基于滑臺試驗(yàn)的THOR 5F假人胸部變形特性研究

李月明，王鵬翔，祝賀，王勇輝，商恩義

吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315336

0 引言

2020版歐洲新車評價(jià)程序(European new car assessment programme，Euro NCAP)[1]規(guī)定，正面碰撞試驗(yàn)中駕駛員側(cè)及后排均采用HybridⅢ 5th(簡稱H5)假人，但2023版規(guī)定在前排乘員側(cè)采用H5假人。Euro NCAP 2025—2030年路線圖中指出在正面碰撞試驗(yàn)中，將用THOR 5F(簡稱T5)假人和THOR 50M(簡稱T50)假人取代Hybrid Ⅲ假人。當(dāng)前，T50假人已在正面可移動漸進(jìn)變形壁障(mobile progressive deformable barrier，MPDB)試驗(yàn)[2]駕駛員側(cè)采用，商恩義等[3-4]在對T50假人頭部受力特性研究的基礎(chǔ)上探討了頭部觸底評價(jià)方法。另外，對T50假人胸部變形特性也進(jìn)行了研究，指出T50假人胸部4個(gè)變形量測量位置，帶扣側(cè)上方測量值最大，該位置在假人向前平動過程中與安全帶肩帶力之間存在穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系。Kurano[5]、Martin等[6]通過與H5假人對比研究了T5假人頸部損傷情況。Yoganandan等[7-8]通過Hybrid Ⅲ和THOR假人臺車試驗(yàn)研究了THOR假人在后沖擊載荷下的頸部損傷概率曲線，以及在斜向和側(cè)向遠(yuǎn)端碰撞中的胸部變形響應(yīng)。Wang等[9]通過在兩個(gè)試驗(yàn)室分別進(jìn)行30 km/h的臺車試驗(yàn)，使用NHTSA BioRank方法研究了T5假人的生物保真度，指出假人胸部壓縮變形量為優(yōu)秀，4次重復(fù)試驗(yàn)均具有良好的穩(wěn)定性。

本文在相關(guān)研究表明試驗(yàn)中假人胸部變形具有較好重復(fù)性的基礎(chǔ)上，利用1個(gè)T5假人和2個(gè)H5假人進(jìn)行了3次50 km/h的臺車碰撞試驗(yàn)，并對2種類型假人在駕駛員側(cè)、前排乘員側(cè)和后排左側(cè)3個(gè)位置的胸部變形情況進(jìn)行了對比分析，同時(shí)基于H5假人探討了T5假人胸部的變形特性。

1 T5假人胸部結(jié)構(gòu)

T5假人胸部結(jié)構(gòu)及傳感器位置如圖1所示。由圖1a可見，胸腔骨架由6條環(huán)形鋼板和胸椎、防護(hù)板構(gòu)成，后端通過條形鋼板固定在胸椎上，前端固定在防護(hù)板上。由圖1b可見，立姿狀態(tài)下胸腔骨架前端向下傾斜。胸部變形量采用4個(gè)IR-TRACC傳感器進(jìn)行測量，按左上、右上、左下、右下梯形布置。

圖1 T5假人胸部結(jié)構(gòu)及傳感器位置

H5假人胸部結(jié)構(gòu)及傳感器位置如圖2所示。

圖2 H5假人胸部結(jié)構(gòu)及傳感器位置

由圖2a可見，胸部結(jié)構(gòu)同為6條環(huán)形鋼板構(gòu)成，但胸前閉合連接件與T5假人所用防護(hù)板有所不同，且所圍成的胸腔骨架在立姿狀態(tài)下呈水平狀態(tài)；由圖2b可見，胸部變形測量方式為“曲柄滑塊式”單點(diǎn)測量。

2 臺車試驗(yàn)研究

對假人進(jìn)行3次50 km/h正面碰撞臺車試驗(yàn)：試驗(yàn)1，駕駛員側(cè)為T5假人，乘員側(cè)和后排左側(cè)為H5假人；試驗(yàn)2，前排乘員側(cè)為T5假人，駕駛員側(cè)為H5假人；試驗(yàn)3，后排左側(cè)為T5假人。 試驗(yàn)中，駕駛員側(cè)和前排乘員側(cè)配備安全氣囊及42 N·m預(yù)緊限力式安全帶，后排左側(cè)配備59 N·m預(yù)緊限力式安全帶。3次試驗(yàn)中同一位置配置相同。

3次試驗(yàn)后，各位置假人運(yùn)動姿態(tài)對比如圖3至圖5所示。圖3和圖4各個(gè)時(shí)刻假人姿態(tài)、頭部與安全氣囊相對關(guān)系都基本相同，表明試驗(yàn)中各約束系統(tǒng)工作正常，假人變更對前排假人姿態(tài)無明顯影響。圖5中，約前80 ms時(shí)兩個(gè)假人運(yùn)動姿態(tài)基本相同，但因無安全氣囊作用及假人向前行程較大，碰撞后期兩個(gè)假人姿態(tài)出現(xiàn)差異，其中，T5假人頸部表現(xiàn)為更柔軟，如圖5a4、5a5、5b4、5b5所示。

