基于假人標定試驗的Hybrid?III?50th假人重復性及再現性研究

季奕 高嘉辰 仲衍慧

摘 要：本文對Hybrid III 50th假人的標定結果的重復性及再現性分析。根據假人標定試驗程序，選取三個Hybrid III 50th假人分別進行三次標定試驗，根據標定試驗獲得的響應數據數據進行分析，對Hybrid III 50th假人的重復性和再現性進行分析。以標定試驗獲得的響應數據作分析的基礎，確定分析方法，以數據的幅值和響應時間為關鍵分析點，計算標準差和變異系數CV（%）的方法，評估了Hybrid III 50th假人在高性能測試試驗中的重復性和再現性，結果表明Hybrid III 50th假人重復性和再現性較好。

關鍵詞：Hybrid III 50th假人;標定試驗;變異系數CV（%）;重復性;再現性

1 前言

Hybrid III 50th假人一般多應用于汽車碰撞試驗，與真實人體尺寸和結構相對應，并具有相似的抗沖擊特性。內部在對應人體容易損傷位置安裝加速度傳感器，力傳感器，位移傳感器等，在汽車碰撞試驗過程中采集實時相應數據，并輸出到數據采集設備記錄以供乘員的損傷指標分析及評價。

本文對于Hybrid III 50th假人（Hybrid III 50th Dummy）的重復性分析[1]主要針對其標定試驗中的頭部跌落（Head Drop）試驗，頸部彎曲（Neck Flexion）試驗，頸部拉伸（Neck Extension）試驗，胸部沖擊（Thorax Impact）試驗，膝部沖擊（Knee Impact）試驗進行分析，通過評價各相應數據的%CV，對Hybrid III 50th假人標定結果的重復性和再現性做出評價。

2 標定項目簡介

本次研究中，選取3個Hybrid III 50th假人分別進行3次標定試驗，分別對 Hybrid III 50th假人進行頭部跌落試驗，頸部彎曲試驗，頸部拉伸試驗，胸部沖擊試驗和膝部沖擊試驗，并對數據進行分析。其中：

頭部跌落試驗[2]：

頭部跌落驗證試驗是通過將假人頭部高度從376mm高度位置自由釋放下落到標定臺上，測量頭部質心的三軸合成加速度來進行評價。由此產生的三軸合成加速度通過濾波后進行計算，SAE用戶手冊規定了頭部三軸合成加速度的峰值應在225g到275g之間。

頸部彎曲試驗和頸部拉伸試驗：

頸部彎曲試驗和頸部屈曲和拉伸試驗是將頸部和頭部鏈接，并將頸部一端固定在擺錘裝置上，擺錘相當于假人的軀干部位。擺錘從給定高度釋放，在擺動弧線的底部產生所需的速度。在擺錘到達底部的擺動弧線垂直位置時，被能量吸收用蜂窩鋁緩沖似其停止。雖然擺臂運動停止，但頭部的慣性會導致頸部彎曲。標定過程中使用上頸部六軸載荷傳感器來記錄此過程中的力和力矩，并使用旋轉電位計和連桿用于測量與頭部相對于擺錘的角度，這個角度稱為D-平面角度（D-Plane Angle）。SAE用戶手冊規定了頸部屈曲試驗擺錘重心處的沖擊速度為6.89-7.13m/s，頸部拉伸試驗擺錘重心處的沖擊速度為5.90-6.19m/s。

胸部沖擊試驗：

胸部沖擊試驗是以23.4±0.02kg擺錘以2.94m/s-3.06m/s的速度撞擊假人胸部的正面碰撞試驗。SAE用戶手冊中規定了假人的胸部壓縮量峰值范圍在-26.5m/s-21.5mm的范圍內。

膝部沖擊試驗：

以2.07-2.13m/s的速度對彎曲下肢的膝蓋進行5kg擺錘撞擊。最大撞擊力范圍在-5.78kN-4.72kN的范圍內。本試驗中假設同一假人的兩個膝蓋是相同的，因此只比較每個假人的一個膝蓋。

3 評價指標定義

在評估Hybrid III 50th假人的重復性和再現性的傳統方法中，通過重復多次試驗，并計算響應曲線峰值的平均值、標準差和變異系數（%CV）[2]。從而對Hybrid III 50th假人的重復性和再現性進行評價。

