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） > 2-6：乘员动力学(2) > Video
我们再用这个公式来把它看一下
这个三部分能量
两部分能量
这时候那个乘员的那个变形能
我们不去管了
已经进入约束系统
我们来看看这个相互作用过程
还是这个简单的质量弹簧系统
我们看看这个E(能量）呢
所有的在这儿
mo是乘员的质量
o是occupant代表乘员
ao(t)是代替乘员的加速度
凡是有o下标的
都是occupant
xo(t)呢是乘员的位移 带o的
x这是一个v 是代表车辆的
车辆的位移 带v下标的
都是车辆的位移然后o/v
o/v是指的乘员相对车辆的位移
我做一个减法
刚才我上的(运动学分析那节课）
然后这个Vv是指的是
这个下标是v的
是车辆的对地的绝对速度
V的 里边下标是o/v
是指的乘员
对车辆的相对速度
我们之前也做过减法了
所以就这些符号
我们把它在公式里展示一下
我的起点呢是
乘员的动能
乘员的动能E0或者Eo
0和O咱们混着用
那它是1/2mv^2
实际上这里边实际上是它的功
ma乘dx
m是自己的质量
a就是乘员的加速度
它两个相乘
就是它的惯性力
这一部分的惯性力乘上
它一共跑了一千毫米
这个位移
然后对整个的过程做积分
就是它整个的做功
或者是动能
我们从这个乘员的
这个动能开始
去把它分解成两部分
这是一个特别简单的分解
我实际上就把这个x
给它分解成两部分
这个乘员对地面做的功
不是对地面
乘员在系统里整个做的功
这里边的x
是指的乘员整个的位移
别忘了乘员的位移
包括你车内相对内饰空间内
四五百毫米
加上车自身
还有个五百毫米的位移
所以我把这个位移分解成两部分
一部分是车相对地面的位移
一部分是乘员相对车的位移
就简单的加法
我们已经做过了
我把这个分解以后
把它代到这个里边去
自然就拆成了两项
拆成了两项以后
这两项这么运动过来
这两项我再把它变成速度
为什么这个加速度乘上位移呢
实际上就是
加速度乘上位移不就是速度吗（纠正：应该是 速度乘上时间等于位移，即dx=vdt)
这个速度
因为我这一边位移进行了分解
所以到了速度也进行了分解
我只是把这个x
把速度引进来
所以a还在这儿 ma还在这儿
把x变成vt
这个位移
等于速度乘上时间
所以既然我位移做了分解
我这个速度也得有分解
这是绝对的车对地面的位移
那这就是车对地面的速度
这是车
这是乘员对车的位移
那这个地方就是乘员对车的速度
所有这些相对位移和相对速度
我们在之前的运动学分析里全有了
所以我就是这么着
很简单的把它拆成了两项
然后我看看这两项
还是刚才这公式啊
挪到这一页呢
这两项呢
一项就是我刚才说的约束能
一项就是乘降能
什么意思呢
咱们看一看
我们看看这个
这个 这一部分是乘员的位移
相对车的位移
这不就是你拉伸安全带的长度吗
好 这一部分位移
不就是你把带子拉长了
就是安全带吸收了多少能量吗
所以这一部分
我们就管它叫做约束能
那这一部分
是 还是你的这个力
这个是车的相对地面的位移
那这一部分就是
当车相对地面
有这个500毫米位移的时候
你对它做了一部分功
我们管它叫乘降能
所以就这么着
从数学上把它分解成两部分
对应我们刚才说的那三部分
乘员的动能去了三部分
一部分去了约束系统
一部分去了车本身
还有一部分被人吸收了
被人吸收的呢
我们把它合并在这个里边了
因为你都是跟它相互作用
你如果身体太软
你比安全带还软
那你就自己多贡献点
多贡献点变形
对吧
你如果身体很强壮
你就让安全带多贡献点变形
所以这个是混在一起
很难区分出来
我们再强调一下这个
几个关键点
就是说能量去了两部分
乘员的动能
一部分叫约束能
一部分又叫乘降能
其实这个约束能呢
它这里边的力只有一个力
都是这个
它是相同的力
都是你和车之间的相互作用力
叫Restraint coupling 耦合力
都是这个力
那同一个力作用在不同的
对应不同的位移
我把位移分解了
一个是对车的位移
一个对地的位移
对应于不同的位移呢
就对应出不同的力(纠正：功）
所以就是同样的力
一个是直接对约束系统做功
