混Ⅲ 5百分位女性假人胸部标定影响因素分析*

曹立波，罗 骞，颜凌波，张 恺，王 智

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082; 2.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室,重庆 400023)

2016111

混Ⅲ 5百分位女性假人胸部标定影响因素分析*

曹立波1,2，罗 骞1，颜凌波1,2，张 恺1，王 智2

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082; 2.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室,重庆 400023)

对混Ⅲ 5百分位女性假人胸部进行了标定实验，探讨了标定时间间隔、摆锤冲击速度、环境温度和盆骨螺栓松紧度对混Ⅲ 5百分位女性假人胸部标定结果的影响。结果表明，标定时间间隔、摆锤冲击速度和环境温度对混Ⅲ 5百分位女性假人胸部标定结果的影响明显，而当盆骨螺栓预紧力矩大于4N·m时，其松紧度对假人胸部标定实验结果的影响很小。因此，对同一假人胸部进行标定实验的时间间隔应不短于60min，同时应严格控制摆锤冲击速度和环境温度。

混Ⅲ 5百分位女性假人；胸部标定实验；影响因素

前言

近年来，随着各国汽车安全技术的提高，原有的新车评价规程(new car assessment program, NCAP)评价体系对于汽车安全性的区分度一直在降低[1]。为此，各国不断地更新各自的NCAP测试项目和评价规程。在成人乘员保护方面，各国在提高得分门槛的同时，逐渐引入小身材的混Ⅲ 5百分位假人作为评价对象。中国的C-NCAP于2009年开始使用混Ⅲ 5百分位假人[2]；欧洲于2015年引进正面100%刚性壁障碰撞实验，并在该实验中全部使用混Ⅲ 5百分位假人进行评价[3]。今后，该型假人的使用会越来越多。

在各国NCAP评价体系中，假人胸部都是重要的考核部位之一。为保证碰撞假人在碰撞过程中能真实反映人体特性，在使用过程中要适时进行标定。文献[4]和文献[5]中分别进行了混Ⅲ 50百分位假人胸部低速和高速标定影响因素的研究。文献[6]中进行了混Ⅲ 50百分位假人胸部刚度特性的研究。

然而，上述研究的对象均为50百分位男性假人。本文中主要对混Ⅲ 5百分位女性假人胸部高速标定进行研究，分析各影响因素对假人胸部特性的影响。

1 混Ⅲ 5百分位假人胸部标定方法

美国联邦法规集第49篇第572部分的O部分(NHTSA CFR Title 49 Part 572, Subpart O)明确给出混Ⅲ 5百分位假人的胸部标定程序，即在环境温度为20.6～22.2℃、相对湿度为10%～70%的条件下，用质量为13.97±0.23kg的摆锤水平冲击处于垂直坐姿的假人胸部指定位置，如图1所示[7]。实验装置中，摆锤用钢丝绳悬挂，通过控制摆锤升起的高度控制摆锤冲击速度。

图1 混Ⅲ 5百分位假人胸部标定示意图[7]

混Ⅲ 5百分位假人胸部标定评价指标包括摆锤作用力峰值(摆锤质量与其冲击加速度的乘积)、胸部压缩量峰值和滞后率(或称迟滞率，是迟滞损失的一种度量，定义为迟滞引起的能耗与加载过程所做的功的比值，可由如后面图5所示摆锤作用力-胸部压缩量曲线中，加载曲线和卸载曲线围成的面积除以加载曲线下面的面积计算获得)，混Ⅲ 5百分位假人胸部高速标定指标如表1所示。

表1 混Ⅲ 5百分位假人胸部高速标定指标

2 胸部标定影响因素分析

混Ⅲ 5百分位假人的胸部装配如图2所示[8]，假人肋骨与脊柱之间为刚性连接，肋骨前装有一块橡胶板，最外层为皮肤。假人胸部标定实验中，对标定结果可能有影响的因素主要包括以下几个方面。

图2 混Ⅲ 5百分位假人胸部装配图[8]

2.1 肋骨材料力学特性

假人肋骨由弹性钢板和黏弹性材料组成。其中，黏弹性材料的应变滞后于应力，存在力学松弛；在动态应力下，力学松弛表现为滞后现象。研究表明，滞后现象强烈地依赖于外界条件，对其影响最明显的是温度和外力作用频率。出现滞后现象时，由于形变功与恢复功不相等，会产生功的损耗，即力学内耗[9]。损耗的这部分功以热的形式损失掉，从而导致肋骨材料发热并最终影响其力学特性。所以，对同一假人进行连续标定时，若由力学内耗产生的热量没有完全消除或者松弛过程没有完成，均可能对标定结果产生影响。

