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（下） > 2-9：碰撞波形与乘员约束系统设计匹配（下） > Video
好 我们来讲
这一讲的最后一部分
碰撞波形和乘员的乘降
我们前面介绍了
汽车的运动学和动力学的变化
以及它和乘员约束系统的交互作用
所谓的Coupling Effect
以及它的碰撞能量被哪些渠道吸收了
那最后我们来看
汽车的碰撞波形
对于约束系统是一个输入
那我们一个什么样的
乘员约束系统的匹配
来匹配这个波形
这是我们做汽车碰撞安全性
设计里边的
一个最最关键的
所有的工程师
天天要处理的一个问题
我们管它叫做整车的碰撞的波形
或者碰撞的强度
和乘员约束系统的匹配
回顾一下我们这一讲里边
讲到的理论和公式
当然我们在做匹配设计时候呢
在做整车的设计时候
一般来讲我们是
靠整车碰撞实验
台车碰撞实验
或者有限元的碰撞仿真
但因为我们教学里边呢
很难做这么复杂的案例
我们就用我们这一讲里介绍过的
一维质量弹簧模型
来说明一下这个点
一维的质量弹簧模型
我们已经介绍过很多
有代表整车的
代表整车刚度的
代表乘员的质量
代表乘员的约束系统刚度
所有的参数 定义在这里
回忆下我们的公式呢
我们如果我能够把
波形设计的非常理想
我们管它叫等效方波
等效方波呢叫ESW
那如果我能够涉及到
非常类似一矩形的波呢
ESW和碰撞的初始速度
以及这个C
就是我前面最大能够
压缩的距离
就是这么一个简单的关系
如果我以乘员损伤
我就拿一个损伤参数为例
比如说胸部加速度
我说胸部加速度
要小于一个什么值
就达到达标了
那我们看看胸部加速度
在简单的
质量弹簧模型里
它是这么一个关系
胸部加速度和
车的波形的平均加速度
wt*(t star)
这个w就是乘员约束系统的
等效刚度
其中大的K
就是我们看到的
我们的所有的气囊
座椅安全带
它给出的一个等效刚度
除以乘员的一个等效质量
我们管它叫小K
这就是单位有效质量的
乘员约束系统刚度
那这个t*(t star)
实际上这是代表一个接触时间
这个δ就是我们说的
约束的这个Restraint slack（约束系统间隙）
所以呢这个Restraint slack
除以这个碰撞波形呢
就是这个δ
这就是我们简单的设计公式
我们就用这么一个简单的模型
和设计公式来看看
乘员约束系统的刚度
怎么来匹配碰撞波形
我们看几个例子
一个就是我们整个这一讲
一直在用的例子
就是我们从NHSTA下载的
整车碰撞实验
是这个编号
我们已经全部都算完了
它的整车质量
它的初始速度39.9公里每小时
然后我们已经算出来了
车的结构
它的前面最大的压缩量
是516毫米
然后我们算出来的
它的等效的
如果我们用一个等效方波
去替代它的话
等效方波的平均减速度
是12G 12乘以9.8米每秒
然后我们也算出来了
在约束系统下
它的单位质量的等效刚度
约束系统的是26.2
我们估计出来了它的
约束的就是间隙是16毫米
那我们把这些数
来代到胸部加速度的公式里边
如果我要求
说这个设计要求
胸部加速度要小于40G
如果我给你这么一个要求的话
那我们很容易算出来
胸部加速度是25个G
非常高兴我通过了
所以这是我们已经做完的案例
那好 我们来看看
如果我有些变化
第二个例子呢
说 我现在这台车呢
是比较刚硬
也就是说这个车
可能质量比较大
前端的刚度比较大
比如说 它的质量
变成了2000公斤
甚至碰撞速度
也变成了56公里每小时
也就是这是一个更严重的碰撞
然后它的重量也比较大
这样就形成了
我整个是一个比较严酷的碰撞
我这样算出来的
等效方波的加速度是接近20个G
19.7G
然后前端的最大压缩量
还是625毫米
那面对这么一个比较刚硬的车
而且碰撞强度也比较大
如果我还套用刚才那个车的
约束系统刚度
我套用来的不外乎就两件事
一个是约束系统的等效刚度
一个是它的间隙
间隙就代表你
往前free-flying多长时间
多长的距离
和约束系统发生了作用
如果我把这个约束系统
简单的套用过来
也就是说
我把某一款车的气囊
座椅 座椅安全带
和所有的尺寸
简单的套用到车上
我们来看看会发生什么
那我们还是依据公式一算
发现胸部加速度40.6
大于我们要求的40个G
也就是说我设计没有通过
那我们看看其实很简单的事
我套用了刚才的约束系统
所有东西我都没改变
是吧
你说我从前一款车的拿过来
但是这一款车
在这个情况下
车也更硬了
碰撞也更强烈了
我的胸部加速度就不达标了
那怎么办
那最简单的事说
车已经不能动了
咱们去改约束系统
所以我看看第三个
这个案例就说
车还是刚才那个车
但是呢
我不要套用我之前的约束系统
我把约束系统改的更好一点
那改的更好
我怎么把它改的更好
一个是我知道
如果我能够降低
约束系统的刚度的话
它软一点
因为现在空间也大了嘛
它碰撞强烈了
第二个我如果能够
有效的减小
约束系统的间隙
不要16个毫米
进一步减小
