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        小偏置碰撞中膝蓋-大腿-髖部傷害風(fēng)險(xiǎn)解析

        2020-11-06 02:57:34張俊南ZhangJunnan
        北京汽車 2020年5期
        關(guān)鍵詞:壓縮力儀表板沖量

        張俊南 Zhang Junnan

        小偏置碰撞中膝蓋-大腿-髖部傷害風(fēng)險(xiǎn)解析

        張俊南
        Zhang Junnan

        (中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司,重慶 401122)

        KTH(Knee-Thigh-Hip injury criteria,膝蓋-大腿-髖部傷害風(fēng)險(xiǎn))是25%小偏置碰撞中評(píng)價(jià)腿部傷害的主要指標(biāo)之一。解析KTH的計(jì)算方法和評(píng)價(jià)辦法,通過(guò)大量測(cè)試結(jié)果和假人標(biāo)定結(jié)果,分析影響駕駛員KTH的主要因素,為試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)、分析以及車輛結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)提供支持。

        小偏置碰撞;KTH;計(jì)算方法;評(píng)價(jià)方法;影響因素

        0 引 言

        隨著安全帶和安全氣囊的應(yīng)用越來(lái)越多,更多乘員得以在嚴(yán)重的車禍中幸存;但是許多正面和正面偏置碰撞會(huì)導(dǎo)致下肢傷殘,雖然對(duì)生命威脅較小,但會(huì)長(zhǎng)久對(duì)生理、心理產(chǎn)生不良影響,其中膝蓋-大腿-髖部的綜合性損傷在所有下肢嚴(yán)重?fù)p傷中占比50%[1]。

        盡管膝蓋-大腿-髖部的綜合性損傷在正面碰撞中發(fā)生的比例較高且?guī)?lái)高昂的社會(huì)成本,但人們對(duì)此的關(guān)注度并不高。目前主流的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中,只有IIHS(Insurance Institute for Highway Safety,美國(guó)公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì))和 C-IASI(中國(guó)保險(xiǎn)汽車安全指數(shù))采用KTH(Knee-Thigh-Hip injury criteria,膝蓋-大腿-髖部傷害風(fēng)險(xiǎn))來(lái)評(píng)價(jià)乘員膝蓋和大腿受到的傷害。

        1 KTH傷害風(fēng)險(xiǎn)

        KTH是一個(gè)對(duì)膝蓋、大腿、髖部傷害進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的指標(biāo),采用百分比(%)來(lái)表示。KTH傷害風(fēng)險(xiǎn)通過(guò)力的峰值和力的沖量組合方式來(lái)綜合評(píng)估膝蓋、大腿、髖部的受傷風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)考慮力的峰值和力的持續(xù)時(shí)間[2]。表1列出了HIII-50%假人在風(fēng)險(xiǎn)邊界3%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、75%下的低限值力、力的沖量和高限值力。

        表1 KTH損傷評(píng)估界限

        注:-為試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中未做要求。

        為了計(jì)算膝蓋端和髖部的傷害風(fēng)險(xiǎn),Rupp等[3]在2009年KTH損傷標(biāo)準(zhǔn)中通過(guò)計(jì)算和比較確定了KTH總體受傷風(fēng)險(xiǎn),建立了傷害風(fēng)險(xiǎn)曲線。

        1.1 HIII-50%假人膝蓋端傷害風(fēng)險(xiǎn)

        HIII-50%假人膝蓋端的高限值力受傷風(fēng)險(xiǎn)曲線[4]479如圖1所示,計(jì)算公式為式(1)、式(2)。

        femur=1-e-a(1)

        =e((lnF-2.514)/0.261 1)(2)

        式中:femur為膝蓋端傷害風(fēng)險(xiǎn),%;為HIII-50%假人大腿軸向力,kN。

        圖1 膝蓋端力風(fēng)險(xiǎn)曲線

        1.2 HIII-50%假人髖部低限值力傷害風(fēng)險(xiǎn)

        HIII-50%假人髖部的低限值力傷害風(fēng)險(xiǎn)由式(3)[4]482得出,反映的是累積正態(tài)分布,其與髖部受力、身高、髖部角度等因素有關(guān)。

        式中:hip-force為髖部低限值力傷害風(fēng)險(xiǎn),%;為累計(jì)正態(tài)分布;為乘員身高,cm;為髖關(guān)節(jié)彎曲角度,°;為髖關(guān)節(jié)外展角度,°;為膝蓋撞擊試驗(yàn)中,實(shí)體試驗(yàn)和HIII-50%假人試驗(yàn)的轉(zhuǎn)換系數(shù);為HIII-50%假人大腿軸向力,kN。

