WorldSID假人颈部标定试验方法研究

张 毅，商恩义，韩 刚，周大永，刘卫国（浙江吉利汽车研究院有限公司，杭州 311228）



WorldSID假人颈部标定试验方法研究

张 毅，商恩义，韩 刚，周大永，刘卫国
（浙江吉利汽车研究院有限公司，杭州 311228）

摘要：WorldSID假人是当前侧撞假人的升级，国内只有几个，对其了解较少。为了提高对WorldSID假人的拟人程度，对WorldSID假人颈部标定试验方法及影响因素进行了研究，指出影响颈部标定结果的两个主要因素是吸能蜂窝铝的硬度和颈部本体的强度，该影响因素可通过调整吸能蜂窝铝、颈部缓冲块进行解决。

关键词：WorldSID假人；颈部标定；试验方法；影响因素

引言

WorldSID是Worldwide Side Impact Dummy的缩写，是一种专门用于测量汽车乘员在横向碰撞试验中产生伤害的碰撞假人，该假人是基于人体测量学对全世界人口范围内汽车乘员的尺寸和惯性数据进行统计分析而设计成型[1]。Euro-NCAP的侧面碰撞试验包括侧面可变形蜂窝铝AE-MDB碰撞和柱撞两种试验，2015版Euro-NCAP中明确规定在侧面碰撞试验的前排驾驶员侧必须安放WorldSID假人，以评估侧碰试验中假人的伤害指标。在国内，现阶段国内碰撞实验室WorldSID假人还并没有普及，但随着我国碰撞试验领域的不断发展，在C-NCAP的侧面碰撞试验中采用WorldSID假人的日期也不会很远。

基于此，对WorldSID假人使用特性的研究应尽早提到研究日程。假人作为拟人化装置，其人体拟合性直接影响到测试车辆的安全性能是否能够得到正确的评价，而确保其拟人性的手段是假人标定试验。因此，本文针对WorldSID假人颈部标定的性能指标与影响因素进行了研究。

1 WorldSID假人颈部构造

如图1所示，WorldSID假人颈部由上下颈部界面金属板、中间橡胶颈部模型、前后左右缓冲块组成。在安装颈部的时候，颈部缓冲块分为圆形截面和方形截面两种类型。圆形截面的缓冲块装在左右两边各一块，方形截面的缓冲块装在前后各一块。圆形截面的缓冲块一端为小型圆柱，另一端为蘑菇状。蘑菇状的末端必须在颈部装配过程中与颈部界面金属板压紧，且末端需突出到金属板平面上的沉孔里。圆形截面的缓冲块具有三种不同硬度的型号，用标记红色、黄色、蓝色为强度递增区分[2]，以调整WorldSID颈部在试验过程中的弯曲响应性能。这一点在颈部标定的影响因素中也起到了重要的作用。

2 WorldSID假人颈部标定试验准备

WorldSID颈部标定试验准备与ES-2颈部标定相似。主要包括头-颈部标定装置、颈部摆锤、吸能蜂窝铝、摆锤加速度传感器、测速装置、数据采集系统。

2.1 头-颈部标定装置

头-颈部标定装置主要用于保证WorldSID假人在试验与标定过程中头颈部状态的一致性，所以装置的质心和质量都得与头型设计的相近。头-颈部标定装置如图2所示，包括：头部替代模块、颈部、角度传感器A、角度传感器B、角度传感器C、颈部力和力矩传感器。

2.2 颈部摆锤

颈部摆锤主要用于承载头-颈部装置在冲击端，在一定的高度释放摆锤后与吸能蜂窝铝冲击以取得一定范围内的颈部弯曲运动性能。颈部摆锤按照NHTSA CFR 572中要求设定[3]。摆锤详细参数为：长度为1 835.2 mm，重量为29.6 kg，转动惯量是33.2 kg·m2[4]。

2.3 吸能蜂窝铝

当摆锤在一定的高度释放以自由落体方式撞击蜂窝铝时，蜂窝铝吸收能量从而产生变形，在短时间内使摆锤速度减至零。其特性必须满足摆锤与蜂窝铝缓冲到一定时间内的减速度要求。吸能蜂窝铝参数要求：硬度为1.8 lb/cu.ft.，长度为76.2 mm。

2.4 摆锤加速度传感器

摆锤加速度传感器用于采集摆锤与蜂窝铝作用过程中的加速度信号。加速度安装在距离旋转轴心1 657.4 mm的位置。

图2　WorldSID头-颈部标定装置

2.5 测速装置

测速装置安装在吸能蜂窝铝安装部位上方。测速装置由发射端口和接收端口组成，发射端口平行发射出红外光束，接收端口接收光束。摆锤冲击面侧安装有弧状格栅，在运动过程中间断性地遮挡光束，根据两次被遮挡的时间差以及格栅相邻的距离，测速装置能够精确计算出实时速度。

2.6 数据采集系统

数据采集系统用于对标定过程中加速度信号、角度信号、力和力矩信号、摆锤速度信号的采集。对于各个传感器的滤波按照ISO 6487或者SAE J211中要求执行，具体参数见表1。

3 WorldSID假人颈部标定试验方法

3.1 试验要求

3.1.1 摆锤运动要求

摆锤从开始拉升到释放的时间间隔不超过5 min。

摆锤释放后自由落体至接触吸能蜂窝铝的瞬间为采集零时刻，此时要求摆锤的速度在3.3～3.5 m/s之间。摆锤的速度曲线应满足表2所示要求。

3.1.2 颈部运动要求

颈部的性能指标主要是考察摆锤接触吸能蜂窝铝之后颈部弯曲运动所反馈出来的弯曲角度、颈部弯矩。这些指标需要满足表3中所示的作用区间。

表2　摆锤速度曲线要求

表3　颈部运动性能要求

在本文2.1节中提及的头-颈部标定装置上的角度传感器A、角度传感器B和角度传感器C可直接反馈出ΘA、ΘB、ΘC的角度变化量。通过图3所示的摆锤与头-颈部标定装置、颈部与头部的相对运动几何原理，可得出以下公式：

