员头碰撞的

那在这个法规里

它的终极目标就是说

我在碰撞里面

乘员有可能发生跟车内饰

内饰就是内部环境了

发生的严重碰撞

A柱 B柱 C柱

有的车还有D柱

各个位置

怎么来设计这个保护

不是怎么来设计

就怎么来约束这样

使得我减少这个伤害

这是整个问题的背景

那我们来看看这个法规里

都约束了哪些部分

一个是在

凡是在汽车的碰撞

包括滚翻侧面碰撞

正面碰撞

在任何碰撞工况下

乘员的头有可能接触到的位置

你像这些所有黑点标出来的位置

B柱3 4个位置

A柱上3 4个位置

风挡那么大块面积

车顶上所有的位置

那都被界定为这个法规要保护

要设计的一个位置

我们看看这些位置

第一是有可能发生碰撞的

第二它有些区域是蛮坚硬的

比如说我这边标出来的

A柱和顶部梁这么一个三角形的区域

这个区域是在车身结构里

相对来讲是比较坚硬的

因为在正面碰撞的时候

这个区域要把它设计的很好

使得它不能够屈曲

来保证乘员舱的完整性

如果是在滚翻的环境下

整个的车顶

尤其是A柱和B柱

要能支撑住

这个车的重量的几倍的重量

所以通常我们会把A柱设计的很坚硬

那这样的话

这是我们正面碰撞

和滚翻碰撞设计的要求

那我们在汽车的乘员头碰撞

就是从内部去碰撞的时候

如果这么一个位置

也是我要设计约束到的地方

这样难度就比较大了

我们看看这个法规的约束里

是怎么来评价这件事

它不是用整体的假人

因为整体的假人

这种实验不好做

它用这么一个头部模块的发射装置

这个发射装置就像一个机械手似的

它能够伸到

汽车的乘员舱的内部

因为我们在乘员舱里面有这么多点

要检测

那它要瞄准这一个一个

这个点去瞄准

把假人的头模块

以规定的速度

规定的角度

发射到目标点上

所以这就是这么一个发射的装置

这是检测的方法

我们看看它的检测

或者测试的要求

一个是我刚才说了

不希望用整体假人

是因为如果用整体假人的话

他这个实验的可靠性

和可重复性比较差

那怎么办

我们就从整体的混III假人上

把这个假人的头部切分下来

是一个独立的

自由飞行的混III假人头部

稍微修饰一下

稍微修正一下

就是便于这种实验

修正不大

然后质量大概是4.5公斤

放到这么一个发射装置上

这个机械手伸到乘员舱内部

瞄准某一个目标点

比如说这个图片显示的

是瞄准A柱上的某一个点

然后以规定的速度是6.7m/s

以这么一个速度发射出去

在最后临接触到目标点的时候

这个头模块是一个自由飞行的状态

那为什么要规定这个速度

这个是他法规立项的时候

通过事故调查来得到的

这么一个平均的头部损伤的速度

我们任何的法规都有一个规定的载荷

撞击目标在车的内饰有几十个点

这个刚才我们看到

所有的黑点都是一个撞击目标

等于你要一个点一个点去检测

一个点一个点去设计

这里面还包括一些硬点

比如说你B柱上的安全带的滑环

等等这些硬点的结构

测量什么参数

就是在乘员的头模块

自由飞行的这个头模块

在质心的位置

有一个三向加速度传感器

这个三向加速度传感器

就能测到这个

一个合成加速度

这就是我右下角这个图的

这么一个波形

这就是加速度对时间的这么一个函数

这是在质心测量到

依据这么一个加速度的波形

管它叫波形

来计算头部伤害值

叫HIC

那这部分内容

我们之前在介绍乘员的伤害的检测

和生物力学的时候都介绍过了

因为这个头的模块是自由飞行

所以这个HIC稍微做了一个修正

我们不多介绍

叫HIC（d）

这个d就是detach的意思

就是说

你这个头部

和假人的身体分割开来

那他这个头部检测到的

这个加速度值

肯定与颈部有约束是不同的

所以他就做了一个经验公式

这个经验公式就这个线性的回归

这个没有理论的部分

我们不去多介绍它

也就是说

这么一个HIC值