        按照HIII-50%假人身高178 cm,正常姿態(tài)下,髖關(guān)節(jié)彎曲30°、外展15°,轉(zhuǎn)換系數(shù)=0.712 6,代入式(3),得到50百分位假人髖部受力傷害風(fēng)險(xiǎn)曲線如圖2所示。

        圖2 髖部力風(fēng)險(xiǎn)曲線

        1.3 HIII-50%假人髖部力的沖量傷害風(fēng)險(xiǎn)

        對(duì)于HIII-50%假人髖部力的沖量傷害風(fēng)險(xiǎn),通過(guò)HIII假人仿真和實(shí)體試驗(yàn)得到,Kuppa[5]通過(guò)擬合邊界風(fēng)險(xiǎn)值,得到其風(fēng)險(xiǎn)曲線,如圖3所示,計(jì)算公式為式(4)。

        式中:Phip-impulse為髖部力的沖量傷害風(fēng)險(xiǎn),%;I為假人髖部力的沖量,Ns。

        1.4 KTH傷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

        KTH傷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)由低限值力、力的沖量和高限值力3部分組成,其中通過(guò)低限值力和力的沖量對(duì)髖部(hip)傷害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià),通過(guò)高限值力對(duì)股骨遠(yuǎn)端(femur)傷害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià),見(jiàn)表1。

        膝蓋端受力傷害風(fēng)險(xiǎn)、髖部受力傷害風(fēng)險(xiǎn)和髖部力沖量傷害風(fēng)險(xiǎn)分別由式(1)、式(3)和式(4)計(jì)算得到,其中髖部傷害風(fēng)險(xiǎn)由髖部受力傷害風(fēng)險(xiǎn)和髖部力沖量傷害風(fēng)險(xiǎn)中較小的一個(gè)確定,KTH總風(fēng)險(xiǎn)由膝蓋端風(fēng)險(xiǎn)和髖部風(fēng)險(xiǎn)中較大的一個(gè)確定,其判定公式如式(5)。

        KTH=Max[Min(hip-force,hip-impulse),femur] (5)

        式中:KTH為KTH總體風(fēng)險(xiǎn),%;hip-force為HIII-50%假人髖部低限值力傷害風(fēng)險(xiǎn),%;hip-impulse為HIII-50%假人髖部力的沖量傷害風(fēng)險(xiǎn),%;femur為HIII-50%假人膝蓋端傷害風(fēng)險(xiǎn),%。

        以4組力和力的沖量組合為例進(jìn)行KTH傷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法說(shuō)明,這4個(gè)組合分別為A(5 000 N,140 Ns)、B(7 000 N,130 Ns)、C(6 000 N,110 Ns)、D(9 000 N,100 Ns),結(jié)果分布如圖4所示。

        對(duì)于A組合,將大腿壓縮力5 000 N代入式(1)、式(2),得出股骨遠(yuǎn)端傷害風(fēng)險(xiǎn)femur為3.1%,將大腿力5 000 N代入式(3),得出髖部力的傷害風(fēng)險(xiǎn)hip-force為2.7%,將大腿力的沖量140 Ns代入式(4),得出沖量的傷害風(fēng)險(xiǎn)hip-impulse為27.9%,髖部風(fēng)險(xiǎn)hip取hip-force和hip-impulse中的較小值為2.7%,KTH總風(fēng)險(xiǎn)取femur和hip中的較大值為3.1%,則組合A的最終KTH傷害風(fēng)險(xiǎn)為3.1%,作用在股骨遠(yuǎn)端(femur)。組合B、C、D以此類推,KTH風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)見(jiàn)表2。

        圖4 4種組合的結(jié)果分布

        表2 A、B、C、D的KTH風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

        2 KTH傷害風(fēng)險(xiǎn)的影響因素

        2.1 結(jié)構(gòu)因素

        根據(jù)IIHS和C-IASI標(biāo)準(zhǔn),對(duì)A柱上鉸鏈、A柱下鉸鏈、門檻、上儀表板、轉(zhuǎn)向管柱、左下儀表板、擱腳板、制動(dòng)踏板、左側(cè)足板等進(jìn)行侵入量測(cè)評(píng),測(cè)評(píng)結(jié)果見(jiàn)表3,并分別對(duì)乘員艙上部、下部進(jìn)行評(píng)價(jià)。若上部或下部侵入量全部位于優(yōu)秀區(qū)域,則該區(qū)域結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)為優(yōu)秀。若侵入量測(cè)量值在不同評(píng)級(jí)區(qū)域,則結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)為測(cè)量值位于區(qū)域最多的一級(jí)。若一半在同一個(gè)區(qū)域,另一半在另一個(gè)區(qū)域,則結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)為較低區(qū)域等級(jí)。總體評(píng)價(jià)取乘員艙上部、下部較差結(jié)果。

