【安全专栏】加载位置对Hybrid Ⅲ假人胸部响应影响

在世界各国汽车安全碰撞法规和NCAP试验中，大多都会采用Hybrid Ⅲ假人的胸部最大压缩量来评估车辆对乘员胸部的防护效果。但因Hybrid Ⅲ假人的胸部最大压缩量采用定点测量办法，使测量结果易受加载位置的影响。针对该问题，本文通过假人胸部低速冲击标定试验，研究了加载位置对Hybrid Ⅲ假人胸部压缩量的影响。结果表明，Hybrid Ⅲ 50th男性假人的最大胸部压缩变形与摆锤撞击中心在Z 方向的偏移量呈线性（R2=0. 9554）负相关性。Hybrid Ⅲ 5th女性假人由于乳房的影响，虽然加载位置对胸部最大压缩变形仍然有较大的影响，但胸部最大压缩变形与冲击加载位置的相关性不如男性假人那么明显。最后利用标定试验中获得的Hybrid Ⅲ 50th男性假人的最大胸部压缩变形与摆锤撞击中心位置的相关性方程对同一车型的两个不同安全带佩戴位置的假人胸部最大压缩变形进行了修正。

Hybrid Ⅲ假人是目前应用最为广泛的机械假人模型，各国正在实施的汽车安全法规体系（如美国FMVSS208、欧洲ECE R94、日本TRIAS 和我国GB11551—2014 等）和现行NCAP （new carassessment program）体系（法规中包括US-NCAP、Euro-NCAP、J-NCAP 和我国C-NCAP）都是在车辆前排布置Hybrid Ⅲ假人对车辆的安全性展开评估。

据美国NASS （national automotive samplingsystem）数据显示，道路交通事故中胸部损伤的比例高达26. 7%，仅次于头部。考虑到胸部损伤的严重性，在法规和NCAP中，都将胸部安全性的防护作为主要考察指标。如美国FMVSS208中考察了HybridⅢ 假人的胸部3ms加速度和胸部压缩量，欧洲ECER94和我国GB11551—2014中考察了假人的胸部压缩量和VC 值。在各国的NCAP体系中，对胸部的评估也以考查假人胸部3ms加速度、胸部压缩量和VC值为主。在考查的3种胸部损伤准则中，除胸部3ms加速度外，均以测量到的假人胸部压缩量为基础数据。因此，假人胸部压缩量的测量精度对整个胸部安全性的评估结果影响重大［1］。当前对HybridⅢ 假人的胸部压缩量采用单点测量的方法：仅在假人胸腔内安装了单一的胸部电位计来测量胸骨与脊骨之间的压缩变形，如图1所示。研究表明，这种单点胸部压缩量的测量结果对载荷施加的部位比较敏感。如Horsch等［2］研究发现，将安全带靠近颈部放置时获得的胸部压缩量比安全带水平外移50 mm后的假人胸部压缩量小34% 。2012年，Pereira等［3］通过假人胸部标定试验发现，冲击Hybrid Ⅲ 50th男性假人第6根肋骨位置测量到的胸部压缩量比冲击第3根肋骨时小33%。Haight等［4］对比了US-NCAP和FMVSS 208 中两种安全带试验设置：在NCAP 中安全带D环固定点放置在最高位，FMVSS 208中安全带D环固定点放置在最低位。结果显示安全带D环固定点放置在最高位时能显著降低假人的胸部压缩量。然而，多数的法规和NCAP中并未明确安全带的具体佩戴位置，如FMVSS208、ECER94、Euro-NCAP、J-NCAP和C-NCAP等，仅有A-NCAP中明确了安全带上边缘不得超过假人上衣调整螺栓孔［5］。

因此，研究安全带佩戴位置对胸部压缩量的影响有助于提升法规和NCAP 对车辆安全性评估的准确性，从而也有助于加强车辆对胸部的防护。

图1 Hybrid Ⅲ 假人胸部电位计位置

针对上述问题，本文中对Hybrid Ⅲ男性和女性分别开展胸部低速摆锤冲击试验。考虑到女性假人胸部结构的特殊性，还对试验中的摆锤进行调整，设计了模拟安全带带状载荷的冲击块，安装于胸部标定摆锤前端。对试验中测得的假人胸部最大压缩变形与摆锤冲击位置的相关性进行分析。最后将获得的相关性应用于实车试验中假人胸部最大压缩变形的修正，以消除加载中心位置与测量点位置的差异造成的测量影响。

