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        自動(dòng)駕駛中座椅旋轉(zhuǎn)速度對(duì)乘員的影響*

        2021-03-09 09:40:02武和全張家飛
        汽車(chē)工程 2021年2期
        關(guān)鍵詞:乘員安全帶擋板

        武和全 ,張家飛 ,胡 林

        (1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué),工程車(chē)輛輕量化與可靠性技術(shù)湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410004;2. 長(zhǎng)沙理工大學(xué),機(jī)械裝備高性能智能制造關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410004)

        前言

        自動(dòng)駕駛是智能交通系統(tǒng)(ITS)應(yīng)用之一,已經(jīng)被汽車(chē)行業(yè)在全球廣泛應(yīng)用[1],它依靠人工智能、視覺(jué)計(jì)算、雷達(dá)和全球定位系統(tǒng)等協(xié)同合作,在無(wú)人參與下,由計(jì)算機(jī)自動(dòng)安全地操作機(jī)動(dòng)車(chē)輛[2]。由國(guó)際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)(SAE International)提出的自動(dòng)駕駛分級(jí)方法得到了國(guó)際認(rèn)可,該方法被美國(guó)交通運(yùn)輸部采用[3]。按照我國(guó)工信部發(fā)布的《汽車(chē)駕駛自動(dòng)化分級(jí)》文件,自動(dòng)化駕駛分成6 級(jí),分別是L0應(yīng)急輔助,L1部分駕駛輔助、L2組合駕駛輔助、L3有條件自動(dòng)駕駛、L4 高度自動(dòng)駕駛和L5 完全自動(dòng)駕駛[4]。2016 年,特斯拉和日產(chǎn)公司都在量產(chǎn)車(chē)型上首次使用了L2級(jí)別的自動(dòng)駕駛技術(shù)[5]。在未來(lái)的自動(dòng)駕駛中,車(chē)輛不再需要駕駛員的操作,座椅布置也不再是單一朝向,乘客可根據(jù)行程的長(zhǎng)短自由選擇合適的座椅朝向。自動(dòng)駕駛汽車(chē)作為一種新的高科技產(chǎn)品,其車(chē)身結(jié)構(gòu)和車(chē)內(nèi)外環(huán)境必然與傳統(tǒng)汽車(chē)有所不同,整車(chē)的安全性和舒適性也會(huì)發(fā)生變化。

        對(duì)于高級(jí)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)來(lái)說(shuō),駕駛員從駕駛?cè)蝿?wù)中解脫出來(lái)后,不需要坐在轉(zhuǎn)向盤(pán)前操控車(chē)輛[6]。自動(dòng)駕駛汽車(chē)座椅和內(nèi)飾設(shè)計(jì)的理念包括設(shè)置靈活的座椅定位和朝向,以及能夠完全躺臥的座椅[7]。Jorl?v 等[8]對(duì)不同年齡段的志愿者進(jìn)行了研究,確定乘員在長(zhǎng)途駕駛情況下最常選擇的座椅朝向。未來(lái)智能交通的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)零事故,但在美國(guó)密歇根大學(xué)交通研究所發(fā)布的一項(xiàng)報(bào)告指出,對(duì)未來(lái)自動(dòng)駕駛技術(shù),零事故幾乎是不可能的,研究還表明自動(dòng)駕駛技術(shù)可能還比不上一位經(jīng)驗(yàn)豐富的老駕駛員的駕駛技術(shù)[9]。由此可見(jiàn),自動(dòng)駕駛技術(shù)也很難做到零事故。因此,很有必要以自動(dòng)駕駛技術(shù)為背景開(kāi)展對(duì)乘員損傷研究[10]。在傳統(tǒng)車(chē)輛的約束系統(tǒng)中主要研究包括正面碰撞、追尾碰撞和側(cè)面碰撞等。當(dāng)自動(dòng)駕駛車(chē)輛發(fā)生無(wú)法避免的撞擊時(shí),可以選擇把乘員旋轉(zhuǎn)至相對(duì)安全方向。為了解乘員在各種沖擊條件下的運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng),F(xiàn)orman 等[11]進(jìn)行了正面碰撞試驗(yàn),測(cè)試條件包括駕駛員與乘員的座椅、有無(wú)帶負(fù)載限制器的安全帶和有無(wú)安全氣囊,并報(bào)告前排座椅乘員的全身運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)。Michaelson 等[12]研究了后排乘員的正面碰撞運(yùn)動(dòng)學(xué),在正面碰撞中后排乘員相對(duì)于前排乘員上體旋轉(zhuǎn)角度較小,骨盆偏移量更大。Lessley 等[13]對(duì) 3 種不同坐姿且未系安全 帶 的 人 體 尸 體(post?mortem human subjects,PMHS)進(jìn)行了純橫向沖擊試驗(yàn),用剛性沖擊器對(duì)不同坐姿的PMHS 模型右側(cè)骨盆處施加4.3 m/s 的沖擊速度,研究骨盆偏移量和生物力學(xué)響應(yīng)。

