Q3假人頭部標定試驗影響因素探究

周鵬，胡經國

中汽研汽車檢驗中心(寧波)有限公司，浙江寧波 315336)

0 引言

汽車道路交通事故是造成兒童傷亡的主要因素之一。世界衛生組織在2008 年發布的《世界預防兒童傷害報告》顯示：全世界每年大約有26 萬名兒童因交通事故喪生，并且造成約1 000萬名兒童受傷[1]。相較于歐美等發達國家，我國因交通事故死亡的兒童人數遠遠高于發達國家，所以我國應該重視兒童安全保護。兒童乘員汽車安全性研究中最重要的一個工具就是兒童假人，而Q系列的兒童假人是目前的新型假人，正在大范圍地逐步推廣使用。我國最新的2018年版C-NCAP中就規定了使用Q3兒童假人，用以考核乘員約束系統強度，涉及的指標主要有頭部加速度、頸部力與力矩、胸部加速度、胸部壓縮量等。對于Q3假人而言，在試驗前需對其頭部、頸部、胸部、腰椎、腹部進行標定試驗。本文作者著重介紹了頭部標定試驗及其影響因素之間的關系。

Q3假人頭部跌落試驗有兩個評價指標：頭部合成加速度、側向加速度。影響假人頭部標定的因素主要有標定時間間隔、頭部角度、跌落高度、溫濕度等因素。本文作者通過對Q3假人頭部的大量標定試驗，對影響假人頭部標定試驗結果的因素做了較為全面的探究，總結了一些外部因素對標定影響的規律，為今后的假人頭部標定試驗、生物力學響應與損傷研究、試驗假人坐姿研究等提供了參考。

1 標定方法

根據Q3兒童假人標定試驗說明[2]進行頭部標定試驗，共有兩種標定試驗類型，分別為頭部正面標定試驗和側面標定試驗。

頭部標定試驗的準備和要求如下：

(1)待標定頭部部件在測試前應在測試環境中至少保存4 h，測試實驗室應控制環境溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(40±30)%。

(2)在頭部加速度計安裝塊上按要求安裝3個單軸加速度傳感器。

(3)數據采集系統和所有儀器必須符合SAE J211(1995年3月版)的要求。根據SAE J211(1995年3月版)，所有數據通道應在A/D轉換之前使用硬件濾波器進行濾波。

(4)對于Q3假人的頭部跌落試驗，需要支撐和釋放機構以及厚度至少為50 mm的鋼板，它將用作沖擊表面。該板應類似于CFR 49第572部分Hybrid III頭部跌落試驗中描述的鋼板，并且應具有相同的粗糙度和尺寸。

(5)試驗前應保證皮膚和頭蓋骨材料清潔完好無破損，檢查所有螺釘是否已正確擰緊。

頭部正面標定試驗步驟如下：

(1)將頭部用專用鐵絲框定位懸掛在頭部標定臺上。鐵絲框上有一塊鋼片，可以使用磁鐵將頭部固定到位，同時可以在任何方向輕松調整頭部。

(2)頭部的Z軸應與水平面成28°±2°的角度，內側-外側軸(Y軸)應為水平，允許誤差±1°。釋放后，頭部應該用前額撞擊表面。頭部的Z軸平行于顱骨帽平面，見圖1。

(3)頭部的最低點應在沖擊面上方(130±1)mm處。

(4)松開頭部，使其自由跌落。

(5)頭部兩次標定最短時間間隔不少于30 min。

圖1 頭部正面標定試驗示意

頭部正面標定試驗結果性能要求如下：

(1)最大合成加速度峰值應在(95～125)g之間。

(2)Y方向的加速度應在(-10～10)g之間。

頭部側面標定試驗的準備和要求與正面標定試驗基本一致。

頭部側面標定試驗如圖2所示，其試驗步驟如下：

(1)將頭部用專用鐵絲框定位懸掛在頭部標定臺上。鐵絲框上有一塊鋼片，可以使用磁鐵將頭部固定到位，同時可以在任何方向輕松調整頭部。

(2)定位頭部，中間矢狀平面與水平軸成35°±2°的角度，并且前后軸是水平的，允許偏差±1°。這對應于水平面和頭基面之間的角度為55°±2°，當頭部跌落時，應使假人頭部一側與沖擊表面進行碰撞。