或者叫HIC(d)值

如果小于1000我们就达标了

所以这是整个的测试的要求

那么我们看看

有了这么一个法规以后

这个在

如果你是一个汽车公司

20年前我在通用汽车公司工作

那你要想什么办法

如果这是一个新问题

作为一线的工程师

他总是有办法的

只不过这个办法不一定是最好的办法

你比如说

这个问题看上去很简单

就是你这么一个自由飞行的头模块

撞到一个目标点上

那这个目标点

如果很坚硬

那你自然测到的加速度峰值就会高

你由此计算出来的HIC值就会高

那怎么办

那么就有加衬垫结构

加能量吸收结构

那工程师就会在A柱

B柱等等上放很多软一点的

这种衬垫结构材料

我们管它叫吸能结构

由此引起的问题是什么

就是它需要占用一定的空间

因为你这个衬垫越厚的话

它吸能效果保护效果越好

那这样就麻烦了

就说我一个外观尺寸上

看上去比较大的车

为了实现内部的乘员头部碰撞保护

就放了很厚的衬垫

这样的话

从内饰的结构来讲

内部的空间

从设计要求来讲

又不够合理了

等于你这个效率比较低了

看上去

外部看上去比较大的车

里面看上去比较小

所以我们的设计目标就说

怎么能够最小的采用空间

就是我给你的吸能空间非常有限

怎么在最小的有限空间的情况下

仍然能够满足政府规定的这个HIC值

这个头部伤害值

所以在一线的工程师

我们就要考虑这么几个均衡的效果

一个是保护效果

就是说HIC值越低越好

这叫保护效果

你仅仅卡着一千

可能也不是太好

希望降的更低

再一个就是你所需要的内部空间

这是你的资源

你是用20毫米

还是50毫米

还是150毫米

这是你的资源

再一个就是成本

你是用什么样的材料

所以我们在一线就要评估这些

那在当时

因为是个新问题

就没有一个非常标准的设计流程

设计方法

设计准则

我们总是可以用试错的方法说

我试试这种材料

这种结构

然后不断的去测试

可以做有限元分析

可以做实验

然后把这么一个结构找出来

在那个理解的情况下

达到一个最优

但这总不是一个好的办法

所以我们需要

基于对这个问题有一个深入的

力学机理的方面的理解

然后能开发出一套设计方法

设计准则来

这就是我这个研究课题

要做的内容

那我接到了这个课题以后

第一件事要碰到的就是

我怎么来提炼这个问题

我来看

当时我也是刚刚

因为我自己是力学背景

我看这是一个

肯定是一个碰撞问题

你来分析这个问题里的难和容易的部分

看上去比较容易的部分

它是个自由飞行的物体

就是说4.5公斤重量

有一定的速度

那这个能量就不再增加了

这个能量最后要变成零

这是容易的部分

如果这个头模块不是自由飞行

跟假人的其他部位连接在一起

那这个问题会更复杂一点

那我们来看看

它的难得部分

难得部分一个是这个头模块几何形状

比较复杂

我当时就想如果是一个圆球

这个就简单多了

但是它是一个像人的头

这样一个形状

这个比较复杂一点

再一个复杂就说

我这个响应参数

我要评价这个参数是HIC

不是简单的加速度

或者是碰撞力

如果是简单的加速度

或者碰撞力

那个我们有很多力学的知识

但是HIC后面我们会讲到

它跟加速度有关系

但它又不是完全是加速度

这样是我怎么让这个评价指标

达到最低

就要一个深入的理解

再一个难得部分就是

这个撞击的检测点

是整个车体的一部分

它不是一个割裂的点

如果是割裂的一个目标

那好办

我就是你给我空间

我给设计一定的结构

一定的碰撞力就容易了

它是整个A柱

B柱整个车体的一部分

所以要考虑整个车体的响应

这是比较难的部分

那设定目标

我们刚才说了

就是这个要达到伤害值

HIC最低

另外我需要达到的

所用的空间达到最小化

那分析这么一个目标

提出一系列研究方法

就是我的课题的目标