WorldSID假人頸部標定試驗方法研究

張 毅，商恩義，韓 剛，周大永，劉衛國（浙江吉利汽車研究院有限公司，杭州 311228）

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WorldSID假人頸部標定試驗方法研究

張 毅，商恩義，韓 剛，周大永，劉衛國
（浙江吉利汽車研究院有限公司，杭州 311228）

摘要：WorldSID假人是當前側撞假人的升級，國內只有幾個，對其了解較少。為了提高對WorldSID假人的擬人程度，對WorldSID假人頸部標定試驗方法及影響因素進行了研究，指出影響頸部標定結果的兩個主要因素是吸能蜂窩鋁的硬度和頸部本體的強度，該影響因素可通過調整吸能蜂窩鋁、頸部緩沖塊進行解決。

關鍵詞：WorldSID假人；頸部標定；試驗方法；影響因素

引言

WorldSID是Worldwide Side Impact Dummy的縮寫，是一種專門用于測量汽車乘員在橫向碰撞試驗中產生傷害的碰撞假人，該假人是基于人體測量學對全世界人口范圍內汽車乘員的尺寸和慣性數據進行統計分析而設計成型[1]。Euro-NCAP的側面碰撞試驗包括側面可變形蜂窩鋁AE-MDB碰撞和柱撞兩種試驗，2015版Euro-NCAP中明確規定在側面碰撞試驗的前排駕駛員側必須安放WorldSID假人，以評估側碰試驗中假人的傷害指標。在國內，現階段國內碰撞實驗室WorldSID假人還并沒有普及，但隨著我國碰撞試驗領域的不斷發展，在C-NCAP的側面碰撞試驗中采用WorldSID假人的日期也不會很遠。

基于此，對WorldSID假人使用特性的研究應盡早提到研究日程。假人作為擬人化裝置，其人體擬合性直接影響到測試車輛的安全性能是否能夠得到正確的評價，而確保其擬人性的手段是假人標定試驗。因此，本文針對WorldSID假人頸部標定的性能指標與影響因素進行了研究。

1 WorldSID假人頸部構造

如圖1所示，WorldSID假人頸部由上下頸部界面金屬板、中間橡膠頸部模型、前后左右緩沖塊組成。在安裝頸部的時候，頸部緩沖塊分為圓形截面和方形截面兩種類型。圓形截面的緩沖塊裝在左右兩邊各一塊，方形截面的緩沖塊裝在前后各一塊。圓形截面的緩沖塊一端為小型圓柱，另一端為蘑菇狀。蘑菇狀的末端必須在頸部裝配過程中與頸部界面金屬板壓緊，且末端需突出到金屬板平面上的沉孔里。圓形截面的緩沖塊具有三種不同硬度的型號，用標記紅色、黃色、藍色為強度遞增區分[2]，以調整WorldSID頸部在試驗過程中的彎曲響應性能。這一點在頸部標定的影響因素中也起到了重要的作用。

2 WorldSID假人頸部標定試驗準備

WorldSID頸部標定試驗準備與ES-2頸部標定相似。主要包括頭-頸部標定裝置、頸部擺錘、吸能蜂窩鋁、擺錘加速度傳感器、測速裝置、數據采集系統。

2.1 頭-頸部標定裝置

頭-頸部標定裝置主要用于保證WorldSID假人在試驗與標定過程中頭頸部狀態的一致性，所以裝置的質心和質量都得與頭型設計的相近。頭-頸部標定裝置如圖2所示，包括：頭部替代模塊、頸部、角度傳感器A、角度傳感器B、角度傳感器C、頸部力和力矩傳感器。

2.2 頸部擺錘

頸部擺錘主要用于承載頭-頸部裝置在沖擊端，在一定的高度釋放擺錘后與吸能蜂窩鋁沖擊以取得一定范圍內的頸部彎曲運動性能。頸部擺錘按照NHTSA CFR 572中要求設定[3]。擺錘詳細參數為：長度為1 835.2 mm，重量為29.6 kg，轉動慣量是33.2 kg·m2[4]。

