道路交通安全是世界范围内一项重大的公共安全与健康问题，而行人事故在汽车交通事故中占有很高的比例。在典型的人车碰撞事故中，汽车保险杠与行人下肢产生碰撞接触，碰撞接触力相对人体重心产生转矩，使行人上肢、头部等身体部位随即与发动机罩盖前缘、罩盖上表面或风挡玻璃等处产生碰撞。因此，汽车车身前端的结构设计对行人碰撞保护有重要影响。欧洲十几年来的道路交通事故数据证明，车辆在设计和制造方面经过一系列改进，能够大幅度减小行人伤亡比例，社会效益和经济效益非常显著。
▲ 典型的行人交通事故中行人与汽车前端碰撞过程
本章（文）从车辆耐撞性到人体防护，回顾对能量吸收结构和材料研究的工程背景，并介绍《能量吸收：结构与材料的力学行为和塑性分析》的主要内容。
能量吸收结构（材料）的应用
公众现在比过去任何时候都受到更为良好的教育，要求更高程度的个人和公共保护的呼声也日益高涨，并且强烈要求对机械的安全性采取更为严厉的法律保障措施。所有这些因素使公众更加熟悉最新的被动式安全装置的设计，并成为它们被广泛应用的先决条件。
20世纪70年代以来，对用于耗散碰撞动能（或强动载荷引起的动能）的能量吸收结构和材料的研究与发展受到了重视，特别是在汽车和军事工业（Johnson et al.，1986，1977a）。下面概述它们在五个方面的应用。
▶ 能量吸收结构用于改进车辆的耐撞性
在设计和试验各种类型车辆时，耐撞性防护已经成为一个挑战性的课题。术语“耐撞性”（crashworthiness）指的是当车辆卷入或经历碰撞时响应性质的优劣。在碰撞事件后，车辆和（或）它的乘员及装载物的损伤越小，车辆的耐撞性就越高，或者说它的耐撞性能就越好（Johnson，1990）。
一些机动车车身结构的常用术语如下图所示。大多数车身框架是薄壁金属结构。车身前部的上梁和下梁是主要的碰撞能量吸收元件。对于较为轻微的前方或尾部碰撞，车辆的保险杠可能起作用，如在停车场内，车辆以较低速度同柱子等物体相撞（Johnson et al.，1983a，1983b）。
▲车身结构图（Zhou，2001）
图中A柱、B柱和车顶的边梁的设计是用来在碰撞事件中保持乘员室结构的完整性的。另外，在很快减速的情况下，它们也是乘员头部可能与之发生碰撞的地方。显然，如果头部直接与柱上的金属构件碰撞，就几乎不可能满足对力的限制性要求。柱上还必须有另外的软垫作为能量吸收器（Zhou，2001）。
当密集的车流通过一个复杂的道路系统时，对于驾驶员和乘员来说，侧面碰撞防护就变得非常重要（占所有严重碰撞的13%），虽然这时前方和尾部的碰撞还是最重要的。这提出了一个特殊问题：对于许多轿车来说，侧向碰撞区域与人体之间没有距离可以缓冲这种撞击。有些厂家采用了强化的门和坚固的柱子用于承受50 km/h的碰撞，只允许撞击物适度闯入在驾驶员和乘员周围的小安全空间。新的设计还让座位、方向盘系统和其他车内构件有适当的能量吸收能力，使车辆在碰撞时整体能量吸收有所增加。
▶ 能量吸收结构用于高速公路的安全防护
最近几十年里，为了减少车辆碰撞引起的损失，研制了沿高速公路安装的各种类型的硬件。公路碰撞衰减系统通常设计成在迎面碰撞的条件下，使车辆逐渐减速从而安全地停下来，或者是在侧面碰撞情况下，使车辆改变方向以避免出现危险。谨慎地使用这些结构，减轻事故的影响，已经拯救了许多人的生命。