试验方法

对于Hybrid Ⅲ 假人胸部标定主要有两种方法，即NHTSA （national highway traffic safety administration）在CFR-Part 572 中规定的胸部高速标定方法［6］和SAE标准J2779和J2878中规定的胸部低速标定方法［7-8］。两种标定方法均在摆锤非撞击侧安装测量摆锤冲击方向的加速度传感器，并结合假人胸部位移传感器响应，最终自动输出假人胸部力-位移冲击响应曲线和内滞比；在试验程序和试验环境上要求一致，但因摆锤臂长的差异使假人胸部所受的冲击能量不同，从而导致胸部压缩量也不同。

在高速标定试验中男女假人的胸部压缩量范围分别为63. 5~72. 6 mm 和50~58 mm［6］；低速标定试验中则分别为21. 5~26. 5 mm［7］和17. 4~21. 8 mm［8］。据C-NCAP实车碰撞试验中的假人胸部压缩量的结果统计显示，男性和女性的胸部压缩量主要分布在15~55 mm和20~60 mm内［9］。故本文在假人胸部低速标定试验条件下展开研究。

男性假人试验矩阵

假人胸部低速标定试验规范中规定的撞击中心点为假人第3根肋骨中心线以下12. 7±1 mm处（约位于假人第3、4根肋骨间隙处），而Hybrid Ⅲ 50th男性假人肋骨宽度为19. 05 mm，肋骨之间的间隙为9. 4 mm［10］，即肋骨的间距为28. 45 mm。按此推算，从规定的撞击中心至第1 肋骨上缘的距离为80. 65mm。因此，以撞击中心为0点，沿Z 轴向上每隔20 mm作为一个撞击点，共选包括0点在内的0、20、40、60和80 mm等5个点为撞击中心点进行标定试验，如图2所示。其中，20 mm撞击中心点约位于假人第3根肋骨靠近上缘处，40 mm撞击中心点约位于假人第2根肋骨中部偏下，60 mm撞击中心点约位于假人第1根肋骨与第2根肋骨间隙中，接近第1肋骨下缘处，80 mm撞击中心点约位于假人第1根肋骨的上缘。

图2 男性假人胸部撞击中心位置示意图

女性假人试验矩阵

由于Hybrid Ⅲ 5th女性假人胸部结构的特殊性，且冲击器的圆形冲击面较大（直径为152. 4±0. 25mm），撞击质量为13. 97 kg。若仅单独Z 向移动撞击中心位置，则在部分位置将受到乳房缓冲的影响。考虑法规和NCAP试验中，女性假人常被置于后排位置［11］，假人胸部仅受到安全带状载荷的作用，为此在摆锤上安装一个带状冲击块来模拟带状冲击载荷的同时，避开假人乳房位置，如图3所示。带状冲击块的宽度为48 mm，长度为260 mm，质量为0. 81 kg，故改进后摆锤的总撞击质量为14. 78 kg。

图3 改进后的标定摆锤

碰撞试验假人姿态数据统计分析表明，后排女性假人安全带的佩戴角度范围的尺寸如图4（a）所示。对应的角度α1~α2约为16°~36°。将该角度范围等间隔选取16°、21°、26°、31°和36°等5个特定角度进行冲击试验，如图4（c）所示。然后，选定冲击块偏转角度为26°时，将摆锤中轴线对应的撞击位置沿Z轴向上偏移，以低速标定试验中规定的撞击中心点为0点，每隔20 mm选取一个点，共选取0、20、40、60和80 mm等5个撞击中心点展开试验，其中，首末个撞击点位置如图4（b）所示。

