WorldSID 50百分位男性假人研究

劉 磊，朱海濤，李 充，王 凱

(中國汽車技術研究中心 天津300300)

WorldSID 50百分位男性假人研究

劉 磊，朱海濤，李 充，王 凱

(中國汽車技術研究中心 天津300300)

對 WorldSID假人的開發背景和歷程進行了系統介紹，對假人結構及傳感器安裝特點進行了深入分析，闡述了假人的仿真度、耐用性、可重復性和一致性，對關鍵部位的響應特性和對應 ASI＋3損傷等級的傷害值進行了說明，提出WorldSID假人的開發和推廣應用必將促進側面碰撞安全性能的提高，降低汽車的研發成本。

WorldSID 假人 側面碰撞 汽車安全

0 引 言

目前，全球有5種中等體型男性側面碰撞假人可用于法規、新車評價和開發試驗，分別是用于美國側面乘員保護法規的 USDOT-SID假人；用于歐洲標準法規的EuroSID-1假人；用于歐日法規的ES-2假人；用于 FMVSS-201側面碰撞乘員保護法規的 HybridⅢ-SID假人及用于開發目的的BioSID假人。由于這些假人在結構設計、傳感器安裝及測試程序上各不相同，會影響汽車研發過程中的設計方向，甚至產生錯誤的設計。同時，在側面碰撞乘員保護試驗中，現存假人與真人外形差異較大，且某些關鍵部位的傷害程度不能有效體現，使得假人發揮的作用十分有限。此外，針對國際化的汽車市場，制造商需要開發不同形態的側面碰撞乘員保護系統來滿足不同國家和地區相關法規的要求，這勢必會增加制造商的開發成本，這些成本最終會轉嫁到消費者身上。總而言之，側面碰撞假人的全球統一化對側面碰撞安全的提高以及生產成本的降低都是有益的。

基于以上背景，1997年 11月，在國際標準化組織(ISO)TC22/SC12/WG5的授權下，成立了WorldSID工作組，負責開發全新的側面碰撞假人。該假人旨在取代現有側面碰撞假人，擁有更高的仿真度。工作組由美國、歐洲和亞太 3個地區行業咨詢組和政府專家組成，由 3個地區對應的負責人輪流主持，如圖 1所示。WorldSID工作組得到了全球范圍內的廣泛支持，其開發團隊由來自歐洲、亞太和美國超過 45家機構的數百名工程師和科學家組成，包括FTSS、Denton Inc.、Denton ATD Inc.、DTS、Endevc等公司，負責設計和制造 WorldSID假人，使之滿足WorldSID工作組的詳細設計規定。

圖1 WorldSID工作組組織機構簡圖Fig.1 Organizational structure chart of WorldSID workgroup

1 開發歷程

WorldSID假人的設計目標是：根據 ISO側面碰撞假人仿真度等級，達到Good至Excellent等級；該假人理論站立高度為 1,753,mm，坐姿高度 911,mm，重 77.3,kg；可以測量碰撞時乘員之間的相互作用，具有左右對稱的結構及傳感器布置；在側面傾斜±30,°碰撞范圍內具有良好的人體響應。

WorldSID假人的發展歷程如圖2所示。

圖2 WorldSID假人發展歷程Fig.2 Historical development of WorldSID male dummy

WorldSID假人經過各種試驗條件下的技術性能測試，歷經3次設計、測試、反饋重新設計，確定了最終的設計版本。為了提高仿真度、耐用性、可用性和其他方面的性能，在原型假人的基礎上進行了各個部件的改進，經歷了近 2年的仿真度、裝車和部件測試，開發出試制假人。到 2003年初，制造了 11個試制假人，并在全球范圍內對試制假人進行測試改進，形成最終的WorldSID假人。2004年3月，WorldSID假人設計完成，可以購買和使用。

2 WorldSID假人概況

2.1 假人結構

WorldSID假人代表了中等體型的成年男性乘員。在對多個人體測量學數據庫研究的基礎上，并對不同人種的人體測量學數據對比后，WorldSID工作組采納了 AMVO 50百分位男性數據進行了該假人的開發。AMVO數據庫中駕駛員乘坐姿態定為假人的設計參考姿態。

最終版的 WorldSID50百分位男性假人重77.3,kg，理論直立高度為 1,753,mm，坐姿高度911,mm，肩寬 480,mm，胸寬 371,mm，骨盆寬度410,mm，腿長 555,mm，整體特征幾乎完美地符合了AMVO的設計目標；關節的活動范圍、單個部件的三維尺寸和質量特性都接近設計目標，一些小部件的質量偏差是由于細小部件與人體測量學數據庫稍有不同造成的。總體來說，WorldSID假人的人體測量學幾乎是AMVO數據庫中等體型成年男性乘員的完美復制，見圖3。

圖3 WorldSID假人Fig.3 A WorldSID male dummy

2.1.1 頭部

WorldSID假人使用無特征的面部，面部輪廓與真人一致，但沒有耳朵、鼻子和嘴唇。該設計的目的是假人面部無接縫，這樣碰撞過程中不會因假人面部與車輛內飾或氣囊產生刮擦而破壞試驗結果。

