THOR假人胸部IR-TRACC傳感器響應(yīng)特性研究

段丙旭　張長(zhǎng)江　張斌　仲衍慧　徐剛

摘 要：本文對(duì)THOR與Hybrid III假人胸部響應(yīng)特性進(jìn)行分析，基于THOR假人胸部標(biāo)定程序，對(duì)比THOR與Hybrid III假人在相同擺錘速度工況下的胸部響應(yīng)，表明THOR假人的胸部IR-TRACC傳感器較Hybrid III假人胸部傳感器響應(yīng)更靈敏和更迅速，且THOR假人的胸部IR-TRACC傳感器受力的作用位置的影響更加明顯。選取某SUV車型進(jìn)行THOR與Hybrid III假人的滑臺(tái)比對(duì)試驗(yàn)，THOR假人胸部位移量要大于Hybrid III假人，且THOR假人胸部位移響應(yīng)時(shí)刻早于Hybrid III假人，表明THOR假人胸部IRTRACC傳感器較Hybrid III假人胸部響應(yīng)更靈敏更迅速。

關(guān)鍵詞：THOR假人;Hybrid III假人;胸部響應(yīng);IR-TRACC傳感器

1 前言

新一代假人THOR除具有與真人一樣的外形外，內(nèi)部還設(shè)計(jì)了復(fù)雜的脊柱、肋骨和先進(jìn)的合成肌肉。最重要的是，其全身布滿了各種各樣的傳感器，用于測(cè)試各部位的碰撞響應(yīng)數(shù)據(jù)。THOR假人在結(jié)構(gòu)上發(fā)生重大變化，能定量地、精確地測(cè)試出人體某部位所受沖擊載荷的大小，從而更能準(zhǔn)確表征交通事故中乘員傷害情況[1-4]，為汽車碰撞試驗(yàn)研究提供了更科學(xué)的依據(jù)。Euro NCAP 將于2020年推出的MPDB測(cè)試項(xiàng)目中將THOR假人的傷害指標(biāo)納入乘員保護(hù)評(píng)價(jià)體系，U.S.NCAP也規(guī)劃了完全重疊正碰和OMDB測(cè)試項(xiàng)目將THOR假人的傷害指標(biāo)納入乘員保護(hù)評(píng)價(jià)體系，可見THOR假人損傷指標(biāo)將逐步成為各國新車評(píng)價(jià)規(guī)程中評(píng)價(jià)汽車碰撞安全性的重要指標(biāo)，其應(yīng)用范圍將逐步擴(kuò)大。

THOR假人性能較Hybrid III假人有大幅度提升，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，生物仿真度更高。THOR假人脊柱與Hybrid III假人剛性脊柱相比有一段橡膠結(jié)構(gòu)，更符合真實(shí)的人體結(jié)構(gòu)，胸部肋骨并非類似于Hybrid III假人垂直于脊柱的結(jié)構(gòu)而是胸部肋骨垂直向下，與真實(shí)的人體結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，并且胸部有4個(gè)3D IR-TRACC（InfraRed Telescoping Rod for Assessment of Chest Compression）傳感器，分別位于THOR假人左上胸部、右上胸部、左下胸部、右下胸部位置，用于測(cè)量假人各個(gè)部位肋骨的變形量，而Hybrid III假人在胸部?jī)H有一根位移傳感器，在碰撞試驗(yàn)中僅能測(cè)量胸部單一位置的壓縮量。設(shè)計(jì)THOR假人的胸腔（胸部肋骨）目的在于模仿人體特征，相較于Hybrid III型假人，THOR假人不僅在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面具有較大改進(jìn)，而且在動(dòng)態(tài)測(cè)試條件下生物保真性也有了極大的改進(jìn)。

