当前课程知识点:汽车碰撞安全基础 > 第3讲:汽车碰撞事故中的人体碰撞响应与损伤 > 3-4:人体冲击力学的试验方法 > Video
下面一个话题讲讲这个
人体冲击生物力学的试验方法
因为这个研究比较难做
显然呢 我们讲科学研究
一般是现代三个方法
一个是试验方法
这是最经典的方法
一个是数值模拟
这是最近这二十年
发展起来的方法
五十年前你显然不能依赖说
咱们某一个科学研究
依赖数值模拟不大可能的事儿
第三个方法就是
理论 推导这些
所以50年前
只有两个方法
理论上的各种演绎推导
然后就是试验
那你想象人体冲击生物力学
不大可能靠理论 对吧
只能靠 所以我们讲人体
冲击生物力学的研究方法
几乎只有试验方法
最近这十年呢
又发展出计算仿真的方法
但是看历史只有试验方法
试验方法呢
我们又通过各种各样的
试验方法来研究
我们刚才说的
冲击损伤机理
冲击力学响应
以及损伤容限
这是我们的研究的对象和目的
试验方法先看第一个
首先就是尸体试验 对吧
人嘛 你首先很难想象
拿活人做试验
然后又是破坏性的试验
又是冲击试验
所以肯定拿尸体做试验
所以你看看美国
大概在三十年代
1930年代的后期
首先在这个底特律的
Wayne State University
韦恩州立大学
就开始了这个相关的研究
我们跟这个他们的
生物医学实验室
有很好的合作
那这些研究呢
就获得了很好的一些数据
这是最早的一些研究
这张照片呢
总不断的在引用
这就是最早这是人的尸体试验
胸部的这个所谓的钝性冲击
Blunt Impact
Linear Impactor
然后能够以一定速度打到胸部
这是尸体的这个设置
那我们就要放上很多传感器
来研究比如说
如果现在还得用高速摄像
压缩量 冲击力
之后呢再通过医学解剖
来确定他是断了几根肋骨
还有其他各种损伤形式
那我们看尸体试验呢
跟研究人的碰撞损伤
最大的差别是
很多很多差别
其中有一个差别是肌肉的力量
尸体试验呢
没有肌肉的响应
这是一个最大的差别
这件事儿在以前研究的时候
就注意到了
而且就知道差别很大
所以呢我们后边又讲到
它会对这个测量结果呢
有所调整
那最近这二三十年的研究呢
发现这个人体的这个
在碰撞的情况下
肌肉的这个作用
要比50年前想象的还要大
就五六十年前做研究的时候
知道这个事儿
做了一些调整
后来发现还要重很多
这个呢定量的要少一点
定性的已经知道
你比如说我举个例子
颈部 颈部的话
如果你看那个骨头的结构
很那个很细的一根颈椎骨
但实际上我们颈部的力量
是很大的 能做
颈部力量能做很多事情
包括在冲击力的时候
怎么能抗损伤 对吧
所以颈部的
这个肌肉的力量是很强的
这个事儿呢
不光是我们做冲击
还可以拿这个刚出生的小孩子
跟成人来比较
刚出生的小孩子
那个颈部几乎就没有
任何肌肉的这个支撑的力
所以为什么小孩子的话
你对他的颈部的保护
要更为重要一点
但我希望大家记住就是说
尸体试验很有效
也是不得已而为之
但是呢肌肉的影响呢
没有在试验结果里
那除此之外
尸体试验还有很多
其他的困难的因素
一个就是这个道德和伦理的因素
就是说你这个尸体来源是什么
你总得要有人捐献 对吧
然后在有些国家的法律
这是完全禁止尸体试验的
有些国家
幸好不是大国
要是大国的话
尤其像美国这样的国家
是没有禁止尸体试验
他科学技术也比较发达
如果你想像美国这样的国家
禁止尸体试验
那这个事情要落后很多了 对吧
但有些国家
有些发达国家
完全禁止尸体试验的
另外一件事儿呢
就是尸体的这个
样本的代表性不够
大多数捐出来的这个尸体呢
都是老年的 这个因病死亡的
