房车赛,拉力赛赛车怎么缓冲撞击力?
果然大家还是关注方程式赛车更多呢,要是能讲讲房车,巴哈赛车什么的就问题就完美解决了!
现在逼乎的风气真的不行,强烈建议有些人不要想当然的信口开河,毫无考据就乱说一气。
赛车不仅仅有缓冲设计,还有严格的缓冲性能规则要求,并有非常高水平的测试。
以F1或者说方程式赛车为例,按照FIA的规定,赛车的缓冲结构大致分为三个部分:前碰撞结构(Front Impact Structure),后碰撞结构(Rear Impact Structure)以及侧面碰撞结构(Side Impact Structure)。
了解完结构,看看FIA对实际碰撞测试的规定。
对于FIS,最重要的大约是上述几条规定,筛选一下重点:FIS在碰撞分解的过程中,前100mm加速度不大于10g,100至150mm不大于20g,在吸收第一个60千焦能量的过程中最高加速度不大于20g,全过程最高价速度不大于45G。
碰撞过后的FIS大致就是上面这摊废墟了。
同样的对于RIS也有相似的碰撞测试规则。
而SIS属于FIA亲自设计并委托厂家生产的统规件,碰撞测试由FIA自行完成,车队需要保证SIS的底座在pushoff和squeeze的测试中不会失效.
对于全世界的赛车工程师来说,赛车安全性的提升从70年代开始就在高速的推进发展推进,每一次技术设计和规则的升级都是无数工程师知识的结晶,更是参赛人员血淋淋的经验教训.
回到问题:赛车是怎么缓冲撞击力的,对于方程式而言,很简单,就是靠复合材料的形变破碎吸收能量.
以上规则全部援引自FIA官方公布的&<2020 FORMULA ONE TECHNICAL REGULATIONS&>.有需要可以到FIA官方网站自行下载.
同反对 @BMdgc 高赞答案提出赛车不缓冲撞击力的说法。
方程式的确上的都是碳纤维单体壳,答主也给出了单体壳的图片,但要注意到,答主所给的图里并没有在前部安上起缓冲撞击力的主要部件,也就是鼻箱(nose box)和同样起到一定缓冲作用的鼻尖(nose tip)(见下图)。同时,并不是所谓上了硬度极高的碳纤维就可以等同于安全耐操,一是对于「安全」这个词的定义问题,二是碳纤维复合材料对于碰撞的应用问题。
首先,并不是将人死死固定在座椅上并且披著坚硬的碳纤维护甲就能够万事大吉安全感十足,真正致命的是G force也就是G力。人类可以在短时间内承受数百g的局部G力,但时长一分钟的16g的G力就能让人当场毙命。在操纵飞机或过山车等产生正G力的活动中,由于血液被迫离开大脑,5g左右的G力就会导致一个人昏厥(也叫G-LOC, G force induced Loss Of Consciousness)。John Stapp在一个雪橇实验中保持了46.2g的记录,在这个实验中,他背对著加速度的方向坐著,然后造成永久性的视觉损伤和骨折。库比卡在2007年加拿大大奖赛中的确折腾了几圈,承受了28g的G力,但由于时间十分短暂加上命大,所幸并无大碍,不然直接去见塞纳了。而David Purely在1977年英国大奖赛中短暂的承受了180g的G力,同样造成骨折。(别问我怎么知道的,导师第一堂课就把这些极限例子拿出来举了)
其次,反对 @灰兔说F1自身无缓冲设计的说法。就F1或是其他系列赛事来说,除了头盔,harness和头颈部支撑保证车手安全之外,是一定要有缓冲设计来保证车手在高速碰撞时的安全的,通常采用特殊的碰撞结构(impact structure)来吸收碰撞时的动能从而限制作用在车手身体的加速度。碰撞结构吸收能量的原理对于含金属材料的结构来说就是通过塑性变形吸收动能,而复合材料通过自身的粉碎来消耗动能,在赛车上通常采用复合材料压层结构,也就是被熟知的三明治结构,其内层多为蜂窝铝,外层多用碳纤维或者环氧树脂做表层,这样的结构在碰撞时能够共同作用吸收能量来缓解冲击力,由於单体壳多为三明治结构,因此也可以说单体壳本身也是一种碰撞结构。除此之外,FIA的每个赛季规则对吸能结构有著严格的要求,这些防撞规则背后的主要理念是确保驾驶员被封闭在一个强大的生存单元内,前后和侧面都有吸收能量的结构包围,并且能够通过在Cranfield Impact Centre的碰撞测试,除了静态试验(nose push-off test和side intrusion test)外,还必须进行动态冲击试验(frontal impact test, rear impact test, side impact test and steering column test)(FIA, 2019)。如下图所示,车身与假人模型被加速到一定速度然后撞向不可移动的混凝土块,通过加速度测试仪记录下平均加速度(average deceleration)以及加速度极值(peak deceleration),从而得知两者是否满足规则要求。