關(guān)于碰撞假人的胸部響應(yīng)特性，國內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，NHTSA（National Highway Traffic Safety Administration）的Stephen A. Ridella等通過有限元仿真方法分析THOR假人與Hybrid III假人在翻滾工況下的響應(yīng)變化[5-7]。IIHS（The Insurance Institute for Highway Safety）的Mueller Becky C通過試驗(yàn)的方法研究了在小偏置重疊試驗(yàn)中Hybrid III與THOR兩個(gè)碰撞假人的乘員傷害風(fēng)險(xiǎn)[8]。卓鵬通過試驗(yàn)和仿真手段研究了安全帶與氣囊的參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)Hybrid III假人胸部變形量的影響[9]。商恩義等研究座椅坐墊后端剛度對(duì)正面偏置碰撞試驗(yàn)中Hybrid III假人假人胸部性能的影響[10]，彭路等通過仿真分析方法研究了整車約束系統(tǒng)及安全帶的佩戴位置對(duì)Hybrid III假人胸部壓縮量的影響[11]。針對(duì)THOR假人的胸部響應(yīng)特性研究較少，本文主要研究碰撞試驗(yàn)中THOR與Hybrid III假人因結(jié)構(gòu)差異引起的假人胸部響應(yīng)特性差異，對(duì)兩種假人胸部響應(yīng)特性進(jìn)行對(duì)比分析。

2 THOR假人胸部位移計(jì)算

THOR假人胸部裝有4個(gè)3D IR-TRACC傳感器，每一個(gè)3D IR-TRACC傳感器具備1個(gè)線性伸縮量測(cè)量部分，和2個(gè)旋轉(zhuǎn)電位器測(cè)量Y和Z方向的角度。4個(gè)胸部3D IR-TRACC傳感器具有相似的設(shè)計(jì)，左右位置和上下位置是鏡像結(jié)構(gòu)，如圖1所示。設(shè)計(jì)成鏡像的原因是假人胸腹腔的空間有限，并確保3D IR-TRACC傳感器有足夠的運(yùn)動(dòng)范圍并且避免機(jī)械接觸。

以THOR假人左側(cè)上胸部（簡(jiǎn)稱“左上”）3D IR-TRACC計(jì)算算法說明，在計(jì)算算法中，左上IR-TRACC的坐標(biāo)系如圖2和圖3所示。下標(biāo)“s”表示脊柱坐標(biāo)系（稱為坐標(biāo)系S），Zs平行于脊椎長(zhǎng)軸。下標(biāo)“t”代表IR-TRACC坐標(biāo)系（稱為坐標(biāo)系T），其中Zt與Zs電位計(jì)軸對(duì)齊。下面列出了圖2和圖3中的符號(hào)：Os，Xs，Ys，Zs 為 脊柱坐標(biāo)系;Ot，Xt，Yt，Zt 為IR-TRACC坐標(biāo)系。

在3D IR-TRACC偏轉(zhuǎn)計(jì)算中，需要傳感器的兩個(gè)樞軸點(diǎn)之間的絕對(duì)距離OtA和脊柱坐標(biāo)系的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)角度θy和θz。但是，IR-TRACC和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)電位器只能提供差分測(cè)量（相對(duì)位置變化）。為了計(jì)算絕對(duì)距離OtA和絕對(duì)旋轉(zhuǎn)θy和θz，設(shè)計(jì)零位置夾具來記錄三個(gè)傳感器讀數(shù)的輸出，零位置定義為“T”坐標(biāo)系與“S”坐標(biāo)系平行。

零位置夾具中的絕對(duì)距離OtA是D0，表示當(dāng)IR-TRACC安裝在ATD中而沒有施加任何負(fù)載時(shí)的距離，對(duì)于Humanetics的校準(zhǔn)夾具，D0為141.9mm。IR-TRACC安裝在零位夾具上，記錄其輸出電壓，并可以進(jìn)行線性化運(yùn)算轉(zhuǎn)換為工程單位R0。R是在工程單位下，任一給定的IR-TRACC位置（線性伸縮部分的輸出值，然后通過乘以靈敏度轉(zhuǎn)換為工程單位）。在任何給定點(diǎn)的OtA值可以通過r=D0+（R-R0）來計(jì)算。同時(shí)，記錄零位夾具中的電位計(jì)輸出，通過給定位置的輸出中減去零位置輸出來計(jì)算任何給定位置處的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)。