        本文中以自動(dòng)駕駛汽車(chē)為背景,分析汽車(chē)安全座椅施加等腰梯形旋轉(zhuǎn)速度曲線(xiàn)后座椅旋轉(zhuǎn)至指定角度時(shí)乘員的損傷。當(dāng)傳統(tǒng)車(chē)輛發(fā)生碰撞前將座椅旋轉(zhuǎn)至指定角度是不可行的操作,原因是傳統(tǒng)車(chē)輛中受內(nèi)部空間的限制、無(wú)法檢測(cè)碰撞的發(fā)生和傳統(tǒng)座椅無(wú)法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)等。在自動(dòng)駕駛車(chē)輛中去除轉(zhuǎn)向盤(pán)和制動(dòng)踏板等部件,使車(chē)輛內(nèi)部空間更為寬敞;在自動(dòng)駕駛車(chē)輛中通過(guò)車(chē)載雷達(dá)和傳感器等裝置對(duì)汽車(chē)即將發(fā)生的碰撞進(jìn)行預(yù)判。自動(dòng)駕駛車(chē)輛的實(shí)際碰撞場(chǎng)景可包括可檢測(cè)和不可檢測(cè)情況[5]。在可檢測(cè)的情況下,車(chē)輛發(fā)生碰撞前安全座椅可根據(jù)碰撞力度的大小改變乘員在碰撞中的方向。在不可檢測(cè)的情況下,例如十字路口的碰撞,車(chē)輛碰撞脈沖之前不存在碰撞前的運(yùn)動(dòng),本研究只考慮可檢測(cè)到的情況。

        在車(chē)輛的主動(dòng)安全系統(tǒng)中,防碰撞系統(tǒng)可識(shí)別前方即將發(fā)生的撞擊,并提醒駕駛員在碰撞前約1.5 s 采取制動(dòng)或轉(zhuǎn)向,如果檢測(cè)駕駛員未采取任何措施,防碰撞系統(tǒng)就會(huì)在碰撞發(fā)生前約0.45 s 自動(dòng)啟動(dòng)[14]。在自動(dòng)駕駛車(chē)輛中主動(dòng)安全系統(tǒng)可以在各種行駛工況下,在碰撞發(fā)生前約0.1~0.35 s 識(shí)別不可避免的碰撞[15]。本文中提出通過(guò)旋轉(zhuǎn)座椅來(lái)改變車(chē)內(nèi)乘員在碰撞中受力方向并改善自動(dòng)駕駛車(chē)輛的安全性,主要從3 個(gè)方面進(jìn)行試驗(yàn)。首先,利用安全座椅碰撞模型與臺(tái)車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證。其次,在200 ms 內(nèi)對(duì)安全座椅施加不同的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。最后,研究安全座椅旋轉(zhuǎn)至指定角度后的乘員生物力學(xué),以確定該旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在乘員損傷方面的可行性。

        1 研究方案

        本文中基于LS?DYNA 軟件和人體有限元模型(THUMS,版本4.0,AM50 乘員模型)建立仿真平臺(tái)預(yù)測(cè)交通事故中車(chē)內(nèi)乘員的損傷。

        1.1 THUMS模型正面碰撞驗(yàn)證

        首先參考Shaw 等[16]的假人(ATD)模型正面碰撞試驗(yàn),對(duì)THUMS模型進(jìn)行了正面碰撞驗(yàn)證。Shaw研究了碰撞減速度(20g和30g)、安全帶角度、肩帶位置等因素對(duì)駕駛員在碰撞中損傷的影響。本文中模擬了乘員在碰撞減速度為20g的正面碰撞。利用簡(jiǎn)化的車(chē)廂僅包含座椅與乘員模型,不包括轉(zhuǎn)向盤(pán)和安全氣囊,乘客僅受到三點(diǎn)式安全帶的約束。安全帶的3 個(gè)固定點(diǎn)在汽車(chē)座椅上,座椅旋轉(zhuǎn)時(shí)安全帶可與座椅同步轉(zhuǎn)動(dòng)。該裝置確保在模擬碰撞過(guò)程中,乘員的運(yùn)動(dòng)和損傷完全由安全帶控制,碰撞加速度曲線(xiàn)作用于車(chē)身。安全帶卷收器的力限值設(shè)定為4 kN,預(yù)緊力設(shè)定為2 kN,座椅靠背角度和座墊角度設(shè)置為24°和 14.7°[17]。假人正面碰撞臺(tái)車(chē)試驗(yàn)和有限元模型設(shè)置如圖1所示。