建立假人力和加速度坐標(biāo)系：前后為x向，向前為正；左右為y向，向右為正；上下為z向，向下為正[10]。對于假人胸部變形量，指定壓縮變形為正，用d表示。通過數(shù)據(jù)分析假人胸部變形特性。

圖3 駕駛員側(cè)T5假人和H5假人運(yùn)動姿態(tài)對比

圖4 前排乘員側(cè)T5假人和H5假人運(yùn)動姿態(tài)對比

圖5 后排左側(cè)T5假人和H5假人運(yùn)動姿態(tài)對比

2.1 T5假人胸部變形量間關(guān)系

T5假人胸部不同測量位置變形量對比如圖6所示。由圖6a可見，駕駛員側(cè)T5假人右下位置測量值最大；由圖6b可見，前排乘員側(cè)T5假人左下位置測量值最大；由圖6c可見，后排左側(cè)T5假人右下位置和右上位置測量值碰撞前期比較接近，右下測量值略大，且均大于左上和左下測量值。碰撞后期，右下測量結(jié)果有上升過程，最終右下測量值最大。

T5假人安全帶肩帶的佩戴位置如圖7所示。由圖可見，肩帶與帶扣側(cè)下方傳感器測量位置較接近。綜合各個(gè)位置T5假人胸部壓縮變形量測量結(jié)果及安全帶肩帶在假人胸部的位置，可以確認(rèn)T5假人在任意乘坐位置，帶扣側(cè)下方是假人胸部受安全帶約束造成傷害最大的位置，該位置測量結(jié)果是后續(xù)研究假人胸部所受傷害的關(guān)注點(diǎn)。

圖6 T5假人胸部不同測量位置變形量對比

圖7 T5假人安全帶肩帶的佩戴位置

2.2 同等試驗(yàn)條件下T5假人與H5假人胸部變形量對應(yīng)關(guān)系研究

將2個(gè)假人在3個(gè)位置的試驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行對比，建立T5假人帶扣側(cè)下方測得的壓縮變形量曲線與對應(yīng)乘坐位置H5假人測量結(jié)果之間的對比關(guān)系，如圖8所示。為了便于分析2條曲線間的對比關(guān)系，分別建立縱坐標(biāo)，并通過調(diào)節(jié)縱坐標(biāo)范圍，使2條曲線具有同步性。此時(shí)，2個(gè)縱坐標(biāo)最大值間的倍數(shù)，即為2條曲線間存在的倍數(shù)關(guān)系。當(dāng)T5假人縱坐標(biāo)選為-12～60 mm、H5假人縱坐標(biāo)選為-5～25 mm時(shí)，駕駛員側(cè)和前排乘員側(cè)，在整個(gè)碰撞過程中2條曲線均比較接近；而在后排左側(cè)，約80 ms前，即安全帶限力前假人上半身向前平動過程中，假人胸部壓縮變形曲線具有同步性，后期由于沒有安全氣囊作用，假人運(yùn)動姿態(tài)略有差別，從而導(dǎo)致2條件曲線同步性變差，但不影響其整體相對關(guān)系。因此，可以確認(rèn)在同等試驗(yàn)條件下T5假人胸部壓縮變形量約為H5假人胸部壓縮變形量的2.4倍。

圖8 T5假人胸部與H5假人胸部變形量對比

3 T5假人胸部的剛度研究

針對Hybrid Ⅲ假人胸部，商恩義等[11-12]在2010年10月首次提出了剛度概念，并在后續(xù)工作中對剛度穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，指出在碰撞初期，在限力式安全帶限力前，假人胸部向前運(yùn)動近似平動。在此階段，如果將胸部壓縮變形量曲線在時(shí)間軸上向前適當(dāng)平移，消除胸部壓縮變形與安全帶肩帶力間的延時(shí)，安全帶肩帶力與胸部壓縮變形量之間存在穩(wěn)定的倍數(shù)關(guān)系，即假人胸部存在剛度k，單位為kN/m。T5假人最大胸部壓縮變形量發(fā)生在帶扣側(cè)下方位置，雖然不靠近胸部框架中心，但該位置的測量結(jié)果與H5假人的測量結(jié)果存在穩(wěn)定的倍數(shù)關(guān)系，則該位置的剛度也能反映胸部的變形特性。

