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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