当然做试验的时候
也会看他是什么病
我现在是要做冲击力试验
至少他那个病因
不要影响我试验结果
这都会看的
但总而言之大家可以知道
这个尸体试验的样本来源
跟我想要做的试验的目的
它的代表性会差的很远
年龄的代表性 体重的代表性
各种各样我需要能够
有统计学的分布
它都不够
儿童的这个尸体呢
样本很难获得
一个是各种法律
和公众的这个观念的限制
还有呢包括如果说
在发达国家有很好的这个记录
他能够允许你捐献
他至少说儿童不能捐献
因为儿童他不是法人 对吧
比如说他18岁才能代表自己
各种法的事
他不能七岁的时候
写个遗嘱说
这个我要捐献我的尸体 对吧
所以这是你就想象为什么
所以我们现在儿童的碰撞损伤呢
很多数据还是缺的比较多
再一个呢就是尸体的样本呢
离散性很大 对吧
个体性差异很大
我们做出来的结果
首先你可能就没有多少数据点
你一共为了这个目的
有八个数据点
这八个数据点
这个离散性还很大
你还从中间找出什么样的这个
可接受的数据
这是重复性
这都比较难一点
第二个试验呢
就是所谓志愿者的试验
志愿者试验呢
蛮珍贵这种数据
因为它是活体的
它是活体试验
很珍贵
但同样的这个志愿者试验呢
我们也知道
你不能伤到他 对吧
所以他的这个试验强度呢
就会差的比较多 对吧
你首先你不能造成损伤
所以呢他的强度是不够的
但他优点呢
他是有那个活体的很多
测不到的肌肉的这些东西因素
那我讲三个故事
三个例子
一个是最著名的是
比较早期的两位教授
第一位是教授
那Professor Patrick呢
在早年做研究的时候呢
他就用这个摆锤冲击自己的胸部
当然了
他肯定不会要造成损伤了
来测这个力学响应
Doctor Colonel Stapp
这位学者呢
有两个Title
这个叫做Doctor博士
Colonel上校
Doctor Colonel呢
这个Colonel上校
他是个巴西人吧
反正巴西籍的
这个二战的时候
是美国空军的
或者他本人是飞行员
或者他是空军的医官
总而言之呢
他在研究这个跳伞的时候
这个弹射
坐在一个火箭上
座椅弹射出去
脊椎要被压缩
所以呢他首创了
在战争结束之后
他首创了这个脊椎压柱的
这个冲击力学的研究
那他就拿他自己做试验
自己坐个椅子
他不能火箭了
具体怎么做的
大家可以看文献
一个椅子
快速的就可能像过山车似的那样
把他顶起来
然后测量
这个脊椎的压缩
现在这个飞行员
这个做过测量
数据不一定很准确
这个但是可以想像
就说你如果跳伞下来以后
我说的是战斗机
那个弹射出去
去量你的身高
原来一米八(公分)
变成一米七五(公分)了
是不是少了五公分不一定
但是少了两公分
一公分是肯定的
然后睡两天
可能就又长回去了 对吧
那个脊柱被压缩的很多了
为什么要
这是旁的话
为什么要跳伞
这个要用火箭呢
是因为你希望离飞机越远越好 对吧
你离的太近的话
它飞机速度那么高
它有很多高速的这个扰动
所以我以前在美国做一些试验
跟这个方面的应用有关系
包括跳伞的时候着陆
着陆的那个踝关节的损伤
怎么来保护它
这个张伞的时候
对颈部的这种保护等等
这个
所以这是很多这个志愿者
教授
用自己的身体来做试验
那我自己接触过的一个呢
志愿者也挺有意思的
PPT里没有准备
给大家介绍一下
大概是1999年到2000年
到2001年前后
我那会儿在美国政府交通部工作
我们做的一个项目呢
就是在研究下一代的碰撞假人
叫Thor
那这个时候呢
就有很多试验在里边
其中有一个试验
我印象很深刻
说要看这个颈部的这个力学响应
那我们的合作伙伴呢
就是有一个试验
日本的叫JARI
