基于靜態沖擊的WorldSID與ES—2假人特性對比研究

劉玉云+岳鵬+鄭顥+歐陽俊+盧靜

摘 要：基于新的側面碰撞假人WorldSID與ES-2假人結構上的不同，為進一步研究兩種假人在性能上的差異，采用靜態沖擊的方法對兩種假人的肩部、胸部、腹部及盆骨的響應特性進行了對比分析。結果表明，WorldSID假人整體上的剛度比ES-2假人的剛度低。主要體現在當假人在y向承受相同的沖擊時，WorldSID假人受力更低，加速度更低，肋骨位移更大。在承受45°斜角沖擊時，WorldSID假人的胸部肋骨與ES-2假人胸部肋骨表現出明顯不同的特性，該工況下WorldSID假人肋骨位移比ES-2假人的肋骨位移小。

關鍵詞：側面碰撞；WorldSID；ES-2；靜態沖擊

中圖分類號：U461.91 文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.12

Abstract：Based on the structure differences between a new side impact dummy of WorldSID and ES-2， in order to further study the difference in performance between WorldSID and ES-2，the responses of the shoulder， thorax， abdomen and pelvis to static impact loading were compared for both dummies. The results show that the stiffness of the WorldSID dummy is lower than that of ES-2. Under the y-directional impact， the WorldSID exhibited lower force， lower acceleration and larger rib deflection. Under the 45° oblique impact， the rib deflection of the WorldSID dummy is lower than that of the ES-2 dummy.

Keywords：side impact； WorldSID； ES-2； static impact

據統計，全球發生的汽車事故中，側面碰撞約占30%，在全部的致人死亡或重傷的事故中，側碰約占35%。根據美國高速公路安全保險協會（IIHS）統計，2012年美國發生致人死亡或重傷的交通事故中，側面碰撞占比約為26%。歐洲的道路安全統計數據顯示，在歐洲發生的致人死亡或重傷的交通事故中，側面碰撞占比約為25%[1]。

正是由于側面碰撞的高發生率和高致死率，對側面碰撞中的乘員保護進行研究就顯得極為重要[2-3]。近年來，各國對汽車安全的重視程度越來越高，為了保證汽車的安全性能，制定了一系列的檢驗標準。同時，為了進一步鼓勵汽車廠商研發更加安全可靠的汽車，最先由美國制定的新車評價體系（NCAP），對汽車安全提出了更高的要求。這一評價體系相繼在全球各個國家和地區得到推廣。我國也建立了自己的新車評價體系（C-NCAP），為我國汽車安全性能的提高起到了重要作用。

然而，盡管各個國家和地區建立了一系列嚴苛的檢驗標準以保證車輛在發生事故時為乘員提供可靠的保護，但在這些嚴苛的檢驗中，被廣泛用于側面碰撞的ES-2試驗假人卻只有較低的生物仿真度。因此，迫切需要研發一種新的具有較高生物仿真度的假人，取代現有的試驗假人，以提高測試工作的有效性，進一步提高汽車的安全性能[4]。正是基于這種背景，在國際標準化組織的倡導下，研發出了新的側面碰撞假人WorldSID。相比于ES-2假人，WorldSID假人具有較高的生物仿真度，同時假人結構也更接近真實的人體。

當前WorldSID假人已投放市場，各類檢驗機構也開始對新的側碰WorldSID假人進行評估，各大汽車研發機構也迫切需要了解WorldSID假人與ES-2假人的差異，以及可能對新的汽車安全研發帶來的影響。因此，研究WorldSID假人與ES-2假人的差異以及它們在側面碰撞下的響應，對于汽車安全性能的開發具有重要意義。國內外學者都進行了相關的分析研究，比如同濟大學的李麗、朱西產等根據WorldSID假人的文獻資料，基于多剛體模型進行了對比研究，分析了WorldSID假人與ES-2假人在物理構造上的差異，并總結了這些差異可能帶來的影響[4]。中國汽車技術研究中心的劉磊等從假人的生物特性及損傷測量等試驗評價的角度進行了對比分析[5]。在國外，Iwata等對比分析了WorldSID假人和ES-2假人在側面柱碰撞試驗中的響應差異[6]。Kim等從生物仿真度的角度對WorldSID假人和ES-2假人進行了深入的對比[7]。

