正面碰撞試驗中Q3假人胸部加速度異常問題研究

商恩義 周大永 李月明 張毅

（浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江省汽車安全技術(shù)研究重點實驗室，杭州 311228）

主題詞：汽車被動安全 Q3假人 胸部加速度 胸部結(jié)構(gòu)

1 前言

當(dāng)前，東盟新車評價規(guī)程（New Car Assessment Program for Southeast Asian Countries，ASEAN NCAP）[1]針對其指定的正面偏置碰撞試驗規(guī)定，通過兒童約束系統(tǒng)（兒童座椅）在后排座椅上安裝Q3 假人。試驗后，對兒童頭部、頸部和胸部的傷害進行評價。ASEAN NCAP針對假人胸部的評價指標為累積3 ms合成加速度不超過50g（g為重力加速度），則該部位滿分，若不小于66g，則該部位零分。隨著ASEAN NCAP 試驗在國內(nèi)的陸續(xù)開展，越來越多的碰撞試驗室數(shù)據(jù)采集人員反映，在正面偏置碰撞試驗中，Q3 胸部加速度曲線經(jīng)常出現(xiàn)異常尖峰，但通過排查傳感器、采集系統(tǒng)等相關(guān)儀器、計量器具，又可確認數(shù)據(jù)真實有效，因此，只能將該尖峰參與評價，而異常尖峰參與評價后常導(dǎo)致胸部失分。事實上，Q3假人置于兒童座椅上，通過背式安全帶固定，碰撞中向前運動不會與外部發(fā)生接觸，背式安全帶的作用是平順的，加速度不會產(chǎn)生異常尖峰，對于由此導(dǎo)致的評價失分，開發(fā)人員往往不能接受。基于此，有必要對Q3假人胸部加速度曲線產(chǎn)生異常尖峰的原因進行深入研究。

2 胸部加速度曲線異常狀態(tài)

建立假人坐標系：x向為前后方向，向前為正；y向為左右方向，向右為正；z向為上下方向，向下為正[2]。

某車型進行了ASEAN NCAP 正面偏置碰撞試驗T01。試驗后，Q3 假人胸部加速度曲線如圖1 所示，曲線上存在明顯尖峰。

圖1a 中，胸部合成加速度最大值達到87g，其累積3 ms 合成加速度達到66.6g，根據(jù)ASEAN NCAP 評價規(guī)則，得分為0 分，而其原因為第104 ms 的加速度尖峰。分析圖1b，可以確認合成加速度的異常尖峰主要來源于胸部x向加速度ax。

圖1 Q3假人胸部加速度曲線

3 胸部加速度異常尖峰原因研究

3.1 車身加速度影響確認

碰撞過程中，假人運動加速度信號受車身碰撞信號影響較大，首先確認車身信號是否存在影響。ax與車身右B柱下部x向加速度的對比如圖2所示，在第95 ms和第104 ms 前后，Q3 假人出現(xiàn)了2 個尖峰，而此時車身B柱下部x向加速度曲線比較平緩，且很快處于歸零狀態(tài)。因此，可以確認Q3 假人胸部加速度異常尖峰與車身加速度變化無關(guān)。

圖2 Q3假人胸部與車身右B柱下部x向加速度對比

3.2 假人運動過程分析

分析T01 試驗中Q3 假人的運動過程，截取第80～120 ms 部分錄像如圖3 所示。圖3 清晰地反映出在Q3假人向前運動過程中，假人胸部只受背式安全帶約束，頭部與胸部均未與外界發(fā)生任何瞬間接觸。圖3d直觀地反映出下頜接觸了胸部，圖3f 與圖3d 對比則反映出頭部以下頜與胸部接觸點為支點發(fā)生了轉(zhuǎn)動。但下頜與胸部碰撞，及頭部的轉(zhuǎn)動是否會導(dǎo)致ax產(chǎn)生尖峰，則需要進一步研究。

