基于假人标定试验的Hybrid?III?50th假人重复性及再现性研究

季奕 高嘉辰 仲衍慧

摘 要：本文对Hybrid III 50th假人的标定结果的重复性及再现性分析。根据假人标定试验程序，选取三个Hybrid III 50th假人分别进行三次标定试验，根据标定试验获得的响应数据数据进行分析，对Hybrid III 50th假人的重复性和再现性进行分析。以标定试验获得的响应数据作分析的基础，确定分析方法，以数据的幅值和响应时间为关键分析点，计算标准差和变异系数CV（%）的方法，评估了Hybrid III 50th假人在高性能测试试验中的重复性和再现性，结果表明Hybrid III 50th假人重复性和再现性较好。

关键词：Hybrid III 50th假人;标定试验;变异系数CV（%）;重复性;再现性

1 前言

Hybrid III 50th假人一般多应用于汽车碰撞试验，与真实人体尺寸和结构相对应，并具有相似的抗冲击特性。内部在对应人体容易损伤位置安装加速度传感器，力传感器，位移传感器等，在汽车碰撞试验过程中采集实时相应数据，并输出到数据采集设备记录以供乘员的损伤指标分析及评价。

本文对于Hybrid III 50th假人（Hybrid III 50th Dummy）的重复性分析[1]主要针对其标定试验中的头部跌落（Head Drop）试验，颈部弯曲（Neck Flexion）试验，颈部拉伸（Neck Extension）试验，胸部冲击（Thorax Impact）试验，膝部冲击（Knee Impact）试验进行分析，通过评价各相应数据的%CV，对Hybrid III 50th假人标定结果的重复性和再现性做出评价。

2 标定项目简介

本次研究中，选取3个Hybrid III 50th假人分別进行3次标定试验，分别对 Hybrid III 50th假人进行头部跌落试验，颈部弯曲试验，颈部拉伸试验，胸部冲击试验和膝部冲击试验，并对数据进行分析。其中：

头部跌落试验[2]：

头部跌落验证试验是通过将假人头部高度从376mm高度位置自由释放下落到标定台上，测量头部质心的三轴合成加速度来进行评价。由此产生的三轴合成加速度通过滤波后进行计算，SAE用户手册规定了头部三轴合成加速度的峰值应在225g到275g之间。

颈部弯曲试验和颈部拉伸试验：

颈部弯曲试验和颈部屈曲和拉伸试验是将颈部和头部链接，并将颈部一端固定在摆锤装置上，摆锤相当于假人的躯干部位。摆锤从给定高度释放，在摆动弧线的底部产生所需的速度。在摆锤到达底部的摆动弧线垂直位置时，被能量吸收用蜂窝铝缓冲似其停止。虽然摆臂运动停止，但头部的惯性会导致颈部弯曲。标定过程中使用上颈部六轴载荷传感器来记录此过程中的力和力矩，并使用旋转电位计和连杆用于测量与头部相对于摆锤的角度，这个角度称为D-平面角度（D-Plane Angle）。SAE用户手册规定了颈部屈曲试验摆锤重心处的冲击速度为6.89-7.13m/s，颈部拉伸试验摆锤重心处的冲击速度为5.90-6.19m/s。

胸部冲击试验：

胸部冲击试验是以23.4±0.02kg摆锤以2.94m/s-3.06m/s的速度撞击假人胸部的正面碰撞试验。SAE用户手册中规定了假人的胸部压缩量峰值范围在-26.5m/s-21.5mm的范围内。

膝部冲击试验：

以2.07-2.13m/s的速度对弯曲下肢的膝盖进行5kg摆锤撞击。最大撞击力范围在-5.78kN-4.72kN的范围内。本试验中假设同一假人的两个膝盖是相同的，因此只比较每个假人的一个膝盖。

3 评价指标定义

在评估Hybrid III 50th假人的重复性和再现性的传统方法中，通过重复多次试验，并计算响应曲线峰值的平均值、标准差和变异系数（%CV）[2]。从而对Hybrid III 50th假人的重复性和再现性进行评价。

%CV=100*||

σ-一个假人3次试验的标准差

-一个假人3次试验的平均值

重复性：计算变异系数百分比CV（%），每个假人3次试验的响应的峰值的百分比CV（%）。

再现性：计算变异系数百分比CV（%），三个假人所有9次试验中的响应的峰值的百分比CV（%）。

对于结果认为，0-5%的CV（%）是优秀（Excellent）的，5-8%的CV（%）是好（Good）的，8-10%的CV（%）是可接受（Acceptable）的，大于10%的变异系数是不可接受（Unacceptable）的。一般一个假人的评估结果是优秀的（CV%在0-5%之间），说明这个假人在应用于车辆碰撞试验的试验结果中具有更高的准确性和重复性。