3.1 T5假人胸部在平動階段的剛度研究

建立駕駛員側(cè)、前排乘員側(cè)和后排左側(cè)T5假人帶扣側(cè)下方胸部壓縮變形量與安全帶肩帶力對比關(guān)系，如圖9所示。當(dāng)安全帶肩帶力縱坐標(biāo)選為-1～5 kN、胸部變形量縱坐標(biāo)選為-10～50 mm時(shí)，排除2條曲線在時(shí)域上的延時(shí)，在假人胸部平動階段，T5假人在每個(gè)乘坐位置的安全帶肩帶力與胸部壓縮變形量曲線均比較接近。如果將胸部變形量曲線向前適當(dāng)平移消除胸部壓縮變形反應(yīng)延時(shí)的影響，則2條曲線接近吻合，即T5假人胸部也存在剛度k，由于安全帶肩帶力縱坐標(biāo)最大值為5 kN，胸部壓縮變形量縱坐標(biāo)最大值為50 mm，則k取值約為100 kN/m。但由于T5假人胸部變形量測量點(diǎn)有4個(gè)，且反映胸部最大變形位置的傳感器處于胸部肋骨下方安全帶帶扣一側(cè)，受安全帶作用更強(qiáng)，受假人運(yùn)動姿態(tài)的影響也較大。因此，在整個(gè)碰撞過程中T5假人胸部剛度穩(wěn)定性較差，碰撞后期剛度越來越小，即在近似恒定的安全帶作用力下，胸部更易變形。

圖9 T5假人胸部變形量與肩帶力對比

3.2 T5假人胸部在前撲過程中的剛度研究

在安全帶肩帶合力近似垂直于胸向后擠壓胸腔的理想情況下，T5假人胸部剛度約為100 kN/m，但隨著碰撞持續(xù)進(jìn)行，安全帶肩帶限力后，假人上半身開始出現(xiàn)前撲現(xiàn)象，安全帶肩帶對假人胸部約束作用將發(fā)生改變。此時(shí)，假人胸部剛度將不再是個(gè)常量。由圖9可見，安全帶肩帶開始限力后，安全帶肩帶力曲線與胸部變形量曲線不再接近，即此時(shí)假人胸部剛度k應(yīng)為變量。

通過骨盆和胸部加速度曲線探討假人前撲過程中安全帶肩帶作用變化過程和胸部剛度的變化。在假人骨盆內(nèi)安裝有3個(gè)方向的加速度傳感器，x向和z向曲線的變化反映了假人上半身的運(yùn)動情況。骨盆x向和z向加速度曲線如圖10所示。由圖可見，約50 ms時(shí)，ax達(dá)到最大值；約70 ms時(shí)，az達(dá)到最大值；在50～70 ms范圍內(nèi)，反映了假人臂部向前運(yùn)動達(dá)到最大行程，而后隨著胸部向前撲并向上提臂；約70 ms后，假人臂部開始向后運(yùn)動，此過程中將加速胸部前撲。

圖10 骨盆x向和z向加速度曲線

T5假人第1根胸椎和第12根胸椎位置分別安裝有加速傳感器，分別用T1和T12表示，兩者z向加速度和幅值的變化，反映了胸部上端和下端的受力情況。駕駛員側(cè)T5假人胸部加速度與胸部變形量的關(guān)系如圖11所示。由圖可見，在整個(gè)碰撞過程中，T1的az表現(xiàn)為正，即整個(gè)過程受到向下的壓力；T12的az表現(xiàn)為負(fù)，即整個(gè)過程受到向上的提力。在70 ms前，隨著假人胸部前撲向上提臂，T12位置z向受到持續(xù)增大的向上拉力，而T1位置z向在限力肩帶作用下受到相對穩(wěn)定的向下壓力。在70 ms后，隨著假人臂部向后運(yùn)動，胸部加速前撲，腰帶作用被緩解，T12位置z向上提作用減小，肩帶作用被增強(qiáng)，T1位置z向受到的向下壓力持續(xù)增大，此過程中安全帶將由腰帶向肩部輸送，胸部骨架下沿在安全帶向胸后約束與向上摩擦力的共同作用下，剛度逐漸減小，變形量持續(xù)增大。

圖11 駕駛員側(cè)T5假人胸部加速度與胸部變形量的關(guān)系

綜合圖10和圖11可知，假人上半身前撲，胸部剛度下降，且在假人臂部由向前運(yùn)動轉(zhuǎn)向向后運(yùn)動并導(dǎo)致胸部前撲加速的情況下，假人胸部剛度下降明顯，最終表現(xiàn)為此過程中胸部帶扣側(cè)下方壓縮變形量持續(xù)增大。

4 結(jié)論

通過正面臺車碰撞試驗(yàn)，將T5假人與H5假人在3個(gè)不同位置的胸部壓縮變形進(jìn)行對比研究，得出以下結(jié)論：

(1)T5假人胸部4個(gè)變形量測量傳感器帶扣側(cè)下方位置測量值最大，其變形量是同等試驗(yàn)條件下H5假人胸部壓縮變形量的2.4倍，且該胸部位置剛度約為100 kN/m。

(2)在制定T5假人胸部評價(jià)指標(biāo)時(shí)可參考其與H5假人胸部變形量間的關(guān)系并結(jié)合H5假人胸部的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行；在后續(xù)安全帶的選配中，可結(jié)合該剛度和變形量的目標(biāo)，以及控制假人前撲幅度來確定安全帶的限力值。