WorldSID 50百分位男性假人研究

刘 磊，朱海涛，李 充，王 凯

(中国汽车技术研究中心 天津300300)

WorldSID 50百分位男性假人研究

刘 磊，朱海涛，李 充，王 凯

(中国汽车技术研究中心 天津300300)

对 WorldSID假人的开发背景和历程进行了系统介绍，对假人结构及传感器安装特点进行了深入分析，阐述了假人的仿真度、耐用性、可重复性和一致性，对关键部位的响应特性和对应 ASI＋3损伤等级的伤害值进行了说明，提出WorldSID假人的开发和推广应用必将促进侧面碰撞安全性能的提高，降低汽车的研发成本。

WorldSID 假人 侧面碰撞 汽车安全

0 引 言

目前，全球有5种中等体型男性侧面碰撞假人可用于法规、新车评价和开发试验，分别是用于美国侧面乘员保护法规的 USDOT-SID假人；用于欧洲标准法规的EuroSID-1假人；用于欧日法规的ES-2假人；用于 FMVSS-201侧面碰撞乘员保护法规的 HybridⅢ-SID假人及用于开发目的的BioSID假人。由于这些假人在结构设计、传感器安装及测试程序上各不相同，会影响汽车研发过程中的设计方向，甚至产生错误的设计。同时，在侧面碰撞乘员保护试验中，现存假人与真人外形差异较大，且某些关键部位的伤害程度不能有效体现，使得假人发挥的作用十分有限。此外，针对国际化的汽车市场，制造商需要开发不同形态的侧面碰撞乘员保护系统来满足不同国家和地区相关法规的要求，这势必会增加制造商的开发成本，这些成本最终会转嫁到消费者身上。总而言之，侧面碰撞假人的全球统一化对侧面碰撞安全的提高以及生产成本的降低都是有益的。

基于以上背景，1997年 11月，在国际标准化组织(ISO)TC22/SC12/WG5的授权下，成立了WorldSID工作组，负责开发全新的侧面碰撞假人。该假人旨在取代现有侧面碰撞假人，拥有更高的仿真度。工作组由美国、欧洲和亚太 3个地区行业咨询组和政府专家组成，由 3个地区对应的负责人轮流主持，如图 1所示。WorldSID工作组得到了全球范围内的广泛支持，其开发团队由来自欧洲、亚太和美国超过 45家机构的数百名工程师和科学家组成，包括FTSS、Denton Inc.、Denton ATD Inc.、DTS、Endevc等公司，负责设计和制造 WorldSID假人，使之满足WorldSID工作组的详细设计规定。

图1 WorldSID工作组组织机构简图Fig.1 Organizational structure chart of WorldSID workgroup

1 开发历程

WorldSID假人的设计目标是：根据 ISO侧面碰撞假人仿真度等级，达到Good至Excellent等级；该假人理论站立高度为 1,753,mm，坐姿高度 911,mm，重 77.3,kg；可以测量碰撞时乘员之间的相互作用，具有左右对称的结构及传感器布置；在侧面倾斜±30,°碰撞范围内具有良好的人体响应。

WorldSID假人的发展历程如图2所示。

图2 WorldSID假人发展历程Fig.2 Historical development of WorldSID male dummy

WorldSID假人经过各种试验条件下的技术性能测试，历经3次设计、测试、反馈重新设计，确定了最终的设计版本。为了提高仿真度、耐用性、可用性和其他方面的性能，在原型假人的基础上进行了各个部件的改进，经历了近 2年的仿真度、装车和部件测试，开发出试制假人。到 2003年初，制造了 11个试制假人，并在全球范围内对试制假人进行测试改进，形成最终的WorldSID假人。2004年3月，WorldSID假人设计完成，可以购买和使用。

2 WorldSID假人概况

2.1 假人结构

WorldSID假人代表了中等体型的成年男性乘员。在对多个人体测量学数据库研究的基础上，并对不同人种的人体测量学数据对比后，WorldSID工作组采纳了 AMVO 50百分位男性数据进行了该假人的开发。AMVO数据库中驾驶员乘坐姿态定为假人的设计参考姿态。