那这时候呢
我可能用一个比较软的约束系统
比如我的气囊的刚度
我的安全带的刚度了
我从0.07
刚才是0.07改成0.03
这样算出来的w
然后我把间隙
从16毫米缩减成10毫米
这样我算出来的t* (t star，自由飞行的时间)
把这个数再带到
胸部加速度里
很高兴39.8个G
我通过了 对吧
很高兴
所以我等于是车没有动
我不要简单的套用
前面的约束系统刚度
我针对这个车
我针对碰撞强度
从新把约束系统设计一下
也许这个约束系统呢
比原来更贵了 功能更多了
我就能够通过
我总比改一个车来强
我有一个问题问大家
就是说我在设计约束系统的时候
我这里边有个重要的是
如何来降低约束间隙
如何把约束系统变软
这个简单
你安全带的刚度降低了
你的安全气囊
不要有那么大的爆炸力了
这就变软了
如何降低间隙
大家如果在企业里工作的话
就很容易知道答案
我们在介绍
座椅安全带的时候
会进一步介绍这件事
就是用叫做seat belt pretensioner
就是我们的一个预紧系统
预张紧
当我检测到碰撞的时候
我把这个间隙
通过某一种装置
比如爆炸或者什么
把它安全带抽紧
这样的话
它的那个间隙量就会减小了
我就能更有效的来利用吸能空间
好
我很高兴
那我们再看下一个例子
如果说我又换了一款车
说刚才那个车我稍微把它改一改
还是两千公斤
还是56公里每小时的碰撞
但是我把前边的那个吸能空间
改的更短了
刚才是625毫米
现在改成580毫米了
那为什么这么改呢
有可能说我的底盘
什么的都不变
我希望尽可能的扩大
乘员舱的空间
比如说后排的
座椅的腿部空间了等等
然后我只好去压缩
前端的空间
比如说有这么一个要求
那这样的造成
我这个车呢
实际上我的碰撞波形更硬了
你看我这碰撞波形
本身算出来
就是21.3个G
因为我的前边的
可压缩空间变短了嘛
重量不变
初始速度不变
好 这个时候显然我知道
不达标了
我即使把刚才已经
改进的约束系统拿过来
把它变软的
间隙变小的拿过来
肯定也不达标
我这做了一个极端的案例
我怎么能够把约束系统
做得不能够再好呢
实际上就这一项里边
胸部加速度里边
1+(wt*)^2
如果我这一项整个把它去掉
也就是说这个t*这个间隙
我把它减成零
我不可能减的比零还小
就是说一碰撞
约束系统马上跟人发生作用
已经是能达到最好了
我整个这一项没有了
这是我能做到的最好
然后我算出来的
乘员的胸部加速度
42个G
还是要超过你的设计的要求
40个G
这说明什么呢
也就是说面对这么一个
车的一个结构
和碰撞波形
这个碰撞波形是21.3个G
无论你匹配什么样的约束系统
花多少钱
这件事也解决不了
所以必须要回去
我这红字标出来的
重新设计波形
什么叫重新设计波形呢
也就是说你得重新设计结构
你就得跟你老板说
对不起
你给我这560毫米
我怎么也达不到标准
这个560毫米
能不能增加到600毫米
580毫米太小了
能不能增加到610毫米等等
所以我用这几个例子
就来说明乘员约束系统的设计
和碰撞波形两者必须要匹配
而不是说你有一个波形
然后随便拿一个（约束）系统来就行
你不能拿A款车的约束系统
来匹配B款车
这就是我希望大家 用这么几个案例
能够记住的
因为乘员的响应
我们是以胸部的加速度为例
你也可以去看头部的响应
可以看胸部压缩量等等
乘员的响应
是由汽车的结构的刚度
碰撞波形和约束系统的特性
共同决定的
它不可能是一个单一的决定值
那约束系统的功效是有限的
我这个约束系统
如果我用简单的方波来看的话
它最好就是这一项整个没有了
它肯定是大于2的
那就是说
如果我的碰撞波形
ESW基本上都是20个G了
你无论怎么设计
它的胸部加速度
恐怕都要大于40个G
是因为你的结构已经太硬了
所以我就希望大家记住这一点
那么我们再把
我们所有的设计公式
再把它罗列一下
就是这个PPT上看到的
但是就可以估计出来
我怎么来匹配约束系统
那如果我把这个公式
再做进一步的解算
我要关注的胸部加速度
刚才我是一步一步做
如果我把所有能解算出来都代进去
这个时候
你能看到我关注的这个伤害
胸部加速度和车里边的数据
是这么一个关系
跟初始速度的关系
没什么好控制的
能量越大
胸部加速度越大
这有一项
这还有一项
这不是我们设计的关键
那跟这个K和δ
就是约束间隙和约束刚度越大
胸部加速度越大
最小的话
就是把整个这一项去掉
对吧
那我们大家看看
胸部加速度跟C的关系
C呢就是
我的车的前端
能够压缩的最大的量
一项在这
一项在这
所以对于这一项来呢
是C越大
给的空间越大
胸部加速度越大
对于这一项来讲呢
给的空间越大值越小
它是一个非线性关系
至于是个什么样的关系
大家可以回去做个练习
看看究竟是个什么样的关系
-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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