当前课程知识点:汽车碰撞安全基础 > 第10讲:乘员头碰撞保护 > 10-1:乘员头部碰撞问题的背景 > Video
同学们好
那我们现在开始本节的讲座
下面我们开始介绍第10讲的内容
第10讲是我刻意选择的一个题目
大家看乘员头碰撞保护
乘员头碰撞保护
在中国的法规里并没有
也许以后会有
目前主要是美国的法规
之所以我选择这个题目
是有我的个人偏好
我是觉得一方面
这是一个乘员碰撞安全里面
非常有意义的设计
另外它是我自己经历的一个科研
大约是20年前
我在通用汽车研发中心工作的时候
所以我就想把这么一个完整的故事
呈现给大家
你看这几个题目
一个是我们碰到这么一个问题的时候
在公司里面
是怎么从一个实际产品中的问题
提炼出来
怎么来立项
它为什么要做这么一个研究
我个人接了这个项目
做了这个研究以后
我是怎么把它
从一个工程问题提升成一个研究课题
进而我们这个研究的课题
产生出来的研究结果
怎么反过去指导产品的设计
这么一个完整的故事
所以我个人比较喜好这个
那我们今天来看一看
这个不长的讲座
首先我们看一下
这个问题的背景
头碰撞保护就是说
在汽车的碰撞过程中
我们也很多可能性
是要发生头碰撞的
而且头碰撞受伤和这个死亡
是汽车碰撞里面
比较显著的
或者更致命的一种伤害形式
我们看在正面碰撞
侧面碰撞
滚翻等等很多种情形下
都有可能发生头碰撞
就是说我们乘员在车体里面
即使我被约束的很好
安全带气囊约束的很好
但是实际上的碰撞
工况比较复杂
你这个乘员的头部是有可能撞到
车里面的环境
比如说风挡玻璃
A柱车顶天窗等等很多地方
都有可能碰到
所以这是整个问题的背景
那么在1995年的时候
美国联邦政府交通部NHTSA
National Highway Traffic Safety Administration
这是美国联邦政府交通部的
做交通安全法规的部门
它在1995年就提出来
来修正一个法规
这个法规是FMVSS201
这个法规就是来约束乘员头碰撞的
那在这个法规里
它的终极目标就是说
我在碰撞里面
乘员有可能发生跟车内饰
内饰就是内部环境了
发生的严重碰撞
A柱 B柱 C柱
有的车还有D柱
各个位置
怎么来设计这个保护
不是怎么来设计
就怎么来约束这样
使得我减少这个伤害
这是整个问题的背景
那我们来看看这个法规里
都约束了哪些部分
一个是在
凡是在汽车的碰撞
包括滚翻侧面碰撞
正面碰撞
在任何碰撞工况下
乘员的头有可能接触到的位置
你像这些所有黑点标出来的位置
B柱3 4个位置
A柱上3 4个位置
风挡那么大块面积
车顶上所有的位置
那都被界定为这个法规要保护
要设计的一个位置
我们看看这些位置
第一是有可能发生碰撞的
第二它有些区域是蛮坚硬的
比如说我这边标出来的
A柱和顶部梁这么一个三角形的区域
这个区域是在车身结构里
相对来讲是比较坚硬的
因为在正面碰撞的时候
这个区域要把它设计的很好
使得它不能够屈曲
来保证乘员舱的完整性
如果是在滚翻的环境下
整个的车顶
尤其是A柱和B柱
要能支撑住
这个车的重量的几倍的重量
所以通常我们会把A柱设计的很坚硬
那这样的话
这是我们正面碰撞
和滚翻碰撞设计的要求
那我们在汽车的乘员头碰撞
就是从内部去碰撞的时候
如果这么一个位置
也是我要设计约束到的地方
这样难度就比较大了
我们看看这个法规的约束里
是怎么来评价这件事
它不是用整体的假人
因为整体的假人
这种实验不好做
它用这么一个头部模块的发射装置
这个发射装置就像一个机械手似的
它能够伸到
汽车的乘员舱的内部
因为我们在乘员舱里面有这么多点
要检测
那它要瞄准这一个一个
这个点去瞄准
把假人的头模块
以规定的速度
规定的角度
发射到目标点上
所以这就是这么一个发射的装置
这是检测的方法
我们看看它的检测
或者测试的要求
一个是我刚才说了
不希望用整体假人
是因为如果用整体假人的话
他这个实验的可靠性
和可重复性比较差
那怎么办
我们就从整体的混III假人上
把这个假人的头部切分下来
是一个独立的
自由飞行的混III假人头部
稍微修饰一下
稍微修正一下
就是便于这种实验
修正不大
然后质量大概是4.5公斤
放到这么一个发射装置上
这个机械手伸到乘员舱内部
瞄准某一个目标点
比如说这个图片显示的
是瞄准A柱上的某一个点
然后以规定的速度是6.7m/s
以这么一个速度发射出去
在最后临接触到目标点的时候
这个头模块是一个自由飞行的状态
那为什么要规定这个速度
这个是他法规立项的时候
通过事故调查来得到的
这么一个平均的头部损伤的速度
我们任何的法规都有一个规定的载荷
撞击目标在车的内饰有几十个点
这个刚才我们看到
所有的黑点都是一个撞击目标
等于你要一个点一个点去检测
一个点一个点去设计
这里面还包括一些硬点
比如说你B柱上的安全带的滑环