最终版的 WorldSID50百分位男性假人重77.3,kg，理论直立高度为 1,753,mm，坐姿高度911,mm，肩宽 480,mm，胸宽 371,mm，骨盆宽度410,mm，腿长 555,mm，整体特征几乎完美地符合了AMVO的设计目标；关节的活动范围、单个部件的三维尺寸和质量特性都接近设计目标，一些小部件的质量偏差是由于细小部件与人体测量学数据库稍有不同造成的。总体来说，WorldSID假人的人体测量学几乎是AMVO数据库中等体型成年男性乘员的完美复制，见图3。

图3 WorldSID假人Fig.3 A WorldSID male dummy

2.1.1 头部

WorldSID假人使用无特征的面部，面部轮廓与真人一致，但没有耳朵、鼻子和嘴唇。该设计的目的是假人面部无接缝，这样碰撞过程中不会因假人面部与车辆内饰或气囊产生刮擦而破坏试验结果。

2.1.2 颈部

WorldSID颈部总成包括 3个主要的子总成：颈部、颈部支架和脖套。颈部安装在上颈部、下颈部力传感器中间。下颈部力传感器安装在颈部支架上，该可调的颈部支架还承载着 3向线性加速度传感器和传感器块，其特点是颈部角度可以调节，颈部可以绕y 轴前倾 9,°，后仰 27,°。

2.1.3 肩部和手臂

WorldSID假人肩部由特殊的肋骨代替，肩部肋骨由两条铝镍合金构成，内侧一条是环形的，外侧一条与人类轮廓相似，连接脊柱后部与肩关节，在肩关节处与代表锁骨的杆相连。肩部肋骨内条上附有阻尼材料来控制变形率。肩部肋骨的目的是当肩部侧向变形时降低肩关节向上、向前运动。肩部肋骨的最大变形量为75,mm。

2.1.4 胸腹部

WorldSID假人胸腹部包含肋骨，各肋骨独立连接到胸椎上。除胸部上肋骨以外，每根肋骨与车辆XY 面平行，胸部上肋骨与垂直方向的夹角约 7,°，其纵向和侧向的尺寸均较小。所有胸腹部肋骨结构与肩部相同，由铝镍合金构成，内条上附有 H-III型阻尼材料以控制应变率，左右肋骨的最大变形量均为75,mm。

2.1.5 腰部

WorldSID假人腰部是由一块橡胶切削而成，由反 U型外壳和两条内部竖筋组成，U型外壳控制着侧向刚度和柔韧性。

2.1.6 骨盆

骨盆包括一个装有设备的骨盆骨骼和一片骨盆皮肤。骨盆骨骼由 2个半刚性对称骨盆骨骼，两块骨骼前端通过耻骨力传感器相连，后端通过骶髂力传感器相连。骶髂力传感器通过接口面与骨盆骨骼相连。骶髂力传感器下端装有数据采集系统的接口。

2.1.7 大腿

大腿包括髋关节到膝部的所有部件。大腿皮肤在最接近骨盆和最远离骨盆的两端开槽。大腿上的设备包括：股骨颈力传感器、上下大腿力传感器、膝盖内外侧力传感器、膝盖角度计、1个传感器模块和2个数据采集系统模块。

2.1.8 小腿

小腿包括小腿骨骼总成、小腿皮肤和脚鞋造型。小腿皮肤在后侧开槽来安装骨骼和设备。小腿上的设备包括：上下胫骨力传感器、3向脚踝角度计。

2.2 WorldSID假人用传感器

如 WorldSID工作组文件 N397所述，假人体内大量分布的传感器构成假人最主要的部分。传感器符合公认的传感器标准，如SAE J211和ISO 6487，可用于损伤风险、约束系统和乘员行为的研究。WorldSID假人可装配的传感器如表1。

表1 WorldSID假人传感器总表Tab.1 List of WorldSID male dummy’s sensors

中胸部肋骨加速度传感器(ax,y,z) 3中胸部肋骨位移传感器(φy) 1下胸部肋骨加速度传感器(ax,y,z) 3下胸部肋骨位移传感器(φy) 1 T 1加速度传感器(ax,y,z) 3 T 4加速度传感器(ax,y,z) 3胸椎T 1 2加速度传感器(ax,y,z) 3 1 3胸腔角加速度传感器(ax,y,z) 2胸腔倾角传感器(θx,y) 2上腹部肋骨加速度传感器(ax,y,z) 3腹部上腹部肋骨位移传感器(φx,y,z) 1下腹部肋骨加速度传感器(ax,y,z) 3单侧8共1 6下腹部肋骨位移传感器(φy) 1腰椎 下腰椎传感器(Fx,y,zMx,y,z) 6 6骨盆重心加速度传感器(ax,y,z) 3骨盆耻骨力(Fy) 1骶髂力传感器(Fx,y,zMx,y,z) 1 2 1 8骨盆倾角传感器(θx,y) 2大腿膝部力(Fx,y,z) 3大腿力传感器(Fx,y,zMx,y,z) 6大腿膝盖外侧力(Fy) 1膝盖内侧力(Fy) 1单侧1 2共2 4膝盖角度传感器(θy) 1上胫骨力传感器(Fx,y,zMx,y,z) 6小腿下胫骨力传感器(Fx,y,zMx,y,z) 6脚踝角度传感器(φx,y,z) 3单侧1 5共2 4

