C-NCAP中THOR 50th假人頭部氣囊觸底評價方法探討

商恩義，李月明，習(xí)波波，崔新康，張 毅

（浙江省汽車安全技術(shù)研究重點實驗室，吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336，中國）

在歐洲新車評價規(guī)程（European New Car Assessment Program，Euro NCAP，E-NCAP）（2013 年 版）[1]中，將氣囊不穩(wěn)定接觸規(guī)定為修正項，并指出基于頭部加速度變化進行判斷[2]：在假人頭部加速度曲線回歸過程中出現(xiàn)峰尖時，如果懷疑觸底造成，則在認(rèn)為觸底峰尖開始和結(jié)束之間插補光滑曲線，并測量出峰值持續(xù)時間和超出周邊曲線相對幅值。當(dāng)持續(xù)時間超過3 ms且相對幅值超過5g（g為重力加速度）以上時，可初步確認(rèn)氣囊觸底。商恩義[3]對該評價方法進行了研究，指出高速碰撞過程中假人頭部除了受到安全氣囊或方向盤、車內(nèi)飾等施加的外力，也會受到頸部約束，即有內(nèi)力。頭部發(fā)生氣囊不穩(wěn)定接觸是頭部所受外力發(fā)生突變，對其進行判斷應(yīng)基于頭部外力作用加速度進行，而不應(yīng)直接采用包含內(nèi)力作用結(jié)果的加速度。試驗中，將采集假人頭部3個方向的加速度和上頸部3個方向的頸部力，因此，求解外力時，可依據(jù)d’Alembert原理進行。計算過程中，頭部慣性力通過頭部質(zhì)量和頭部加速度計算，內(nèi)力為所采集上頸部力。將3個方向外力求解后進行合成，而后再除以頭部質(zhì)量，便可求得頭部外力作用加速度[4]。

在中國新車評價程序（China New Car Assessment Program, C-NCAP）2021年版[5]中，將原正面40%重疊可變形壁障（offset deformable barrier，ODB）碰撞試驗改為正面50%重疊移動可變形壁障（mobile progressive deformable barrier，MPDB）碰撞試驗，且駕駛員假人由Hybrid Ⅲ 50th假人更換為THOR 50th假人。另外，針對前排假人頭部，參照E-NCAP增加了 “氣囊不穩(wěn)定接觸”修正項，評價中引入了文獻[3]的研究結(jié)果，指出對正面碰撞中Hybrid III 50th假人頭部是否發(fā)生觸底的判斷采用頭部外力加速度；對MPDB試驗中THOR 50th假人頭部是否發(fā)生觸底，鑒于THOR 50th假人頭頸部結(jié)構(gòu)與Hybrid III 50th假人頭頸部結(jié)構(gòu)不同，x向和y向沿用文獻[3]的計算方法，z向外力在原計算方法求得結(jié)果的基礎(chǔ)上再去除頸部前、后鋼索z向作用力。

鑒于頸部前、后鋼索對頭部運動的影響較復(fù)雜，很難通過在z向進行簡單加減實現(xiàn)排除，本文將通過對比分析THOR 50th假人和Hybrid Ⅲ 50th假人頭頸部結(jié)構(gòu)，分析THOR 50th假人頭頸部結(jié)構(gòu)的變化對計算頭部外力的影響；通過進行模擬氣囊觸底試驗，研究頸部鋼索的增加在氣囊觸底過程中的作用、面部力在氣囊觸底過程中的表現(xiàn)。通過上述研究，對THOR 50th假人頭部氣囊觸底的評價方法進行深入探討。

1 THOR 50th和Hybrid Ⅲ 50th假人頭頸部結(jié)構(gòu)

1.1 2種假人頭頸部結(jié)構(gòu)

Hybrid Ⅲ 50th 和THOR 50th的假人頭部和頸部結(jié)構(gòu)如圖1[6-7]所示。頭部和頸部之間通過連接軸相連，頭部加速度傳感器安裝在上頸部載荷傳感器上，而上頸部載荷傳感器位于連接軸上方。在碰撞過程中，Hybrid Ⅲ 50th假人頭部和頸部當(dāng)前結(jié)構(gòu)可確保頭部加速度傳感器和上頸部載荷傳感器所處坐標(biāo)系各坐標(biāo)方向始終一致，因此，通過頭部質(zhì)量、頭部加速度、上頸部載荷可以求得頭部所受外力和外力加速度。