2.3 吸能蜂窩鋁

當擺錘在一定的高度釋放以自由落體方式撞擊蜂窩鋁時，蜂窩鋁吸收能量從而產生變形，在短時間內使擺錘速度減至零。其特性必須滿足擺錘與蜂窩鋁緩沖到一定時間內的減速度要求。吸能蜂窩鋁參數要求：硬度為1.8 lb/cu.ft.，長度為76.2 mm。

2.4 擺錘加速度傳感器

擺錘加速度傳感器用于采集擺錘與蜂窩鋁作用過程中的加速度信號。加速度安裝在距離旋轉軸心1 657.4 mm的位置。

圖2　WorldSID頭-頸部標定裝置

2.5 測速裝置

測速裝置安裝在吸能蜂窩鋁安裝部位上方。測速裝置由發射端口和接收端口組成，發射端口平行發射出紅外光束，接收端口接收光束。擺錘沖擊面側安裝有弧狀格柵，在運動過程中間斷性地遮擋光束，根據兩次被遮擋的時間差以及格柵相鄰的距離，測速裝置能夠精確計算出實時速度。

2.6 數據采集系統

數據采集系統用于對標定過程中加速度信號、角度信號、力和力矩信號、擺錘速度信號的采集。對于各個傳感器的濾波按照ISO 6487或者SAE J211中要求執行，具體參數見表1。

3 WorldSID假人頸部標定試驗方法

3.1 試驗要求

3.1.1 擺錘運動要求

擺錘從開始拉升到釋放的時間間隔不超過5 min。

擺錘釋放后自由落體至接觸吸能蜂窩鋁的瞬間為采集零時刻，此時要求擺錘的速度在3.3～3.5 m/s之間。擺錘的速度曲線應滿足表2所示要求。

3.1.2 頸部運動要求

頸部的性能指標主要是考察擺錘接觸吸能蜂窩鋁之后頸部彎曲運動所反饋出來的彎曲角度、頸部彎矩。這些指標需要滿足表3中所示的作用區間。

表2　擺錘速度曲線要求

表3　頸部運動性能要求

在本文2.1節中提及的頭-頸部標定裝置上的角度傳感器A、角度傳感器B和角度傳感器C可直接反饋出ΘA、ΘB、ΘC的角度變化量。通過圖3所示的擺錘與頭-頸部標定裝置、頸部與頭部的相對運動幾何原理，可得出以下公式：

圖3　頸部彎曲角度測量方式

其中dΘA與dΘC是ΘA、ΘC的導數。

3.2 試驗過程

1）試驗前，需將頸部存放在溫度恒為18～22 ℃，濕度為10 %～70 %的環境下至少4 h。

2）兩次試驗的時間間隔必須保證在30 min以上。

3）首先檢查頸部是否有破裂損壞，橡膠與金屬部分配合是否正常。

4）分別調整頸部上下金屬平面半球體螺栓的扭矩至10 Nm。

5）將頸部安裝到頭-頸部標定裝置，用M6螺栓將上頸部與裝置緊固，下頸部與下頸部安裝底座也通過M6螺栓與擺錘連接。安裝完畢后，調整角度傳感器A、B、C的初始值至0 °。

6）將裁剪為20格的吸能蜂窩鋁固定至擺錘沖擊平面，并使用擺錘預撞擊其表面，保證其與擺錘接觸瞬間為平面。

7）利用小型電動吊機將擺錘提升至與地面成49 °角的傾斜高度后釋放，使之自由落體沖擊吸能蜂窩鋁。

3.3 試驗結果評價

通過3.2節中所述的WorldSID頸部擺錘試驗，數據采集系統對試驗過程中的速度、加速度、動量等信息進行提取。頸部標定達標的要求是采集的各項指標需要滿足3.1節中表2和表3的要求區間。