3 WorldSID假人性能

3.1 整体性能

3.1.1 仿真度

与其他现用的侧面碰撞中等体型男性成年假人相比，WorldSID 假人的仿真度是最好的。ISO/TR 9790定义了使用33项试验评价侧碰假人仿真性能的流程。基于ISO/TR 9790评价体系，该假人得分是 7.6(在 10分评价制里是“Good”)，是唯一获得整体仿真度“Good”评价的假人。WorldSID假人有助于设计更安全的汽车，加强侧面碰撞保护，降低乘员伤害。WorldSID假人与其他侧碰假人整体和各部评价对比如表2所示。

表2 各假人仿真的对比Tab.2 Simulation contrast between different dummies

除此之外，NHTSA还根据一种新的仿真度评价体系 Bio Rank System对 WorldSID 原型假人 ES-2和 Hybrid Ⅲ-SID进行对比，结果显示，尽管WorldSID假人处于改进阶段，但与其他 2种假人相比，其仿真度更好。

3.1.2 耐用性

WorldSID假人耐用性的设计目标是假人各部件经历至少10次产生150% Mortz开发的伤害指标负载的试验后仍能正常使用。

WorldSID假人的真实耐用性是根据滑车试验、跌落试验、摆锤试验和大量驾驶员、碰撞侧后排乘员装载WorldSID假人的实车MDB试验和柱碰撞的试验结果评价的。假人响应范围从低于伤害评价指标到 3倍伤害评价指标或者使用的传感器最大容量评价范围。目测假人各部件时，未发现损伤，证明其具有良好的耐用性。

3.1.3 重复性

根据 WorldSID工作组文件 N395所述，当进行认证测试时，WorldSID假人各部位表现出良好的可重复性并且各假人之间一致性的累积方差在大部分情况下小于5%，在所有情况下都小于10%。

3.1.4 灵敏性

根据要求，为了使碰撞位置和角度微小变化导致的敏感度最小化，WorldSID假人由连续表面构成，包括肩套、一体化的鞋子和外套，以及从不同角度受到撞击时肋骨的无约束设计。当进行各种类型的试验，包括侧面 0～30°斜向滑车试验时，不会产生肋骨弯折或其身体部件弯折，并且表现出良好的可重复性。总体来说，假人不会对碰撞角度的微小变化过度敏感，但随着碰撞角度的增加，假人响应会发生对应的变化。

为评价温度变量对肩部性能的影响，进行了温度敏感度研究。结果显示，肋骨变形测量值在 20.6～22.2,℃范围内对温度不敏感。因此，推荐在 20.6～22.2,℃范围内使用WorldSID假人。

3.2 响应特性

在实车碰撞测试中，由于 WorldSID假人的结构特点，碰撞过程中假人胸腹等关键部位表现出特定的响应特性，特点如下：①随着碰撞过程的进行，腰椎可以弯曲，因此假人不会因胸、腹、骨盆相对位置的变化而发生平动和转动；②由于 WorldSID假人胸部相对宽厚，减小了侧气囊的展开空间，使得气囊气压增高、压力增大，导致在碰撞初期胸腹肋骨压缩量和腹部加速度值较大；③由于假人耻骨联合与力作用点的位置不同，可能导致碰撞力不易传递到耻骨联合，或者假人髂骨截面相对力的作用方向有倾斜角度，通常导致侧面施加的力不易传递到髂骨处，骨盆合成加速度和耻骨联合力较小。