假人頭部加速度傳感器安裝在一個剛性平臺上，上頸部載荷傳感器處于頭部和頸部連接軸下方。假人頸部前、后各有一條鋼索，并分別跨過連接軸與頭部前后所安裝彈性載荷傳感器相連。另外，假人面部增加了正面載荷傳感器。

圖1 2種假人頭頸部結(jié)構(gòu)

1.2 2種假人頭頸部結(jié)構(gòu)對比

建立假人加速度和載荷坐標(biāo)系[8]：x向為前后方向，y向為左右方向，z向為上下方向。對于頭部加速度方向，x向前為正；y向右為正；z向下為正。對于假人頸部載荷，F(xiàn)x為頭向后胸向前為正，F(xiàn)y為頭向左胸向右為正，F(xiàn)z為受拉為正。對于鋼索作用力，受拉為正。對于面部力，受壓為正。

與Hybrid Ⅲ 50th頭部和頸部結(jié)構(gòu)相比，THOR 50th假人上頸部載荷傳感器安裝位置由頭頸連接軸上方改到下方，該改動使上頸部載荷測量更加合理，基于頸部載荷傳感器測量結(jié)果對頸部傷害所做評價更加嚴(yán)謹(jǐn)。但該改動導(dǎo)致碰撞中頭部加速度傳感器與頸部載荷傳感器之間坐標(biāo)方向不再完全一致，理論上不應(yīng)再將頸部各方向載荷直接作為頭部受到的內(nèi)力使用。另外，雖然THOR 50th假人頸部前后鋼索與頭部兩個z向固定的彈性載荷傳感器相連，但隨著頭部相對頸部前后轉(zhuǎn)動，鋼索對頭部施加的約束并不是只沿頭部z向，而僅僅是采集了z向所受拉力。

2 THOR 50th假人頭部所受外力探討

2.1 THOR 50th假人頸部鋼索作用分析

以某車型在中國汽車技術(shù)中心天津試驗室所做的MPDB試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，按照文獻[3]中方法計算THOR 50th假人頭部外力。綜合分析如圖2所示。

用Ff表示前鋼索作用力，用Fr表示后鋼索作用力。以后鋼索作用為基準(zhǔn)，用后鋼索力減去前鋼索力，即將前鋼索受拉轉(zhuǎn)換為后鋼索受壓，所得結(jié)果作為鋼索合力，用Fr-f表示。分析各變化對THOR 50th假人頭部外力計算的影響，以及鋼索作用與頭部運動關(guān)系[9-10]。分析中，將頭部x向外力起始時刻之前定義為頭部碰撞前，頭部y向外力歸零時刻（頭部y向幾乎不受鋼索作用影響）之后定義為頭部碰撞回彈過程，兩時刻之間為頭部碰撞過程。

由圖2a可知：鋼索作用主要發(fā)生在假人頭部回彈過程，且在MPDB試驗中影響主要在x向和z向。由圖2b可知：鋼索的作用與頭部相對頸部運動相關(guān)，即與上頸部My緊密相關(guān)。圖2d表明：頭部與頸部傳感器坐標(biāo)系偏差對分析頭部所受外力影響較小。在頭部與氣囊碰撞過程中，頸部前后鋼索作用力也較小。只有在假人臀部快速回彈，頭部向前下方產(chǎn)生揮鞭運動[11]時，后鋼索回拉頭部作用才會明顯。

圖2 THOR 50th假人頭部外力、鋼索力及頸部My綜合分析圖

2.2 面部載荷作用分析

相對于Hybrid Ⅲ 50th假人，THOR 50th假人在面部5個位置增加了面部載荷傳感器，將其合力稱為面部力Fxm，在外力作用下，面部力Fxm應(yīng)與外力Fx相關(guān)，建立兩者比較關(guān)系如圖3所示。

圖3 外力Fx和面部力Fx m比較

圖3中，在頭部與氣囊碰撞過程中，兩條曲線同步性較好，只是因面部力Fxm僅僅為5個位置采集合成，而外力Fx反映整個頭部x向所受外力，面部力Fxm幅值偏低，但面部力曲線已能夠反映頭部正面受力情況。面部力Fxm歸零后外力Fx依然存在作用力，該階段力反映了假人頭部回彈過程中鋼索對假人頭部x向的作用。