如果其中某些指標沒有達標，則就相關重要指標進行分析，從而得出調整的方法。

3.3.1 擺錘加速度

在擺錘高度一定的前提下，其在零時刻之后采集的加速度主要是與吸能蜂窩鋁作用產生的，也就是擺錘加速度用來檢驗吸能蜂窩鋁受沖擊的強度。所以通過能量守恒定律，可以得出：加速度過高，蜂窩鋁偏硬；加速度過低，蜂窩鋁偏軟。

蜂窩鋁過硬有可能是以下幾個因素造成：①蜂窩鋁裁剪格數過多；②蜂窩鋁橫向或豎向的安裝方式不對；③蜂窩鋁結構變形。針對以上三種影響因素，我們可以采取以下措施進行調整：①適當減少蜂窩鋁格數；②確保蜂窩鋁按照其六邊形紋路豎向安裝；③按要求存放蜂窩鋁，選擇無擠壓，無缺陷蜂窩鋁進行試驗。反之，蜂窩鋁偏軟的因素和調整方式也一樣。

3.3.2 頸部彎曲指標

頸部彎曲指標包括頸部扭矩、彎曲角度兩種性能，其實就是頸部本身的軟硬程度。頸部本身的軟硬程度主要由以下幾個要素決定：①頸部的新舊程度（頸部本身的橡膠材料）；②頸部緩沖塊的硬度；③標定環境溫度。如果頸部扭矩、彎曲角度在試驗后輸出結果偏高，無法通過標定，那我們可以進行如下幾種方式進行調整：①調低環境溫度；②更換頸部緩沖塊至低強度類型；③更換頸部總成。反之亦然。

4 結束語

本文介紹了WorldSID假人頸部的構造，對該假人頸部的標定試驗方法進行了詳細說明。總結出以下幾點內容：①WorldSID假人頸部構造復雜，需要用特定的頭-頸部裝置承載，與吸能蜂窩鋁、多個角度傳感器、測速裝置、數據采集系統緊密配合才能完成標定工作，使得頸部達到標準試驗狀態；②標定WorldSID假人頸部的試驗方法主要概括為擺錘沖擊蜂窩鋁以達到頸部產生彎曲形變的運動過程。其主要性能指標為頸部的彎曲能力；③影響頸部標定結果的兩個主要因素可歸結為吸能蜂窩鋁的硬度和頸部本體的強度。可通過調整吸能蜂窩鋁、頸部緩沖塊、環境溫度等重要參數，使得頸部達到標定所要求的標準狀態。

參考文獻：

[1] 李發宗, 李傳志. 汽車側面碰撞假人應用分析[J] . 汽車技術, 2007 (5): 21-32.

[2]W50-9900, User Manual WorldSID 50th [Z].

[3]顏燕,張龍,朱西產.汽車側面碰撞法規的研究與分析[J].上海汽車, 2005(12).

[4]吳時兵,曹立波.汽車側碰假人力學性能分析及其標定系統開發[D].長沙：湖南大學, 2007.

中圖分類號：U467.1+4

文獻標識碼：A

文章編號：1004-7204（2016）02-0051-04

作者簡介:

張毅 (1986－)，男(漢)，浙江，工程師。主要研究方向：安全碰撞試驗技術。

Research of WorldSID Dummy Neck Calibration Test Method

ZHANG Yi, SHANG En-yi, HAN Gang, ZHOU Da-yong, LIU Wei-guo
(Zhejiang Geely Automobile Institute Co. Ltd., Hangzhou 311228)

Abstract：TWorldSID dummy is a new updated side impact dummy. There are only several WorldSID dummies in China, so we know about it little. To improve the anthropologic capability of WorldSID dummy, we do the research of dummy neck calibration test method and the effect factor, and we indicate that the two main effect factors of neck calibration result are the rigidity of deformable honeycomb aluminium and the intensity of neck itself, the effect factors can be solved by adjusting the honeycomb aluminium and neck buffer.

Key words：WorldSID dummy; neck calibration; test method; effect factor