HybridⅢ50 th假人胸部標定試驗影響因素的研究

潘浩坤，熊銳，胡德卿，謝火志

（廣東工業大學，廣東 廣州 510006）

前言

在交通事故中，人體胸部傷害是導致司乘人員受傷和死亡的主要原因之一[1]。碰撞假人作為汽車安全性能的重要評價工具，在最初投入使用和使用一段時間后都需要進行標定，以驗證假人各方面性能指標是否符合規定要求[2]。胸部標定是碰撞假人整套標定程序的一部分，對所獲得的相關汽車碰撞試驗數據的正確性有重要的影響作用。雖然假人標定程序中對標定環境與操作要求已做出嚴格標示，但從實際試驗的觀察中可看出，如假人肋骨溫度的控制、標定時間間隔和假人在剛性平面上的安放等步驟均可能導致影響標定結果的情況出現。通過閱讀文獻可知擺錘撞擊速度和肋骨溫度與胸部峰值壓縮量成正比，擺錘打擊點的向上偏移會使得胸部壓縮量減小，而其向下偏移會使壓縮量增大[3-5]。但上述文獻尚未對各影響因素帶來的影響做出比較，本文將嘗試從實際標定情況出發，就標定時間間隔、肋骨溫度、擺錘撞擊速度和打擊點的橫向偏移各自對標定結果的影響設計試驗，以期了解各影響因素對標定結果的影響。

1 試驗系統

假人胸部標定系統主要由胸部標定試驗臺、試驗假人、沖擊擺錘、傳感器、數據采集器和專用電腦組成。如圖1所示，實驗時需要完整裝配的假人，假人需穿著衣服和褲子但不能穿鞋子。標定設備包括一個光滑、整潔和干燥的剛性平面和一個沖擊擺錘。擺錘是一個直徑為152.4mm的剛性圓柱狀物，其重量為23.36kg，擺錘撞擊面為一平面，撞擊面與圓柱面之間為圓角過度，撞擊面的對立面安裝有一個加速度傳感器，該傳感器的敏感軸與擺錘的縱向中心軸共線，擺錘上還安裝有用于測量擺錘撞擊速度的光柵。胸部位移傳感器安裝于腰椎與脊柱交接處的安裝位，其連接拉桿測量端安裝于胸骨滑槽處。數據采集器是標定試驗中數據采集的核心部分，主要對被側信號進行放大、濾波、模數轉換并把信號送入計算機。專用電腦通過數采軟件將信號根據不同要求進行各種數學運算與顯示。

圖1 Hybrid III 50百分位假人胸部標定示意圖[6]

在標定結果的評價方面，對于假人響應值的限制為胸部最大反作用力（Max Resistive Force，由擺錘上加速度傳感器所測得的最大加速度與擺錘質量相乘所得）、胸部峰值壓縮量（Peak Chest Deflection，胸骨沿碰撞時沖擊擺錘的縱向中心線相對于胸椎的水平方向偏移[7]）和遲滯率（Hysteresis，遲滯引起的能耗與加載過程所做的功的比值[8]）。

2 試驗方法

本文使用同一試驗假人，依據CFR Part 572 Subpart E[6]給出的標定要求，以一次能通過胸部標定試驗的假人姿勢和假人空間位置為原始的參考狀態，就標定時間間隔、肋骨溫度、擺錘撞擊速度和打擊點橫向（即如圖2所示的假人坐標系Y向）偏移對標定結果的影響以控制變量法進行單一變量試驗。

圖2 假人坐標系[6]

2.1 標定時間間隔

假人皮膚的制作材料為具有粘彈性的聚乙烯基材料，肋骨由彈性鋼板和粘彈性材料組成。而具有粘彈特性的材料不僅具有彈性，而且內部具有摩擦，一部分功在應力被移除后由于摩擦效應而轉化為熱能損失掉，使得外力作用的形變功不等于恢復功，出現遲滯現象，最終導致材料的發熱并影響材料的力學性能。標定時間間隔即兩次標定試驗之間的間隔時間，充足的間隔能使各材料充分松弛和釋放前一次試驗中的沖擊能量以使其恢復到原來狀態，讓標定結果反映出假人真實狀態。