2.3 頸部鋼索作用對頭部外力加速度的影響

判斷氣囊觸底是通過頭部外力加速度進行，因此，需要分析鋼索作用對頭部與氣囊碰撞過程中所產(chǎn)生的外力加速度的影響，影響過大應(yīng)排除。將頭部采集加速度的合成加速度用arh表示，由頸部內(nèi)力轉(zhuǎn)換來的加速度用arn表示，通過arh和arn計算得到的外力加速度用ar表示，將前后鋼索z向拉力轉(zhuǎn)換而來的前后鋼索加速度分別用azf和azr表示，建立ar與azf和azr比較關(guān)系如圖4所示。

圖4b表明：頭部外力加速度產(chǎn)生突變可排除鋼索作用。

3 試驗研究

鋼索作用和坐標(biāo)系差異，在安全氣囊正常作用下，對THOR 50th頭部外力計算影響較小，但在氣囊觸底情況下，其影響需要進行模擬研究。在THOR 50th面部標(biāo)定試驗[12]中，將完整的假人擺放在平臺上，用13 kg的擺錘沖擊假人面部，該實驗易操作；因此，確定在此試驗工況基礎(chǔ)上，本文作者進行了不同速度下的沖擊試驗?zāi)M氣囊觸底。

3.1 低速擺錘沖擊

在假人面部粘貼一個吹起的氣球，升高擺錘使其以約1.25 m/s的速度沖擊氣球，用擺錘撞擊氣球模擬氣囊發(fā)生觸底。模擬試驗碰撞0時刻狀態(tài)如圖5所示。模擬試驗后，建立假人頭部x向和z向外力與前鋼索力比較關(guān)系如圖6所示。假人面部力曲線Fxm如圖7所示。

圖5中，假人頭部受到?jīng)_擊后將發(fā)生后仰運動，因此，頭部主要為x向和z向受力，鋼索只有前鋼索施加拉力。

圖4 a r與 az f和az r比較

圖6中，在63 ～ 70 ms時，外力曲線發(fā)生突變，此時，氣囊被擊穿，頭部發(fā)生觸底。頭部觸底時間短促，前鋼索力并沒有發(fā)生明顯反映，只有頭部發(fā)生后仰后，前鋼索對頭部才產(chǎn)生明顯回拉作用，且該作用主要發(fā)生在z向。圖7中，氣囊觸底時，面部合力Fxm也發(fā)生瞬間劇烈振蕩，且后續(xù)曲線不再平滑。

圖5 面部沖擊試驗初始狀態(tài)

圖6 低速擺錘沖擊假人頭部x向和z向外力與前鋼索力F f

3.2 高速擺錘沖擊

為了驗證模擬試驗結(jié)果的必然性，將氣球更換成支撐強度更高的氣袋，并使擺錘以1.86 m/s速度再次進行沖擊試驗。

試驗后，建立假人頭部x向和z向外力與前鋼索力比較關(guān)系如圖8所示。圖8中，假人頭部外力與前鋼索力間關(guān)系與低速模擬試驗結(jié)果基本相同。

圖8 高速擺錘沖擊假人頭部x向和z向外力與前鋼索力

圖9 高速擺錘沖擊假人面部Fx m

假人面部力曲線Fxm如圖9所示。圖9中，氣囊觸底時，面部力曲線也發(fā)生瞬間劇烈振蕩，且因擺錘端面與假人面部接觸不穩(wěn)定后續(xù)曲線波動強度高。

4 結(jié) 論

通過對THOR 50th假人頭部、頸部和鋼索試驗數(shù)據(jù)的綜合分析以及通過擺錘透過氣球撞擊假人頭部進行氣囊觸底模擬試驗研究，得出結(jié)論：

假人頭部坐標(biāo)系和頸部坐標(biāo)系在試驗中的差異可忽略，計算頭部外力時依然可以采用頭部質(zhì)量乘以頭部加速度減去頸部力的計算方法；

假人頸部前后鋼索在頭部與安全氣囊碰撞過程中作用較小，在發(fā)生氣囊觸底時也不會發(fā)生急劇反應(yīng)，分析THOR 50th假人頭部z向外力時可不作處理；

面部力完全反映頭部與安全氣囊接觸過程，有突變必定發(fā)生氣囊觸底，是評價氣囊觸底的最佳條件，只是當(dāng)前無法量化評價指標(biāo)，后續(xù)研究應(yīng)關(guān)注；

為了保證評價盡可能客觀、嚴(yán)謹(jǐn)，作者建議：2021版C-NCAP在評價氣囊觸底時應(yīng)通過頭部外力加速度和面部力相結(jié)合方式進行。

參考文獻 (References)

[1] European New Car Assessment Programme Committee. European New Car Assessment Programme (Euro NCAP), 2020 [S/OL]. (2020-09-17), http// www.euroncap.com.