        根據(jù)IIHS和C-IASI標(biāo)準(zhǔn),KTH評(píng)價(jià)分為優(yōu)秀、良好、一般、較差4個(gè)等級(jí),計(jì)算結(jié)果根據(jù)表4進(jìn)行評(píng)價(jià)。

        選取60款車型,包括小型轎車、中型轎車、大型轎車及多用途乘用車,就IIHS、C-IASI標(biāo)準(zhǔn)中要求的結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果對(duì)KTH傷害風(fēng)險(xiǎn)的影響進(jìn)行分析。60款樣車以64 km/h速度進(jìn)行25%偏置碰撞,其中有9款樣車的駕駛員膝蓋、大腿、髖部有可能會(huì)受到傷害,占總車型數(shù)量15%。同時(shí),從表5可以看到,當(dāng)駕駛員受傷風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)KTH取值非優(yōu)秀時(shí),車輛的結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)也非優(yōu)秀。

        表3 結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)表 cm

        表4 KTH傷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

        表5 車型試驗(yàn)結(jié)果

        對(duì)于結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)良好及以下(包括良好)的車輛,駕駛員KTH取值為非優(yōu)秀的車輛占比20%;對(duì)于結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)及格及以下(包括及格)的車輛,駕駛員KTH取值非優(yōu)秀的車輛占比26%;對(duì)于結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)差的車輛,駕駛員KTH取值非優(yōu)秀的車輛占比47%,如圖5所示。

        由此可以得出,在64 km/h、25%偏置碰撞工況下,駕駛員KTH值與車輛結(jié)構(gòu)有關(guān),當(dāng)車輛結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)為差時(shí),駕駛員膝蓋、大腿和髖部受傷的風(fēng)險(xiǎn)較高。

        圖5 KTH結(jié)果分布

        大量試驗(yàn)資料顯示,在25%小偏置碰撞中,膝蓋與儀表板接觸的位置主要集中在以上儀表板結(jié)構(gòu)點(diǎn)(UPPER DASH)的向?yàn)榛鶞?zhǔn)的一條豎直線上,如圖6所示。

        圖6 膝蓋與儀表板接觸位置

        儀表板總成安裝在儀表板橫梁上,儀表板橫梁通過(guò)螺栓等固定方式連接到車身上,側(cè)面的固定位置通常位于前門框內(nèi)側(cè),如圖7所示。

        由于儀表板橫梁兩側(cè)與車身的固定形式為剛性連接,因此在25%小偏置碰撞中,發(fā)生在碰撞側(cè)門框上的變形會(huì)引起儀表板橫梁固定點(diǎn)的位移,從而導(dǎo)致儀表板總成發(fā)生位移,如圖8所示。

        圖7 儀表板橫梁固定形式

        圖8 試驗(yàn)后儀表板橫梁固定點(diǎn)狀態(tài)

        選取上述車型中結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)為差的車型,對(duì)比試驗(yàn)后上儀表板結(jié)構(gòu)點(diǎn)(UPPER DASH)和A柱上鉸鏈結(jié)構(gòu)點(diǎn)(Upper Hinge Pillar)的向位移、上儀表板結(jié)構(gòu)點(diǎn)(UPPER DASH)和A柱下鉸鏈結(jié)構(gòu)點(diǎn)(Lower Hinge Pillar)的向位移,如圖9所示。兩條曲線越接近,表示變形量越接近[6]。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),上鉸鏈處的位移對(duì)上儀表板結(jié)構(gòu)點(diǎn)(UPPER DASH)的位移存在較大影響,這是由于儀表板橫梁兩端的固定點(diǎn)通常位于前門框偏上部。

        圖9 上、下鉸鏈與上儀表板變形量對(duì)比

        由以上分析可知,駕駛員膝蓋、大腿和髖部的受傷風(fēng)險(xiǎn)與車輛的具體結(jié)構(gòu)有關(guān),門框上鉸鏈處侵入量過(guò)大,會(huì)引起乘員艙內(nèi)儀表板侵入量增大,從而增大駕駛員受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