圖3 Q3假人運動姿態(tài)（錄像截屏）

3.3 假人胸部和頭部相對關(guān)系研究

向前下方推壓Q3假人頭部，如圖4所示，確認假人下頜與胸部的接觸位置及其內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)。圖4a顯示，假人下頜與胸部的接觸位置在假人胸部上端邊沿處。圖4b 中，Q3 假人胸部上端邊沿由硬尼龍材料的Y型支架固定在硬尼龍材料板上，外套由較厚的馬夾組成，為階梯結(jié)構(gòu)，受壓后應(yīng)具有彈性[3]。因此，初步確認碰撞過程中可能出現(xiàn)的情況為：下頜撞擊到胸部，沿胸部上端皮膚下壓，隨著碰撞的進行，頭部以下頜接觸點為支點向前翻轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致下頜尖部從馬夾上端滑下Y型支架，下滑過程中，導(dǎo)致ax產(chǎn)生尖峰。

3.4 準靜態(tài)試驗研究

為了確認Q3 假人胸部具有彈性，及下頜撞擊會產(chǎn)生明顯反應(yīng)，對Q3假人進行準靜態(tài)試驗。

圖4 假人下頜與胸部的相對關(guān)系

3.4.1 按壓試驗

如圖5所示，對Q3假人胸部進行快速下壓、快速釋放的按壓試驗，采集到的ax曲線如圖6所示。圖6中，ax曲線存在明顯的因沖壓產(chǎn)生的振蕩，表明胸部具有較高彈性。

圖5 胸部沖壓試驗

圖6 胸部按壓試驗ax曲線

3.4.2 前壓頭部試驗

快速向前下方推壓Q3 假人頭部，下頜與胸部發(fā)生接觸后立即釋放。試驗中采集頭部和胸部的x向和z向加速度，如圖7所示。假人頭部x向和z向加速度分別用axh和azh表示，采集到的加速度曲線如圖8 所示。圖8中，4條曲線變化同步，azh與ax在幅值上具有明顯的關(guān)聯(lián)性，即碰撞過程中主要為頭部的z向撞擊胸部x向。隨著按壓釋放，加速度曲線均產(chǎn)生回彈震蕩現(xiàn)象，該結(jié)果表明試驗中Q3 假人下頜撞到胸部，撞擊過程中胸部ax曲線產(chǎn)生沖擊。

從水的動蕩程度和生物生長環(huán)境來看，鮞粒形成的環(huán)境應(yīng)為潮間帶到潮下帶[17]。從鮞粒近圓狀的形態(tài)判斷，其沉積環(huán)境的穩(wěn)定程度較高。但是生物成因的鮞層并沒有一直延續(xù)下去，富藻層越來越薄，以至于難以分辨，導(dǎo)致微生物消亡的具體環(huán)境因素的變化有待研究。

圖7 前壓頭部

圖8 頭部與胸部加速度對比

3.5 假人頭部與頸部的運動關(guān)聯(lián)性研究

在正面偏置碰撞試驗中，對于Q3假人，通常要采集頭部3個方向的加速度以及頸部與頭部相連位置3個方向的力。相關(guān)研究表明[4]，對于此種結(jié)構(gòu)，在頭部與外部沒有發(fā)生接觸的情況下，頭部加速度由頸部約束作用產(chǎn)生。在頭部與外部（包含假人身體）發(fā)生碰撞的情況下，正面碰撞中y向所受外力較小不予考慮，則頭部x向和z向所受到的外力Fxo、Fzo分別為[4]：

式中，m=2.54 kg為Q3假人頭部質(zhì)量；Fx為頸部x向剪切力；Fz為頸部z向張力。

利用Fxo、Fzo可以分析假人下頜與胸部的碰撞過程，確認胸部ax異常尖峰的產(chǎn)生與下頜撞擊之間的關(guān)系。

3.5.1 頭部外力求解

T01 試驗中，Q3 假人頭部x向和z向加速度曲線如圖9所示，頸部x向剪切力和z向張力曲線如圖10所示，依據(jù)式（1）和式（2）求得頭部所受外力，如圖11所示。

圖9 頭部加速度曲線

圖11中，F(xiàn)xo和Fzo曲線在變化過程均為負值，表明x向外力由前向后，z向外力由下向上，即假人頭部所受外力來自于頭部前下方。在約第100 ms前，2個力同步下降，表明此時作用合力方向與x軸和z軸夾角均成45°左右。在約第100 ms 發(fā)生突變之后，F(xiàn)xo開始增大，F(xiàn)zo突變下降后近似水平，表明此時作用合力方向向垂直于面部方向發(fā)展。整個碰撞過程中，F(xiàn)xo和Fzo最大值均達到1 kN左右。