[2] European New Car Assessment Programme Committee. Euro NCAP technical bulletin TB001: Hazardous airbag deployment modif ier (ver2.2, 13 Nov 2007) [S/OL]. (2013-06-03), http// www. euroncap.com:1-2.

[3] 商恩義. E-NCAP正碰試驗中假人頭部傷害主觀評價方法的改進[J]. 汽車安全與節(jié)能學(xué)報. 2014, 5(1): 12-26.

SHANG Enyi. Improving the subjectivity assessment method of the dummy head injury in the E-NCAP frontal impacting test [J].J Automotive Safety Energy, 2014, 5(1): 12-26. (in Chinese)

[4] 商恩義, 張君媛, 楊斌, 等. 正面碰撞試驗中假人頭部及胸部受力分析方法的研究與應(yīng)用[J]. 汽車技術(shù), 2010(10): 18-21.

SHANG Enyi, ZHANG Junyuan, YANG Bin, et al. Research on the analysis method of the dummy’s head and thorax stress in the frontal impact test [J].Vehi Tech, 2010(10): 18-21. (in Chinese)

[5] 中國汽車技術(shù)研究中心. C-NCAP管理規(guī)則(2021年版) [S/OL]. (2020-09-17), http// www.cncap.com.

China Automobile Technology and Research Center. China new car assessment program (2021) [S/ OL]. (2020-09-17), http// www.c-ncap.org. (in Chinese)

[6] Humanetics Innovative Solutions Inc. Hybrid III 50th male user manual 78051-9900 (Rev. D) [S]. （2012-07-31）, http//www.humaneticsatd.com/manual/78051-9900.

[7] Humanetics Innovative Solutions Inc. THOR-50th percentile male dummy user manual 472-9900 (Rev. D) [S]. （2018-08-31） , http//www.humaneticsatd.com/manual/472-9900.

[8] USA Society of Automotive Engineers (USA SAE). SAE J211-1: Instrumentation for impact test–part1–electronic instrumentation, REV. MAR2014 [S/OL]. USA SAE, 2014. (2014-03-31), https://www.sae.org/standards/J211/1-201403.

[9] 商恩義, 李洪梅, 楊斌. 正面碰撞試驗中假人頸部傷害分析方法的研究與應(yīng)用[J]. 上海汽車, 2010(6): 51-55.

SHANG Enyi, LI Hongmei,YANG Bin. Research and application of the analysis methods of the dummy’s neck injury in the frontal collision test [J].Shanghai Auto, 2010(6): 51-55. (in Chinese)

[10] 商恩義, 李月明, 侯福震. DAB開發(fā)和檢驗中線性沖擊試驗應(yīng)用研究[J]. 汽車零部件, 2019(8): 6-9.

SHANG Enyi, LI Yueming, HOU Fuzhen. Application research of the linearity impact test in the development and the inspection of DAB [J].Automobile Parts, 2019(8): 6-9. (in Chinese)

[11] 商恩義, 陳曉東, 楊斌, 等. 正面碰撞試驗中假人肩帶力、胸部加速度與胸位移間關(guān)系的研究[J]. 汽車技術(shù), 2011(2):22-25.

SHANG Enyi, CHENG Xiaodong, YANG Bin, et al. Research on the relation between the load of shoulder belt and chest acceleration and chest def lection of the dummy in the frontal impact test [J].Vehi Tech, 2011(2): 22-25. (in Chinese)

[12] The National Highway Traff ic Safety Administration, USA Department of Transportation. THOR 50th percentile male (THOR- 50M) qualif ication procedures manual (Rev. E) [S/OL], (2016-08-31), http//www.humaneticsatd.com/manual/THOR 50th.