要計(jì)算IR-TRACC的兩個(gè)樞軸點(diǎn)的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)和長(zhǎng)度，計(jì)算方法如下：

要計(jì)算IR-TRACC的兩個(gè)樞軸點(diǎn)的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)和長(zhǎng)度，計(jì)算方法如下：

3 THOR與Hybrid Ⅲ假人胸部標(biāo)定響應(yīng)

3.1 THOR假人胸部標(biāo)定

THOR假人上胸部標(biāo)定為一頓性沖擊假人上肋骨IR-TRACC傳感器中心位置，擺錘質(zhì)量為23.36kg，擺錘直徑為152.4mm，擺錘撞擊速度為4.3m/s，性能指標(biāo)包括通過位于THOR假人胸部的3D IR-TRACC傳感器測(cè)量上胸部在脊柱局部坐標(biāo)系下的合成位移量，通過位于擺錘中間位置的加速度傳感器測(cè)量假人作用于擺錘的反作用力，如圖4所示。

首先移除假人外套，檢查假人肋骨、外套是否破損，將假人放置在溫度為21℃濕度為35%的環(huán)境中至少4小時(shí)，將下胸部脊柱的關(guān)節(jié)調(diào)整為“慵懶”位置，將頸部?jī)A角調(diào)整為“自然”角度，將手臂和肩部關(guān)節(jié)調(diào)整到1G-2G狀態(tài)。其次將THOR假人放置在水平面（±0.5°）上，四肢水平向前平行于假人中垂面，將假人手臂用夾具支撐，調(diào)整假人骨盆角度使傾角傳感器X軸方向上0±0.5°，Y軸方向上15±1°，調(diào)整THOR假人胸部使位于T6位置的傾角傳感器X軸方向上0±0.5°，Y軸方向上-4±1°。調(diào)整標(biāo)定臺(tái)高度使擺錘中心與上胸部?jī)蒊R-TRACC中心對(duì)齊。最后，給THOR假人穿上外套并拉緊拉鏈，同時(shí)調(diào)整肩部使肩部緩沖墊邊緣與THOR假人肩部標(biāo)記位置對(duì)齊。升高擺錘至速度為4.3m/s高度，連接各個(gè)通道需要采集的數(shù)據(jù)線，設(shè)置好數(shù)采，釋放擺錘。

3.2 Hybrid III假人胸部標(biāo)定

Hybrid III與THOR假人胸部標(biāo)定擺錘一致，但是擺錘速度要求不一致，THOR假人要求擺錘速度為4.30m/s，Hybrid III假人要求擺錘速度為6.71m/s，過高的速度代表更大的能量輸入，使用6.71m/s速度標(biāo)定THOR假人可能損壞假人，同時(shí)為了使對(duì)比試驗(yàn)與實(shí)車碰撞試驗(yàn)工況相近，標(biāo)定比對(duì)試驗(yàn)中對(duì)假人胸部進(jìn)行速度為4.3m/s擺錘撞擊試驗(yàn)，使用試驗(yàn)擺錘定位假人胸部，調(diào)整平臺(tái)的高低確保撞擊瞬間，試驗(yàn)擺錘的縱向中心線與Hybrid III假人中心O點(diǎn)的垂直線重合，如圖5所示。

3.3 假人胸部標(biāo)定響應(yīng)

分別對(duì)THOR和Hybrid III假人胸部進(jìn)行速度為4.3m/s擺錘沖擊試驗(yàn)，對(duì)THOR假人胸部撞擊位置為上肋骨IR-TRACC傳感器中心位置，對(duì)Hybrid III假人胸部撞擊位置為中心標(biāo)準(zhǔn)位置，分別采集THOR和Hybrid III假人胸部位移傳感器變化響應(yīng)，采樣時(shí)間為110ms，采樣頻率為10000Hz，采集到THOR假人胸部IR-TRACC傳感器數(shù)據(jù)，運(yùn)用公式（14）計(jì)算THOR假人的胸部x向的位移變化結(jié)果如圖5所示。

