加載位置對Hybrid Ⅲ假人胸部響應影響*

馬偉杰，劉志新，程翔宇，蔣彬輝

（1.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300；2.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082）

前言

Hybrid Ⅲ假人是目前應用最為廣泛的機械假人模型，各國正在實施的汽車安全法規體系（如美國FMVSS208、歐 洲ECE R94、日 本TRIAS 和 我 國GB11551—2014 等）和 現 行 NCAP （new car assessment program）體系（法規中包括US-NCAP、Euro-NCAP、J-NCAP 和我國C-NCAP）都是在車輛前排布置Hybrid Ⅲ假人對車輛的安全性展開評估。

據 美 國NASS （national automotive sampling system）數據顯示，道路交通事故中胸部損傷的比例高達26.7%，僅次于頭部。考慮到胸部損傷的嚴重性，在法規和NCAP 中，都將胸部安全性的防護作為主要考察指標。如美國FMVSS208 中考察了HybridⅢ假人的胸部3 ms 加速度和胸部壓縮量，歐洲ECE R94 和我國GB11551—2014 中考察了假人的胸部壓縮量和VC 值。在各國的NCAP 體系中，對胸部的評估也以考查假人胸部3 ms加速度、胸部壓縮量和VC值為主。在考查的3 種胸部損傷準則中，除胸部3 ms 加速度外，均以測量到的假人胸部壓縮量為基礎數據。因此，假人胸部壓縮量的測量精度對整個胸部安全性的評估結果影響重大［1］。當前對HybridⅢ假人的胸部壓縮量采用單點測量的方法：僅在假人胸腔內安裝了單一的胸部電位計來測量胸骨與脊骨之間的壓縮變形，如圖1 所示。研究表明，這種單點胸部壓縮量的測量結果對載荷施加的部位比較敏感。如Horsch 等［2］研究發現，將安全帶靠近頸部放置時獲得的胸部壓縮量比安全帶水平外移50 mm后的假人胸部壓縮量小34%。2012 年，Pereira 等［3］通過假人胸部標定試驗發現，沖擊Hybrid Ⅲ50th男性假人第6 根肋骨位置測量到的胸部壓縮量比沖擊第3 根肋骨時小33%。Haight 等［4］對比了US-NCAP 和FMVSS 208 中兩種安全帶試驗設置：在NCAP 中安全帶D 環固定點放置在最高位，FMVSS 208 中安全帶D 環固定點放置在最低位。結果顯示安全帶D 環固定點放置在最高位時能顯著降低假人的胸部壓縮量。然而，多數的法規和NCAP 中并未明確安全帶的具體佩戴位置，如FMVSS208、ECER94、Euro-NCAP、J-NCAP 和C-NCAP 等，僅有A-NCAP 中明確了安全帶上邊緣不得超過假人上衣調整螺栓孔［5］。因此，研究安全帶佩戴位置對胸部壓縮量的影響有助于提升法規和NCAP 對車輛安全性評估的準確性，從而也有助于加強車輛對胸部的防護。

針對上述問題，本文中對Hybrid Ⅲ男性和女性分別開展胸部低速擺錘沖擊試驗。考慮到女性假人胸部結構的特殊性，還對試驗中的擺錘進行調整，設計了模擬安全帶帶狀載荷的沖擊塊，安裝于胸部標定擺錘前端。對試驗中測得的假人胸部最大壓縮變形與擺錘沖擊位置的相關性進行分析。最后將獲得的相關性應用于實車試驗中假人胸部最大壓縮變形的修正，以消除加載中心位置與測量點位置的差異造成的測量影響。