因此，对同一假人进行胸部标定实验时，环境温度和连续标定时间间隔均可能会对胸部标定实验结果造成影响。

2.2 摆锤冲击能量

NHTSA CFR Part 572中规定摆锤以6.71±0.12m/s的速度冲击假人胸部。改变速度即改变摆锤的冲击能量，势必对假人胸部标定响应造成影响。

2.3 假人自身的装配

图3 混Ⅲ 5百分位假人臀部装配图和装配俯视图[8]

假人胸部标定实验要求必须是完整装配的假人。在假人装配过程中，利用盆骨螺栓与股骨球形面的摩擦力来限制大腿的运动(图3)。然而，对同一个假人，由于操作习惯等人为原因，每次在进行实验之前的设置不会完全一致，这也可能直接影响假人受冲击后的动态响应，最终影响假人胸部标定实验的结果。

综合上述分析，可能对混Ⅲ 5百分位假人胸部标定结果产生影响的因素有连续标定时间间隔、环境温度、摆锤速度和盆骨螺栓松紧度。本文中利用同一混Ⅲ 5百分位女性假人进行不同影响因素参数条件下的胸部标定实验，对胸部标定的各影响因素进行分析。以环境温度21.8℃，盆骨螺栓预紧力矩4N·m，摆锤撞击速度6.61m/s的实验为基础，分别改变各研究因素进行单一变量实验，实验中各个影响因素的实验参数如表2所示。其中，为更直观地表示髋关节的松紧情况，采用盆骨螺栓的预紧力矩表示髋关节的松紧度。为确保实验结果的可靠性，首先进行标定时间间隔的影响实验，并根据实验结果确定对同一假人进行连续标定基本不影响假人响应的时间间隔，然后在后续的改变其它影响因素的实验中均采用该时间间隔进行实验。

表2 研究因素和实验参数

3 实验结果与分析

图4 混Ⅲ 5百分位假人胸部标定实验示意图

根据NHTSA CFR Part 572对假人进行标定实验，图4为混Ⅲ 5百分位假人胸部标定实验示意图，实验结果如表3所示。假人各响应均在NHTSA CFR Part 572要求的范围之内，说明该混Ⅲ 5百分位假人的胸部响应特性符合NHTSA CFR Part 572的规定。

表3 混Ⅲ 5百分位假人胸部标定实验结果

3.1 标定时间间隔

图5 不同时间间隔下的摆锤力-胸部压缩量曲线

在相同环境下，采用统一的标定程序，对同一假人进行连续标定实验。不同时间间隔下的胸部标定曲线如图5所示。表4为不同标定时间间隔下各指标的变化量，表中数据为第二次标定结果与第一次标定结果之差，其中正值表示相应指标变大，负值表示相应指标变小。采用变化率，即变化量与第一次标定结果的比值，来衡量不同时间间隔对各指标的影响，得到连续标定时间间隔对各指标的影响，如图6所示。其中，胸部刚度为摆锤力幅值与胸部压缩量幅值的比值[6]。

表4 不同标定时间间隔下各指标的变化量

图6 标定时间间隔对各指标的影响情况

由图6可知，当时间间隔为15min时，连续标定对各指标的影响最大。其中，胸部压缩量增加了6.23%，胸部刚度减小了9.15%。当时间间隔为30min时，胸部压缩量减小了4.77%，胸部刚度增加了5.26%，说明时间间隔较短时，连续标定对实验结果有明显影响，其中假人胸部刚度和胸部压缩量受的影响最为明显。当时间间隔为45min时，各指标的改变均小于基础实验的2%(-1.62%～1.01%)，说明时间间隔为45min时，连续标定对实验结果的影响较小，但松弛过程仍未完全结束。当时间间隔为60min时，两次实验各损伤指标的变化不超过0.6%，这说明当连续标定时间间隔为60min时，假人胸部已完全释放了第一次标定的撞击能量，并恢复到原形态。另外，由图6可知，受连续标定影响最小的指标为滞后率；当标定时间间隔为15min时，滞后率增加了1.86%；当时间间隔大于或等于30min时，在连续标定的影响下，滞后率的变化均未超过1%；这说明连续标定时间间隔对滞后率的影响很小。

