HybridⅢ50 th假人胸部标定试验影响因素的研究

潘浩坤，熊锐，胡德卿，谢火志

（广东工业大学，广东 广州 510006）

前言

在交通事故中，人体胸部伤害是导致司乘人员受伤和死亡的主要原因之一[1]。碰撞假人作为汽车安全性能的重要评价工具，在最初投入使用和使用一段时间后都需要进行标定，以验证假人各方面性能指标是否符合规定要求[2]。胸部标定是碰撞假人整套标定程序的一部分，对所获得的相关汽车碰撞试验数据的正确性有重要的影响作用。虽然假人标定程序中对标定环境与操作要求已做出严格标示，但从实际试验的观察中可看出，如假人肋骨温度的控制、标定时间间隔和假人在刚性平面上的安放等步骤均可能导致影响标定结果的情况出现。通过阅读文献可知摆锤撞击速度和肋骨温度与胸部峰值压缩量成正比，摆锤打击点的向上偏移会使得胸部压缩量减小，而其向下偏移会使压缩量增大[3-5]。但上述文献尚未对各影响因素带来的影响做出比较，本文将尝试从实际标定情况出发，就标定时间间隔、肋骨温度、摆锤撞击速度和打击点的横向偏移各自对标定结果的影响设计试验，以期了解各影响因素对标定结果的影响。

1 试验系统

假人胸部标定系统主要由胸部标定试验台、试验假人、冲击摆锤、传感器、数据采集器和专用电脑组成。如图1所示，实验时需要完整装配的假人，假人需穿着衣服和裤子但不能穿鞋子。标定设备包括一个光滑、整洁和干燥的刚性平面和一个冲击摆锤。摆锤是一个直径为152.4mm的刚性圆柱状物，其重量为23.36kg，摆锤撞击面为一平面，撞击面与圆柱面之间为圆角过度，撞击面的对立面安装有一个加速度传感器，该传感器的敏感轴与摆锤的纵向中心轴共线，摆锤上还安装有用于测量摆锤撞击速度的光栅。胸部位移传感器安装于腰椎与脊柱交接处的安装位，其连接拉杆测量端安装于胸骨滑槽处。数据采集器是标定试验中数据采集的核心部分，主要对被侧信号进行放大、滤波、模数转换并把信号送入计算机。专用电脑通过数采软件将信号根据不同要求进行各种数学运算与显示。

图1 Hybrid III 50百分位假人胸部标定示意图[6]

在标定结果的评价方面，对于假人响应值的限制为胸部最大反作用力（Max Resistive Force，由摆锤上加速度传感器所测得的最大加速度与摆锤质量相乘所得）、胸部峰值压缩量（Peak Chest Deflection，胸骨沿碰撞时冲击摆锤的纵向中心线相对于胸椎的水平方向偏移[7]）和迟滞率（Hysteresis，迟滞引起的能耗与加载过程所做的功的比值[8]）。

2 试验方法

本文使用同一试验假人，依据CFR Part 572 Subpart E[6]给出的标定要求，以一次能通过胸部标定试验的假人姿势和假人空间位置为原始的参考状态，就标定时间间隔、肋骨温度、摆锤撞击速度和打击点横向（即如图2所示的假人坐标系Y向）偏移对标定结果的影响以控制变量法进行单一变量试验。

图2 假人坐标系[6]

2.1 标定时间间隔

假人皮肤的制作材料为具有粘弹性的聚乙烯基材料，肋骨由弹性钢板和粘弹性材料组成。而具有粘弹特性的材料不仅具有弹性，而且内部具有摩擦，一部分功在应力被移除后由于摩擦效应而转化为热能损失掉，使得外力作用的形变功不等于恢复功，出现迟滞现象，最终导致材料的发热并影响材料的力学性能。标定时间间隔即两次标定试验之间的间隔时间，充足的间隔能使各材料充分松弛和释放前一次试验中的冲击能量以使其恢复到原来状态，让标定结果反映出假人真实状态。

表1 间隔时间为30分钟的标定结果

本次试验选择以30和45分钟为间隔的标定结果（如表1和表2所示）为比较量，对比可见，随着间隔时间的增大，胸部峰值压缩量和迟滞率由30分钟间隔的1.3%和1.2%的变化幅度缩减至45分钟间隔的0.3%和0.03%，胸部刚度（胸部最大反作用力与胸部峰值压缩量之比[9]）由0.7%的变化幅度缩减为 0.1%，胸部最大反作用力由 0.6%的变化幅度缩减为 0.2%。由试验结果的比较可知，30分钟间隔的假人胸部已较好地释放第一次碰撞的冲击能量，这与标定程序规定的至少30分钟的标定间隔要求相符，且随着间隔时间的增大，假人的状态将更适合于连续试验。

表2 间隔时间为45分钟的标定结果

2.2 肋骨温度

假人肋骨能模拟人体胸部在冲击载荷下的固有迟滞损失。但肋骨材料对温度较为敏感，会因温度的变化而影响肋骨在受冲击时的整体刚度[10]。肋骨温度通过环境温度来调节，所以按照标定程序，假人需在设定环境中静置4小时以上，以确保肋骨温度稳定至所需温度。

本文将扩大温度变化范围，将假人分别浸泡于设定的温度环境中4小时，进行连续变温试验，以观察标定结果随温度改变的变化趋势。通过观察表3所示的标定结果可知胸部峰值压缩量随温度的上升而增大，迟滞率随温度的上升而下降，胸部刚度随温度的上升呈下降趋势，胸部最大反作用力随温度的升高而减小。

