当前课程知识点：汽车碰撞安全基础 > 第13讲：汽车材料的冲击力学行为表征和仿真 > 13-4：冲击载荷下材料的表征与测试-试验设计与优化 > Video
我们做轻量化材料或者材料的
在冲击载荷下的力学响应
我们要用到各种各样的设备
那传统的比较简单的设备
就是我们常见的
所谓的万能试验机
或者叫准静态试验机
就是把这个试件
做好标准的试件
准静态的拉伸或者压缩
或者剪切 看你的夹具
这是大家都要用到的
那另外做高速拉伸试验
在我们清华大学苏州汽车研究院
我们有高速拉伸试验机
高速拉伸试验机
跟准静态试验机
实际上是一样的
就是还是做拉伸试验
只不过呢它是一个冲击载荷
速度可能可以从一米每秒
一直到20米每秒
然后你要设计合适的夹具
突然把载荷加上去
那我们也用落锤来做部件
或者材料的冲击试验
这个落锤呢
实际上是很容易设计和制造的
你只要有足够高的空间
比如说我们在清华大学
汽车碰撞试验室
就有这么一个8、9米高的落锤
在清华大学苏州汽车研究院
也有一个同样的8、9米高的落锤
那这么一个落锤呢
就是上面有一个重物落下来
这个重物可能轻的话
二三十公斤
重的话可以到100多公斤
然后在落锤的低端呢
放上你要碰撞的装置
比如说某一个焊点的试件了
某一个电动车里的电池啦
或者是前纵梁 等等
你做好这样的
把它砸一下
然后你要测量各种东西 对吧
测变形 测位移了
那我们自己开发了一个
我们叫中应变率材料试验机
这是我们专门为
汽车的材料的试验开发的
就像我们看到准静态试验
这个用标准的万能试验机
材料试验机都可以做
但是我们在汽车的碰撞载荷下
我关注的应变率范围
往往都是在10的零次方
10的一次方
10的二次方
最多最多到一千——10的三次方
是在这么两个数量级里边
那当然我这个高速拉伸试验机
没有问题可以做
这个中应变率材料试验机
在我们试验室里我们自己开发的
就是一个有液压驱动的这么一个杆
它可以最小速度大概在零点几米每秒
最大速度到2.5米每秒
这是我的试验段
我把我的那个试件呢
放在这 夹持在这
然后这边是高速试验机
然后加上测力
这样的话我就能够
根据我的试件的尺寸
我能够实现一个我非常关注的
从10的零次方
到10的一次方
到10的二次方
这么一个应变率的范围
这个试验机的好处
是往低速做
可以跟准静态试验机的
高应变率有一定的覆盖
往高速做呢
可以跟落锤
或者高速拉伸试验机的低段
有一定的覆盖
这样的话我就能够用
所有的这些设备呢
来做同一组试验数据
这个基于液压的呢
我控制起来比较容易
那我们试验室还有环境箱
环境箱主要是我们
有一些材料
比如说非金属材料 塑料
这车里用的很多的
包括电池
还有像有一些非金属的
比如说胶粘的结构
那它在我们开车开五六年
七八年
它在不同的湿度不同的温度下
它会有老化
所以我们会关注一些材料
包括复合材料
它这种正常使用的温度湿度循环
它有发生多大的老化
我们需要这么一个材料试验机（环境箱）
去做试验
那测量
在做力学试验里边
尤其是冲击载荷下的试验
主要是测量两个参数
一个是变形一个是力
变形呢我们就用
主要是用叫做数字图像相关法
英文叫DIC
Digital Image Correlation
实际上道理很简单
就是我有这么一个试件
夹持在这或者是
放在我的中应变率试验机任何地方
那我有一个试件
我有一个摄像机
如果是高速试验的话
我就得用高速摄像机
如果是普通的准静态试验的话
我用一个工业相机就可以
我来拍摄到试件在变形过程中的全过程
然后在试件上
有一些可能是天然的纹路
或者是斑点
也可能经常是我们喷上去的
那喷上去的这个斑点
在变形前和变形后
它的几何形状就会发生变化
我们有商用软件
它就能容易识别出来
所谓的Correlation 就是
找到变形前的位置和变形后的位置
它是相关的
这个点就是这个点
然后我只要识别出来
这两个点是一致的
那就很容易去计算
这两个小的区域
它的相对的变形
这就是我们的变形场的测量
这个变形场的测量非常方便
而且能用于比较小的变形
和比较大的变形
我想如果把塑料试件
拉伸到100%的变形
那很多引伸仪都不能够用了 对吧
所以这就是我们比较灵活使用的
那下一部分
就是碰撞力的测量
那冲击载荷的测量呢
跟静载荷的测量呢
有点不一样
如果我是做准静态的试验
那我在试验段上
这是我的试件
这是我的测量点
任何一个测量点上
它的这个力是平衡的准静态
但是在冲击载荷下就有问题了
如果这是我的试件
我把它拉断了
那我在这个位置测量
那整个在拉伸的过程中
它的力是在一个快速
比如两米每秒
或者12米每秒的一个拉伸过程中
它是不平衡的
因为这个一定是
你有一个很巨大的减速度
两端的力
这边的力减去这边的力
等于中间的惯性力
牛顿第二定律嘛 F=ma
那尽管我拉伸的质量非常小
但是我这个加速度还蛮大的
所以这就是造成了
我整个系统里力的不平衡
加上我的这个冲击力呢
会造成波的反射和透射
这样就形成了
在我测到的力的信号里边
有这样的振荡
这个振荡
英文叫Ringing Effect
这个振荡它不是材料的真实的响应
但是它确确实实
是我系统的真实响应
就我整个的这么一个测量系统呢
我有试件
我有夹具
我有力传感器
整个系统
我不可能在试件一点上来测量力
所以它确确实实是系统的真实响应
你很难通过滤波把它滤去
因为你如果是一件很强烈的滤波
可能会失真
所以这是冲击测量计算的难题
那我们用我们自制的应变片
基于应变的力传感器
反复的调试
那一般来讲呢
就是根据被测试件的质量
和它的那个强度
我们来去调试我们的
测力片的刚度和质量
来尽可能的减少
或者在很多情况下
我能够消除振荡效应
但是如果我这个刚度很大
或者说我的冲击速度比较大呢
还是会有振荡效应
这是我们试验室
一直试图要解决的冲击力学上
测量上的难题
-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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