当今世界上最常使用的防护栏系统由安装在钢柱（管状或者槽形截面）或者木柱上的镀锌W形钢梁（波形梁）组成。这些立柱埋在基础内。当车辆与安装在高速公路边的防护栏系统碰撞时，车辆的动能大部分将耗散在波形梁和立柱的变形上，基础移动和破碎也将耗散部分能量。
▲ 波形梁护栏系统
早期波形梁纵向护栏建造时带有未经加工的钝头。这种设计造成了许多严重的事故，其中有些是驶入歧路车辆的乘员室被波形梁截面的尖端所刺穿。关于护栏端部的处理已经做了许多研究（Carney III，1993），目的是使刺穿和翻车的事故尽量减少。现在所有发达国家都已采用标准或者法规来指导这些防护栏系统的设计和安装。
其他用于高速公路的防护系统有混凝土护栏和钢索安全栅栏。混凝土护栏的作用主要是改变那些驶入歧路车辆的方向，使之回到原来行驶的方向，同时当车辆被护栏下部斜面抬起时，它的部分动能将转化为势能。与道路平行的钢索安全栅栏也可以改变驶入歧路车辆的方向，但是没有耗散什么能量，因为钢索的变形基本上是弹性的。
公路上有些地点被认为是事故多发的“交通黑点”，如分叉口和急转弯处，在这些地方发生碰撞可能导致严重的后果。长期工程经验指出，在这些“交通黑点”安装特殊设计的能量吸收装置（如下图所示的康涅狄格州碰撞衰减系统）可以显著地减少碰撞引起的危险。出于类似的考虑，较早时候Johnson等（1981）曾设想利用螺旋弹簧弹塑性大变形的原理，设计一个车辆“捕捉”系统。
▲ 康涅狄格州碰撞衰减系统（Carney III，1993）
▶ 能量吸收结构用于工业事故的防护
1973年英国曾报道过一起典型事故，一辆载有29人的煤矿矿井升降车，由于绞车过度绞吊而坠落于矿井底部，参看Johnson等（1978）。有很多种能量吸收装置适合用作矿井升降车的行程限制器。对于电梯井和铁路线终端也需要有类似的安全考虑。
在山区，从陡坡翻滚下来的岩石对于路过的人和车辆是危险的，特别是在雨天。在最危险的地方，可以安装吸收滚动岩石动能的防护系统，如利用金属环网塑性变形的方法。
▲ 岩石滚落防护网
在采矿、建筑和农业机械设计中，落体防护结构（falling object protective structures，FOPS）和翻滚防护结构（roll-over protective structures，ROPS）是两个重要概念，因为这些机械通常在危险的环境中或者斜坡上工作。例如，驾驶室的顶棚被落下的岩石击中，或者在翻车事故中驾驶室被压向一侧。变形的驾驶室必须为驾驶员保留一个生存空间，因此驾驶室的结构必须在这些碰撞条件下能够吸收足够的能量。
Johnson（1983）曾经描述了由货车中的货物滚落碰撞造成的结构破坏。由于正面碰撞、快速转向或者路面损坏，火车、客车、公交车、卡车和加油车等都可能发生货物的滚落碰撞。类似于对FOPS和ROPS的安全考虑，为乘员保留一个生存空间是至关重要的。当滚落的货物包含危险物品时，应当防止容器被刺穿及随后引起的火灾和爆炸。因此，必须将结构材料是否具有足够的韧性和足够的能量吸收能力，作为主要的设计准则加以考虑。关于客车在交通事故中的安全性，应当特别注意在翻车事故中防止客车顶棚–立柱结构被压塌（Lowe et al.，1972）。
▲ 防护结构简图
对于经常用于输送高压、高速液体的管道，研究能量吸收对于管道甩动防护也是极为重要的。在核能、电力和化学工业中，这是一个重大的安全问题。虽然在正常情况下这些管道的设计能够承受这种高压，但是在管道系统中总是由于出现过度的压力和压力波动而有可能产生危险。管道的失效可能由腐蚀、疲劳、蠕变和地震，甚至一件沉重的工具坠落而引发。
