TNO-10假人軀干力學性能的研究

楊青　顏凌波　劉鑫光　傅燦

摘 要：TNO-10假人主要用于安全帶動態測試試驗，假人軀干的力學性能會直接影響安全帶動態測試結果。本文介紹了兩種TNO-10假人軀干力學性能研究的方法，通過扭轉試驗和彎曲試驗研究了皮膚硬度不同和骨架不同的假人軀干的力學性能，為深入研究假人軀干對安全帶試驗的影響提供了參考依據。

關鍵詞：TNO-10假人;軀干;力學性能;扭轉;彎曲

中圖分類號：U467.14 文獻標識碼：A

0 引言

TNO-10假人是主要用于考察汽車安全帶在碰撞中性能的加載工具。通過獲得在臺車試驗中假人胸部位移量和臀部位移量來評價安全帶在事故中對乘員的保護效果。目前，我國汽車安全行業所使用的TNO-10假人由于使用年限、試驗次數、生產廠家等不同，造成假人狀態產生了較大差異，從而導致測試結果有較大差異，目前行業內主要使用的幾種假人之間的胸部位移試驗結果差異最大可以達到100多毫米，行業內試驗結果一致性情況并不樂觀。面臨的主要有假人皮膚老化和內部骨架損壞而不易察覺的問題，而針對這兩種情況對假人力學性能的影響，國內外并沒有提出合適的方法進行研究。2018年9月，我國車身分標委成立了專門工作組開始制定《汽車安全帶試驗用假人》的行業標準。分析安全帶動態試驗要求可知，假人胸部位移量和臀部位移量都與其軀干有直接關系，假人軀干的物理性能會直接影響試驗結果。針對TNO-10假人軀干的力學性能，本文提出兩種測試方法進行研究——扭轉試驗和彎曲試驗。

1 假人簡介

TNO-10假人是汽車碰撞模擬試驗中安全帶動態測試及其研發試驗的加載裝置，為適用配重，設計中去除了前臂，并僅有一只小腿，其主要有頭、頸、軀干、大腿和小腿5個部分構成，如圖1所示。假人內部骨架主要用金屬材料制成，包裹于骨架之上皮膚主要是由聚氨酯材料制成。根據GB/T14166-2013標準，該假人可作為試驗用測試裝備使用。GB/T14166-2013是在基于歐洲經濟委員會第16項法規（ECE016）重新起草的GB/T14166-2003的基礎上進行修改，因此其關于假人的要求與ECE R16法規中關于假人的要求基本一致。

2 假人軀干力學性能試驗分析

目前，在汽車上主要使用的是三點式安全帶，由于其自身結構的原因，在安全帶動態試驗中，假人軀干會產生扭轉和彎曲變形。如圖2所示，是車載高速攝像機在不同時刻記錄的臺車試驗中假人姿態變化的情況，從圖中可以看出：在臺車試驗過程中，假人軀干確實存在扭轉和彎曲變形。在試驗過程中，這兩種變形應該是同時存在的。

根據上述現象，可以將假人軀干的變形動作完全分解成扭轉和彎曲，通過扭轉試驗和彎曲試驗來檢測假人軀干的力學性能。本文設計制作了一臺TNO-10假人軀干試驗裝置（如圖3），進行假人軀干力學性能的研究。

2.1 扭轉試驗數據分析

考慮到臺車試驗中假人軀干一次試驗只會產生一個方向扭轉的情況，同時避免軀干殘余應力對試驗的影響，我們采用了半周期間隔1 h順時針和逆時針交替扭轉的方式。具體試驗過程如下：如圖3（a）所示，將TNO-10假人軀干固定安裝在試驗臺上，啟動電機后，使軀干先沿逆時針方向至少扭轉到25°，然后反向扭轉恢復到0°，記錄這半周期T/2扭轉過程中的扭矩——角度曲線;等待1 h后，再將軀干沿順時針至少扭轉到-25°，然后反向扭轉恢復到0°，再次記錄這半周期T/2扭轉過程中的扭矩——角度曲線。以下規定：逆時針扭轉角度為正，對應剛度為正剛度;順時針扭轉角度為負，對應剛度為反剛度。

根據GB14166-2013要求，假人皮膚采用聚氨酯材料制成，硬度為邵氏A 50-60[1]。我們分別對幾種硬度不同的軀干進行了扭轉試驗，研究其在扭轉變形中的力學特性，如圖4所示。

表1是對硬度不同的軀干多次扭轉試驗數據統計所得。結合圖4中的試驗曲線，可以明顯看出：假人軀干的力學特性與剛度成正相關，硬度越大，扭轉剛度也越大。說明可以用扭轉試驗來研究假人軀干硬度發生變化后的力學性能。

2.2 彎曲試驗數據分析

為了研究TNO-10假人軀干骨架損壞對其力學性能的影響，我們用三個不同的骨架，一個鏈條斷裂，一個肋骨斷裂和一個完好的骨架，采用相同的材料配比，按照相同的工藝制作了三個硬度基本相同的軀干。對這3個軀干進行了扭轉試驗，如圖5所示，試驗發現：骨架是否損壞對軀干力學性能的影響在扭轉試驗中表現得不是太明顯。根據臺車試驗假人姿態變化的分析，安全帶動態試驗中假人軀干還存在彎曲變形，因此，我們可以對這三個軀干進行了彎曲試驗，研究其力學性能的差異。彎曲試驗的具體過程為：如圖3（b）所示，將假人軀干固定在試驗臺上，啟動電動推桿后，軀干向上至少彎曲到15°，然后反向恢復到水平位置（0°），記錄試驗過程中力——角度曲線。對這三個骨架不同軀干的彎曲試驗曲線如圖7所示。

從圖7中可以看出，骨架完好的軀干彎曲剛度要明顯大于骨架損壞的軀干剛度。對比圖6中扭轉試驗曲線，可以明顯看出，彎曲試驗對骨架不同的三個軀干的力學性能所表現的差異比扭轉試驗更明顯，更有利于區分假人骨架是否失效的情況。

3 結論

本文首先簡要分析了現在行業中所用TNO-10假人的狀態存在差異，然后分析TNO-10假人臺車試驗中軀干姿態產生的變化，提出采用扭轉試驗和彎曲試驗來研究假人軀干的力學性能。根據試驗思路，開發了一套試驗裝置，對不同硬度和不同骨架的假人軀干進行了研究。通過扭轉試驗可以發現，軀干硬度不同，其力學性能不同;利用彎曲試驗，可以更明顯的區分假人軀干骨架是否損壞失效。通過對假人軀干力學性能的研究，可以為假人皮膚老化或骨架損壞對安全帶動態測試結果的影響提供參考依據，有利于提高試驗數據的一致性。

參考文獻：

[1]GB 14166 機動車乘員用安全帶、約束系統、兒童約束系統ISOFIX兒童約束系統[S].2013.

[2]ECE R16 Safety-belts，restraint systems，child restraint systems and ISOFIX child restraint systems for occupants of power-driven vehicles，2018.

[3]湖南賽孚汽車科技股份有限公司.TNO-10假人用戶手冊.

[4]First Technology Safety Systems，Inc，TNO-10 Manikin Rev B，2008.

[5]王欣，馬瑞雪，等.TNO-10型碰撞假人的研制[J].客車技術與研究，2014（02）：51-53+62.

[6]楊青，賀中意，顏凌波，等.一種TNO-10假人軀干標定裝置.專利201821278670.X，2019[P].

[7]Michel Griffiths，B.E.，M.Biomed.E.and Andrew Skidmore，THE PERFORMANCE OF AGED USED SEATBELTS，1987.