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同学们好

我们现在开始本节的讲座

这部分呢

主要是三个内容

三部分呢

一个就我们叫做受伤的机理

一个叫做冲击力学响应

一个叫容限

我们会一点一点来定义

受伤的机理是什么意思呢

就是说这个你受到一个冲击载荷

你是怎么受伤的

可能不是简单的说

我打你的劲过大了

你的力过大了

它是这个关联

但是我们从设计的角度

从学术的角度

怎么来理解和定义这个事

那响应的事呢

比较好理解

就是说任何一个物体

我给它施加外载力

它都会有一个响应

它是怎么响应的

线性响应 非线性响应

与时间相关 与时间无关

粘性响应

这个事情如果不知道的话

我怎么知道人体的响应

我怎么知道 怎么来设计

我的安全气囊

我们昨天说你的气囊

或者是约束系统

硬一点 软一点

涉及到人体的吸能

跟约束系统吸能的

之间的匹配的事情对吧

所以这个是响应的部分

那损伤容限呢是指的是

在什么样一个受伤程度上

是我可以接受的

大家想一想

我们汽车设计说

我能够说开着这个车

完了万一发生了事故

我对损伤的接受的程度是零损伤

说不允许有任何损伤

如果是这样一个要求的话

那能不能做到

作为工程师

如果我不给你成本的限制

你肯定能做到

但是我给你成本的限制

你肯定做不到

所以这中间要找到一个平衡点

对吧

你肯定不能说

我发生一个60公里/小时的碰撞

人就死了

这个也是不可接受的

那另外一个说

我跟你说发生一个

60公里/小时的碰撞

我要求人出来一点损伤都没有

这个也是不可接受的

中间这个平衡点在哪里

这个叫做人体的碰撞损伤容限

所以这么几个内容

我们不讲这个医学的东西

因为我自己也不是这个专业的

但是呢我们讲人体的碰撞损伤呢

得稍微要熟悉一下人体的结构

就像我们要熟悉

我以前也不是学汽车的

那我也得学习汽车的结构

那我们稍微熟悉一下

我们作为一个外行

这个而且我们自己也是人体嘛

大致的话

我这放了几张

从网上找来的解剖图

那从大的结构来讲

头部 躯干 躯干包括胸腔腹腔

然后盆骨 下肢 上肢对吧

这是大的

然后呢再往下呢

里边呢有各种不同的骨头

据说人身上有二百多少块骨头

对吧

然后呢有很多内脏器官

很重要的和不重要的等等

所以这是我们要熟悉的东西

幸好呢

咱们在这个环节上

改成中文讲了

所以这些都没有问题

你想想我们这个

我自己的课上

用英文讲的话

这些术语

我慢慢花了很多年熟悉了

那其实学生下面在翻字典

就更难一点

所以就是这些

我们也不会用到太医学方面的

无外乎是心脏 肺这些

或者是韧带

那我们看看这个冲击生物力学

涵盖的这个范围

我们主要是看汽车

冲击生物力学呢

严格来讲

它不光是汽车方面

人体的碰撞

这个不光是汽车

运动也有

你那个美国那激烈的橄榄球

足球

人体的那个冲撞

损伤的那个程度

在某种意义上不亚于汽车

然后有些司法鉴定

这个家庭暴力等等

你还能举出更多的例子

这个运动损伤等等

所以呢就是我们只关注

这个在汽车的碰撞环境下

在汽车的事故环境下

那人体的这个冲击损伤

当然你说跟其他的那个载荷工况

它肯定有类似的地方

只不过你关注的载荷环境

边界条件不一样

另外一个我想到的这个应用呢

就是所谓的爆炸冲击环境

战场的环境

战场的环境有很多是爆炸冲击

这个很快的交通工具

飞机的起飞

这个飞行员的弹射

座椅弹射出来

然后落地等等

这些都是在对人体施加冲击载荷

在这个冲击载荷下

他有没有可能受伤

我们怎么来保护

所以这个范围很广

这是冲击生物力学的范围

那这个范围呢

就是刚才我说的

他大概涵盖三个方面

就是受伤是怎么

我们叫受伤机理

这个冲击响应和损伤容限