%CV=100*||

σ-一個假人3次試驗的標準差

-一個假人3次試驗的平均值

重復性：計算變異系數百分比CV（%），每個假人3次試驗的響應的峰值的百分比CV（%）。

再現性：計算變異系數百分比CV（%），三個假人所有9次試驗中的響應的峰值的百分比CV（%）。

對于結果認為，0-5%的CV（%）是優秀（Excellent）的，5-8%的CV（%）是好（Good）的，8-10%的CV（%）是可接受（Acceptable）的，大于10%的變異系數是不可接受（Unacceptable）的。一般一個假人的評估結果是優秀的（CV%在0-5%之間），說明這個假人在應用于車輛碰撞試驗的試驗結果中具有更高的準確性和重復性。

4 試驗結果分析

本次研究中，抽選現階段本試驗機構使用的三個Hybrid III 50th假人相同在外界環境和試驗環境的條件下，分別進行三次標定試驗，并對數據進行分析。

4.1 頭部跌落試驗

從頭部跌落試驗的分析數據可以看出，表4中Avg表示一個假人3次試驗的平均值，SD表示一個假人3次試驗的標準差（以下數據中平均值和標準差均用Avg和SD表示）。經過計算CV（%）可以看出，CV（%）均在0-5%之間，表明假人的重復性都處在很好的范圍內，但是第三個假人頭部三項合成加速度數值偏大，CV（%）達到了4.87，已經接近最理想值0-5%，也就是優秀（Excellent）的上限。由于頭部標定的下落距離很短，數據樣本數量少，時間軸對于試驗中試驗受體本身以及各種環境因素和人為因素更具有參考價值。嚴格控制下落高度、安裝方式和試驗臺表面的一致性，保證9次試驗的加速度響應曲線的時間差異在5ms之內。

由頭部跌落試驗的響應曲線可以看出，其中DX-TX表示第X個假人的第X次試驗的相應曲線（以下數據圖表中DX-TX均表示第X個假人的第X次試驗的相應曲線）。可以看出由于試驗條件的統一性，其中峰值的時刻基本保持一致，但是第三個假人在第三次試驗中的峰值差異與其他八次差異較大，造成了第三個假人的CV（%）偏大。那么就需要檢查假人硅膠制品的頭部皮膚是否在碰撞試驗中有輕微的變形，導致假人頭部皮膚與金屬骨骼之間產生間隙，以及頭部傳感器線束是否固定牢固，從而對排除試驗結果產生影響的外部負向因素，保證每次試驗的一致性。

4.2 頸部彎曲試驗

從頸部彎曲試驗的分析數據可以看出，CV（%）均在0-5%之間，表明假人的一致性都處在很好的范圍內，但是第三個假人D-平面CV（%）值偏大，達到了4.16。時間軸上顯示出擺錘下落高度、安裝方式和底部用于能量吸收用蜂窩鋁的一致性很好，見表5。

由頸部彎曲試驗的響應曲線可以看出，三個假人的D-平面角度和和頸部扭矩的響應曲線趨勢基本保持一致，但是D1假人的D-平面角度和扭矩的響應曲線在第二次試驗歷程中的趨勢均略有不同，但峰值的幅值和時間點基本保持一致。初步分析是由于固定頸部的扭矩或頸部頂絲的松緊差異造成，導致擺錘下降過程中對頸部的沖擊震蕩造成。在時間歷程上三個假人響應曲線的峰值時間點基本保持一致的趨勢，也體現了頸部緩沖塊的壓潰性能的一致性，從而說明了試驗環境和設備的一致性對于標定正確性有著至關重要的意義，見圖2、圖3。

4.3 頸部拉伸試驗

從頸部拉伸試驗的分析數據可以看出，CV（%）均在0-5%之間，表明假人的一致性都處在很好的范圍內，但是第三個假人扭矩的CV（%）值偏大，達到了4.59，已經接近最理想值0-5%。時間軸上顯示出擺錘下落高度、安裝方式和底部用于能量吸收用蜂窩鋁的一致性很好，見表6。

由頸部拉伸試驗的響應曲線可以看出，三個假人的D-平面角度和和頸部扭矩的響應曲線趨勢基本保持一致，但是D3的D-平面角度和扭矩的響應曲線在第三次試驗歷程中的趨勢均略有不同，且D-平面曲線的峰值的也有較大差異。頸部標定裝置由于是擺錘系統，并且假人頸部為橡膠結和金屬結構的結合，多次試驗對于結合處的一致性也有細微影響，在碰撞試驗中頸部也屬于易損部件，容易產生細微裂痕損傷。并且在試驗外部條件中，對于假人頸部外套、頸部安裝力矩（在1.09-1.63Nm范圍內）、頸部頂絲、頸部支架、底部吸能緩沖、頸部安裝角度的多維參數一致性要求較高。在時間歷程上三個假人響應曲線的峰值時間點基本保持一致的趨勢，其CV（%）也都較小，見圖4、圖5。