图4 女性假人胸部撞击角度和位置示意图

Hybrid Ⅲ 50th男性假人胸部低速冲击试验中的加载情况如表1所示。

被测试假人的实验室编号为1925#。在5组冲击试验中的摆锤冲击速度v 均位于SAE J2779规定的2. 94~3. 06 m/s范围内，摆锤总质量为23. 38 kg，在假人胸部上形成的最大冲击力F约在2. 43~2. 58 kN之间，假人胸部最大压缩变形量D 响应值为23. 0~25. 0 mm。试验中获得的胸部压缩量-力曲线如图5所示。

图5 男性假人胸部压缩量与摆锤冲击力曲线

从图中可看出，胸部展现出的较为明显的黏性响应，且5组试验获得的曲线形状基本一致。表明撞击中心位置的Z 向偏移对胸部的响应形式影响较小，但在胸部的最大压缩量和峰值力存在一定差异。

图6为摆锤最大冲击力和Hybrid Ⅲ 50th男性假人胸部最大压缩变形与摆锤冲击中心位置Z 的变化关系。从图中可看出，最大冲击力和最大压缩变形与摆锤冲击中心位置Z 呈现出近乎线性的负相关性。若以式（1）线性方程对结果进行拟合，可以获得在低速标定冲击强度下最大冲击力和最大压缩变形与摆锤冲击中心位置Z 的关系，如图6所示。

y = kx + b （1）

图6 Hybrid Ⅲ 50th男性假人试验结果：摆锤冲击力峰值和胸部最大压缩变形量与撞击位置的相关性

女性假人

使用试验室编号为7058# Hybrid Ⅲ 5th 女性假人在改进摆锤的低速标定试验条件下，对绕x轴转动角度α 的影响展开研究。试验结果如表2所示。

在该系列试验中，加载速度v 为3. 04~3. 05 m/s，均位于SAE J2878 规定的2. 94~3. 06 m/s 范围内。在假人胸部上形成的最大冲击力F 约在1. 93~2. 00 kN之间，假人胸部最大压缩变形量D 响应值为20. 2~20. 6 mm。

进一步分析摆锤最大冲击力和Hybrid Ⅲ 5th女性假人胸部最大压缩变形与摆锤绕x 轴转动角度α的变化关系，如图7所示。若同样以式（1）对结果进行拟合，可以获得在低速标定冲击强度下最大冲击力和最大压缩变形与摆锤绕x 轴转动角度α 的关系，如图7所示。可以看出最大冲击力与摆锤绕x 轴转动角度α 呈现出较好的线性相关性，但最大压缩变形与摆锤绕x 轴转动角度α 的相关性R2 仅为0. 331 1。还可以看出，当摆锤绕x 轴转动角度α 在16°~26°变化时，胸部最大压缩变形量随α 增大而增大，但在α 为31°时假人的胸部最大压缩变形量反而出现了下降，没有呈现出很好的正相关性。

图7 Hybrid Ⅲ 5th女性假人试验结果：摆锤冲击力峰值和胸部最大压缩变形量与摆锤转角的相关性

在摆锤绕x 轴转动角度α 为26°的情况下，采用实验室编号3544# Hybrid Ⅲ 5th 女性假人研究摆锤中轴线在Z 向不同位置上对假人胸部最大压缩变形的影响，以尽量避免女性假人乳房对试验结果的影响。试验数据如表3所示。在该系列试验中，加载速度在2. 92~3. 05 m/s之间，其中试验P20速度低于SAE J2878规定的2. 94~3. 06 m/s范围内。因此，在分析中剔除了该次试验的结果。在假人胸部上形成的最大冲击力约在1. 83~1. 97 kN之间，假人胸部最大压缩变形量响应值为18. 5~19. 9 mm。

图8 为女性假人试验拟合结果。从图中可看出，最大冲击力和最大压缩变形与摆锤冲击中心位置Z 呈现出的负相关性，即随着摆锤冲击中心上移，最大冲击力和最大压缩变形减小。线性拟合最大冲击力和最大压缩变形与摆锤冲击中心位置Z 的关系如图8所示。可以看出，最大冲击力与摆锤冲击中心位置Z 呈现出较好的线性相关性，但最大压缩变形与摆锤冲击中心位置Z 的相关性R2仅为0. 691 4。分析原因主要是由于女性假人乳房的影响，尽管改进摆锤以降低女性假人乳房对试验结果的影响，但无论是在摆锤绕x 轴转动角度α 还是摆锤冲击中心位置Z 的研究中，均有部分试验的摆锤冲击到了女性假人的胸部，从而使假人的胸部最大压缩变形与摆锤角度或位置变化量没有呈现出很好的相关性。