具体到到我们汽车领域里边呢

我这三个方面

我要用这主要要用于这件事情

就是汽车里的一个大的装置

是碰撞假人

那么下边再过一些年

可能我如果逐渐的不用碰撞假人

我用什么

我用真人的计算机模型

无论是人体的计算机模型

还是碰撞假人

都有一个设计的问题

都有一个这个假人也好

这个计算机模型也好

它跟你我他的这个真实的人体

有多相似的问题

我不可能做到百分之百相似对吧

那我肯定是希望它尽可能的

代表我的身体的各种响应 损伤

我们知道差的还很远

但是冲击生物力学的这些研究

就是在汽车领域上

很大程度上在做这件事

这个我们的考卷怎么制定

假人怎么能够更像真人

各种的准则怎么来设定

比如我说昨天举的例子

胸部加速度

不能超过多少多少个

40个G也好 60个G也好

那60和40是怎么定出来的

为什么是用加速度

不用这个位移等等

那可能另外一拨科学家说

应该用位移 对吧

这是我们今天都会涉及到

去设计我们的约束系统

我刚才说的

约束系统吸收的能量

跟人体吸收的能量

它就在这互相在竞争

在挤压呢对吧

在竞争呢

所以这些都是我们

需要在我们的领域里边的应用

那我们说人体

我拿一个我们熟悉的例子

我们实验室还做很多

汽车材料的力学的试验响应

其实它是很类似的

我拿一个材料的例子

一步一步把刚才说的概念

再重复一下

我们看一个塑料材料

汽车上有很多塑料材料

内饰 油箱等等很多塑料材料

那如果我们定义这个材料

我做个拉伸试验

什么叫损伤

那最简单的

我把它拉断了

就损伤了

那也可以说

我再细致一点

它里边有内损伤 变长

变长了

强度是什么

模量是什么

总而言之这都是损伤

那最终最简单定义的损伤

就是可以是拉断了

就是损伤

然后什么是机理呢

就是说我把一个塑料试件拉断了

我用什么力学参数

用什么我们工程师

看得懂的力学参数

或者其他的技术参数

去表征这个拉断

我们用嘴说很简单 拉断了

你拉断了

我怎么设计

我说我要设计一个车

不让它断掉

你总得给我一个指标吧

你总得给我一个评价指标

那好 那我们在这个材料的

力学试验验里边呢

可能选的这个指标就是

应力 应变 什么杨氏模量

冲击速度

有可能塑料跟速度有关

所以我在本构关系里说

跟应变率相关等等

所以这一套参数的选择

我们叫表征参数

那这个就是我用这套参数

来解释这个损伤

来解释这个断裂

来解释这个变形

这个实际上就是损伤机理的部分

你为什么不用另外一套参数

来解释呢

这是损伤机理

然后在这个参数下

都是怎么变化

这些变化规律

也都是机理的部分

那响应的部分呢

那就把这个机理部分的

参数选择说明白了

响应的部分就更明白了

响应的部分就是说

假如说我用了力和变形

作为我的

我能理解的参数

来定义这个试件的拉断

拉伸这件事

那就是拉力

跟变形的关系

在进一步我转化成应力

和应变的关系对吧

这么一个关系

那这就叫响应

我们叫它力学响应

它还有别的响应对吧

那我说这个材料

或者这个塑料材料

不那么简单

不是说应力对应变的关系

那如果我在不同的应变率下

或者说不同的冲击速度下去拉

我是慢慢的拉它

还是快快的拉它

它这个响应是不一样的

虽然我都拉到了20%

但是呢同样是在20%这个应变下

它的应力响应可能不一样

也就是说我不能够一条应力

应力应变曲线去表征它

它可能不同的拉伸速度

它是不同的

好 那我就能在

往往我们实验室有很好的试验机

我就能在不同的拉伸速度下去做

那我进而发现

这个响应还真不一样

你如果是慢慢去拉

我们所谓准静态拉

它是这么一个响应方式

它能拉的很长很长

如果你快快拉

冲击的去拉

它拉到20% 30%就断掉了

如果你慢慢拉

塑料能拉到100% 200%了