因此，为了满足安全管理的要求，设计者必须证明在高压下运行的管道系统能够对付突然破断而导致的灾难性后果。当一根管道破断时，从破裂截面处逃逸的高压液体射流对管道施加一个很大的横向破断的作用力（blowdown force），使该段管道迅速加速甩动和变形。所以，高压管道对其他设备而言是一个潜在的危险。通常为了对付这种类型的问题，设计者要引入管道甩动限制器系统（Reid et al.，1980）。这种系统包括能量吸收器，它能够在甩动的管道击中任何邻近仪器或相邻管道之前，耗散掉它的动能。显然，为了设计这种限制器，设计者必须估计需要吸收的动能大小，这就要求了解管道的运动。近三十年来，学者进行了关于管道甩动现象的大量试验和模拟研究，可参看Reid等（1998，1996，1995，1989）。
▲ 管道甩动示意图
▶ 能量吸收结构用于个人安全防护
各种辅助防护装置，如自行车头盔、安全帽和防弹背心，全都要求具有很高的能量吸收能力。在建筑工地，从高处坠落的物体，如小工具或者管子，可能会击中工人。例如，根据香港特别行政区政府劳工处提供的数据，1994～1997年在香港报道的67 549起工地事故中，有4 037起是由坠落的物体引起的，并导致工人头部或颈部受伤。安全帽作为一种有效的防护装置，在大多数国家已经作为个人安全设备被广为采用。安全帽的塑料硬外壳可以承受并减少动能达50 J的坠落物体（即5 kg的物体从工人头部上方高度为1 m处落下）所产生的峰值载荷，同时部分能量为帽箍和壳体本身所耗散。
自行车头盔是另一个例子：当发生事故戴头盔者从车上跌落且头部与路面相撞时，头盔起了防护戴头盔者头部的作用。国际标准要求，将一个质量为5 kg的人头模型戴上自行车头盔，从2 m高处落在硬地面上（携带100 J的能量，如下图所示）时，人头模型的最大加速度不得超过100 g。所以，与建筑工地的安全帽相比，自行车头盔要有更高的能量吸收能力。
▲ 自行车头盔的试验
在游戏与运动中，如足球、橄榄球、拳击、滑雪、滑冰、赛马和赛车，耐撞性和能量吸收的有关知识是十分重要的，对这些活动具有很大的安全价值。与应用于车辆一样，这里将完全相同的科学与技术应用于人体。
▶ 能量吸收结构/材料用于包装
包装作为一种保存和分发物品的重要方法，已经成为人们生活中不可缺少的部分。包装及良好的运输，可以将生产设备集中在原材料丰富的地区，从而发挥大规模生产的经济优势。由于有了防护包装，产品可以输送到主要消费地区。产品和包装相互依赖，不可能只考虑其中一个而不要另一个。
包装的一个基本作用当然是保护物品，免受运输和储存引起的外部损伤。例如，由产地输送一种粉末状的产品到使用地点，需要某种类型的容器，不仅要用它装运产品，而且还要保护产品不受外部损坏。包装还起着一种屏障作用，将保存的物品同外界污染和脏物分离开来。
外界对物品的损坏通常在运输或者储存时，由物品坠落或者被其他物体撞到所引起的。因此人们用各种材料，如软垫或者包裹物来包住物品。自古以来，常用的缓冲材料包括木屑（细刨花）、稻草麦秆（或蔗渣）、弄皱的或者切碎的废纸、多孔软填料和用胶液浸渍的毛发。纸张以多种形式广泛用于松散充填的衬垫。多孔软填料可以用一种便宜的皱纹纸制作，有各种厚度，不同的背衬、面层和凸印。这种材料约能吸收16倍于它的重量的水，或者12倍于它的重量的油。这对于装运液体物品是很重要的。波纹状纸板的多胞结构使之可以用于塞紧和缓冲。单面、单壁、双壁和蜂窝波纹可以用模具切割制成不同的形状，折叠制成弹簧垫和充填块。如果这种类型的包装材料是用再生纸制造的，那么这种衬垫就变得更加环保了。