1 試驗方法

對于Hybrid Ⅲ假人胸部標定主要有兩種方法，即 NHTSA （national highway traffic safety administration）在CFR-Part 572 中規定的胸部高速標定方法［6］和SAE標準J2779和J2878中規定的胸部低速標定方法［7-8］。兩種標定方法均在擺錘非撞擊側安裝測量擺錘沖擊方向的加速度傳感器，并結合假人胸部位移傳感器響應，最終自動輸出假人胸部力-位移沖擊響應曲線和內滯比；在試驗程序和試驗環境上要求一致，但因擺錘臂長的差異使假人胸部所受的沖擊能量不同，從而導致胸部壓縮量也不同。在高速標定試驗中男女假人的胸部壓縮量范圍分別為63.5～72.6 mm 和50～58 mm［6］；低速標定試驗中則分別為21.5～26.5 mm［7］和17.4～21.8 mm［8］。據C-NCAP 實車碰撞試驗中的假人胸部壓縮量的結果統計顯示，男性和女性的胸部壓縮量主要分布在15～55 mm 和20～60 mm 內［9］。故本文在假人胸部低速標定試驗條件下展開研究。

1.1 男性假人試驗矩陣

假人胸部低速標定試驗規范中規定的撞擊中心點為假人第3 根肋骨中心線以下12.7±1 mm 處（約位于假人第3、4 根肋骨間隙處），而Hybrid Ⅲ50th男性假人肋骨寬度為19.05 mm，肋骨之間的間隙為9.4 mm［10］，即肋骨的間距為28.45 mm。按此推算，從規定的撞擊中心至第1 肋骨上緣的距離為80.65mm。因此，以撞擊中心為0 點，沿Z 軸向上每隔20 mm 作為一個撞擊點，共選包括0 點在內的0、20、40、60 和80 mm 等5 個點為撞擊中心點進行標定試驗，如圖2 所示。其中，20 mm 撞擊中心點約位于假人第3根肋骨靠近上緣處，40 mm撞擊中心點約位于假人第2根肋骨中部偏下，60 mm撞擊中心點約位于假人第1 根肋骨與第2 根肋骨間隙中，接近第1 肋骨下緣處，80 mm撞擊中心點約位于假人第1根肋骨的上緣。

圖2 男性假人胸部撞擊中心位置示意圖

1.2 女性假人試驗矩陣

由于Hybrid Ⅲ5th女性假人胸部結構的特殊性，且沖擊器的圓形沖擊面較大（直徑為152.4±0.25 mm），撞擊質量為13.97 kg。若僅單獨Z 向移動撞擊中心位置，則在部分位置將受到乳房緩沖的影響。考慮法規和NCAP 試驗中，女性假人常被置于后排位置［11］，假人胸部僅受到安全帶狀載荷的作用，為此在擺錘上安裝一個帶狀沖擊塊來模擬帶狀沖擊載荷的同時，避開假人乳房位置，如圖3 所示。帶狀沖擊塊的寬度為48 mm，長度為260 mm，質量為0.81 kg，故改進后擺錘的總撞擊質量為14.78 kg。

圖3 改進后的標定擺錘

碰撞試驗假人姿態數據統計分析表明，后排女性假人安全帶的佩戴角度范圍的尺寸如圖4（a）所示。對應的角度α1～α2約為16°～36°。將該角度范圍等間隔選取16°、21°、26°、31°和36°等5 個特定角度進行沖擊試驗，如圖4（c）所示。然后，選定沖擊塊偏轉角度為26°時，將擺錘中軸線對應的撞擊位置沿Z軸向上偏移，以低速標定試驗中規定的撞擊中心點為0 點，每隔20 mm 選取一個點，共選取0、20、40、60和80 mm 等5 個撞擊中心點展開試驗，其中，首末個撞擊點位置如圖4（b）所示。

2 結果分析

2.1 男性假人

Hybrid Ⅲ50th男性假人胸部低速沖擊試驗中的加載情況如表1 所示。被測試假人的實驗室編號為1925#。在5組沖擊試驗中的擺錘沖擊速度v均位于SAE J2779 規定的2.94～3.06 m/s 范圍內，擺錘總質量為23.38 kg，在假人胸部上形成的最大沖擊力F約在2.43～2.58 kN 之間，假人胸部最大壓縮變形量D響應值為23.0～25.0 mm。

試驗中獲得的胸部壓縮量-力曲線如圖5 所示。從圖中可看出，胸部展現出的較為明顯的黏性響應，且5 組試驗獲得的曲線形狀基本一致。表明撞擊中心位置的Z 向偏移對胸部的響應形式影響較小，但在胸部的最大壓縮量和峰值力存在一定差異。