雖然已有不少學者進行了相關研究，但是對兩種假人各部位的損傷響應差異的研究還比較少。由于WorldSID假人比ES-2假人具有更高的生物仿真度，WorldSID假人的損傷更接近真實的人體損傷情況，因此，研究兩種假人在受到沖擊時的響應差異，對于研究更有效的側面碰撞約束系統有著重要的意義。

本文從關注損傷響應的角度，基于WorldSID假人和ES-2假人有限元模型，采用靜態沖擊的方法，研究兩種假人在相同碰撞條件下的損傷響應差異，為側面碰撞的保護提供參考。

1 假人結構的對比

為了分析WorldSID假人與ES-2假人的側面碰撞響應，首先需要了解兩種假人物理結構上的差異。從圖 1可以看出兩種假人在外形及內部結構上存在明顯差異，WorldSID假人的肩部、胸部、腹部都采用不同的設計[6]。由表 1可知，WorldSID假人胸部、腹部及盆骨的尺寸比ES-2假人略大[4，6]。

2 分析方案

作為基礎對比研究，分析兩種假人在承受相同側面沖擊時的響應，不考慮假人與車輛側面沖擊時相互作用的影響。利用整車或滑臺測試對假人進行整體分析無法排除車身側面結構或滑臺接觸面差異對假人的影響，也無法排除假人其它部位對分析部位的影響，所以選擇對假人的單個部位進行對比，包括假人肩部、胸部、腹部、及盆骨的響應。

基于上述分析目的，采用標準的沖擊標定方法是可行的對比方法。標準的標定方法是使用23.4 kg的標準擺錘以標準的速度沖擊假人的分析部位，分析該部位的響應。

WorldSID假人的脊柱不能獨立支撐軀干[8]，為了更真實地模擬實際情況，保證環境參數的一致性，在仿真中，兩種假人都被擺放在WorldSID的標準座椅上，如圖 2所示。

參考WroldSID假人的標定速度，選擇3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s的速度作為分析速度，根據整車試驗的經驗，3～6 m/s的速度區間能適應大部分整車試驗中車身側面的侵入速度。

在胸部肋骨位移響應分析中，考慮到在實際應用中，氣囊展開時會將手臂移開，因此分析中沒有考慮手臂對假人胸部的影響。為了模擬整車中氣囊從左后方向作用于假人的效果，增加左后45°斜角的沖擊對比。分析見表 2。

3 結果分析

3.1 肩部受力

在假人肩部受力分析中，手臂受到沖擊時會擠壓假人胸部的第一根肋骨，對胸部第一根肋骨的影響很關鍵，因此，在肩部受力分析時，選擇肩部受力及胸部上肋骨的位移量Du作對比，分析兩種假人的差異。

假人在不同速度沖擊下的左肩y向受力Fy如圖3所示。結果顯示，在相同的沖擊速度下，WorldSID假人的肩部受力低于ES-2假人的肩部受力，沖擊速度越高差別越明顯。造成這種結果的原因可能是由于WorldSID假人的胸部剛度比ES-2假人低。

由圖 4可知，WorldSID假人肩部在不同速度的沖擊下x向基本不受力，但ES-2假人肩部的x向受力Fx隨沖擊速度的增加而明顯增加。造成這種差異的原因在于兩種假人具有不同的肩部結構。如圖 5和圖 6所示[8-9]，WorldSID假人的肩部結構前后對稱，在受到y向沖擊時，容易保持穩定，ES-2假人弧形的肩部結構導致假人在受到y向沖擊時不穩定，容易向假人前方滑動，導致肩部x向受力增加。

圖 7是假人胸部上肋骨位移圖，從圖中可以看出WorldSID假人的上肋骨位移Du要明顯高于ES-2假人的上肋骨位移。結合肩部受力分析，造成這一結果的原因可能是WorldSID假人的肩部較ES-2手臂軟，在受到相同的沖擊時，肩部的變形較大，手臂對下端肋骨的擠壓增加。同時，ES-2假人的肩部在受到y向沖擊時，肩部有向前移動的趨勢，帶動手臂向前運動， 導致手臂對肋骨的擠壓減小。