(3)頭部的最低點應在沖擊面上方(130±1)mm處。

(4)松開頭部，使其自由跌落。

(5)頭部兩次標定最短時間間隔不少于30 min。

頭部側面標定試驗結果性能要求如下：

(1)最大合成頭部加速度峰值應在(100～130)g之間。

(2)X方向的加速度應在(-20～20)g之間。

側面標定試驗分為左右側，所以需要左右側各做一次試驗，標定方法相同，只是方向相反。

圖2 頭部側面標定試驗示意

使用頭部標定試驗臺和相關測試設備對Q3假人按試驗步驟進行頭部標定試驗，分別進行正面和左右側面的跌落試驗，共計3次。用數據采集系統采集頭部三向加速度數值，并將3個方向的加速度數據用CFC1000濾波過濾產生相應曲線，以此確定頭部合成加速度。其中頭部正面標定試驗如圖3(a)所示，頭部側面(左側)標定試驗如圖3(b)所示。

圖3 假人頭部標定試驗

2 標定試驗結果以及影響因素分析

2.1 試驗結果

頭部正面和側面的標定試驗結果分別如圖4(a)(b)(c)所示。

圖4 頭部正面和側面的標定試驗結果

2.2 影響頭部標定試驗的因素

因為頭部標定有正面試驗和側面(左、右)試驗，側面標定試驗中左側和右側相一致，所以文中只考慮頭部左側標定試驗。在分析影響因素時，以正面標定試驗為主，而側面標定試驗用以驗證結論。

2.2.1 標定時間間隔

按照假人標定要求，頭部連續標定的時間間隔不得少于30 min。此次試驗在同一環境下，采用相同標定程序，對同一頭部進行連續正面標定試驗，設定標定試驗間隔分別為5、10、20、30、40 min進行5次試驗，試驗結果如圖5所示。

圖5 正面標定不同間隔試驗結果

可以看到：曲線隨時間間隔整體的增加，斜率逐漸變小。所以可以得到的結論就是頭部合成加速度隨著連續標定時間間隔的延長而逐漸減小，趨于平緩。這主要是因為制作皮膚的材料是由肖氏A硬度(Shore scleroscope hardness，HS)為40～50的聚氯乙烯制作完成[3]，而聚氯乙烯材料具有典型的黏性特性，在連續撞擊的過程中，撞擊部位的皮膚一直處于硬化的狀態，應力來不及釋放，進而使緩沖能力下降，推高合成加速度[4]。所以要保證同一頭部的連續標定要有一定的時間間隔，按假人手冊要求為30 min以上，即為合理。

2.2.2 頭部角度

按標定要求，做頭部正面跌落試驗時，頭部的Z軸應與水平面成28°±2°的角度，內側-外側軸(即Y軸與水平面)應為水平，誤差±1°。采用控制變量法，為探究頭部的Z軸與水平面所成角度對試驗結果的影響，在同一試驗環境下，對同一頭部分別調整Z軸與水平面成0°、15°、29°、45°、60°、75°、90°進行試驗，而內側-外側軸保持水平，其試驗結果如圖6所示。

圖6 正面標定不同頭部角度試驗結果

可以看出：試驗生成的合成加速度呈先減小后增大的趨勢。因為試驗要求的角度是28°±2°，而試驗結果表明29°時合成加速度處于最小點，所以可以得出的結論是：在規定的頭部試驗角度減小或者增大時都會導致試驗結果合成加速度變大。其中就文中涉及試驗而言，根據曲線斜率得出小于10°或者大于67°都有可能超過規定合成加速度上限值。造成這個試驗結果原因主要是因為Q3假人頭部是一個不規則的曲面，隨著角度的調整，頭部碰撞點不同，而且角度調整是在線性條件下，但是碰撞點位置改變不呈線性，所以得出了該曲線。圖7就是此次試驗在不同角度下的碰撞點位置。

圖7 不同角度下的碰撞點位置

Y向加速度范圍作為標定指標，主要是考慮進行頭部標定試驗時假人頭部和水平剛性平面接觸時關于ZX平面的受力是否對稱，即Y向上正負加速度是否足夠小。一般理想狀態下只要標定試驗操作正確，Y向加速度范圍都滿足標定性能要求[5]。但是實際試驗時總會有誤差出現，所以為探究Y軸與水平面所成角度對試驗結果的影響，在同一試驗環境下，對同一頭部分別調整Y軸與水平面所成角度為-5°、0°、1°、3°、5°進行試驗，而Z軸與水平面成29°保持不變。得到的試驗結果如圖8(a)、(b)所示。