你慢慢拉对吧

那还有很多不一样的

除了越来越高之外

还有我的静态响应

是越来越强

那你越拉它这个劲儿力越大

那你看看它的冲击响应

越拉它这个力越小

它脆性就出来了对吧

所以这些都是叫应力率相关性

这是材料方面的

我们管它叫相关性

这就是力学响应

那这套东西

我如果不知道

人体的冲击响应

胸部的冲击响应

我如果不知道

我怎么设计我的碰撞假人

那碰撞假人我们已经设计了

六七十年了

那你能想象

1950年代设立的碰撞假人

很可能就是简单的

你给他一个力

他有一个变形

这个呢就大概

能不能有多靠谱不知道

那是不是你三米/秒的速度

跟九米/秒的速度

它还响应的不一样

也不知道

所以这就是响应的部分

损伤容限

损伤容限呢

如果我们用这个力学的

这个材料的来做

做这个解释呢

就说如果你看它断裂

那可能就是掰了

而且这个损伤容限

跟你的载荷方式有关系

可能就是说

在准静态拉伸下

拉到90%断了

90%这件事就是个容限

所以你设计的这个

用这个塑料板

设计这个油箱的时候

地上崩了一个石头子

打到油箱上

你就想这个油箱的应变

不要超过90%

如果是准静态的话

但你进而又一想

说这个势头子崩上去

它不是个准静态的压缩

它是个冲击速度可能是

5米/秒 10米/秒

那你就得又去做试验

那在动态下

这个塑料的这个破坏极限

只有30%

所以这个30%也好

90%也好

就叫损伤容限

你尽可能

进而进一步还说

我不用断裂来做我的损伤定义

我用我的屈服

所谓屈服就是说

材料一旦不可恢复了

这就是我的损伤

这就看你怎么定义你的损伤了

我们定义人的损伤可以说

死了才叫损伤

那另外一个损伤说

只要骨折就要损伤

你就看你怎么来定义这个损伤了

对吧

所以这就叫损伤容限

损伤容限也先要定义

你是以什么指标来做

所以我们用一个

这么一个简单的

材料的力学的响应

来定义这个人体的损伤

好 我们看看这个

人体碰撞损伤的成因

我们大的背景还是汽车的碰撞

但是举的这个成因的例子里

包括了很多其他的

大类上呢

我们看力学方面的

我不看其他的

因为人的损伤

不光是力学

你还有其他的

你触电也是损伤

辐射也是损伤

那些都不归我们

汽车碰撞安全研究对吧

这个我们只管力学上面损伤

那力学方面损伤呢

也可以分成两大类

一类是这个直接接触

直接碰撞

直接对人体进行外部挤压

还有一类是非接触性的

由惯性导致的内部变形

这两类在汽车的碰撞载荷下

都常见对吧

我们可以说胸部肋骨的骨折

是因为安全带直接挤压

这就是直接挤压

你的头撞到了风挡玻璃上

颅骨骨折

这是直接载荷

那还有这种情况呢

这个如果你这个车没有安全气囊

然后你身体被安全带约束住了

这个在碰撞过程中

你惯性往前运动

头有大的转动和甩动

这个时候

你的头和脑

没有接触到任何物体

没有任何外部的挤压

没有任何外部的冲击

内部也有可能损伤

颅骨损伤大概不大可能

因为颅骨损伤都是直接的碰撞

但是脑组织损伤是有可能的

大的转动

而且还是蛮高速的转动

这是有可能的

我们常见

所以这就是非接触性的这个损伤

其中还有一个例子

这个我这个上课讲的

小孩子如果有刚出生的婴儿

大家都很喜欢抱着

那千万别使劲这么摇

这个摇有两个损伤

一个是颈部受不了

这个一个是头部受不了

这个在美国的波士顿

就发生过这么一个著名的案例

这肯定是过失杀人了

这个家里边的保姆

可能过于喜欢这小孩子了

摇了两下

把孩子给摇死了

最后解剖检查

就是他这个婴儿的

这个脑组织很弱的对吧

所以这个就是非接触的

快速的转动造成的

那我们之前也举过例子

这个表面我们要给它接触

但是由于你整个

给身体一个惯性载荷

身体内部的不同的部件