目前，根据CFR Part 572 O部分的实验要求，对同一假人胸部进行标定实验的时间间隔至少为30min。但由表4和图6可见，30min的时间间隔并不足以消除假人胸部的力学松弛现象。因此，在后续的实验中，为排除时间间隔对实验的影响，每次标定的时间间隔至少为60min。

3.2 环境温度

根据CFR Part 572 O部分的实验要求，实验前需将假人放置在20.6～22.2℃中至少4h；Euro-NCAP以及C-NCAP中规定放置时间至少为5h。为确保假人内部达到实验温度，在进行环境温度对假人胸部标定实验的影响研究时，实验过程中假人在不同温度环境中的放置时间均大于5h。

图7 不同温度下的胸部标定曲线

在不同的环境温度条件下，进行标定实验获得的假人胸部标定实验曲线如图7所示。以在环境温度21.8℃下进行的实验为基础实验，获得各指标的变化量(表5)和变化率(图8)。随环境温度的增加，假人胸部刚度明显减小，胸部压缩量明显增加，说明随环境温度增加，假人肋骨越容易发生变形。在环境温度的影响下，摆锤力的改变均小于2%(-1.66%～0.94%)，说明环境温度对摆锤力的影响较小。当环境温度为19.9，21.8和23.8℃时，假人胸部滞后率相同；只当环境温度为25.8℃时，滞后率减小了5.82%。说明在一定温度范围内，环境温度对滞后率的影响很小；当环境温度较高时，假人肋骨的滞后性能发生了明显改变。

表5 不同环境温度下各指标的变化量

图8 环境温度对各指标的影响情况

由图8可知，在19.9～23.8℃之间，假人胸部刚度和胸部压缩量随环境温度升高基本上呈线性变化。由此获得在CFR Part 572法规中规定的20.6～22.2℃的温度范围内，假人胸部刚度的最大变化量约为3.17N/mm，胸部压缩量幅值的最大变化量约为1.60mm，滞后率基本不受影响。

3.3 摆锤撞击速度

在相同的标定环境下，以不同的摆锤速度冲击假人胸部，获得的实验曲线如图9所示。在图9(b)中，当速度为5.71m/s时，摆锤撞击力-时间曲线在30ms之后(摆锤力峰值时刻之后)出现无规则波动。经分析系由加速度传感器与实验摆锤的连接出现松动导致，所以与之相关的滞后率存在一定问题。以摆锤速度为6.61m/s的实验作为基础实验，获得不同摆锤速度下各指标的变化量(表6)和变化率(图10)。

图9 不同摆锤撞击速度下的胸部标定曲线

摆锤速度/(m·s-1)胸部压缩量/mm摆锤力/kN胸部刚度/(N·mm-1)滞后率/%5 71-7 9-0 68-0 67-1 6∗6 06-3 1-0 46-3 220 36 30-1 5-0 26-2 720 3

注：带*的数据存在问题。

图10 摆锤撞击速度对各指标的影响情况

尽管由于实验设备的限制和操作难度，摆锤撞击速度未能完全覆盖NHTSA规定的范围，但仍然可以看出撞击速度对各指标的影响。由图10可知，整体上摆锤速度对胸部滞后率的影响非常小(速度为5.71m/s时，滞后率减小了2.3%，其余均小于0.5%)。随摆锤速度的增加，摆锤力和胸部压缩量均明显增加，这表明摆锤力和胸部压缩量受摆锤撞击速度的影响较大。随着速度的升高，假人胸部刚度的改变并不明显。当速度差异接近1m/s时，滞后率产生了一定的变化；因此，今后有必要选取更大差异的摆锤撞击速度进行实验，进一步明确滞后率与摆锤速度的关系。

3.4 盆骨螺栓松紧度

假人标定前，需要调节假人盆骨螺栓的松紧，使髋关节处于1g～2g的状态。1g指调整关节至刚好可以使相邻上肢或下肢保持水平，当作用一个较小的力而后移除该力时，上肢或下肢可继续下落[3]。

图11为不同盆骨螺栓松紧度下的胸部标定曲线。当盆骨螺栓预紧力矩为0时重复多次实验，发现摆锤力-时间曲线都出现了无规则的波动，且每次实验的结果一致性较差，说明盆骨螺栓过松会影响实验数据的稳定性和一致性。造成该现象的原因可能是由于假人下半身与上半身之间缺乏有效约束，导致无规则的相对运动，从而使采集的数据产生波动。以盆骨螺栓预紧力矩为4N·m的实验为基础实验，获得各实验指标变化量(表7)和变化率(图12)。由于预紧力矩为0时实验重复性较差，难以准确得出最合理的实验结果，因此表7和图12的数据不包括预紧力矩为0的情况。