虽然传统材料还在使用，所用数量不等，但是它们基本上已经被聚合物制造的缓冲材料所替代。聚合物缓冲材料可以加工制成更加精密的防护品。最为流行的聚合物类缓冲材料是泡沫材料。它是由塑料通过发泡形成多胞结构，使其密度显著减小。为了达到包装的目的，在加工过程中整个融化的树脂内气体逐渐弥散，随着加热这些气体会产生带孔洞的胞结构，这些胞可以长大至要求的尺寸，并随着材料冷却而固定在材料内部。这种过程适合于多种热塑性材料，可以生产出刚性和柔性的泡沫材料。
硬质泡沫材料是用反应注射成型（reaction-injection molding）法生产的工程结构材料。其包装应用包括包装箱、板条箱和大型托盘等。但是，硬质尿烷（urethane）泡沫还是一个用于就地发泡缓冲材料的专有名词。这些材料和技术已经广泛用于电子产品或者易碎物品的包装和缓冲，旨在吸收运输中的碰撞能量。同样，由聚乙烯（polyethylene，PE）或者聚乙烯对苯二甲酸酯（polyethylene terephthalate，PET）制成的发泡垫层，可以广泛用于易碎物品包装。
能量吸收：
结构与材料的力学行为和塑性分析
总而言之，耐撞性和碰撞防护是意义十分明确的课题，但缺乏足够深度的科学研究。
经典的固体力学主要研究材料和结构在各种载荷条件下的应力、应变、变形、刚度、强度、韧性、稳定性和耐久性等；随着各类运载工具（如汽车、高速列车、舰船、飞行器、航天器等）的迅速发展，以及在特殊条件下工作的材料与结构（如核电站和海洋结构）的安全需求，科学家和工程师必须考虑结构与材料在静载荷及冲击载荷作用下的能量吸收行为。例如，对能量吸收装置的设计和材料的选择，对结构受到意外撞击时的损伤和耐撞性的评估，以及减轻冲击损坏的包装设计，都需要懂得能量吸收性能的知识和分析方法。对能量吸收性能的研究，要求具有材料工程、结构力学、塑性理论和冲击动力学等诸多领域的知识。在过去的几十年里，人们对这一领域的兴趣急剧增强，发表了大量研究结果；但有关文献相当分散，这对希望将相关原理和分析方法应用于实际问题的工程师，以及初次接触相关概念的研究者，都造成了很大的困难。
《能量吸收：结构与材料的力学行为和塑性分析》（余同希，卢国兴，张雄著.北京：科学出版社，2019.10）一书旨在将这个领域的知识汇集在一起系统地整理和阐述。
本书作者着力整理了近年来世界各国学者在这一领域内的丰硕研究成果，并增加了在汽车设计、飞机机身设计和桥梁防护等方面的几个工程应用实例。本书定位于应用科学基础研究，同时，本书所传播的知识同高性能新材料的开发（如用于飞行器、航天器和着陆装置的高比吸能材料）及节能环保（支撑汽车轻量化及减轻环境灾害）有着密切的联系，并有直接的应用。
▲ 某款C级轿车罩盖结构改进设计结果对比（I=95 mm）（聂冰冰 等，2017）
给出了原罩盖结构设计与夹层板结构罩盖设计对比及头部模块碰撞结果对比。其中虚线标出了夹层板区域，可以看出，在夹层板设计区域内，头部模块的碰撞结果（HIC值）得到明显改善。
本书着眼于基本概念、基本原理和塑性力学分析方法，并以常用的工程材料和简单的结构元件为例来阐述能量吸收行为的特征。
◆ 第1章扼要地介绍研究结构和材料能量吸收行为的工程背景，阐明碰撞能量吸收装置的一般要求。基于塑性力学和冲击动力学的有关知识，第2章介绍力学建模和理论分析的基本原理与方法。围绕能量吸收行为，第3章讨论量纲分析和小尺度模型试验的相关概念，同时介绍常规试验方法。