他走的速率

速度不一样

他走的速度不一样

他形成了内部的拉伸

心脏大血管拉的太长了

这个或者是怎么样

这是内部

从外部来看

这都是非接触的 对吧

这个飞行员跳伞

这个例子呢

你说叫直接呢也可以

叫间接也可以

直接就是说我这个

飞行员坐在一个火箭上

这个火箭发射出去了

给了他这个脊柱

一个很大的这个冲击力

好像是直接压缩脊柱

但你要看某一个两节这个颈椎

或者脊椎之间呢

你并没有直接压缩

他是间接压缩过去了

所以有些例子呢

你放在哪边都可以对吧

那直接接触的比较简单了

头部的直接接触

我刚才举过这例子了

像行人的这个膝关节

跟保险杠发生接触

那我们就要研究了

这个什么样的接触方式

速度 方向 保险杠的软硬

接触的位置

跟膝关节的相对位置

引起什么样的损伤

骨折损伤还是这个

膝关节韧带拉伤什么

怎么来表征膝关节韧带拉伤

怎么来表征骨折

什么速度下能引起骨折

什么冲击力下

引起膝关节韧带拉伤

然后这些力学的事儿

我们研究清楚了

那个医学 医生还说了

我们也得参与

因为我要告诉你

如果只有骨折

下肢只有骨折和膝关节韧带拉伤

这两件事儿存在

这两个可能性存在的话

我得参与进来告诉你说

哪个是重伤 哪个是轻伤

对吧

这个咱们做工程师的解答不了

4月份我要去这个密歇根大学

参加他们医学院的一个

这方面的研讨

他就让我讲工程方面的东西

那我就能学到很多

他们在医学上

他怎么定义的这些事情

所以这是人体的碰撞损伤的

两大类

那我们来定义这个机理

我们把这个损伤机理

碰撞冲击响应

和损伤容限定义完了

我们这第一个环节就结束了

我们看看

人体在冲击载荷下的损伤机理

英文叫Injury Mechanism

怎么来定义它

那严格的定义呢

英文叫Correlation

就是说我要在人体的损伤

这个医学的表征下

和这个我们工程师能够理解的

力学表征

我们就只强调力学

这两套参数之间

或者医学上都不是个参数

是个现象

医学的这个损伤现象

它描述的

医生描述的

和我工程师能理解的

力学的参数

这两套之间

我建立起一套关联关系

英文叫Correlation

这就是损伤机理

那医学上他说撞完车以后

一解剖

断了三根肋骨

我三还好理解

但是肋骨断了这件事

你用什么力学量来表征

是用力表征还是用应变来表征 对吧

还是用加速度来表征

所以这个冲击载荷下

我们找一套力学参数

跟医生描述的那套损伤

建立一套关联关系

不但是定性的

更主要是定量的关联关系

找的好还是不好

这个就是我们做冲击生物力学

要研究的

我举个例子

脑震荡 咱们举这个例子

因为人体有很多损伤

脑震荡是常见的

汽车里边的损伤

也是运动力学

你打足球什么这个尤其

美式橄榄球那里边脑震荡很多

而且脑震荡有轻伤 有重伤

那Brain Concussion

作为脑震荡

怎么用力学参数把它表征出来

那最简单的说力对吧

脑震荡就是冲击力太大了

拿棒子打了脑袋

脑袋一下

所以这个力就直接能想到的

表征脑震荡的力学参数

那我进而要问了说

医生说了

那我如果给这个头

有一个静态的挤压力

永远不会形成脑震荡

这个力可以很大

也可以有别的损伤

颅骨骨折都可以

但是脑震荡是不可能出现

所以说这个力大概不好用于

准确的来表征脑震荡

他说咱们用速度

用速度

我定义说这个头部的这个速度

或者是冲击速度达到多少了

就要脑震荡了

然后又举反例了说

如果这个子弹打在脑袋里

那速度还蛮高的

一解剖有很多别的损伤

确实没有脑震荡

脑震荡在医学上

他有一个准确的定义

我们这不说了对吧

这个子弹打到脑袋里的

它是另外一种损伤

跟速度高度相关

你想这子弹速度慢了

他就不会造成这损伤

但它也造不成脑震荡