图11 不同盆骨螺栓松紧度下的胸部标定曲线

盆骨螺栓力矩/(N·m)胸部压缩量变化量/mm摆锤力变化量/kN胸部刚度变化量/(N·mm-1)滞后率变化量/%21 54-0 17-5 37-0 576-0 27-0 06-0 73-0 27

图12 盆骨螺栓松紧度对各指标的影响情况

由图12可知，盆骨螺栓松紧度对滞后率的影响很小(-0.83%～0)，但对胸部刚度、胸部压缩量和最大摆锤力有一定的影响。相对基础实验，当预紧力矩为2N·m时，摆锤力减小了4.02%，胸部刚度减小了6.73%，胸部压缩量增加了2.91%。这说明盆骨螺栓预紧松到一定程度时，其预紧力矩的改变会对假人胸部标定的结果造成一定的影响。然而，预紧力矩6N·m的标定结果与基础实验预紧力矩4N·m的标定结果的差异很小，说明将盆骨螺栓预紧到一定程度后，盆骨螺栓松紧度对假人胸部响应的影响很小。因此，进行混Ⅲ 5百分位女性假人胸部标定实验时，盆骨螺栓松紧度应大于4N·m。

4 结论

根据现行的NHTSA CFR Part 572中规定的混Ⅲ 5百分位女性假人的胸部标定程序，研究了标定时间间隔、摆锤冲击速度、环境温度以及盆骨螺栓松紧度对混Ⅲ 5百分位女性假人胸部标定实验的影响，得出如下结论。

(1) 连续标定时间间隔对假人胸部标定结果的影响非常明显。标定实验后，假人肋骨需要约60min才能完全释放冲击能量并恢复到原来的状态，目前法规中规定的30min不足以使假人肋骨完全恢复。因此，在实际标定过程中，进行连续标定的时间间隔应不小于60min。

(2) 环境温度对假人胸部标定结果的影响也较为明显。其中，随着环境温度的升高，胸部刚度明显减小，胸部压缩量明显增加，但摆锤力的变化非常小。相比胸部压缩量和胸部刚度，滞后率对环境温度的敏感性并不高，但环境温度大幅增高时，假人胸部标定的滞后率还是会有所降低。

(3) 随着摆锤速度的增加，假人胸部压缩量和摆锤碰撞力同时增加。

(4) 假人盆骨螺栓过松时，假人胸部标定实验数据采集的稳定性和一致性会受到一定影响。但当盆骨螺栓预紧到一定程度时，假人胸部标定结果受盆骨螺栓松紧的影响会非常小。由实验结果可知，进行混Ⅲ 5百分位女性假人胸部标定实验时，盆骨螺栓预紧力矩应不小于4N·m。

(5) 胸部压缩量主要受连续标定时间间隔、环境温度和摆锤撞击速度的影响，摆锤力主要受摆锤速度的影响，胸部刚度主要受连续标定时间间隔和环境温度的影响，环境温度对滞后率有一定影响。

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An Analysis on the Influencing Factors of Thorax Calibration forHybrid-Ⅲ 5th Percentile Female Dummy

Cao Libo1,2, Luo Qian1, Yan Lingbo1,2, Zhang Kai1& Wang Zhi2

1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082; 2.StateKeyLaboratoryofVehicleNVHandSafetyTechnology,Chongqing400023

A series of chest calibration tests for Hybrid-Ⅲ 5th percentile female dummy are conducted to investigate the influences of calibration time interval, pendulum impact speed, ambient temperature and the tightness of pelvis bolts on the results of dummy chest calibration. The outcomes show that the calibration time interval, pendulum impact speed and ambient temperature have significant influences on the results of dummy chest calibration, while the tightness of pelvis bolts only has little effects providing the tightening torque is higher than 4N·m. Hence, the calibration time interval for the same dummy chest should be more than 60 minutes, and the pendulum impact speed and ambient temperature should also be strictly controlled.

Hybrid-Ⅲ 5th percentile female dummy; thorax calibration test; influencing factors

*汽车噪声振动与安全技术国家重点实验室基金(NVHSKL-201415)资助。

原稿收到日期为2015年4月15日。