2.1.2 頸部

WorldSID頸部總成包括 3個主要的子總成：頸部、頸部支架和脖套。頸部安裝在上頸部、下頸部力傳感器中間。下頸部力傳感器安裝在頸部支架上，該可調的頸部支架還承載著 3向線性加速度傳感器和傳感器塊，其特點是頸部角度可以調節，頸部可以繞y 軸前傾 9,°，后仰 27,°。

2.1.3 肩部和手臂

WorldSID假人肩部由特殊的肋骨代替，肩部肋骨由兩條鋁鎳合金構成，內側一條是環形的，外側一條與人類輪廓相似，連接脊柱后部與肩關節，在肩關節處與代表鎖骨的桿相連。肩部肋骨內條上附有阻尼材料來控制變形率。肩部肋骨的目的是當肩部側向變形時降低肩關節向上、向前運動。肩部肋骨的最大變形量為75,mm。

2.1.4 胸腹部

WorldSID假人胸腹部包含肋骨，各肋骨獨立連接到胸椎上。除胸部上肋骨以外，每根肋骨與車輛XY 面平行，胸部上肋骨與垂直方向的夾角約 7,°，其縱向和側向的尺寸均較小。所有胸腹部肋骨結構與肩部相同，由鋁鎳合金構成，內條上附有 H-III型阻尼材料以控制應變率，左右肋骨的最大變形量均為75,mm。

2.1.5 腰部

WorldSID假人腰部是由一塊橡膠切削而成，由反 U型外殼和兩條內部豎筋組成，U型外殼控制著側向剛度和柔韌性。

2.1.6 骨盆

骨盆包括一個裝有設備的骨盆骨骼和一片骨盆皮膚。骨盆骨骼由 2個半剛性對稱骨盆骨骼，兩塊骨骼前端通過恥骨力傳感器相連，后端通過骶髂力傳感器相連。骶髂力傳感器通過接口面與骨盆骨骼相連。骶髂力傳感器下端裝有數據采集系統的接口。

2.1.7 大腿

大腿包括髖關節到膝部的所有部件。大腿皮膚在最接近骨盆和最遠離骨盆的兩端開槽。大腿上的設備包括：股骨頸力傳感器、上下大腿力傳感器、膝蓋內外側力傳感器、膝蓋角度計、1個傳感器模塊和2個數據采集系統模塊。

2.1.8 小腿

小腿包括小腿骨骼總成、小腿皮膚和腳鞋造型。小腿皮膚在后側開槽來安裝骨骼和設備。小腿上的設備包括：上下脛骨力傳感器、3向腳踝角度計。

2.2 WorldSID假人用傳感器

如 WorldSID工作組文件 N397所述，假人體內大量分布的傳感器構成假人最主要的部分。傳感器符合公認的傳感器標準，如SAE J211和ISO 6487，可用于損傷風險、約束系統和乘員行為的研究。WorldSID假人可裝配的傳感器如表1。

表1 WorldSID假人傳感器總表Tab.1 List of WorldSID male dummy’s sensors

中胸部肋骨加速度傳感器(ax,y,z) 3中胸部肋骨位移傳感器(φy) 1下胸部肋骨加速度傳感器(ax,y,z) 3下胸部肋骨位移傳感器(φy) 1 T 1加速度傳感器(ax,y,z) 3 T 4加速度傳感器(ax,y,z) 3胸椎T 1 2加速度傳感器(ax,y,z) 3 1 3胸腔角加速度傳感器(ax,y,z) 2胸腔傾角傳感器(θx,y) 2上腹部肋骨加速度傳感器(ax,y,z) 3腹部上腹部肋骨位移傳感器(φx,y,z) 1下腹部肋骨加速度傳感器(ax,y,z) 3單側8共1 6下腹部肋骨位移傳感器(φy) 1腰椎 下腰椎傳感器(Fx,y,zMx,y,z) 6 6骨盆重心加速度傳感器(ax,y,z) 3骨盆恥骨力(Fy) 1骶髂力傳感器(Fx,y,zMx,y,z) 1 2 1 8骨盆傾角傳感器(θx,y) 2大腿膝部力(Fx,y,z) 3大腿力傳感器(Fx,y,zMx,y,z) 6大腿膝蓋外側力(Fy) 1膝蓋內側力(Fy) 1單側1 2共2 4膝蓋角度傳感器(θy) 1上脛骨力傳感器(Fx,y,zMx,y,z) 6小腿下脛骨力傳感器(Fx,y,zMx,y,z) 6腳踝角度傳感器(φx,y,z) 3單側1 5共2 4

3 WorldSID假人性能

3.1 整體性能

3.1.1 仿真度

與其他現用的側面碰撞中等體型男性成年假人相比，WorldSID 假人的仿真度是最好的。ISO/TR 9790定義了使用33項試驗評價側碰假人仿真性能的流程。基于ISO/TR 9790評價體系，該假人得分是 7.6(在 10分評價制里是“Good”)，是唯一獲得整體仿真度“Good”評價的假人。WorldSID假人有助于設計更安全的汽車，加強側面碰撞保護，降低乘員傷害。WorldSID假人與其他側碰假人整體和各部評價對比如表2所示。

