碰撞试验假人发展及应用研究综述

刘鑫

摘 要：介绍了假人的产生和作用，重点介绍了Hybrid Ⅲ 系列假人的发展历程，以及Hybrid Ⅲ 假人在汽车碰撞领域中研究人员受到撞击时头颈部和胸部的损伤情况，分析了Hybrid Ⅲ 假人应用于冲击碰撞领域的特点和优势。

关键词：碰撞试验假人；Hybrid Ⅲ；综述

随着汽车领域的快速发展，交通事故的发生也越来越频繁，消费者在购买汽车时开始考虑所购买车型的安全性能。因此，研究交通事故形式、改进汽车设计从而提高安全性能成为一个重要的课题，正是在这样的背景下诞生了碰撞试验假人（Crash Test Dummies）。碰撞实验假人是根据人体工程学原理，用特殊材料制成的实验仪器，它可以代替人体用于汽车碰撞实验，从而模拟出真人受到的伤害情况，并且可以重复使用。

1 假人的发展历程

1.1 假人的发展历程

第二次世界大战中，美国在研制高速航空器弹射座椅时，开始了对乘员经受碰撞的研究，并在1949年研制成功了世界上第一个假人（Dummy）Sierra Sam [1-2]。后来德国的Geertz和Ruff在著作中就椅座安全性提出了基本的判断，至今这些判断还被用于评估座椅和约束系统的性能，并可在航空器坠撞生存设计指南中找到有关结论在军用旋转机中的应用。1960年，美国制造试验飞行器彈射座椅的人的代用品（ARL）公司开发了VIP系列假人，主要用于测试飞机的驾驶员逃离系统。1971年，混合I型假人（Hybrid I Dummy）由ARL公司和Sierra工程公司标准化。1972年美国汽车产业界同美国第一技术安全公司（FTSS）合作，在Hybrid I Dummy基础上开发制造出混合Ⅱ型假人（Hybrid Ⅱ Dummy）。1976年起，美国第一安全技术公司同SAE集团共用开发了GM公司设计的混合Ⅲ型假人（Hybrid Ⅲ Dummy），如图1所示。

图1 碰撞试验中Hybrid Ⅲ型假人

国内，湖南赛孚公司联合湖南大学汽车碰撞实验室研究适合中国人体特征的实验假人，四川大学制造学院人机工程研究所研制了国内第一款较为完整的智能化正面碰撞假人。

1.2 Hybrid Ⅲ 系列假人

在汽车碰撞领域得到广泛应用的混合Ⅱ型假人（Hybrid Ⅱ Dummy）包括第50百分位成年男性假人、第90百分位成年男性假人、百分位成人女性假人。考虑到人的年龄、性别、身材的差异，在相同试验条件下所造成的结果是不同的，Hybrid Ⅱ型假人还包括不满1岁的婴儿、3岁的幼儿、13岁的儿童、老人甚至孕妇等各类假人。但该型号系列假人自身存在一定的不足，如刚度大、生物逼真性仍有局限，不能很好地再现试验过程中人的运动状态。

1976年，通用汽车公司对Hybrid Ⅱ的颈部、胸部、膝部等进行大量改进，开发出了更接近人体特性的混合Ⅲ型假人Hybrid Ⅲ，其可安装的数据采集通道可根据需要多达100个以上，大大超过了Hybrid Ⅱ，适应了更深一步的研究需要。而且颈部等处的改进，使得Hybrid Ⅲ假人测得的伤害指标值可能高于Hybrid Ⅱ。混合Ⅲ型假人（Hybrid Ⅲ Dummy）是一系列更加完善的试验装置，因为具有较高的生物逼真度，目前己被世界各国采用。关于汽车碰撞用试验假人，各国使用最多的还是Hybrid Ⅱ和Hybrid Ⅲ型假人，包括欧洲的奔驰汽车公司、大众汽车公司等在内的世界各大汽车公司在汽车碰撞试验研究中都大量使用Hybrid Ⅱ和Hybrid Ⅲ型假人。