是相对位移
一个是通过约束系统的耦合
对车做功是绝对位移
这个就构成了两部分的能量
这是我的乘员的能量的去处
这两部分说清楚了
我们来看看这两部分有什么
在我的这个系统设计里
有什么重要的启示吧
还是这个公式
我们看两个极端情形
正常的约束系统设计呢
它一定是这部分占
比如说百分之五六十
这部分占百分之三四十
看你怎么设计这个系统
一定是这样的
我们看两个极端情形
极端情形一就是某一个是零
第一个情形就是说
假设我的这个车辆
是无限刚硬
你开了个坦克
撞到一个刚性墙上
这个墙也不变形
车也不变形
也就是说我这个车一撞到墙上
立刻停下来了
那这个时候呢
就是这个车相对地的位移是零了
撞上去就停下来
这部分位移是零
这部分位移是零
这部分能量就是零
那这样的话你就
人就没法通过（车辆变形做功）
你跟约束系统之间还是有力的
但你这个力
在这个力上是没有位移的
也就是这一部分约束能呢
不是 这一部分叫乘降能呢
就变成了零
乘员的乘降能变成零
是因为位移是零 对吧
那好 你的动能
不去这一部分了 不去车了
就全部都得有约束系统来贡献
但别忘了
在约束系统里
我们还混了乘员本身
这个这么大的能量
都得靠约束系统贡献
那你的人也得多分担点
你的受伤会增加
所以这是极端情形一
是指的车不变形
位移是零
立刻就停下来
无限刚硬
你设计一个非常刚硬的车
第二个极端情形
假设你的约束系统的刚度
无限大
刚度我们刚才说了
刚度是约束系统的刚度
加上约束间隙
我把 统一把它叫成刚度
假设这个刚度是无限大
什么意思
就是我有一个魔法
这个约束系统呢
我把他 把你绑在车上
我拿铁链子把你绑在车上
这个铁链子根本就不变形
你的身体也无限
也无限的强壮
所以呢你跟这个车之间的
这个力还有
但是你身体不变形
约束系统本身也不变形
但是这个力还在
这个力就让车去变形
这样的话
这个你相对于这个座椅靠背呢
没有任何位移
相对车
所以这一部分位移
是哪一项
就变成零了
这部分变成零
这个约束能是零
它有力但是没有变形
它变成是零
那你所有的能量呢
都得去被车去吸收
你这一部分太硬了嘛
被（车）去吸收
那显然这两个极端情形
这两种极端情形
都不利于乘员保护
很显然吧
如果约束系统太硬
你想我人的身体
也是不可能无限刚的
然后你能保证你所有的能量
都通过约束系统
作用到车上吗
车也比你的身体还硬
那只好你多分担点
如果你的车设计的无限硬
你的约束系统有那么伟大吗
把你的能量全部拿走
那你的力得多大才行啊
因为你的位移就那么多嘛
所以这两种都不合适
所以这就是一个平衡
就是说我的资源是车能变形
车内有空间
这两个资源都要
把它充分的利用上
这里面呢
就要插一个这个
这个说法或者故事了
我们在网上经常看到很多抱怨
说你看我花了十几万买一辆车新车
一撞 这个（人）没什么事儿嘛
车都给撞烂了
这什么车呀
那我第一个问题就要问
他就抱怨
他很心疼他这十几万块钱呀
这个车撞烂了
我第一个问题就要问
你人有受伤吗
人没有受伤
你还在下车跟人家吵架
看谁的责任呢
如果人没有受伤
或人基本是轻伤
你就别可惜你那个车了
因为我们作为碰撞安全的工程师
这就是我们就这么干的
我们就这么设计的
我们就是要把这个车设计的
不能够设计成车的前端刚度
无限大
就是让它一撞
就要撞烂掉耗散掉能量
它吸收的能量越多
你吸收的能量越少
所以你就别抱怨
怎么给我这车的保险杆里
添了点塑料呀
怎么给我这车里头
你就别抱怨这件事儿了
如果车撞坏了
人也撞死了
你这个时候再抱怨
当然你这个时候你要检讨
你是不是车速开得太高了
所以当我们看到很多
这种抱怨的时候呢
我发现现在这种事故
越来越多了
经常会有这个车撞的一塌糊涂
人还出来吵架呢
就说明这个车设计的很好
因为这个
有时候那个速度还不是太低呢
所以现在车设计的
是越来越好
这就这两种极端情形
我们要 一定要把这个平衡的游戏
把它玩好
这样的话我就定义了这个效率
还是这两项
我希望这两项呢
不是说零 一个问题是
这项占百分之多少
这项占百分之多少
这样我觉得定义一个效率
叫做Ride-dowm efficiency