圖6 為擺錘最大沖擊力和Hybrid Ⅲ50th男性假人胸部最大壓縮變形與擺錘沖擊中心位置Z 的變化關系。從圖中可看出，最大沖擊力和最大壓縮變形與擺錘沖擊中心位置Z 呈現出近乎線性的負相關性。若以式（1）線性方程對結果進行擬合，可以獲得在低速標定沖擊強度下最大沖擊力和最大壓縮變形與擺錘沖擊中心位置Z的關系，如圖6所示。

2.2 女性假人

圖4 女性假人胸部撞擊角度和位置示意圖

表1 低速標定試驗結果

圖5 男性假人胸部壓縮量與擺錘沖擊力曲線

使用試驗室編號為7058# Hybrid Ⅲ5th女性假人在改進擺錘的低速標定試驗條件下，對繞x 軸轉動角度α 的影響展開研究。試驗結果如表2 所示。在該系列試驗中，加載速度v為3.04～3.05 m/s，均位于SAE J2878 規定的2.94～3.06 m/s 范圍內。在假人胸部上形成的最大沖擊力F約在1.93～2.00 kN之間，假人胸部最大壓縮變形量D 響應值為20.2～20.6 mm。

圖6 Hybrid Ⅲ50th男性假人試驗結果：擺錘沖擊力峰值和胸部最大壓縮變形量與撞擊位置的相關性

表2 沖擊塊不同角度的試驗數據

進一步分析擺錘最大沖擊力和Hybrid Ⅲ5th女性假人胸部最大壓縮變形與擺錘繞x 軸轉動角度α的變化關系，如圖7 所示。若同樣以式（1）對結果進行擬合，可以獲得在低速標定沖擊強度下最大沖擊力和最大壓縮變形與擺錘繞x軸轉動角度α的關系，如圖7 所示。可以看出最大沖擊力與擺錘繞x 軸轉動角度α 呈現出較好的線性相關性，但最大壓縮變形與擺錘繞x 軸轉動角度α 的相關性R2僅為0.331 1。還可以看出，當擺錘繞x 軸轉動角度α 在16°～26°變化時，胸部最大壓縮變形量隨α 增大而增大，但在α 為31°時假人的胸部最大壓縮變形量反而出現了下降，沒有呈現出很好的正相關性。

圖7 Hybrid Ⅲ5th女性假人試驗結果：擺錘沖擊力峰值和胸部最大壓縮變形量與擺錘轉角的相關性

在擺錘繞x 軸轉動角度α 為26°的情況下，采用實驗室編號3544# Hybrid Ⅲ5th女性假人研究擺錘中軸線在Z 向不同位置上對假人胸部最大壓縮變形的影響，以盡量避免女性假人乳房對試驗結果的影響。試驗數據如表3 所示。在該系列試驗中，加載速度在2.92～3.05 m/s 之間，其中試驗P20 速度低于SAE J2878 規定的2.94～3.06 m/s 范圍內。因此，在分析中剔除了該次試驗的結果。在假人胸部上形成的最大沖擊力約在1.83～1.97 kN 之間，假人胸部最大壓縮變形量響應值為18.5～19.9 mm。

表3 沖擊塊不同沖擊位置的試驗數據

圖8 為女性假人試驗擬合結果。從圖中可看出，最大沖擊力和最大壓縮變形與擺錘沖擊中心位置Z 呈現出的負相關性，即隨著擺錘沖擊中心上移，最大沖擊力和最大壓縮變形減小。線性擬合最大沖擊力和最大壓縮變形與擺錘沖擊中心位置Z 的關系如圖8 所示。可以看出，最大沖擊力與擺錘沖擊中心位置Z 呈現出較好的線性相關性，但最大壓縮變形與擺錘沖擊中心位置Z 的相關性R2僅為0.691 4。分析原因主要是由于女性假人乳房的影響，盡管改進擺錘以降低女性假人乳房對試驗結果的影響，但無論是在擺錘繞x 軸轉動角度α 還是擺錘沖擊中心位置Z 的研究中，均有部分試驗的擺錘沖擊到了女性假人的胸部，從而使假人的胸部最大壓縮變形與擺錘角度或位置變化量沒有呈現出很好的相關性。因此，若要深入研究Hybrid Ⅲ5th女性假人胸部最大壓縮變形因測量位置引起的誤差，須進一步改進試驗以消除女性假人乳房對沖擊試驗的影響。

