WorldSID與ES-2假人肋骨結構對比

胡經國，周鵬

(中汽研汽車檢驗中心(寧波)有限公司，浙江寧波 315336)

0 引言

ES-2假人是現今應用最為廣泛和普遍的側面碰撞假人，而WorldSID假人作為仿真度更高，各項生物性能更加出色的側碰假人，已經開始逐漸取代ES-2，成為側碰假人中的“主力軍”。兩種假人在外形尺寸、內部構造、傳感器、動態響應等方面都有較大差異，文中著重介紹兩者胸部肋骨結構的差異，通過基本的外形尺寸結構、標定工況下的差異以及在相同標定試驗中的胸部肋骨傷害比較來具體談談兩種假人的不同。

1 兩種假人的基本差異

在沒有開發WorldSID假人之前，側面碰撞假人有BioSID、ES-2、EuroSID-1、USDOT-SID等，且各國使用的側面碰撞假人不同，所以為了統一、規范化側面碰撞假人，國際標準化工作組(ISO)研究開發了WorldSID 50th男性假人。按照ISO生物力學評價等級(表1)，對各側碰假人進行評價，得分如表2所示[1]，可以看出WorldSID假人的整體仿真度是最好的，得分為7.6分，評級達到了“好”，而現今使用最廣泛的ES-2假人得分是4.6分，評級僅是“普通”。

表1 ISO生物力學評分等級

表2 各假人仿真度評價對比 單位：分

因ES-2假人是根據歐洲男性的平均身材研發的，而WorldSID假人是基于全世界男性的身材開發的，所以兩者在外形尺寸上的差異也很大。從外形上來看，WorldSID假人肩部較窄，但是胸部、腹部和骨盆都比ES-2假人要寬，表3為兩者側面寬度對比，尺寸測量為從假人中心到一側的距離[2]。從質量分布來看兩種假人各部位的質量也有差別，具體可從表4[3-4]中看到，兩種假人各部位的質量相差并不大，整體質量也是非常接近，其中各部位分類有較大區別的是胸部、腹部和骨盆，ES-2假人是3個部位獨立分開的，而 WorldSID假人是將3個部位分成了上、下軀干，這主要是兩種假人胸部肋骨結構不同造成的。

表3 WorldSID假人和ES-2假人側面寬度對比單位：mm

表4 WorldSID假人和ES-2假人各部位質量對比

2 肋骨結構對比差異

2.1 基本的外形結構差異

WorldSID假人肋骨結構包括1根肩部肋骨、3根胸部肋骨、2根腹部肋骨組成整個軀干。6根肋骨的結構、組成以及樣式都基本一致，但因安裝位置的不同，在大小上有著差異。每根肋骨左右兩側對稱，單側的結構為一個內閉環和一個半開環構成，內閉環與脊柱相連，外開環一端與脊柱后部相連，另一端與另一側的半開環通過肋骨連接板(相當于人體結構中的胸骨)相連接，用以模擬人類肋骨結構。肋骨連接板在x-y平面將同一高度的左右側肋骨連接，在x-z平面上將肩部肋骨與3根胸部肋骨連接在一起。人類身體結構在腹部沒有肋骨，而WorldSID假人采用與胸部肋骨相似的肋骨結構來替代腹部，另一塊肋骨連接板將兩根腹部肋骨連接起來，而不與胸部肋骨連接，區分了肩-胸結構與腹部結構，使兩個結構間減少干涉，更好地模擬真人。 WorldSID假人胸部肋骨結構如圖1所示。

圖1 WorldSID胸部肋骨結構

ES-2假人的肩部、胸部和腹部是獨立分開的，如圖2所示。ES-2假人的手臂直接連接在鎖骨上，這就使得假人的手臂可以繞著鎖骨向前移動，而由于肩部鎖骨采用特氟龍材料，并用一定力的彈力繩固定肩胛骨(在鎖骨外側4 mm處施加肩鎖凸塊并將其作用于與鎖骨運動相同的平面時，所需的力應在27.5～32.5 N之間。為了設置彈性繩的張力， 彈性繩的長度應在彈性繩固定器上調整)，所以假人肩部可以進行側向移動，肩部可安裝肩部力傳感器以便測量側向撞擊力。肋骨共有3根，分別是胸部上、中、下3根肋骨。3根肋骨完全一致，肋骨采用的是帶有軸承系統的剛性肋骨，肋骨阻尼由獨立的阻尼器產生，采用的傳感器是電位移傳感器測量胸部的變形[5]，在肋骨結構上還可加裝加速度傳感器，用于測量碰撞方向的加速度大小。3根肋骨與假人腰椎結構剛性連接，保證肋骨只能由彈簧阻尼結構帶動側向一個方向的位移。腹部是一泡沫結構，內置有前中后3處腹部力傳感器，ES-2假人腹部的剛度完全取決于腹部泡沫的剛度，前中后3處腹部力傳感器與腰椎相連，左右側都可安裝。而泡沫覆蓋物是否可用，完全取決于假人腹部標定的結果。