圖8 Y軸偏角與頭部加速度關系

由圖8可見：在-5°～5°范圍內隨Y軸與剛性平面夾角的增大，合成加速度峰值先增大后減小，Y軸側向加速度增大；在角度為0°和1°時，合成加速度峰值和側向加速度峰值都處于符合要求狀態；而角度增大到3°時，側向加速度明顯變大，波形出現異常，由正常的平穩波動出現單峰振蕩，在-5°和5°時側向加速度更大，分別達到-16.74g和15.82g，超出了限值，波形變為單峰非振蕩狀態。

當Y軸角度在規定范圍內時，前額與剛性平面發生碰撞，由于碰撞平面較小，在碰撞時刻頭部會出現晃動，因而Y軸的加速度會出現振蕩的狀態，數值較?。浑S著Y軸與剛性平面角度的增大，碰撞平面會向顳骨偏移，加速度在Y軸上的分量也會增加，因而會出現Y軸加速度增大且波形呈單峰非振蕩的情況。當Y軸偏角超過3°時，側向加速度峰值依然變大，但是由于波形出現了變化，導致了合成加速度的減小。通過試驗可知，在Y軸偏角允許的±1°內時，由于標定過程的試驗誤差也會使頭部加速度出現異常的狀態，所以在標定過程中要嚴格按照試驗步驟進行，Y軸向要盡可能接近0°來避免和減小誤差。

2.2.3 跌落高度

標定時頭部最低點距離剛性沖擊面(130±1)mm。此組試驗將頭部高度分別調整為120、125、130、135、140 mm，進行5次試驗，試驗結果如圖9所示。

圖9 正面標定不同頭部高度試驗結果

可以看出：隨頭部跌落高度的升高，合成加速度逐漸增大，且曲線的斜率變大，說明試驗高度越高，對試驗結果的影響就越大，這與前文提到的頭部皮膚材料有關。跌落高度對于試驗結果有一定的影響，從此次試驗結果看，高度在上下10 mm之間的浮動還是在合成加速度的上下限值之間，且基本呈線性變化。

2.2.4 溫度

標定試驗要求實驗室應控制環境溫度為(20±2)℃，相對濕度為(40±30)%。因濕度要求在10%～70%，范圍較大，所以文中不探究濕度的影響。設置低溫15.3 ℃、常溫21.2 ℃、高溫32.4 ℃三次試驗，分別探究不同環境溫度對頭部標定結果的影響。圖10是這組試驗的結果。

可以看出：頭部合成加速度隨標定環境溫度升高而減小。在低溫15.3 ℃和高溫32.4 ℃時合成加速度都接近臨界值，因為低溫環境下會使頭部皮膚硬化，所以頭部跌落時會導致合成加速度變大，而高溫環境剛好與之相反，皮膚變軟吸能效果變好，合成加速度變小。另外，頭部長時間在低溫環境下會使皮膚變硬，柔軟性能明顯下降，試驗時必然會導致皮膚破裂；而長時間在高溫環境下時，皮膚變軟，會加速皮膚老化，大大縮短假人使用壽命[6]。因此假人無論是試驗還是保存都應在18～22 ℃的環境溫度下。

圖10 不同溫度下的試驗結果

2.3 在頭部側面標定試驗上的驗證

頭部側面標定試驗按上文正面標定試驗的探究方法進行試驗，即在標定試驗間隔、頭部角度、跌落高度和溫度條件下分別進行試驗，對其結果進行分析驗證，最終得到的結論是：Q3頭部側面標定試驗在不同影響因素條件下的實驗結論與正面標定試驗結論基本一致，所以側面標定試驗驗證正面標定試驗的結論是成立的。

3 結論

文中針對標定試驗間隔、頭部角度、跌落高度、溫度4個因素分別對頭部標定結果的影響進行探究試驗。

根據試驗結果分析可得：連續標定時間間隔縮短會導致合成加速度增大，其合成加速度數值會隨著標定間隔的延長而逐漸減小，趨于平緩，對結果影響較大，所以在標定中要保證標準規定的時間間隔(至少30 min)；規定的頭部正向角度(Z軸與水平面夾角)減小或者增大都會導致試驗結果合成加速度變大，側向角度(Y軸與水平面夾角)增大或者減小也會導致合成加速度突變，Y向加速度變大，對標定結果影響較大，所以在試驗中一定要準確調整好兩個角度，使其在規定值上；跌落高度增加使頭部合成加速度變大，且高度越高影響越大；頭部合成加速度隨標定環境溫度升高而減小，對結果影響較大，且高低溫環境對于頭部皮膚都有較大的損傷。