Japan Automobile Research Institute JARI
一个国家政府机关
有点像我们的天津中心似的
那那会儿JARI一个教授
我还记着他名字Professor ONO
每个月从这个日本
飞到华盛顿开会
我们每个月Monthly Meeting
他就每次介绍他们的试验
这个颈部
怎么做呢
说要看这个颈部的
这个甩动的这个活体试验
当然你不能伤着他
因为颈部的这个肌肉是
这个作用很大
他就想就叫解耦
他要做出这个有肌肉
和没有肌肉的影响的差别
但怎么让这个志愿者
没有肌肉的影响呢
因为你说我要拉你的颈部了
他总是紧张 对吧
所以他就做两类对比试验
首先得是同一个人
同一个人
我估计不能在同一天做
哪一类呢
他就是把这个siting的人
这个志愿者坐在这
然后头部戴一个头环
后面一个滑轮
突然拽一下你的头
突然这么朝后拽一下
然后一个重物
一落下来
通过这滑轮就拽了
所以戴了一个像头套似的这种东西
然后呢
第一个呢
就是有肌肉效应的
就等于告诉你
说现在要做试验了
三二一 碰撞
这个时候呢
你肌肉就要绷紧
他就告诉这个志愿者
你就尽最大的可能
把你的这个颈部的肌肉给绷紧
即使我们做撞车的时候
不是做撞车
在碰撞事故里边
有一些交通事故
研究就发现
在有些这个情况下
他这个损伤会轻一点
往往是在这个人有惊吓
有这个肌肉的这个张紧的
这个情况下
他受伤会轻一点
所以这很多人是本能的
就为什么你在吓到的时候
会大叫一声
它实际上这个肌肉就绷紧了
好 三二一 试验
这个颈部绷紧
这时候测到一组数据
那怎么让他的肌肉不绷紧呢
过两天再做
还是这个人
同样的Siting
同样的这个Setup
这个时候呢
就不告诉他了
戴个耳机
听着音乐
然后你慢慢看着
突然给你打你一下
这个时候呢
你的肌肉是颈部是放松的
他做这种对比试验
所以呢这就是很多
这种志愿者的试验
另外一个替代试验呢
就是用动物试验
动物试验呢
这个首先可以活体了
但也得要麻醉什么
也不能完全活体
但至少他的血压
什么这些是在的
但动物试验呢
我们要做人体的
冲击力学响应的这种目的呢
也得要选择合适的动物
比如呢猪是比较被多选择的
主要是猪为什么被多选择呢
选择的比较多呢
是因为猪的这个胸腔
跟人比较相像
这个从尺寸到这个各种方面
都比较相像
你可以把猪呢
而且猪可以坐起来
放一个汽车座椅
让猪以坐姿的形式
把胸部暴露出来
像开车这个环境
当然呢 把它绑上
然后呢 你就可以
对胸部进行冲击了
我记得二十多年前
我刚工作的时候
那个实验室做很多这种试验
都是这个用猪来做的
我当时就问
为什么用猪做
他说胸部试验
就是猪最合适
然后当然你如果做颈部试验
大概就不能用猪做了
因为猪的颈部
跟人的颈部差的太远了 对吧
你找别的动物的颈部
但是这个动物试验呢
也有很多问题 对吧
也是一个有一个叫做试验的伦理
这个程序
这一套东西
还有呢就是有这个动物保护组织
他总是会愤怒的
这个带着抗议
各种各样的组织
那可能也会影响一些
研究的进程和结果
有些公司了
有些单位说
这个太麻烦了
咱们就不研究了
咱们就不再作动物试验了
另外一个存在的问题呢
显然动物的这个身体呢
跟人体是有一定的区别
尽管你可以找尽可能相近的
它有区别尺寸 年龄
你说我想研究成年男性
但是拿几岁的猪研究
代表三十岁到五十岁的人体 对吧
所以这些呢从动物学要研究
-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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