        1.2 旋轉(zhuǎn)座椅模型的建立

        在旋轉(zhuǎn)座椅試驗(yàn)中對(duì)傳統(tǒng)座椅進(jìn)行了改進(jìn),在傳統(tǒng)座椅的兩側(cè)增加了臀部和腿部的擋板結(jié)構(gòu),可確保在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中模型的腿部、腳部與安全座椅同步運(yùn)動(dòng),如圖2 所示。該擋板外側(cè)包裹著剛性材料,與坐墊外側(cè)剛體材料連接,擋板內(nèi)部材料設(shè)置為一種與座椅靠背相同的可變形材料。相比于傳統(tǒng)安全帶,在本次試驗(yàn)中D環(huán)、鎖扣和卷收器等固定點(diǎn)改為與座椅剛體支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定連接,使其隨座椅圍繞同一中心旋轉(zhuǎn)且旋轉(zhuǎn)至指定角度后相對(duì)位置不變。

        圖1 假人試驗(yàn)與THUMS正面碰撞試驗(yàn)設(shè)置

        參照文獻(xiàn)[8],設(shè)置了±45°和±90°共4 種不同的旋轉(zhuǎn)角度,如圖3 所示。旋轉(zhuǎn)中心設(shè)置為坐墊剛性支撐的質(zhì)心,參照Wu 等[18]進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)試驗(yàn),本次試驗(yàn)采用梯形旋轉(zhuǎn)曲線(xiàn),如圖4 所示。仿真試驗(yàn)中記錄乘員損傷評(píng)價(jià)參數(shù),與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比。根據(jù)Savino等[19]的研究,目前防碰撞系統(tǒng)在發(fā)生不可避免的碰撞前最多可以提供350 ms 的反應(yīng)時(shí)間,在此時(shí)間內(nèi)駕駛員若未做出相應(yīng)的操作,安全座椅將會(huì)旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)角度。在本試驗(yàn)中:0-25 ms 內(nèi)安全帶發(fā)生預(yù)緊,將駕駛員背部與座椅靠背緊密地結(jié)合在一起使之與安全座椅同步旋轉(zhuǎn);25-225 ms 為旋轉(zhuǎn)階段,安全座椅和假人模型旋轉(zhuǎn)至指定角度。

        圖2 旋轉(zhuǎn)模型設(shè)置(單位:mm)

        圖3 座椅旋轉(zhuǎn)角度設(shè)置

        圖4 旋轉(zhuǎn)角速度設(shè)置

        1.3 旋轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)中乘員損傷評(píng)價(jià)

        對(duì)于旋轉(zhuǎn)試驗(yàn),記錄輸出頸部軸向受力和彎矩,用于計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)頸部損傷指數(shù)(normalized neck injury criteria,NIJ)。胸部損傷參數(shù)參考 Kintagawa 等[20]的研究,測(cè)量圖5 中所標(biāo)測(cè)點(diǎn)在整個(gè)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中前、后和側(cè)向位置的胸骨壓縮量,同時(shí)還可以觀測(cè)出骨折數(shù)目、肋骨骨折位置和胸腔內(nèi)部的應(yīng)力分布情況。在旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)過(guò)程中,頭部質(zhì)心(CG)處有傳感器采集并記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù),用于計(jì)算頭部損傷數(shù)據(jù)(brain injury criteria,BRIC)[21]。根據(jù) Yoganandan 等[22]的研究,測(cè)量頸部前韌帶(ALL)、后縱韌帶(PLL)、關(guān)節(jié)囊韌帶(CL)、黃韌帶(LF)和棘突間韌帶(ISL)的最大主應(yīng)變,并用此來(lái)評(píng)價(jià)頸部韌帶損傷情況。同時(shí)輸出頭部質(zhì)心CG 節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)描述頭部與座椅之間的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