圖10 頸部力

圖11 頭部外力曲線

3.5.2 頭部外力與胸部x向加速度對應(yīng)分析

將ax與Fxo和Fzo基于時域繪于同一圖中，如圖12所示。依據(jù)假人ax曲線為負和az曲線為正，以及ax和az幅值大小關(guān)系，推導(dǎo)出胸部受力Fx和Fz曲線的方向及大小關(guān)系如圖13 所示。綜合圖3d、3f、圖4b 和圖13，分析圖12 中曲線產(chǎn)生尖峰的原因為：約第80 ms 時，下頜尖部與胸部接觸，接觸點為胸部上端邊沿，F(xiàn)xo和Fzo開始產(chǎn)生，ax開始產(chǎn)生波動，胸腔上端受壓后發(fā)生彈性變形；約第95 ms 時，伴隨頭部轉(zhuǎn)動，下頜尖部從胸部皮膚向胸腔上沿滑入，胸部產(chǎn)生回彈震蕩，伴隨下頜尖部下滑至Y型支架上端并被支撐，頭部質(zhì)心以下頜接觸點為支點向前繼續(xù)轉(zhuǎn)動擠壓，促使Fxo和Fzo增速加快；約第102 ms時，對比圖3d 和圖3f，伴隨頭部轉(zhuǎn)動，面部與胸部前端面夾角減小，下頜尖部突然失去Y型支架支撐滑入胸部上腔，該失穩(wěn)過程導(dǎo)致Fxo和Fzo瞬間泄荷，ax產(chǎn)生尖峰，隨后隨著下頜前端被支架托住，頭部正面向胸部后下方翻轉(zhuǎn)擠壓，F(xiàn)xo和ax繼續(xù)增大，F(xiàn)zo近似不變。

圖12 ax與頭部外力基于時域的比較

圖13 假人頭部和胸部受力示意

通過上述分析，可以確認胸部加速度曲線中的突變是下頜撞擊胸部過程中發(fā)生的下頜尖部從皮膚滑到Y(jié)型支架及從該支架滑入胸腔上部產(chǎn)生的2 次沖擊所至。

4 Q3假人與Q6假人對比分析

Q6假人在試驗中從未發(fā)生過胸部加速度產(chǎn)生異常尖峰的問題，拆解Q6 假人胸部上端結(jié)構(gòu)如圖14 所示。從圖14b 中可以看出，Q6 假人胸部上端結(jié)構(gòu)與Q3 假人胸部上端結(jié)構(gòu)相近，也是由硬尼龍構(gòu)成的Y型框架。但與Q3假人不同的是，Q6假人胸部上端并未直接覆蓋馬夾，而是存在如圖14a所示的能夠覆蓋頸部和胸部的部件，該結(jié)構(gòu)有效避免了下頜與胸部發(fā)生碰撞后滑入胸部上端產(chǎn)生沖擊的可能性。

圖14 Q6假人胸部結(jié)構(gòu)

與Q6假人結(jié)構(gòu)對比分析，可以進一步確認Q3假人胸部結(jié)構(gòu)存在不足，在某些試驗中，可能造成試驗數(shù)據(jù)無法真實反映碰撞過程中Q3 假人胸部傷害情況，進而造成評價發(fā)生誤判。

5 結(jié)束語

本文通過靜壓試驗研究及對某次正面偏置碰撞試驗中Q3假人胸部數(shù)據(jù)與頭部、頸部數(shù)據(jù)的綜合分析，指出Q3 假人胸部上沿階梯式結(jié)構(gòu)存在設(shè)計缺陷，在碰撞過程中會造成假人下頜尖部與胸部發(fā)生相對滑動，對胸部造成2 次沖擊，導(dǎo)致胸部加速度曲線產(chǎn)生異常尖峰，因此，在針對當(dāng)前Q3假人胸部進行評價時，建議對加速度曲線上的異常部分進行忽略處理。從長遠角度考慮，建議Q3假人胸部上端結(jié)構(gòu)參照Q6假人結(jié)構(gòu)進行完善。