当然,由于碰撞实验成本太高,车队会在电脑上提前进行碰撞模拟,然后在与真实碰撞实验的结果进行对比验证,模拟过程与大多数FEA类似,前处理包括几何建模,网格生成和材料选择,然后导入求解器(一般使用的是LS-DYNA)进行计算,最后通过后处理获得数据。以下是Force India的碰撞实验与电脑模拟的对比,可以看出nose box的碰撞还原程度还是比较高的,当然这一切都建立在碰撞模型建立的准确性上。
再回到我比较熟悉的大学生方程式的防撞结构,当时Crash Impact Modelling这门课的作业我选的建模就是用LS-DYNA模拟防撞块碰撞。同样也是方程式赛车,无论是英国赛德国赛还是中国赛,官方的规则里给出的关于前缓冲结构的要求都如下图所示:
对于前端缓冲结构,不同的车队有著不同的解决办法。比较常见的就是通过泡沫块,蜂窝铝和碳纤维复合材料,或者直接采用类似上述的nose box。
由于当时导师已经做出了碳纤维的LS-DYNA分析,从他发表的论文来看,模拟过程中材料选择阶段尤其麻烦,不同的层需要对应不同的碳纤维材质属性。而且模拟泡沫结构总是因为产生负体积而失败,最后转为选择研究蜂窝铝结构的模拟,结果如下图所示。
对于房车和民用车来说,其实例子就更多了,处处设计都需要考虑到碰撞优化。
综上所诉,赛车不仅需要通过特殊结构来缓冲撞击力,并且还需要对能够吸能的结构进行设计验证,以满足规则的要求。
Reference
Bolles, R.C. (2010). Advanced race car chassis technology?: winning chassis design and setup for circle track and road race cars. New York: Hp Books.
Heimbs, S., Florian Strobl, Middendorf, P., Gardner, S.J. and Brooke Elizabeth Eddington (2017). Crash Simulation of an F 1 Racing Car Front Impact Structure.
Fellows, N. (2017). Experimental Modeling of a Formula Student Carbon Composite Nose Cone. Materials, 10(6), p.620.
FIA (2019). 2020 F1 Technical Regulations 2020 FORMULA ONE TECHNICAL REGULATIONS.
李理光 (2019). 中国大学生方程式汽车大赛规则 (2020) 中国汽车工程学会.
@电驴飞车手 赞同电驴飞车手的回答,发现自己被关注了,赶紧回关一个,点进去看答主的个人主页就知道是行家子,真的racing car engineer
赛车界大名鼎鼎DALLARA,著名的赛车制造商,特别是方程式和勒芒原型车底盘制造能力独步全球,还有一个TATUUS也是义大利的赛车制造商,也是非常厉害,这两个品牌的方程式我参与过运营和维护。
顺便说一下,逼乎之所以是逼乎还是因为各领域工程人员在此撑场子,有些回答信口开河未加考证的一顿乱写当头条用么?
我就做一个补充,因为我开方程式撞过墙,所以我有发言权,2012年的29号赛车是一台大事故车,因为赛前被我撞了,赶在比赛前半月重新修复,焊了半个车架搞回来。。。。
我现在还坐著电脑前面敲键盘就是赛车也有安全设计的实例。赛车的安全设计跟乘用车一样, 有可变行吸能前舱+不可变行成员舱构成。实际上赛车也有碰撞测试的,也是有FIA安全认证。
前舱不算单体壳的一部分,真的单体壳只是乘员舱+尾仓
当时印象中大约是55KPH的时速接近垂直的角度撞上了不可变行刚性墙壁,巨大的G值让人头晕目眩,但是等我反应过来的时候,我发现我还活著,四肢也是健全的,唯一的问题就是鼻骨骨折,因为没有hans系统,我的头部位移过大,我戴著著全盔撞了方向盘,让我的鼻梁骨跟头盔内部骨架发生碰撞。
装完之后,前舱报废,我被亲爱的队友们抬出来,然后头还是很晕,他们一直在跟我说话,我也听不太清楚,他们说什么,大概是问我意识清醒否什么的,然后我用余光看了一下我们的赛车,整个前舱没了,蜂窝铝变成片片状了,
然后整个乘员舱发生溃缩,长度大约相当于没撞墙之前90%的样子,因为我当时头晕的厉害,所以忘记拍照发朋友圈了。
现代赛车的安全措施很好的好吧。
现代赛车为了轻量化,往往一个零件会承担几个用途,有时你都看不出这东西到底是干啥用的。
这些缓冲块,是在安全规则约束下设计,有时还需要提交碰撞实验数据(非整车,只模块)到fia进行认证。
gt车有杠,变速箱上也有和上图类似的碰撞缓冲块。
房车赛的规则里也有保险杠,防侵板等等一系列要求。
加上轮胎墙,波波池等赛道安全措施,其实安全性很高。
赛车本身的保护都是通过加强杆防滚架,用碳纤维作车身等进行,F1则还有halo系统保护,当然最主要用来缓冲的不是车本身,而是轮胎墙、水墙、还有一种不记得什么材料的软性墙体来缓冲,还有砂石地草地进行减速。
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