        2.2 接觸位置因素

        KTH傷害指標(biāo)考察的本質(zhì)是力和力的持續(xù)時(shí)間,為了研究接觸位置對(duì)大腿力、膝蓋滑移的影響,對(duì)HIII-50%假人腿部進(jìn)行沖擊試驗(yàn)[7]。在撞錘質(zhì)量、剛度、釋放高度不變的條件下,調(diào)整撞錘與腿部在方向的接觸位置,如圖10所示。

        圖10 腿部撞擊位置

        撞錘完全撞擊膝蓋位置,試驗(yàn)結(jié)果顯示膝蓋和小腿之間基本沒(méi)有滑動(dòng),大腿壓縮力相對(duì)較大,達(dá)到10.2 kN,膝蓋滑移基本沒(méi)有,僅為0.5 mm,如圖11所示。

        圖11 撞擊膝蓋位置試驗(yàn)結(jié)果

        撞錘撞擊小腿位置,試驗(yàn)結(jié)果顯示小腿與膝蓋之間發(fā)生明顯滑移,大腿壓縮力和膝蓋滑動(dòng)位移幾乎同時(shí)在第36 ms出現(xiàn),膝蓋滑移較大,達(dá)到13.7 mm,大腿壓縮力相對(duì)較小為2.0 kN左右,如圖12所示。

        圖12 撞擊小腿位置試驗(yàn)結(jié)果

        對(duì)車型1進(jìn)行分析,進(jìn)行64 km/h小偏置工況碰撞后,膝蓋滑移和大腿壓縮力的表現(xiàn)為:大腿壓縮力在76 ms時(shí)開(kāi)始響應(yīng),在91 ms達(dá)到峰值6.0 kN,大腿力沖量為60.1 Ns,膝蓋滑移量?jī)H為1.2 mm,如圖13所示。大腿壓縮力相對(duì)較大,膝蓋和小腿之間基本沒(méi)有滑移,這是因?yàn)橄ドw先接觸儀表板,根據(jù)前文介紹的算法和評(píng)價(jià)方法,將大腿力6.0 kN代入式(1)、式(2),得出股骨遠(yuǎn)端(femur)傷害風(fēng)險(xiǎn)femur為6.1%,將大腿力6.0 kN代入式(3),得出髖部力的傷害風(fēng)險(xiǎn)hip-force為15.9%,將大腿力的沖量60.1 Ns代入式(4),得出沖量的傷害風(fēng)險(xiǎn)hip-impulse為0,將計(jì)算得到的傷害風(fēng)險(xiǎn)代入式(5),得出KTH綜合風(fēng)險(xiǎn)為6.1%,根據(jù)IIHS和C-IASI評(píng)價(jià)辦法,評(píng)價(jià)為良好。

        對(duì)車型2進(jìn)行分析,進(jìn)行64 km/h小偏置工況碰撞后,膝蓋滑移和大腿壓縮力的表現(xiàn)為:大腿壓縮力和膝蓋滑移同時(shí)在72 ms時(shí)開(kāi)始響應(yīng),膝蓋和小腿之間有明顯滑移,在97 ms時(shí)達(dá)到峰值 18.7 mm,大腿壓縮力相對(duì)較小,在97 ms時(shí)達(dá)到峰值5.0 kN,大腿力沖量為107.9 Ns,如圖14所示。此種情況為小腿先接觸儀表板,根據(jù)前文介紹的算法和評(píng)價(jià)方法,將大腿力5.0 kN代入式(1)、式(2),得出股骨遠(yuǎn)端(femur)傷害風(fēng)險(xiǎn)femur為3.1%,將大腿力5.0 kN代入式(3),得出髖部力的傷害風(fēng)險(xiǎn)hip-force為2.7%,將大腿力的沖量107.9 Ns代入式(4),得出沖量的傷害風(fēng)險(xiǎn)hip-impulse為3.9%,將計(jì)算得到的傷害風(fēng)險(xiǎn)代入式(5),得出KTH綜合風(fēng)險(xiǎn)為3.1%,根據(jù)IIHS和C-IASI評(píng)價(jià)辦法,評(píng)價(jià)為優(yōu)秀,但由于膝蓋滑移過(guò)大,膝蓋滑移評(píng)價(jià)為差,最終腿部總體評(píng)價(jià)為差。