圖2 ES-2結構

2.2 標定工況的不同

兩種假人在標定試驗中都需要標定肩部、胸部和腹部，且標定所需的環境一樣，但是相同部位在標定方法上有著一定的差異。

首先，肩部和腹部標定都是將假人整體放置到標定臺上，然后用23.4 kg的擺錘以一定的速度撞擊假人相應標定部位得出標定結果，但是兩者所用的標定臺不同， WorldSID假人標定時是坐在一個剛性座椅上，座椅底座和靠背都覆蓋有2 mm厚的特氟龍板，呈現一個固定的姿態；而ES-2假人是坐在水平剛性平面上，沒有背部支撐，在假人和平面之間放置兩張2 mm厚的特氟龍板。

其次，胸部標定時，ES-2假人是將肋骨拆下，每根進行單獨標定，用7.78 kg的重物分別在815 mm、204 mm、459 mm的高度下落，撞擊到肋骨可壓縮側，使肋骨的位移量分別在46～51 mm、23.5～27.5 mm、36～40 mm之間。而WorldSID假人胸部是整體標定，用23.4 kg的擺錘撞擊假人胸部肋骨，在4.2～4.4 m/s的速度下，得出3根胸部肋骨的位移量。

最后，兩種假人本身結構不同，安裝的傳感器不同，所以標定采集到的數據以及各部位的要求都不同。具體的兩種假人肩部、胸部和腹部的標定指標如表5所示。

表5 WorldSID假人和ES2假人標定項目對比

2.3 相同標定試驗下兩者傷害的比較

由于在實際的側面碰撞試驗中很難做到在同樣的試驗工況下，分別用WorldSID和ES-2兩種假人進行試驗，所以為了能夠更好地對比兩者的耐沖擊傷害，在WorldSID假人標定用剛性座椅上，采用同樣的方法對WorldSID和ES-2兩種假人的左側進行肩部、胸部和腹部的標定試驗。

從肩部標定指標看，兩者的速度要求是一樣的，所以沖擊擺錘是從一樣的高度下落，ES-2假人要求的撞擊加速度在7.5～10.5g之間，根據擺錘質量換算成撞擊力為1.72～2.41 kN，而WorldSID假人要求的撞擊力在2.6～3.3 kN，這就意味著ES-2的肩部相較于WorldSID更“軟”。實際試驗分別將兩種假人采用同樣方法，以4.3 m/s的速度進行標定，得到WorldSID假人受到肩部撞擊力為2.69 kN，而ES-2假人肩部受到的撞擊加速度為9.02g，也就是2.1 kN，這也就驗證了ES-2假人相較于WorldSID假人肩部y向受力更小，相對較“軟”。

使用相同擺錘、相同速度對假人的胸部左側肋骨進行標定(標定時手臂拆掉，直接撞擊胸部肋骨)，得到的肋骨位移曲線如圖3所示，由圖可以看出WorldSID假人的肋骨變形量要略大一些。為了進一步驗證兩種假人的胸部剛度，采用不同的速度去標定胸部，得到的結論是：在相同條件下分別標定WorldSID和ES-2兩種假人的胸部，前者的胸部位移量更大，且標定速度越高越明顯。所以可以得出WorldSID假人的胸部肋骨較“軟”。

圖3 胸部肋骨位移曲線

在相同條件下對腹部進行標定，因為ES-2假人裝的是腹部力傳感器，而WorldSID假人的腹部是跟胸部相似的兩根肋骨結構，考核的是肋骨位移指標，無法將兩種假人的腹部傷害指標進行直接比較，所以只能通過撞擊的擺錘力來進行判斷。用4.3 m/s的速度分別撞擊兩者腹部，得到ES-2假人的擺錘撞擊力為5.1 kN，WorldSID假人的撞擊力為2.9 kN，可以得出ES-2假人的腹部剛度明顯大于WorldSID假人。

3 結束語

文中比較了ES-2和WorldSID兩種假人的基本差異，包括生物力學評級、身材尺寸、質量等，從肋骨結構入手，對比兩種假人的肋骨外形結構、標定工況以及標定試驗下的傷害程度，得出兩種假人的肩部、胸部、腹部結構完全不同；標定方法和考核指標也有較大差異；通過標定試驗，發現WorldSID相較于ES-2假人肩部剛性更大、胸部和腹部更“軟”。

通過上述分析，對WorldSID和ES-2這兩種假人的基本結構，尤其是肩部、胸部和腹部都有了一定的了解，這還為實車碰撞中兩種假人的真實響應提供了參考。