表1 間隔時間為30分鐘的標定結果

本次試驗選擇以30和45分鐘為間隔的標定結果（如表1和表2所示）為比較量，對比可見，隨著間隔時間的增大，胸部峰值壓縮量和遲滯率由30分鐘間隔的1.3%和1.2%的變化幅度縮減至45分鐘間隔的0.3%和0.03%，胸部剛度（胸部最大反作用力與胸部峰值壓縮量之比[9]）由0.7%的變化幅度縮減為 0.1%，胸部最大反作用力由 0.6%的變化幅度縮減為 0.2%。由試驗結果的比較可知，30分鐘間隔的假人胸部已較好地釋放第一次碰撞的沖擊能量，這與標定程序規定的至少30分鐘的標定間隔要求相符，且隨著間隔時間的增大，假人的狀態將更適合于連續試驗。

表2 間隔時間為45分鐘的標定結果

2.2 肋骨溫度

假人肋骨能模擬人體胸部在沖擊載荷下的固有遲滯損失。但肋骨材料對溫度較為敏感，會因溫度的變化而影響肋骨在受沖擊時的整體剛度[10]。肋骨溫度通過環境溫度來調節，所以按照標定程序，假人需在設定環境中靜置4小時以上，以確保肋骨溫度穩定至所需溫度。

本文將擴大溫度變化范圍，將假人分別浸泡于設定的溫度環境中4小時，進行連續變溫試驗，以觀察標定結果隨溫度改變的變化趨勢。通過觀察表3所示的標定結果可知胸部峰值壓縮量隨溫度的上升而增大，遲滯率隨溫度的上升而下降，胸部剛度隨溫度的上升呈下降趨勢，胸部最大反作用力隨溫度的升高而減小。

表3 連續變溫試驗結果

2.3 擺錘撞擊速度

標定程序中規定發生碰撞時的擺錘速度為 6.59m/s～6.83 m/s，試驗中的擺錘以單擺運動的形式布置，假人安放于擺錘運動的最低點，擺錘撞擊速度由擺錘的釋放高度來控制。由能量守恒定律可列出式1作為撞擊速度的估算值以提高試驗效率。

式中，v為撞擊速度；g為重力加速度；Δh為擺錘撞擊點與釋放點間的高度差。

表4 連續變速試驗標定結果

試驗通過對同一標定條件下的連續變速試驗來觀察標定結果與擺錘撞擊速度間的關系，連續試驗時間間隔采取 45分鐘以提高效率。對如表4所示試驗結果的觀察可知，隨著釋放高度的增加，擺錘速度亦隨之增大。隨著碰撞能量的增大，胸部最大反作用力、胸部峰值壓縮量和遲滯率均出現隨之增大的趨勢。而胸部剛度則隨撞擊速度的增大而減小。

2.4 打擊點橫向偏移

假人在撞擊前需要先移除胸部皮膚，以使假人和設備調整至規定狀態。待調整完畢后需把胸部皮膚穿上，并復原如盆骨角度、頸部角度和假人中心對稱面的豎直狀態等先前確定的假人姿勢和位置參數。但在穿上胸部皮膚后，由于皮膚的遮蓋，假人肋骨特征已不明顯，這會使得擺錘縱向軸線較難對準假人中心對稱平面，從而較易出現打擊點橫向偏移的情況。而在豎直方向上（假人坐標系 Z向），由于試驗平面在調節后相對固定，待假人狀態復原后則不易出現打擊點在豎直方向上的偏移。針對標定試驗中的實際情況，本文以打擊點在水平方向上的偏移量為變量設計試驗，又因假人在結構上為左右對稱，則本文僅對一側打擊點偏移的情況進行標定試驗。