        圖5 胸骨壓縮量測(cè)量點(diǎn)分布圖

        2 試驗(yàn)結(jié)果

        2.1 THUMS模型正面碰撞驗(yàn)證結(jié)果

        THUMS 模型與假人模型運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)如圖6 所示。在試驗(yàn)開(kāi)始后的40 ms 期間,由于慣性的作用,THUMS 模型向前滑動(dòng);模型上身軀干受到肩帶的約束并于60 ms 時(shí)安全帶拉伸量達(dá)最大,雙臂開(kāi)始向前拉伸;80 ms 時(shí)雙臂繼續(xù)被向前拉伸,頭部和頸部有向下彎曲的趨勢(shì)。受慣性力的影響手臂繼續(xù)向前拉伸,頭部繼續(xù)向下彎曲并于100 ms達(dá)到最大值。仿真結(jié)果與假人試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)基本一致,說(shuō)明仿真得到THUMS 正面碰撞試驗(yàn)的驗(yàn)證。

        2.2 旋轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)

        圖6 正面碰撞驗(yàn)證試驗(yàn)中模型運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)對(duì)比

        圖7 為不同角度的座椅旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)。以車(chē)輛地板為參考系每隔45 ms 輸出一個(gè)動(dòng)畫(huà)。在該座椅旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中0-25 ms 內(nèi)為安全帶預(yù)緊階段,25-225 ms 為座椅和乘員旋轉(zhuǎn)階段。在-45°旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中45 ms 時(shí)由于速度低,假人姿態(tài)沒(méi)有明顯改變;90 ms 時(shí)由于腿部擋板的約束假人右腿與右側(cè)腿部擋板接觸,頸部有向肩帶靠近的趨勢(shì),即將與肩帶發(fā)生接觸;135 ms 時(shí)擋板約束了假人右腿繼續(xù)向右移動(dòng)的趨勢(shì),此時(shí),假人左右腿相對(duì)距離縮短,乘員頸部與安全帶接觸,會(huì)出現(xiàn)“卡脖子”現(xiàn)象,肩帶與頸部接觸時(shí)間不長(zhǎng);180 ms 時(shí)旋轉(zhuǎn)速度處于減速階段,頸部“卡脖子”的程度會(huì)降低;225 ms 時(shí)旋轉(zhuǎn)停止,假人右腿與右側(cè)擋板分離,下肢相對(duì)距離趨于正常。在-90°旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中,由于旋轉(zhuǎn)速度增大,各時(shí)刻運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)相對(duì)于-45°旋轉(zhuǎn)更為劇烈,在135 ms時(shí)假人下肢相互接觸,頭部偏移量更大;225 ms 時(shí)頭部未恢復(fù)至原始位置。

        +45°旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中45 ms時(shí)由于速度低,假人姿態(tài)沒(méi)有明顯改變;90 ms時(shí)由于腿部擋板的約束假人左腿與左側(cè)腿部擋板接觸,頸部有向肩帶遠(yuǎn)離的趨勢(shì);135 ms 時(shí)擋板約束了假人左腿繼續(xù)向左移動(dòng)的趨勢(shì),此時(shí)假人左右腿相對(duì)距離縮短,乘員頸部與安全帶相對(duì)位移較大;180 ms時(shí)旋轉(zhuǎn)速度處于減速階段,頸部與安全帶的相對(duì)位移會(huì)逐步縮短;225 ms 時(shí)旋轉(zhuǎn)停止,假人左腿與左側(cè)擋板分離,下肢相對(duì)距離趨于正常。在+90°旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中,由于旋轉(zhuǎn)速度增大,各時(shí)刻運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)相對(duì)于+45°旋轉(zhuǎn)更為劇烈,在135 ms時(shí)假人下肢相互接觸,頭部偏移量更大;225 ms時(shí)頭部未恢復(fù)至原始位置。在旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)過(guò)程中,±90°旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中頭部CG相對(duì)位移明顯大于±45°試驗(yàn),乘員頭部質(zhì)心(CG)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8 所示。圖9 為4 種旋轉(zhuǎn)角度下胸部肋骨最大應(yīng)力云圖。從圖9 可知,肋骨未發(fā)生骨折。

        表1 所示為乘員旋轉(zhuǎn)過(guò)程中胸部變形量和頸部韌帶應(yīng)變參數(shù)。由表可見(jiàn),各部位損傷值均小于閾值,在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)肋骨和四肢等其他部位骨折,說(shuō)明本試驗(yàn)在200 ms 內(nèi)將乘員旋轉(zhuǎn)至±45°和±90°不會(huì)造成乘員損傷。