◆ 第4～6章应用第2～3章中介绍的基本原理，考察某些简单构件在不同加载条件下的能量吸收性能。这些结构包括圆环、圆环系统、薄壁管件和夹层结构，所有这些结构都容许经历塑性大变形，从而在变形过程中耗散掉外载做功所输入的能量。加载条件包括拉伸、压缩（轴向或横向）及压入等。这些简单构件也是工程中应用最广泛的能量吸收元件。
◆ 与第4～6章中研究的准静态加载下的简单构件不同，承受撞击的结构会呈现更为多样化的行为。第7章阐述碰撞条件下局部变形的特征和建模，惯性敏感结构的分析，以及运动的结构物对固壁的撞击。第8章研究伴有撕裂的塑性变形问题。这类问题也十分复杂，因为撕裂能量的量值很难确定，它随不同情况而变化，在较远区域，撕裂和弯曲/拉伸之间可能有交互作用。此外，金属结构和材料在能量吸收过程中容易发生韧性断裂，第8章也将对这一问题进行相关介绍。
◆ 第9章介绍五个特殊问题的塑性大变形分析，包括管件翻转、管件的鼻状成型、圆管的胀管、球壳的翻转及深海管道屈曲的传播。这些例子展现出稳态塑性变形模式和塑性变形传播的若干特点。
◆ 第4～9章讨论的都是金属结构，而第10章研究三类多胞材料的能量吸收性能，它们是蜂窝材料、泡沫材料（包括金属泡沫）、木材，相关的分析会运用第2章介绍的方法，在微结构层次对典型胞元进行塑性分析，然后将胞元的力学行为集结成多胞材料的整体响应。第11章对复合材料及其结构的能量吸收行为作概括，讨论复合材料管件、复合材料夹层板，以及纤维金属层合板和多胞纺织复合材料，详细描述它们的能量吸收机理，并与相应的金属结构进行比较，同时也会对解析方法得到的结果作介绍。
◆ 第12章包含五个工程实例研究：岩石滚落防护网，利用泡沫材料的包装设计，吸收行人头部撞击能量的汽车发动机罩盖设计，保护桥墩的柔性防撞装置，以及飞机结构适坠性分析和改进飞机底舱的能量吸收能力。通过这些代表性实例来说明前面各章阐述的原理和方法的工程应用。
本文摘编自《能量吸收：结构与材料的力学行为和塑性分析》（余同希，卢国兴，张雄著.北京：科学出版社，2019.10）一书“1 绪论”“12 工程实例”“前言”，有删减修改，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-062360-7
责任编辑：孙寓明 李建峰
本书论述结构和材料在静载荷和冲击载荷作用下的能量吸收。对于能量吸收装置的设计和材料的选择，结构受到意外撞击时的耐撞性和损伤的评估及减轻冲击的包装设计，都需要能量吸收性能方面的知识。对能量吸收性能的研究要求有材料工程、结构力学、塑性理论和冲击动力学等方面的知识。本书试图将这个领域最基本和最新的知识汇集在一起以便读者顺利地掌握基本概念，并将有关原理应用于其他工程问题。由于实际应用中的结构和材料门类繁多，本书主要关注基本概念、基本模型、研究方法及简单的结构元件和材料。在介绍这些内容时，重点放在阐述力学和物理行为及最常用的基本建模和分析方法上。对更为复杂的实际结构在撞击下的全面综合分析，如汽车车身和飞机机身的耐撞性分析，则超出本书的范围。
本书适合从事力学、材料、机械、土木工程、航空航天、车辆、包装等相关学科研究和设计的科技工作者、工程师、研究生及高年级本科生使用。
（本文编辑：刘四旦）
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