由圖6結(jié)果可得，在相同的擺錘沖擊速度下，THOR假人胸部IR-TRACC傳感器的左上、右上、左下、右下x向的位移分別為46.4mm、46.0mm、25.1mm和24.9mm，對(duì)應(yīng)的響應(yīng)時(shí)刻分別為23.2ms、23.3ms、34.0ms、35.4ms，可以看出THOR假人左上胸部和右上胸部x向位移基本一致，左下胸部和右下胸部x向位移基本相同，這是由于THOR假人的左胸部和右胸部IR-TRACC傳感器為鏡像結(jié)構(gòu)，且擺錘沖擊THOR假人上胸部肋骨中心位置，從而導(dǎo)致THOR假人上胸部位移量大于下胸部位移，且上胸部位移量的峰值時(shí)刻早于下胸部位移量的峰值時(shí)刻，說明上胸部的IR-TRACC傳感器響應(yīng)更迅速，表明THOR假人的胸部IR-TRACC傳感器對(duì)力的作用位置更靈敏。在相同擺錘相同速度沖擊力作用下，Hybrid III假人胸部位移為38.7mm，對(duì)應(yīng)的響應(yīng)時(shí)刻為23.9ms，THOR假人上胸部IR-TRACC傳感器位移量大于Hybrid III假人胸部位移傳感器位移量，說明THOR假人的IR-TRACC傳感器較Hybrid III假人胸部位移傳感器更靈敏。

4 基于臺(tái)車試驗(yàn)的假人胸部響應(yīng)

4.1 試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法

對(duì)比THOR與Hybrid III假人在臺(tái)車試驗(yàn)工況下的響應(yīng)，首先明確對(duì)比試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，本課題使用NCAP試驗(yàn)中THOR與Hybrid III假人胸部傷害高低限值歸一化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較[12，13]，THOR與Hybrid III假人胸部傷害高低限值如表1所示。

歸一化采用線性差值計(jì)算，最終對(duì)比兩個(gè)假人在相同試驗(yàn)工況下的失分率，線性差值按照公式（17）計(jì)算。

假人的失分率反映假人的損傷風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于THOR假人，胸部傷害低性能限值為60mm，高性能限值為35mm;對(duì)于Hybrid III假人，胸部傷害低性能限值為42mm，高性能限值為22mm。

4.2 臺(tái)車試驗(yàn)矩陣

THOR與Hybrid III假人滑臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)選用某SUV車型，該車型配置完全相同，進(jìn)行兩次背對(duì)背對(duì)比試驗(yàn)，如圖7所示。該車型均配置有主副駕氣囊，預(yù)緊安全帶，試驗(yàn)矩陣如表2所示。

4.3 假人定位

前排座椅調(diào)整應(yīng)使其位于行程的中間位置并確認(rèn)座椅滑軌系統(tǒng)已處于完全鎖止，座椅高度調(diào)整至最低位置，座椅靠背應(yīng)調(diào)節(jié)到使HPM裝置軀干傾角調(diào)節(jié)到從鉛垂面向后傾斜 25°角的位置，頭枕高度調(diào)整至最高位置。轉(zhuǎn)向盤調(diào)整對(duì)于水平方向可調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)向盤，應(yīng)調(diào)節(jié)到可調(diào)范圍的中間位置。對(duì)于垂直方向可調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)向盤，應(yīng)調(diào)節(jié)到可調(diào)范圍的中間位置，轉(zhuǎn)向盤應(yīng)處于自由狀態(tài)。安全帶固定點(diǎn)調(diào)整至中間位置。