等等这些硬点的结构
测量什么参数
就是在乘员的头模块
自由飞行的这个头模块
在质心的位置
有一个三向加速度传感器
这个三向加速度传感器
就能测到这个
一个合成加速度
这就是我右下角这个图的
这么一个波形
这就是加速度对时间的这么一个函数
这是在质心测量到
依据这么一个加速度的波形
管它叫波形
来计算头部伤害值
叫HIC
那这部分内容
我们之前在介绍乘员的伤害的检测
和生物力学的时候都介绍过了
因为这个头的模块是自由飞行
所以这个HIC稍微做了一个修正
我们不多介绍
叫HIC(d)
这个d就是detach的意思
就是说
你这个头部
和假人的身体分割开来
那他这个头部检测到的
这个加速度值
肯定与颈部有约束是不同的
所以他就做了一个经验公式
这个经验公式就这个线性的回归
这个没有理论的部分
我们不去多介绍它
也就是说
这么一个HIC值
或者叫HIC(d)值
如果小于1000我们就达标了
所以这是整个的测试的要求
那么我们看看
有了这么一个法规以后
这个在
如果你是一个汽车公司
20年前我在通用汽车公司工作
那你要想什么办法
如果这是一个新问题
作为一线的工程师
他总是有办法的
只不过这个办法不一定是最好的办法
你比如说
这个问题看上去很简单
就是你这么一个自由飞行的头模块
撞到一个目标点上
那这个目标点
如果很坚硬
那你自然测到的加速度峰值就会高
你由此计算出来的HIC值就会高
那怎么办
那么就有加衬垫结构
加能量吸收结构
那工程师就会在A柱
B柱等等上放很多软一点的
这种衬垫结构材料
我们管它叫吸能结构
由此引起的问题是什么
就是它需要占用一定的空间
因为你这个衬垫越厚的话
它吸能效果保护效果越好
那这样就麻烦了
就说我一个外观尺寸上
看上去比较大的车
为了实现内部的乘员头部碰撞保护
就放了很厚的衬垫
这样的话
从内饰的结构来讲
内部的空间
从设计要求来讲
又不够合理了
等于你这个效率比较低了
看上去
外部看上去比较大的车
里面看上去比较小
所以我们的设计目标就说
怎么能够最小的采用空间
就是我给你的吸能空间非常有限
怎么在最小的有限空间的情况下
仍然能够满足政府规定的这个HIC值
这个头部伤害值
所以在一线的工程师
我们就要考虑这么几个均衡的效果
一个是保护效果
就是说HIC值越低越好
这叫保护效果
你仅仅卡着一千
可能也不是太好
希望降的更低
再一个就是你所需要的内部空间
这是你的资源
你是用20毫米
还是50毫米
还是150毫米
这是你的资源
再一个就是成本
你是用什么样的材料
所以我们在一线就要评估这些
那在当时
因为是个新问题
就没有一个非常标准的设计流程
设计方法
设计准则
我们总是可以用试错的方法说
我试试这种材料
这种结构
然后不断的去测试
可以做有限元分析
可以做实验
然后把这么一个结构找出来
在那个理解的情况下
达到一个最优
但这总不是一个好的办法
所以我们需要
基于对这个问题有一个深入的
力学机理的方面的理解
然后能开发出一套设计方法
设计准则来
这就是我这个研究课题
要做的内容
那我接到了这个课题以后
第一件事要碰到的就是
我怎么来提炼这个问题
我来看
当时我也是刚刚
因为我自己是力学背景
我看这是一个
肯定是一个碰撞问题
你来分析这个问题里的难和容易的部分
看上去比较容易的部分
它是个自由飞行的物体
就是说4.5公斤重量
有一定的速度
那这个能量就不再增加了
这个能量最后要变成零
这是容易的部分
如果这个头模块不是自由飞行
跟假人的其他部位连接在一起
那这个问题会更复杂一点
那我们来看看
它的难得部分
难得部分一个是这个头模块几何形状
比较复杂
我当时就想如果是一个圆球
这个就简单多了
但是它是一个像人的头
这样一个形状
这个比较复杂一点
再一个复杂就说
我这个响应参数
我要评价这个参数是HIC
不是简单的加速度
或者是碰撞力
如果是简单的加速度
或者碰撞力
那个我们有很多力学的知识
但是HIC后面我们会讲到
它跟加速度有关系
但它又不是完全是加速度
这样是我怎么让这个评价指标
达到最低
就要一个深入的理解
再一个难得部分就是
这个撞击的检测点
是整个车体的一部分
它不是一个割裂的点
如果是割裂的一个目标
那好办
我就是你给我空间
我给设计一定的结构
一定的碰撞力就容易了
它是整个A柱
B柱整个车体的一部分
所以要考虑整个车体的响应
这是比较难的部分
那设定目标
我们刚才说了
就是这个要达到伤害值
HIC最低
另外我需要达到的
所用的空间达到最小化
那分析这么一个目标
提出一系列研究方法
就是我的课题的目标
-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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