因此，若要深入研究Hybrid Ⅲ 5th女性假人胸部最大压缩变形因测量位置引起的误差，须进一步改进试验以消除女性假人乳房对冲击试验的影响。

图8 Hybrid Ⅲ 5th女性假人试验结果：摆锤冲击力峰值和胸部最大压缩变形量与摆锤冲击位置的相关性

实车试验中的应用

由于实车碰撞试验的不可逆性，且Hybrid Ⅲ50th假人胸部压缩变形量传感器单点测量的结构特性，引发了试验中安全带佩戴位置偏离测量点导致胸部压缩变形量测量数值小于实际数值的问题。为此提出了一种基于假人胸部低速标定试验的胸部压缩变形量修正方法，以便更客观、公正地评价汽车对乘员胸部防护的安全性能。

由于女性胸部最大压缩变形量与摆锤撞击中心位置Z 的相关性差，因此在应用中仅考虑了HybridⅢ 50th 男性假人在实车试验中的修正应用。在两次同车型的实车碰撞试验中，在驾驶位置均布置同一试验编号的Hybrid Ⅲ 50th 男性假人（ID：1925）。两次试验中，假人佩戴的安全带位置存在一定差异：试验1中安全带中心线与假人胸部矢状面的交点到下颚距离为146 mm；试验2中该距离为97 mm。而假人胸部测量点至假人下颚距离为210 mm。因此，在两次试验中相比测量点，分别上移64和113 mm。

两次实车试验中获得的假人胸部位移量曲线如图9所示。从图中可看出，两次试验曲线形状基本一致，对其中一条曲线进行等比例缩放能够很好地拟合另一条曲线。表明男性假人胸部压缩变形量与安全带佩戴位置的高度线性相关。两曲线中的最大胸部压缩变形分别为24. 89和20. 44 mm，两者在CNCAP中的评分分别为4. 48 分和满分5 分，相差0. 52分。

图9 两次试验假人胸部最大压缩变形量

利用式（2）Hybrid Ⅲ 50th 男性假人最大压缩变形与摆锤冲击中心位置Z 的关系（R2=0. 9554）对实车中最大压缩变形进行修正。

D=-0. 0235Z+25. 08 （2）

利用式（3）将它们统一修正为加载在Z 为0位置时假人胸部压缩变形量的响应值。

Dd=Dm+0. 0235Z （3）

式中：Dd为修正后，即换算至Z 为0位置撞击时假人胸部压缩变形量响应值；Dm为实际位置撞击时假人胸部压缩变形量响应值。

试验1中的假人胸部最大压缩变形量由24. 89修正为26. 39 mm，试验2中的20. 44修正为23. 10 mm，修正率分别为6%和13%，两次试验修正后假人胸部得分分别为4. 21分和4. 8分。

结论

利用假人胸部低速冲击标定试验，研究了加载中心和测量点之间的高度差对假人胸部最大压缩变形量的影响。试验结果表明，在相同冲击强度下，不同的冲击位置对假人胸部最大压缩变形存在明显影响：Hybrid Ⅲ 50th 男性假人的最大胸部压缩变形与摆锤中心在Z 方向的偏移量呈近乎完全线性（R2=0. 9554）的负相关性。Hybrid Ⅲ 5th 女性假人由于乳房对试验结果的影响，使胸部最大压缩变形与冲击加载位置的相关性不如男性假人统一，但加载位置对胸部最大压缩变形的影响仍然较为明显，还须进一步深入研究以获得相关性。上述低速标定试验中获得的Hybrid Ⅲ 50th男性假人的最大胸部压缩变形与摆锤中心在Z 方向偏移量的相关性进一步被应用于实车试验中的假人胸部最大压缩变形结果的修正，修正率分别为6%和13%，修正后Hybrid Ⅲ 50th假人胸部得分分别为4. 21分和4. 80分，即分别降低了0. 27分和0. 2分。

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