為使對(duì)比試驗(yàn)更加嚴(yán)謹(jǐn)，在假人定位的過程中，優(yōu)先保證THOR與Hybrid III假人的H點(diǎn)對(duì)齊，然后調(diào)整THOR與Hybrid III假人的頭頂角，使頭頂角在0±1°范圍內(nèi)。圖8為THOR與Hybrid III假人在臺(tái)車上的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，包括頭部質(zhì)心、肩部旋轉(zhuǎn)中心、假人H點(diǎn)、膝蓋旋轉(zhuǎn)中心、足跟點(diǎn)。從圖8中可以看出，THOR假人頭部質(zhì)心相對(duì)于Hybrid III假人更偏上、偏后，這是因?yàn)門HOR假人頸部較Hybrid III假人更長(zhǎng)，THOR假人頸部與軀干的夾角較Hybrid III假人更大。THOR假人的膝蓋旋轉(zhuǎn)中心較Hybrid III假人膝蓋旋轉(zhuǎn)中心更靠近車輛的內(nèi)飾，這是因?yàn)門HOR假人大腿長(zhǎng)度較Hybrid III假人長(zhǎng)，在碰撞過程中，THOR假人大腿要比Hybrid III假人大腿更先接近內(nèi)飾，故在設(shè)計(jì)膝部氣囊時(shí)，應(yīng)考慮THOR假人與Hybrid III假人大腿結(jié)構(gòu)差異。

4.4 假人胸部響應(yīng)

分別將THOR和Hybrid III假人位于某SUV車型的主駕和副駕位置進(jìn)行滑臺(tái)碰撞試驗(yàn)，兩次滑臺(tái)試驗(yàn)加速度波形分別如圖9所示。由圖9可得，兩次SUV車型的滑臺(tái)加速度波形一致性較好，兩個(gè)波形的峰值分別為41.0g和41.3g，相對(duì)誤差為0.7%，誤差非常小，可認(rèn)為兩次同一車型滑臺(tái)試驗(yàn)條件相同，假人傷害也是在同一試驗(yàn)條件下獲得，外界因素影響較小，可對(duì)比性強(qiáng)。

分別采集兩次滑臺(tái)試驗(yàn)的主駕和副駕假人安全帶肩帶力傳感器數(shù)據(jù)，采樣時(shí)間為0到200mms，采樣頻率為10000Hz，肩帶力變化曲線如圖10所示，由圖可得兩次滑臺(tái)試驗(yàn)主駕和副駕位置肩帶力曲線變化趨勢(shì)基本一致，其峰值力分別為5.31kN，5.67KkN，5.31kN和5.67kN，峰值力相差不大，可以認(rèn)為兩次滑臺(tái)試驗(yàn)的安全帶作用效果一致。

將采集的THOR假人胸部IR-TRACC傳感器數(shù)據(jù)，運(yùn)用公式（14）、（15）、（16）計(jì)算出THOR假人的胸部x向以及x、y、z三向合成的位移變化量，并于同位置Hybrid III假人胸部位移變化曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖11、12、13、14所示，其對(duì)應(yīng)位移量的變化值見表3。

由圖可得，THOR假人胸部四個(gè)IR-TRACC傳感器的位移變化曲線差異較大，這是由于THOR假人IR-TRACC傳感器受安全帶不均勻力作用的結(jié)果。同為主駕位置時(shí)，THOR假人右上胸部x向位移量為50.2mm，響應(yīng)時(shí)刻為67.4ms，大于Hybrid III假人胸部位移量33.5mm，Hybrid III假人胸部響應(yīng)時(shí)刻為82ms，且THOR假人右胸部位移響應(yīng)時(shí)刻早于Hybrid III假人胸部。同為副駕位置時(shí)，THOR假人左上胸部x向位移量為38.1mm，響應(yīng)時(shí)刻為72.4ms，大于Hybrid III假人胸部位移量27.2mm，Hybrid III假人胸部響應(yīng)時(shí)刻為78.4ms，且THOR假人左胸部位移響應(yīng)時(shí)刻早于Hybrid III假人胸部，在同樣安全帶配置情況下，THOR假人胸部位移變化量要大于Hybrid III假人胸部位移變化量，表明THOR假人胸部IR-TRACC傳感器較Hybrid III假人胸部位移響應(yīng)更靈敏更迅速。當(dāng)THOR假人位于主駕位置時(shí)，右側(cè)胸部位移變化量均大于左側(cè)胸部位移變化量，當(dāng)THOR假人位于副駕位置時(shí)，左側(cè)胸部位移變化量均大于右側(cè)胸部位移變化量，說明主駕位置安全帶作用力偏向于THOR右胸部IR-TRACC傳感器，副駕位置安全帶作用力偏向于THOR左胸部IR-TRACC傳感器，表明THOR假人的胸部IR-TRACC傳感器受力的作用位置的影響更加明顯。且THOR主駕假人的最大胸部位移量大于副駕假人，而Hybrid III假人位于主副駕位置兩次胸部位移變化相差較小，表明THOR假人的胸部IR-TRACC傳感器對(duì)力的作用位置響應(yīng)更加靈敏（表3）。