3.3 损伤限值

根据 WorldSID工作组的换算结果，使用该假人时，50% AIS3＋损伤风险对应的伤害值如表3所示。

表3 WorldSID假人关键部位损伤值Tab.3 Injury criteria of WorldSID male dummy’s key parts

4 WorldSID假人的应用

由于 WorldSID假人具有各方面的良好性能，其应用也逐渐提升到日程中。2010年6月，在世界车辆法规协调论坛(WP29)第 151次会议上，澳大利亚和美国分别提出新增加 2项全球统一汽车技术法规(GTR法规)的制定工作：侧面柱碰撞GTR和侧碰假人GTR。会议经过充分讨论后，批准了这2项法规的制定工作，并同意成立专门的非正式工作小组，由澳大利亚和美国分别担任非正式工作小组的主席。到2013年5月，侧面柱碰撞GTR法规的最终草案版本已经完成，这份草案中规定在侧面柱碰撞测试中，使用 WorldSID 50%假人进行相应的测试。在 EURONCAP和K-NCAP组织发布的2015年规程变更计划中，将在侧面柱碰撞测试中用 WorldSID 50%假人取代现有的ES2假人进行相应的测试。从这些分析中，我们能够看出未来的发展趋势：WorldSID系列假人将会在汽车侧面相关碰撞测试中得到广泛的应用。

［1］First Technology Safety Systems，Inc. WorldSID 50,th Percentile Dummy Users Manual Revision A，2007. 7.

［2］S. Moss S.，Wang Z.，Salloum M.，et al. Anthropometry for WorldSID，a world-harmonized midsize male side impact crash dummy[R]. First Technology Safety Systems，Plymouth，MI(US)，2000.

［3］Iwata K.，Tatsu K.，Saeki H.，et al. Comparison of dummy kinematics and injury response between World-SID and ES-2 in side impact[J]. SAE International Journal of Transportation Safety，2013，1(1)：192-199.

［4］Rhule H.，Moorhouse K.，Donnelly B.，et al. Comparison of WorldSID and ES-2,re Biofidelity Using an Updated Biofidelity Ranking System[C]. Proceedings of the 21th Enhanced Safety of Vehicles Conference，2009.

［5］Scherer R.，Bortenschlager K.，Akiyama A.，et al.WorldSID production dummy biomechanical responses[C]. Proceedings of the 21,th Enhanced Safety of Vehicles Conference，2009.

［6］Trosseille X.，Petitjean A. Sensitivity of the WorldSID 50th and ES-2,re thoraces to loading configuration[J].STAPP Car Crash Journal，2010(54)：259–287.

［7］Damm R.，Schnottale B.，Lorenz B. Evaluation of the biofidelity of the WorldSID and the ES-2 on the basis of PMHS data[C]. Proceedings of the International Conference of the Biomechanics of Impact，2006(9)：225–237.

［8］Hynd D.，Carrol J.，Been B.，et al. Evaluation of the shoulder thorax and abdomen of the WorldSID preproduction aide impact dummy[R]. Research Laboratory Published Project Report，2004.

［9］ISO/TC22/SC12/WG5/WorldSID Task group Biofidelity ranking comparison WorldSID vs. ES-2,re. 2008. Technical Document TGN538.

［10］Ruhle H.，Moorhouse K.，Donnelly B.，et al. Comparison of WorldSID and ES-2,re biofidelity using an updated biofidelity ranking system[C]. Proceedings of the 21,th Enhanced Safety of Vehicles Conference，2009.

［11］Tylko S.，Dalmotas D. WorldSID responses in oblique and perpendicular pole tests[C]. Proceedings：International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles. National Highway Traffic Safety Administration，2005.

［12］Page M. Performance of the prototype WorldSID dummy in side impact crash tests[C]. PROCEEDINGS OF 17,TH INTERNATIONAL TECHNICAL CONFERENCE ON THE ENHANCED SAFETY OF VEHICLES，2001.

Study on the WorldSID 50th Percentile Male Dummy Model

LIU Lei，ZHU Haitao，LI Chong，WANG Kai
(China Automotive Technology & Research Center，Tianjin 300300，China)

In this paper，the development background and process of the WorldSID dummy model was systematically reviewed，its whole structure and sensor installation characteristics were analyzed and its biofidelity，durability，repeatability and reproducibility were illustrated. Besides，response characteristics and the WorldSID’s injury criteria were described. In the end，it proposed that the development and wide adoption of the WorldSID dummy will inevitably promote side impact safety and reduce the R&D cost of vehicles.

WorldSID；dummy model；side impact；vehicle safety

U467.1+4

A

1006-8945(2014)08-0050-05

2014-07-06