Ride-dowm efficiency 就是我把这两项里边的
Ride-down energy
乘降能把这一部分拿出来
放到分子
分母就是初始动能
初始动能其实也就这两项的和了
所以这样一个比例
我管它叫做ride-down efficiency
它就衡量我整个这个动能
有百分之多少去了车身
剩下的不就去了约束系统嘛
去了约束系统呢
也包括你自身的东西（吸收的能量）
所以这么一个
这个 一个efficiency
不外乎就是40% 70%
就代表一个
这个效率就是乘降能
与初始动能的比
要看看我们的乘员动能
有多少是由车辆的变形吸收
越多就说明你的车辆的结构
和约束系统设计地越好 越多
所以我们希望这个efficiency
越高越好
这是为什么我不用另外一项做这个
因为另外一项的话
就是efficiency越低越好
所以我用
ride-down energy来去
这个设计的好坏
实际上就是约束系统的耦合程度
我们叫做 Restraint coupling
耦合的有多好
这有另外一个
刚才我说过的故事
主机厂把车设计好了
去找供应商给我匹配
安全气囊和安全带
他不去设计这个coupling
人家怎么知道你这个车
有 质量 多硬
他不知道这件事儿
这是你核心结构设计里边
你的那个波形
这儿有一个峰那儿有一个峰
这个速度这样
这么复杂的事情
你的那个Restraint
你的约束系统一定要匹配
你这个碰撞波形
一定要匹配你这个车
绝对不能说我车设计好了
你给我设计一个约束系统来
这个这也是要主机厂要干的事情
我们把这个efficiency
用刚才这个算例画一下图
刚才那个算例我什么都有
所以这个图
我是能画出来的
你想想这里边
往约束系统做了多少功
往这个车身做了多少功
初始动能是多少我全有
所以我就可能画出来
这个图呢一定是一个
各种能量对时间的一个函数
我们来一个一个看一下
这个粉色的呢
是Ride-down energy
这是你的那个乘员对车做的功
这条曲线呢
是Restraint energy
它俩加起来等于初始动能
然后它这个Ride-down
和这个初始动能之比
等于这条蓝线（纠正：锈红色线）
这个蓝线（纠正：粉红线）你就看初始的话
它这个Ride-down energy
是比较低的
对于动能比呢
它是越来越大
所以随着这个
你能看到在碰撞的中后期
这个ride down efficiency 就上去了
为什么呢
你相互之间的作用力大了
你相互之间的作用力大了
所以这就是这两项
分别对应的这个
这个是ride down efficiency
这个蓝色的线是restraint energy
是这个约束能
这个呢还是这个乘降能
反正这是这样两项
这样呢就标定了
我看到我这个效率
这边是效率10% 20%
所以差不多呢
我就给你一个概念
大概有20%左右的能量
是去了车身
你的动能有20%左右
去了车身的变形
然后有80%被你自己的身体
和约束系统这个吸收了
然后我们让学生做的其他的作业
换一个案例
它这个efficiency不一样
这个跟车的这个
它其实它设计的理念
你说这个车要是偏软一点
或者偏硬一点
大一点 小一点
这个efficiency会
这个效率会差很远
再一个我们要看到的
这边标注的几件事儿
就是这个峰值
这个乘员发生在112毫秒这个峰值
是在车辆回弹之后
这个我们刚才已经说了
在车辆回弹以后
车和人的相互作用力
达到了最高
这个时候是受伤发生的
关键的地方
所以这也是你看到这个
这个 它的相对运动更加剧烈
所以它这个约束能
你这个 这条曲线是约束能
这个约束能呢上升的很快
所以这一部分
这一条曲线
是我们要关注的地方
如果我能把这一条曲线
上升的速度给压下来
把这个粉线给拉上去
就能够更好的来平衡这件事儿
这个实际上是跟
这个我们一直在玩一个
时间的游戏
在合适的时间合适的地方
来匹配合适的资源
这个都在这张图上说清楚
-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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