4.4 胸部沖擊試驗

從胸部沖擊試驗的分析數據可以看出，CV（%）均在0-5%之間，表明假人的一致性都處在很好的范圍內，前兩個假人的胸部力和胸部壓縮量的CV（%）值均沒有超過1。對于胸部標定這種擺錘下落的時間歷程較長，觸發位置無法在下落瞬間控制，就利用嚴格控制擺錘高度和觸發位置，以及記錄通過記錄碰撞點速度的方式控制下落高度的一致性。控制外部條件的一致性，也就控制了胸部力峰值和胸部壓縮量峰值時間點的一致性，見表7。

由胸部沖擊試驗的響應曲線可以看出，三個假人的胸部力和胸部壓縮量的響應曲線趨勢表現出了很高的一致性，只有第二個假人第二次試驗胸位移壓縮后回彈的歷程中的趨勢均略有滯后。胸部標定裝置由于是擺錘比較其他標定部位較重，對于胸部皮膚的橡膠壓潰差異造成的數據差異較小;而擺錘裝置的下落高度較高，導致了試驗的時間歷程較長;并且Hybrid III 50th假人的胸部金屬肋骨結構以及胸部位移量傳感器的連桿螺釘固定結構比較簡單，耐磨損性能較高，多次試驗的一致性表現較好。在車輛碰撞試驗中的穩定性也表現優秀。從胸部標定數據可以看出，其CV（%）在時間歷程上基本保持一致的趨勢，其都較小。

4.5 膝部沖擊試驗

從膝部沖擊試驗的分析數據可以看出，CV（%）均在0-5%之間，表明假人的一致性都處在很好的范圍內，第一個假人的膝部壓縮量的CV（%）值僅有0.13。膝部標定同樣適用擺錘由固定位置下落撞擊假人膝蓋的方式，由于下落高度低時間歷程短，且觸發位置無法在下落瞬間控制。對于擺錘下落高度、觸發位置和安裝的一致性，表現在時間點CV（%）的一致性上，見表8。

由膝部沖擊試驗的位移量響應曲線可以看出，三個假人的壓縮量的響應曲線趨勢表現出了很高的一致性，但在時間軸上出現水平差異，9次試驗的峰值時間點的時間差異最大在8ms，由此分析在時間歷程上的差異主要來源于外部試驗條件。時間點CV（%）也均在0-5%的范圍內，說明了次9次試驗的一致性很好。

5 結論

本次研究通過選取常用的3個Hybrid III 50th假人分別進行3次，一共9次標定試驗，分別對假人的4個部位進行5種類型的標定試驗。結果表明，所有考察值和時間點的CV（%）都在0-5%的范圍內，在曲線趨勢和峰值大小和時間點上表現最為優秀的為胸部力、胸部位移，其次是膝部和頭部。膝部位移和頭部三項合成加速度的時間歷程短，采樣點少，對于試驗條件更需要嚴格控制，減少人為造成的差異，才能對假人的實際結果進行準確的評價。差異性最大的為頸部，由于頸部鏈接結構比較其他部位更容易產生個體差異性，且試驗安裝比較復雜，曲線本身趨勢上具有一些差異。頸部D-平面的的表現趨勢要優于頸部力矩，也說明了頸部本身和安裝差異對于受力的影響較大。

綜合對于3個假人的試驗考查數值和時間歷程綜合分析，可以看出：

第二個假人的表現最為優秀，各項平均CV（%）為1.05，第二個假人為1.41，第三個假人為2.24。頭部和頸部最好的為第二個假人，胸部和膝部為第二個假人，第三個假人雖然符合范圍要求，但在今后的標定中要嚴格保持外部因素的一致性，并加大檢查力度，從而保證試驗的準確性。

參考文獻：

[1]Lan Xu. Repeatability Evaluation of the Pre-Prototype NHTSA Advanced Dummy Compared to the Hybrid III[J]. SAE Paper 2000-01-0165.

[2]SAE J2856. User's Manual for the 50th Percentile Male Hybrid III Dummy[S]. USA 2010.

[3]James Saunders， Daniel Parent. Repeatability of a Small Overlap and an Oblique Moving Deformable Barrier Test Procedure[J].SAE Paper 2013-01-0762.