根據(jù)兩次滑臺(tái)試驗(yàn)中THOR和Hybrid III假人胸部位移變化量運(yùn)用公式（17）計(jì)算假人的胸部失分率，如圖15所示。由圖可得，THOR假人的胸部最大失分是在駕駛員位置，Hybrid III假人最大失分也是在駕駛員位置，表明駕駛員位置受損傷風(fēng)險(xiǎn)要高于乘員位置;對(duì)于SUV車型的駕駛員和乘員位置THOR假人的失分率要大于Hybrid III假人，相同工況下，THOR假人胸位移量較Hybrid III假人大，這要求在從車輛的設(shè)計(jì)過程中要充分考慮約束系統(tǒng)尤其是安全帶對(duì)假人胸壓的影響，在安全帶限力等級(jí)與駕駛員身體約束之間找到最優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)論

本文對(duì)THOR與HybridIII假人胸部響應(yīng)特性進(jìn)行分析，首先介紹了THOR假人胸部IR-TRACC傳感器的計(jì)算方法，基于THOR假人胸部標(biāo)定程序，對(duì)比THOR與Hybrid III假人在相同擺錘速度工況下的胸部響應(yīng)，選取某SUV車型進(jìn)行THOR與Hybrid III假人的滑臺(tái)比對(duì)試驗(yàn)，得到假人的胸部胸部響應(yīng)，得出以下結(jié)論。

（1）基于THOR假人胸部標(biāo)定程序，對(duì)比THOR與Hybrid III假人在相同擺錘相同速度工況下的胸部響應(yīng)特性，表明THOR假人的胸部IR-TRACC傳感器較Hybrid III假人胸部傳感器響應(yīng)更靈敏和更迅速，且THOR假人的胸部IR-TRACC傳感器受力的作用位置的影響更加明顯。

（2）選取某SUV車型進(jìn)行THOR與Hybrid III假人的比對(duì)試驗(yàn)，在同樣安全帶配置情況下，THOR假人胸部位移變化量要大于Hybrid III假人胸部位移變化量，且THOR假人胸部位移響應(yīng)時(shí)刻早于Hybrid III假人胸部，表明THOR假人胸部IR-TRACC傳感器較Hybrid III假人胸部位移響應(yīng)更靈敏更迅速。當(dāng)THOR假人分別位于主駕和副駕位置時(shí)，THOR假人左側(cè)和右側(cè)胸部位移變化量相差較大，表明THOR假人的胸部IR-TRACC傳感器對(duì)力的作用位置響應(yīng)更加靈敏。

（3）根據(jù)兩次滑臺(tái)試驗(yàn)的假人的胸部位移量采用歸一化分析方法進(jìn)行失分率分析，結(jié)果表明相同碰撞工況下THOR假人的失分率要大于Hybrid III假人，THOR假人的胸部損傷風(fēng)險(xiǎn)更大，對(duì)于THOR和Hybrid III假人，主駕位置的失分率要大于副駕位置。

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