图3　颈部弯曲角度测量方式

其中dΘA与dΘC是ΘA、ΘC的导数。

3.2 试验过程

1）试验前，需将颈部存放在温度恒为18～22 ℃，湿度为10 %～70 %的环境下至少4 h。

2）两次试验的时间间隔必须保证在30 min以上。

3）首先检查颈部是否有破裂损坏，橡胶与金属部分配合是否正常。

4）分别调整颈部上下金属平面半球体螺栓的扭矩至10 Nm。

5）将颈部安装到头-颈部标定装置，用M6螺栓将上颈部与装置紧固，下颈部与下颈部安装底座也通过M6螺栓与摆锤连接。安装完毕后，调整角度传感器A、B、C的初始值至0 °。

6）将裁剪为20格的吸能蜂窝铝固定至摆锤冲击平面，并使用摆锤预撞击其表面，保证其与摆锤接触瞬间为平面。

7）利用小型电动吊机将摆锤提升至与地面成49 °角的倾斜高度后释放，使之自由落体冲击吸能蜂窝铝。

3.3 试验结果评价

通过3.2节中所述的WorldSID颈部摆锤试验，数据采集系统对试验过程中的速度、加速度、动量等信息进行提取。颈部标定达标的要求是采集的各项指标需要满足3.1节中表2和表3的要求区间。

如果其中某些指标没有达标，则就相关重要指标进行分析，从而得出调整的方法。

3.3.1 摆锤加速度

在摆锤高度一定的前提下，其在零时刻之后采集的加速度主要是与吸能蜂窝铝作用产生的，也就是摆锤加速度用来检验吸能蜂窝铝受冲击的强度。所以通过能量守恒定律，可以得出：加速度过高，蜂窝铝偏硬；加速度过低，蜂窝铝偏软。

蜂窝铝过硬有可能是以下几个因素造成：①蜂窝铝裁剪格数过多；②蜂窝铝横向或竖向的安装方式不对；③蜂窝铝结构变形。针对以上三种影响因素，我们可以采取以下措施进行调整：①适当减少蜂窝铝格数；②确保蜂窝铝按照其六边形纹路竖向安装；③按要求存放蜂窝铝，选择无挤压，无缺陷蜂窝铝进行试验。反之，蜂窝铝偏软的因素和调整方式也一样。

3.3.2 颈部弯曲指标

颈部弯曲指标包括颈部扭矩、弯曲角度两种性能，其实就是颈部本身的软硬程度。颈部本身的软硬程度主要由以下几个要素决定：①颈部的新旧程度（颈部本身的橡胶材料）；②颈部缓冲块的硬度；③标定环境温度。如果颈部扭矩、弯曲角度在试验后输出结果偏高，无法通过标定，那我们可以进行如下几种方式进行调整：①调低环境温度；②更换颈部缓冲块至低强度类型；③更换颈部总成。反之亦然。

4 结束语

本文介绍了WorldSID假人颈部的构造，对该假人颈部的标定试验方法进行了详细说明。总结出以下几点内容：①WorldSID假人颈部构造复杂，需要用特定的头-颈部装置承载，与吸能蜂窝铝、多个角度传感器、测速装置、数据采集系统紧密配合才能完成标定工作，使得颈部达到标准试验状态；②标定WorldSID假人颈部的试验方法主要概括为摆锤冲击蜂窝铝以达到颈部产生弯曲形变的运动过程。其主要性能指标为颈部的弯曲能力；③影响颈部标定结果的两个主要因素可归结为吸能蜂窝铝的硬度和颈部本体的强度。可通过调整吸能蜂窝铝、颈部缓冲块、环境温度等重要参数，使得颈部达到标定所要求的标准状态。

参考文献：

[1] 李发宗, 李传志. 汽车侧面碰撞假人应用分析[J] . 汽车技术, 2007 (5): 21-32.

[2]W50-9900, User Manual WorldSID 50th [Z].

[3]颜燕,张龙,朱西产.汽车侧面碰撞法规的研究与分析[J].上海汽车, 2005(12).

[4]吴时兵,曹立波.汽车侧碰假人力学性能分析及其标定系统开发[D].长沙：湖南大学, 2007.

中图分类号：U467.1+4

文献标识码：A

文章编号：1004-7204（2016）02-0051-04

作者简介:

张毅 (1986－)，男(汉)，浙江，工程师。主要研究方向：安全碰撞试验技术。

Research of WorldSID Dummy Neck Calibration Test Method

ZHANG Yi, SHANG En-yi, HAN Gang, ZHOU Da-yong, LIU Wei-guo
(Zhejiang Geely Automobile Institute Co. Ltd., Hangzhou 311228)

Abstract：TWorldSID dummy is a new updated side impact dummy. There are only several WorldSID dummies in China, so we know about it little. To improve the anthropologic capability of WorldSID dummy, we do the research of dummy neck calibration test method and the effect factor, and we indicate that the two main effect factors of neck calibration result are the rigidity of deformable honeycomb aluminium and the intensity of neck itself, the effect factors can be solved by adjusting the honeycomb aluminium and neck buffer.

Key words：WorldSID dummy; neck calibration; test method; effect factor