表2 各假人仿真的對比Tab.2 Simulation contrast between different dummies

除此之外，NHTSA還根據一種新的仿真度評價體系 Bio Rank System對 WorldSID 原型假人 ES-2和 Hybrid Ⅲ-SID進行對比，結果顯示，盡管WorldSID假人處于改進階段，但與其他 2種假人相比，其仿真度更好。

3.1.2 耐用性

WorldSID假人耐用性的設計目標是假人各部件經歷至少10次產生150% Mortz開發的傷害指標負載的試驗后仍能正常使用。

WorldSID假人的真實耐用性是根據滑車試驗、跌落試驗、擺錘試驗和大量駕駛員、碰撞側后排乘員裝載WorldSID假人的實車MDB試驗和柱碰撞的試驗結果評價的。假人響應范圍從低于傷害評價指標到 3倍傷害評價指標或者使用的傳感器最大容量評價范圍。目測假人各部件時，未發現損傷，證明其具有良好的耐用性。

3.1.3 重復性

根據 WorldSID工作組文件 N395所述，當進行認證測試時，WorldSID假人各部位表現出良好的可重復性并且各假人之間一致性的累積方差在大部分情況下小于5%，在所有情況下都小于10%。

3.1.4 靈敏性

根據要求，為了使碰撞位置和角度微小變化導致的敏感度最小化，WorldSID假人由連續表面構成，包括肩套、一體化的鞋子和外套，以及從不同角度受到撞擊時肋骨的無約束設計。當進行各種類型的試驗，包括側面 0～30°斜向滑車試驗時，不會產生肋骨彎折或其身體部件彎折，并且表現出良好的可重復性。總體來說，假人不會對碰撞角度的微小變化過度敏感，但隨著碰撞角度的增加，假人響應會發生對應的變化。

為評價溫度變量對肩部性能的影響，進行了溫度敏感度研究。結果顯示，肋骨變形測量值在 20.6～22.2,℃范圍內對溫度不敏感。因此，推薦在 20.6～22.2,℃范圍內使用WorldSID假人。

3.2 響應特性

在實車碰撞測試中，由于 WorldSID假人的結構特點，碰撞過程中假人胸腹等關鍵部位表現出特定的響應特性，特點如下：①隨著碰撞過程的進行，腰椎可以彎曲，因此假人不會因胸、腹、骨盆相對位置的變化而發生平動和轉動；②由于 WorldSID假人胸部相對寬厚，減小了側氣囊的展開空間，使得氣囊氣壓增高、壓力增大，導致在碰撞初期胸腹肋骨壓縮量和腹部加速度值較大；③由于假人恥骨聯合與力作用點的位置不同，可能導致碰撞力不易傳遞到恥骨聯合，或者假人髂骨截面相對力的作用方向有傾斜角度，通常導致側面施加的力不易傳遞到髂骨處，骨盆合成加速度和恥骨聯合力較小。

3.3 損傷限值

根據 WorldSID工作組的換算結果，使用該假人時，50% AIS3＋損傷風險對應的傷害值如表3所示。

表3 WorldSID假人關鍵部位損傷值Tab.3 Injury criteria of WorldSID male dummy’s key parts

4 WorldSID假人的應用

由于 WorldSID假人具有各方面的良好性能，其應用也逐漸提升到日程中。2010年6月，在世界車輛法規協調論壇(WP29)第 151次會議上，澳大利亞和美國分別提出新增加 2項全球統一汽車技術法規(GTR法規)的制定工作：側面柱碰撞GTR和側碰假人GTR。會議經過充分討論后，批準了這2項法規的制定工作，并同意成立專門的非正式工作小組，由澳大利亞和美國分別擔任非正式工作小組的主席。到2013年5月，側面柱碰撞GTR法規的最終草案版本已經完成，這份草案中規定在側面柱碰撞測試中，使用 WorldSID 50%假人進行相應的測試。在 EURONCAP和K-NCAP組織發布的2015年規程變更計劃中，將在側面柱碰撞測試中用 WorldSID 50%假人取代現有的ES2假人進行相應的測試。從這些分析中，我們能夠看出未來的發展趨勢：WorldSID系列假人將會在汽車側面相關碰撞測試中得到廣泛的應用。

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Study on the WorldSID 50th Percentile Male Dummy Model

LIU Lei，ZHU Haitao，LI Chong，WANG Kai
(China Automotive Technology & Research Center，Tianjin 300300，China)

In this paper，the development background and process of the WorldSID dummy model was systematically reviewed，its whole structure and sensor installation characteristics were analyzed and its biofidelity，durability，repeatability and reproducibility were illustrated. Besides，response characteristics and the WorldSID’s injury criteria were described. In the end，it proposed that the development and wide adoption of the WorldSID dummy will inevitably promote side impact safety and reduce the R&D cost of vehicles.

WorldSID；dummy model；side impact；vehicle safety

U467.1+4

A

1006-8945(2014)08-0050-05

2014-07-06