圖8 Hybrid Ⅲ5th女性假人試驗結果：擺錘沖擊力峰值和胸部最大壓縮變形量與擺錘沖擊位置的相關性

3 實車試驗中的應用

由于實車碰撞試驗的不可逆性，且Hybrid Ⅲ50th假人胸部壓縮變形量傳感器單點測量的結構特性，引發了試驗中安全帶佩戴位置偏離測量點導致胸部壓縮變形量測量數值小于實際數值的問題。為此提出了一種基于假人胸部低速標定試驗的胸部壓縮變形量修正方法，以便更客觀、公正地評價汽車對乘員胸部防護的安全性能。

由于女性胸部最大壓縮變形量與擺錘撞擊中心位置Z 的相關性差，因此在應用中僅考慮了HybridⅢ50th男性假人在實車試驗中的修正應用。在兩次同車型的實車碰撞試驗中，在駕駛位置均布置同一試驗編號的Hybrid Ⅲ50th男性假人（ID：1925）。兩次試驗中，假人佩戴的安全帶位置存在一定差異：試驗1 中安全帶中心線與假人胸部矢狀面的交點到下顎距離為146 mm；試驗2 中該距離為97 mm。而假人胸部測量點至假人下顎距離為210 mm。因此，在兩次試驗中相比測量點，分別上移64和113 mm。

兩次實車試驗中獲得的假人胸部位移量曲線如圖9 所示。從圖中可看出，兩次試驗曲線形狀基本一致，對其中一條曲線進行等比例縮放能夠很好地擬合另一條曲線。表明男性假人胸部壓縮變形量與安全帶佩戴位置的高度線性相關。兩曲線中的最大胸部壓縮變形分別為24.89 和20.44 mm，兩者在CNCAP 中的評分分別為4.48 分和滿分5 分，相差0.52分。

圖9 兩次試驗假人胸部最大壓縮變形量

利用式（2）Hybrid Ⅲ50th男性假人最大壓縮變形與擺錘沖擊中心位置Z 的關系（R2=0.9554）對實車中最大壓縮變形進行修正。

利用式（3）將它們統一修正為加載在Z 為0 位置時假人胸部壓縮變形量的響應值。

式中：Dd為修正后，即換算至Z 為0 位置撞擊時假人胸部壓縮變形量響應值；Dm為實際位置撞擊時假人胸部壓縮變形量響應值。

試驗1中的假人胸部最大壓縮變形量由24.89修正為26.39 mm，試驗2中的20.44修正為23.10 mm，修正率分別為6%和13%，兩次試驗修正后假人胸部得分分別為4.21分和4.8分。

4 結論

利用假人胸部低速沖擊標定試驗，研究了加載中心和測量點之間的高度差對假人胸部最大壓縮變形量的影響。試驗結果表明，在相同沖擊強度下，不同的沖擊位置對假人胸部最大壓縮變形存在明顯影響：Hybrid Ⅲ50th男性假人的最大胸部壓縮變形與擺錘中心在Z 方向的偏移量呈近乎完全線性（R2=0.9554）的負相關性。Hybrid Ⅲ5th女性假人由于乳房對試驗結果的影響，使胸部最大壓縮變形與沖擊加載位置的相關性不如男性假人統一，但加載位置對胸部最大壓縮變形的影響仍然較為明顯，還須進一步深入研究以獲得相關性。上述低速標定試驗中獲得的Hybrid Ⅲ50th男性假人的最大胸部壓縮變形與擺錘中心在Z 方向偏移量的相關性進一步被應用于實車試驗中的假人胸部最大壓縮變形結果的修正，修正率分別為6%和13%，修正后Hybrid Ⅲ50th假人胸部得分分別為4.21分和4.80分，即分別降低了0.27分和0.2分。