3.2 胸部位移

對兩種假人的胸部肋骨進行靜態沖擊，上、中、下肋骨位移Du、Dm、Dl如圖 8、圖 9和圖 10所示。

仿真結果表明，在相同的沖擊下，WorldSID假人的肋骨位移整體都高于ES-2假人的肋骨位移，速度越高差別越明顯。造成這一區別的原因可能是WorldSID假人的胸部肋骨結構剛度較ES-2假人的胸部肋骨結構剛度低。

3.3 胸部肋骨的補充分析

為了對比兩種假人胸部肋骨在斜角沖擊下的表現，增加左斜后方45°角的沖擊分析，如圖 11所示。

由于篇幅有限，只列出第二肋骨（中肋骨）不同速度下的位移變化，如圖 12所示。由圖可知，ES-2假人的肋骨位移明顯高于WorldSID假人的胸部位移，且WorldSID假人的肋骨位移保持在較低水平。造成這種差異的原因在于兩者不同的胸部肋骨結構（圖 1），ES-2假人在受到沖擊時肋骨形狀不變，但WorldSID假人的環形結構導致在受到斜向沖擊時，肋骨環形結構被壓成橢圓且容易繞脊柱轉動。因此，WorldSID假人的肋骨位移低于ES-2假人，且明顯低于y向沖擊的肋骨位移（圖 9、圖 12）。

3.4 腹部受力

對兩種假人的腹部進行靜態沖擊，由于兩種假人胸部的評價指標不同，在對比分析中，為保證兩者的一致性，提取兩種假人都有且位置相近的力Fl和加速度al作對比。分別選取兩者的腰椎力， WorldSID T12的加速度，ES-2脊柱下端的加速度。仿真結果如圖 13和圖 14所示。

圖 13中，ES-2假人的加速度上升斜率較World-SID假人的大，說明WorldSID假人腹部區域的剛度較ES-2假人的腹部剛度低。圖 14中，假人的腰椎力在低速沖擊時，WorldSID假人的y向剪切力大于ES-2假人。這種現象可能是由兩種假人的腹部結構差異造成，WorldSID假人上軀干相對盆骨運動更靈活。

如圖 15所示，側面沖擊腹部時，WorldSID假人的盆骨基本不在沖擊范圍內，沖擊假人腹部，腹部與盆骨的相對運動劇烈，腰椎受力較大。但ES-2假人的盆骨一部分位于腹部沖擊區域內，造成在腹部沖擊時，ES-2假人的盆骨伴隨腹部整體移動，假人的上軀干與盆骨的y向相對運動強度減弱，受力較低。這一點從腹部沖擊分析中，兩種假人的盆骨加速度ap變化可以得到驗證，如圖 16所示。在腹部沖擊分析中，WorldSID假人盆骨加速度要明顯低于ES-2假人的盆骨加速度。

3.5 盆骨受力

分別對兩種假人的盆骨進行靜態沖擊，仿真結果如圖 17和圖 18所示。在相同速度沖擊下，WorldSID假人恥骨力Fi及盆骨加速度ap均低于ES-2假人。這表明在側面沖擊下，WorldSID假人表現出的盆骨整體剛度低于ES-2假人， WorldSID假人的損傷也會低于ES-2假人。

4 結論

采用靜態沖擊的方法，對WorldSID與ES-2兩種側面碰撞假人的特性進行了對比分析，通過對比假人的肩部、胸部、腹部及盆骨的受力、位移及加速度變化，得出以下結論。

（1）WorldSID假人整體剛度較ES-2假人的剛度低，具體表現在承受相同沖擊時，受力降低，變形增加。

（2）相比ES-2假人，WorldSID假人的肩部在受到側面沖擊時，更容易保持穩定，但也更容易對上肋骨造成擠壓。

（3）WorldSID假人與ES-2假人在承受45°斜角沖擊時表現出明顯不同的特性，WorldSID假人肋骨容易發生偏轉，肋骨位移有明顯的降低。

參考文獻（References）：

MCNEILL A，HABERL J，HOLZNER M，et al. Current Wordwide Side Impact Activities-Divergence Versus Harmonisation and the Possible Effect on Future Car Design[C]//Proceedings of the 19th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles（ESV），June 6-9，2005，Washington DC，USA. [S.l.]：[s.n.]，c2005：5-77.

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