2 碰撞假人的应用

在汽车碰撞领域中，假人的应用都经历了假人模型参数确定、模型制造、实验研究、相关参数标定、改进加工等一系列环节。其中，假人的标定是合理进行试验研究的基础，实验研究是假人的最终目的。

2.1 Hybrid Ⅲ 假人的标定

进行碰撞试验发现，在每次碰撞试验中，假人要承受巨大的冲击载荷，而且还可能被方向盘、仪表盘、座椅等碰伤，因此，在经历一定数量的试验或者放置一段时间后，均应对其进行标定。曹立波等[5]在对Hybrid Ⅲ 假人的结构及其生物力学特点进行分析的基础上，分别设计了假人头部、颈部、胸部和膝部的标定实验装置，通过数据的采集和处理分析，对假人头部、颈部、胸部和膝部进行了参数标定研究，并研制了一套符合要求的假人标定装置及其数据采集系统。王凯等首先分析了假人胸部受高速和低速碰撞时标定程序的差别，而后进行了同一假人高速和低速标定实验的对比，以及同一假人低速标定实验与真实碰撞试验数据的对比。得出，低速标定程序更符合欧洲装备先进安全技术汽车的假人标定需求，可作为研究符合我国汽车安全国情的胸部低速撞击标定程序的参考。

2.2 Hybrid Ⅲ 假人在碰撞试验中的应用

假人生产制造的目的是为了代替真人参加试验，通过其内部装载的传感器，在碰撞的刹那获取头、颈、胸、膝等重点部位的力学数据。研究人员借助这些数据来模拟车祸中真人的受伤程度。郝霆等对汽车碰撞领域的部分法规做了对比分析，而后对Hybrid Ⅲ 假人的试验研究进行了理论分析，针对Hybrid Ⅲ 假人与中国人体型差别较大的问题，提出了解决思路。商恩义等研究了在正面碰撞中车体“刚度”对人体的伤害影响。通过碰撞试验中对假人运动的影响分析和对盆骨受力情况的分析，指出了试验中假人相对车体的加速度曲线是一近似正弦波，安全带的约束是减缓假人相对车体相对运动的主要因素。

3 结语

通过介绍碰撞试验假人的诞生和发展历程，表明假人应用的重要性。分析Hybrid Ⅲ 假人在汽车碰撞领域代替真人的应用，以及假人关键部位的标定方法研究，发现假人自开始制造出来至今，代替真人完成了许多受到限制的试验。Hybrid Ⅲ 假人以其高度的生物仿真性在使用过程中受到越来越多的青睐，为更好地研究交通事故形式、改进汽车设计从而提高安全性能提供模型和依据。

参考文献：

[1] 张亮.探究世界汽车前沿技术及其市场发展趋势[J].商.2015（11）：273.

[2] 秦永刚 ，李艳松.新一代智能化假人[J].汽车与安全.2000（03）：18-19.

[3] 曹立波 ，乐中耀.正碰试验假人的生物力学特点及其标定系统研制[J].汽车研究与开发.2005（01）：30-34.

[4] 郝霆 ，王雍.汽车碰撞试验及Hybrid Ⅲ（假人）应用分析[J].城市车辆.2003（01）：21-23.

[5] 商恩义，李洪梅.车体“刚度”在正面碰撞中对人体伤害影响的研究[J].汽车技术.2010（02）：12-16.

[6] 黄深荣，张志飞，贺岩松，等.面向体压分布的人椅系统建模[J].汽车工程.2015（07）：842-847.

[7] 陈爽，袁中凡，林大全，等.国产碰撞假人的设计与分析[J].四川大学学报： 工程科学版.2008（03）：178-182.

[8] 李发宗，李传志.汽车侧面碰撞假人应用分析[J].天津汽车.2007（05）：21-24.