表3 连续变温试验结果

2.3 摆锤撞击速度

标定程序中规定发生碰撞时的摆锤速度为 6.59m/s～6.83 m/s，试验中的摆锤以单摆运动的形式布置，假人安放于摆锤运动的最低点，摆锤撞击速度由摆锤的释放高度来控制。由能量守恒定律可列出式1作为撞击速度的估算值以提高试验效率。

式中，v为撞击速度；g为重力加速度；Δh为摆锤撞击点与释放点间的高度差。

表4 连续变速试验标定结果

试验通过对同一标定条件下的连续变速试验来观察标定结果与摆锤撞击速度间的关系，连续试验时间间隔采取 45分钟以提高效率。对如表4所示试验结果的观察可知，随着释放高度的增加，摆锤速度亦随之增大。随着碰撞能量的增大，胸部最大反作用力、胸部峰值压缩量和迟滞率均出现随之增大的趋势。而胸部刚度则随撞击速度的增大而减小。

2.4 打击点横向偏移

假人在撞击前需要先移除胸部皮肤，以使假人和设备调整至规定状态。待调整完毕后需把胸部皮肤穿上，并复原如盆骨角度、颈部角度和假人中心对称面的竖直状态等先前确定的假人姿势和位置参数。但在穿上胸部皮肤后，由于皮肤的遮盖，假人肋骨特征已不明显，这会使得摆锤纵向轴线较难对准假人中心对称平面，从而较易出现打击点横向偏移的情况。而在竖直方向上（假人坐标系 Z向），由于试验平面在调节后相对固定，待假人状态复原后则不易出现打击点在竖直方向上的偏移。针对标定试验中的实际情况，本文以打击点在水平方向上的偏移量为变量设计试验，又因假人在结构上为左右对称，则本文仅对一侧打击点偏移的情况进行标定试验。

通过对表5标定结果的观察可知，随着摆锤打击点偏离中心对称面的距离的增大，胸部最大反作用力和计算所得的胸部刚度随之增大，而胸部峰值压缩量和迟滞率则有随之减小的趋势。如图3所示，由于假人肋骨为一笼形对称结构，打击点的偏移会导致一侧的肋骨成为主要受力部件。因而胸部刚度的增大，一方面可能是由于肋骨的粘弹性材料在肋骨上并非等厚度分布，随着打击点横向偏移的增大，打击点会向厚度大的位置移动，而材料厚度的增加导致了肋骨刚度的增大[11]；另一方面可能是由于胸部位移传感器连接拉杆的测量端位于胸骨滑槽处，若把主要受力肋骨的承受撞击段看做悬臂梁，如图4所示，打击点的偏移会使受力点远离测量点所处的悬臂梁自由端，即受力点往x减小的方向移动，导致自由端挠度值的减小，造成计算得出的胸部刚度值的增大。

表5 打击点横向偏移连续标定结果

图3 假人肋骨结构

图4 肋骨撞击面简化受力模型示意图

3 数据处理

从多次标定的结果及以往标定经历可以看出，胸部标定结果中的胸部最大反作用力和峰值压缩量是较易出现超限值情况的，而迟滞率则相较于前面两者要容易落于限值范围内。以上述肋骨温度、摆锤撞击速度和打击点横向偏移三种影响因素为自变量，最大反作用力、峰值压缩量和迟滞率为因变量，可以得出各自的经验公式，如表6所示。对表6内的公式求一阶导数可得各影响因素对标定结果造成的变化率，摆锤撞击速度对标定结果的影响为三者中最大，肋骨温度的影响居中，打击点横向偏移为最小。

表6 各影响因素与标定结果间的经验公式

4 结论

本文就标定时间间隔、肋骨温度、摆锤撞击速度和打击点横向偏移对现行法规中的 50百分位假人胸部标定结果的影响进行单变量试验，得出如下结论。

（1）在标定过程中，由于实际操作的种种原因，难免出现标定不通过而需要重新标定的情况。但由于假人需要一定的时间来释放在上一次标定中所吸收的冲击能量，因而间隔时间不能太短。尽管标定程序中的30分钟间隔已能使标定结果的变化量控制在 1%左右，但更长的间隔时间无疑更有利于假人恢复至原始状态而使标定结果更为准确。

（2）肋骨温度由假人所处的环境温度来控制，是标定过程的大前提，稳定的温度有利于获得稳定的肋骨力学性能。随着肋骨温度的提升，胸部峰值压缩量随之增大，胸部最大反作用力、胸部整体刚度和迟滞率均呈下降趋势。

（3）摆锤撞击速度由摆锤的释放高度来控制，主要影响撞击能量。随着速度的提高，碰撞能量会增大，胸部最大反作用力、胸部峰值压缩量和迟滞率均出现随之增大的趋势，胸部刚度随撞击速度的增大而减小。撞击速度对标定结果影响较大，在标定的过程中应对释放高度做好记录，以缩减各次标定中的撞击能量的差异。

（4）打击点横向偏移是试验中较易出现的情况。由于偏移后的打击位置会落于肋骨材料较厚和不易变形的位置，导致胸部最大反作用力随偏移量的增大而增大，胸部峰值压缩量随偏移量的增大而减小，计算所得的胸部刚度随之增大。迟滞率随偏移量的增大呈减小的趋势。记录假人的空间位置，减小打击点的偏移有利于提高标定结果的准确性。

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