通過對表5標定結果的觀察可知，隨著擺錘打擊點偏離中心對稱面的距離的增大，胸部最大反作用力和計算所得的胸部剛度隨之增大，而胸部峰值壓縮量和遲滯率則有隨之減小的趨勢。如圖3所示，由于假人肋骨為一籠形對稱結構，打擊點的偏移會導致一側的肋骨成為主要受力部件。因而胸部剛度的增大，一方面可能是由于肋骨的粘彈性材料在肋骨上并非等厚度分布，隨著打擊點橫向偏移的增大，打擊點會向厚度大的位置移動，而材料厚度的增加導致了肋骨剛度的增大[11]；另一方面可能是由于胸部位移傳感器連接拉桿的測量端位于胸骨滑槽處，若把主要受力肋骨的承受撞擊段看做懸臂梁，如圖4所示，打擊點的偏移會使受力點遠離測量點所處的懸臂梁自由端，即受力點往x減小的方向移動，導致自由端撓度值的減小，造成計算得出的胸部剛度值的增大。

表5 打擊點橫向偏移連續標定結果

圖3 假人肋骨結構

圖4 肋骨撞擊面簡化受力模型示意圖

3 數據處理

從多次標定的結果及以往標定經歷可以看出，胸部標定結果中的胸部最大反作用力和峰值壓縮量是較易出現超限值情況的，而遲滯率則相較于前面兩者要容易落于限值范圍內。以上述肋骨溫度、擺錘撞擊速度和打擊點橫向偏移三種影響因素為自變量，最大反作用力、峰值壓縮量和遲滯率為因變量，可以得出各自的經驗公式，如表6所示。對表6內的公式求一階導數可得各影響因素對標定結果造成的變化率，擺錘撞擊速度對標定結果的影響為三者中最大，肋骨溫度的影響居中，打擊點橫向偏移為最小。

表6 各影響因素與標定結果間的經驗公式

4 結論

本文就標定時間間隔、肋骨溫度、擺錘撞擊速度和打擊點橫向偏移對現行法規中的 50百分位假人胸部標定結果的影響進行單變量試驗，得出如下結論。

（1）在標定過程中，由于實際操作的種種原因，難免出現標定不通過而需要重新標定的情況。但由于假人需要一定的時間來釋放在上一次標定中所吸收的沖擊能量，因而間隔時間不能太短。盡管標定程序中的30分鐘間隔已能使標定結果的變化量控制在 1%左右，但更長的間隔時間無疑更有利于假人恢復至原始狀態而使標定結果更為準確。

（2）肋骨溫度由假人所處的環境溫度來控制，是標定過程的大前提，穩定的溫度有利于獲得穩定的肋骨力學性能。隨著肋骨溫度的提升，胸部峰值壓縮量隨之增大，胸部最大反作用力、胸部整體剛度和遲滯率均呈下降趨勢。

（3）擺錘撞擊速度由擺錘的釋放高度來控制，主要影響撞擊能量。隨著速度的提高，碰撞能量會增大，胸部最大反作用力、胸部峰值壓縮量和遲滯率均出現隨之增大的趨勢，胸部剛度隨撞擊速度的增大而減小。撞擊速度對標定結果影響較大，在標定的過程中應對釋放高度做好記錄，以縮減各次標定中的撞擊能量的差異。

（4）打擊點橫向偏移是試驗中較易出現的情況。由于偏移后的打擊位置會落于肋骨材料較厚和不易變形的位置，導致胸部最大反作用力隨偏移量的增大而增大，胸部峰值壓縮量隨偏移量的增大而減小，計算所得的胸部剛度隨之增大。遲滯率隨偏移量的增大呈減小的趨勢。記錄假人的空間位置，減小打擊點的偏移有利于提高標定結果的準確性。

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