所以说那我们就从速度

大概也不是一个很好的参数

那咱们有很多力学参数

动量

你想动量有什么差别

我加入了质量

M乘上V

我不光是速度

我把这个比如说子弹的质量

或者把冲击的质量

拿一个块打一下头

或者我干脆把头的质量加上去

动量能不能很好的表征

这个反例我举不出来了

我只是把它列出来

那有的这个专家说了

头部的转动

这个关联性更大

那咱们就角速度

角加速度对吧

那另外的一拨解释了说

主要是压力

说我这头部这给一个

冲击的压力

因为你这打一下

貌似从外部看

是一个冲击力

你从内部看

是个压力波的传播

那压力波传播

那我们做应力波传播的人

好了 好 压力波传播

传播的速度什么周长

你又可以定一套东西

结果呢又发现了说

这个脑震荡完了哪儿出血了

这个损伤呢

似乎跟这个某一种状态也不相关

怎么老在这个位置发生损伤呢

这个位置不是我直接打击的位置

我在打这

怎么这发生损伤呢

我打前边 后边发生损伤

就发现

这个波呢有点关系

但可能不是

不是压力波

你打他脑袋一下

怎么会不是压力波呢

所以压力就是里边被挤压了

那这时候

学医学的又不懂了

那我们学力学的人上来说

确实

你这个压力波

在脑子里传播的时候

不是总处在压缩的状态

如果你这个压力波在脑子里传播

传到后边 后脑

如果你打前脑传到后脑

后脑呢

我们在力学上定义成一个叫做

自由边条件

如果我们回忆一下

那个材料力学里学的梁

如果是一个悬臂梁

夹持的那一端叫做固定端

不夹持的那一端叫做自由端

自由端就叫自由边条件

那后脑自由对吧

没有任何约束

这个应力波的理论说了

一个压缩波在传播

碰到自由边条件反射以后

符号变了

变成拉伸波了

这时候你把你这套压力波的理论

或者应力波的理论

跟这个医学专家

他们不懂力学一解释

他说对对对

这个地方很多损伤都是拉伤的

这下他解释了

要不 这个

像我刚才描述的这个故事

没个几十年研究不清楚

你想怎么做试验对吧

这个认知是几十年下来

一步一步提升的

所以刚才说的叫做

正压力和负压力

这个做压力波的人

管这个压缩波叫正压力

这就跟昨天我们讲那个

Crash Pulse似的

其实Crash Pulse是减速度

准确的来讲

应该用负的来表征

但是这个天天用减速度

还得把这个折下来

多麻烦

咱们就用正的来表征

只是算的时候

大家别忘了有个负号在那

所以这个道理也是同样道理

像天天说脑子被打击

人家说这个压力压力

他在算的时候

都用正的来表征

但实际上压力呢

你要看那什么

应该是用负的来表征

所以它反而把拉伸波

变成一个负压

所以经济学我们也有

前面听一个什么

最近开两会

什么什么负增长

负增长到底是增长还是减少

据说负增长

是增长的速度变慢了叫负增长

并不是减少

或者说呢

这些东西都不好表征

那我们做数学的和力学又说了

咱把所有这道参数为一个组合

所以整个这套研究

就叫做机理性的研究

那怎么来做

首先得医生来做

但医生呢

他的力学和数学

又不如我们工程师好

所以这两拨人结合起来做

一般来讲做是这样来做法

首先得有一个合理的假设

你这假设合理不合理

实际上是你几十年的认知了

对吧

所以你先就假设

我猜测这个脑震荡

跟速度相关系

然后呢你就去做很多试验

你就使劲去测速度

测完了速度呢

再去解剖

解剖完了以后看相关性

看看相关性好不好

各种统计学的

最后不好

论文是可以发表

这个别的学者说了

跟压力相关

你又得重做试验

另外一拨学者重做试验

又去测压力

因为你上一拨试验没测压力

光测速度

所以你先得有个假设

这个英文叫Hypothesis

然后你去验证你这个假说

最后就把这个机理这么找到

这个所以一定要懂医学的

和懂力学的来联合做