        圖13 車型1大腿壓縮力、膝蓋滑移曲線

        通過(guò)以上分析可知,當(dāng)膝蓋直接接觸儀表板時(shí),大腿壓縮力較大,膝蓋滑移較?。划?dāng)小腿先接觸儀表板時(shí),大腿壓縮力和膝蓋滑移幾乎同時(shí)出現(xiàn),且膝蓋位移量較大,大腿壓縮力相對(duì)較小。

        2.3 儀表板剛度因素

        為了研究接觸物剛度對(duì)大腿壓縮力和膝蓋滑移的影響,對(duì)HIII-50%假人腿部進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。在撞錘質(zhì)量、釋放高度、撞擊位置不變的條件下,改變撞錘表面剛度,試驗(yàn)結(jié)果如圖15所示[8]。

        圖15 撞錘剛度改變后大腿壓縮力、膝蓋滑移對(duì)比

        撞錘表面剛度變化對(duì)HIII-50%假人大腿壓縮力和膝蓋滑移量有顯著影響,剛度越大,相同能量的撞擊引起的大腿壓縮力和膝蓋滑移量越大。

        對(duì)車型3進(jìn)行分析,進(jìn)行64 km/h小偏置工況碰撞后,車輛結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)為良好,KTH值為良好,大腿壓縮力和膝蓋滑移在72 ms左右同時(shí)出現(xiàn)響應(yīng),大腿壓縮力在81 ms達(dá)到峰值5.7 kN,膝蓋滑移量峰值為7.5 mm,如圖16所示。

        圖16 車型3大腿壓縮力、膝蓋滑移曲線

        該車型結(jié)構(gòu)點(diǎn)的侵入量十分接近優(yōu)秀,不存在侵入量過(guò)大問(wèn)題,查看車輛試驗(yàn)后狀態(tài),膝蓋、小腿都有接觸儀表板的痕跡,但并未對(duì)儀表板產(chǎn)生破壞,儀表板背面無(wú)尖銳結(jié)構(gòu),如圖17所示。結(jié)合IIHS、C-IASI評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及前文所述KTH計(jì)算方法,判斷儀表板剛度過(guò)大引起大腿壓縮力超標(biāo),從而導(dǎo)致KTH結(jié)果未能達(dá)到優(yōu)秀。

        圖17 試驗(yàn)后儀表板狀態(tài)

        對(duì)于結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)良好以上(包括良好)車型,共計(jì)29款,KTH取值為非優(yōu)秀的車型僅有1款,占比為3%,如圖18所示。

        圖18 KTH非優(yōu)秀車型占比(結(jié)構(gòu):優(yōu)秀~良好)

        由分析可知,大腿壓縮力和膝蓋滑移量受儀表板剛度的影響,儀表板剛度過(guò)大,會(huì)引起大腿壓縮力過(guò)大,導(dǎo)致傷害風(fēng)險(xiǎn)增大。

        3 結(jié) 論

        對(duì)25%小偏置碰撞中假人傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)KTH值進(jìn)行解析,給出KTH的計(jì)算方法和評(píng)價(jià)方法,為試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)和研究提供支持。

        通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)例分析,分析25%小偏置碰撞中影響乘員KTH的主要因素,為車身結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)提供支持。

        (1)結(jié)構(gòu)因素,車輛結(jié)構(gòu)對(duì)駕駛員KTH值有較大影響,結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)為差的車輛所對(duì)應(yīng)的駕駛員膝蓋、大腿和髖部傷害風(fēng)險(xiǎn)較高;

        (2)接觸位置因素,儀表板與腿部的接觸位置會(huì)影響KTH值,儀表板與膝蓋接觸,則大腿壓縮力較大,膝蓋滑移量小;儀表板與小腿接觸,則大腿壓縮力相對(duì)較小,膝蓋滑移量大,有可能造成膝蓋滑移量超標(biāo),導(dǎo)致腿部整體評(píng)價(jià)不理想;

        (3)儀表板剛度因素,儀表板剛度會(huì)影響KTH值,剛度越大,大腿壓縮力、膝蓋滑移量越大,膝蓋、大腿和髖部的傷害風(fēng)險(xiǎn)越高。

        [1]RUPP J D.Knee-Hip-Thigh Injuries in Frontal Crashes[J]. Annals of Emergency Medicine,2005(46):168-169.

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        U467.1+4

        A

        10.14175/j.issn.1002-4581.2020.05.001

        1002-4581(2020)05-0001-08

        2020-06-03

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