        圖8 頭部CG運(yùn)動(dòng)軌跡

        圖9 肋骨最大應(yīng)力云圖

        表1 4種角度下的乘員損傷預(yù)測(cè)

        3 討論

        THUMS 模型正面碰撞試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):60 ms 后THUMS 模型與假人試驗(yàn)腿部的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)不一致,其主要原因?yàn)榧偃送炔壳胺皆O(shè)有下肢擋板,阻礙了下肢向前運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì);而頭部運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)與假人試驗(yàn)高度一致,均是在100 ms 時(shí)刻產(chǎn)生最大角位移,上肢的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)與假人試驗(yàn)高度符合,80 ms時(shí)上肢均為前向拉伸,100 ms時(shí)繼續(xù)前向拉伸,達(dá)到最大拉伸位移。

        在旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中,運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)分為兩個(gè)階段。第一階段,0-25 ms 內(nèi)為安全帶預(yù)緊時(shí)間,為保證在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中可以使人體模型與座椅同步運(yùn)動(dòng),在安全帶預(yù)緊時(shí)間內(nèi)預(yù)緊機(jī)構(gòu)可以提供2 kN 預(yù)緊力,在預(yù)緊力的作用下可能會(huì)出現(xiàn)胸部骨折。在安全帶預(yù)緊的同時(shí)由于重力的作用人體模型向下移動(dòng)與柔軟的坐墊緊密接觸。第二階段,25-225 ms 為安全座椅旋轉(zhuǎn)時(shí)間。在±90°旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中頭部CG 相對(duì)位移比±45°更為明顯,頭部的損傷與旋轉(zhuǎn)角度呈正相關(guān),如圖8所示。圖10為座椅旋轉(zhuǎn)的兩種速度曲線(xiàn)。其中,等腰梯形旋轉(zhuǎn)速度曲線(xiàn)的峰值,比正弦旋轉(zhuǎn)速度曲線(xiàn)約低20%左右,可以在一定程度上降低乘員在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的損傷。根據(jù)表1 頸部韌帶應(yīng)變參數(shù)可知其均在閾值范圍內(nèi),但±90°旋轉(zhuǎn)比±45°旋轉(zhuǎn)乘員頸部所受損傷值更高,表明在相同的時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)的角度越大損傷風(fēng)險(xiǎn)就越高。

        圖10 兩種旋轉(zhuǎn)速度曲線(xiàn)對(duì)比

        4 結(jié)論

        采集LS?DYNA 仿真軟件,以速度和方向?yàn)樵囼?yàn)變量,對(duì)4 組汽車(chē)安全座椅不同旋轉(zhuǎn)方向和速度進(jìn)行仿真,進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析了不同方向和旋轉(zhuǎn)速度條件下乘員胸部、頭部、頸部和韌帶損傷的差異,并對(duì)其進(jìn)行顯著性驗(yàn)證,得出如下結(jié)論。

        (1)在相同旋轉(zhuǎn)方向、不同旋轉(zhuǎn)角度的試驗(yàn)中,乘員胸部、頭部、頸部和韌帶損傷有顯著的差異。在90°旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中胸部壓縮量、頭部BRIC、頸部NIJ 和韌帶損傷均大于45°旋轉(zhuǎn)試驗(yàn);90°旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)的乘員運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)比45°旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)更劇烈,在相同的時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度越大,各部位相應(yīng)的損傷也就越大。

        (2)在相同角度、不同旋轉(zhuǎn)方向的試驗(yàn)中,乘員胸部壓縮量、頭部BRIC、頸部NIJ和韌帶損傷差異不明顯。負(fù)方向旋轉(zhuǎn)時(shí),乘員其頸部損傷值NIJ 大于正方向旋轉(zhuǎn),主要原因是負(fù)方向旋轉(zhuǎn)中頸部與安全帶發(fā)生“卡脖子”現(xiàn)象所致。

        (3)通過(guò)該試驗(yàn)方案驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)速度曲線(xiàn)應(yīng)用的可行性。試驗(yàn)中200 ms內(nèi)將乘員旋轉(zhuǎn)±90°和±45°乘員頭部、胸部和頸部等損傷參數(shù)均在閾值范圍內(nèi),不會(huì)引起乘員額外的傷害。

        (4)假人試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),在±90°旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,下肢與兩側(cè)擋板均有接觸,后續(xù)研究中可以增加下肢損傷指數(shù)的研究,并在保證乘員不受額外損傷的前提下探究最高旋轉(zhuǎn)速度及其在實(shí)車(chē)中的應(yīng)用。

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