4 试验结果分析

本次研究中，抽选现阶段本试验机构使用的三个Hybrid III 50th假人相同在外界环境和试验环境的条件下，分别进行三次标定试验，并对数据进行分析。

4.1 头部跌落试验

从头部跌落试验的分析数据可以看出，表4中Avg表示一个假人3次试验的平均值，SD表示一个假人3次试验的标准差（以下数据中平均值和标准差均用Avg和SD表示）。经过计算CV（%）可以看出，CV（%）均在0-5%之间，表明假人的重复性都处在很好的范围内，但是第三个假人头部三项合成加速度数值偏大，CV（%）达到了4.87，已经接近最理想值0-5%，也就是优秀（Excellent）的上限。由于头部标定的下落距离很短，数据样本数量少，时间轴对于试验中试验受体本身以及各种环境因素和人为因素更具有参考价值。严格控制下落高度、安装方式和试验台表面的一致性，保证9次试验的加速度响应曲线的时间差异在5ms之内。

由头部跌落试验的响应曲线可以看出，其中DX-TX表示第X个假人的第X次试验的相应曲线（以下数据图表中DX-TX均表示第X个假人的第X次试验的相应曲线）。可以看出由于试验条件的统一性，其中峰值的时刻基本保持一致，但是第三个假人在第三次试验中的峰值差异与其他八次差异较大，造成了第三个假人的CV（%）偏大。那么就需要检查假人硅胶制品的头部皮肤是否在碰撞试验中有轻微的变形，导致假人头部皮肤与金属骨骼之间产生间隙，以及头部传感器线束是否固定牢固，从而对排除试验结果产生影响的外部负向因素，保证每次试验的一致性。

4.2 颈部弯曲试验

从颈部弯曲试验的分析数据可以看出，CV（%）均在0-5%之间，表明假人的一致性都处在很好的范围内，但是第三个假人D-平面CV（%）值偏大，达到了4.16。时间轴上显示出摆锤下落高度、安装方式和底部用于能量吸收用蜂窝铝的一致性很好，见表5。

由颈部弯曲试验的响应曲线可以看出，三个假人的D-平面角度和和颈部扭矩的响应曲线趋势基本保持一致，但是D1假人的D-平面角度和扭矩的响应曲线在第二次试验历程中的趋势均略有不同，但峰值的幅值和时间点基本保持一致。初步分析是由于固定颈部的扭矩或颈部顶丝的松紧差异造成，导致摆锤下降过程中对颈部的冲击震荡造成。在时间历程上三个假人响应曲线的峰值时间点基本保持一致的趋势，也体现了颈部缓冲块的压溃性能的一致性，从而说明了试验环境和设备的一致性对于标定正确性有着至关重要的意义，见图2、图3。

4.3 颈部拉伸试验

从颈部拉伸试验的分析数据可以看出，CV（%）均在0-5%之间，表明假人的一致性都处在很好的范围内，但是第三个假人扭矩的CV（%）值偏大，达到了4.59，已经接近最理想值0-5%。时间轴上显示出摆锤下落高度、安装方式和底部用于能量吸收用蜂窝铝的一致性很好，见表6。

由颈部拉伸试验的响应曲线可以看出，三个假人的D-平面角度和和颈部扭矩的响应曲线趋势基本保持一致，但是D3的D-平面角度和扭矩的响应曲线在第三次试验历程中的趋势均略有不同，且D-平面曲线的峰值的也有较大差异。颈部标定装置由于是摆锤系统，并且假人颈部为橡胶结和金属结构的结合，多次试验对于结合处的一致性也有细微影响，在碰撞试验中颈部也属于易损部件，容易產生细微裂痕损伤。并且在试验外部条件中，对于假人颈部外套、颈部安装力矩（在1.09-1.63Nm范围内）、颈部顶丝、颈部支架、底部吸能缓冲、颈部安装角度的多维参数一致性要求较高。在时间历程上三个假人响应曲线的峰值时间点基本保持一致的趋势，其CV（%）也都较小，见图4、图5。

4.4 胸部冲击试验

从胸部冲击试验的分析数据可以看出，CV（%）均在0-5%之间，表明假人的一致性都处在很好的范围内，前两个假人的胸部力和胸部压缩量的CV（%）值均没有超过1。对于胸部标定这种摆锤下落的时间历程较长，触发位置无法在下落瞬间控制，就利用严格控制摆锤高度和触发位置，以及记录通过记录碰撞点速度的方式控制下落高度的一致性。控制外部条件的一致性，也就控制了胸部力峰值和胸部压缩量峰值时间点的一致性，见表7。

由胸部冲击试验的响应曲线可以看出，三个假人的胸部力和胸部压缩量的响应曲线趋势表现出了很高的一致性，只有第二个假人第二次试验胸位移压缩后回弹的历程中的趋势均略有滞后。胸部标定装置由于是摆锤比较其他标定部位较重，对于胸部皮肤的橡胶压溃差异造成的数据差异较小;而摆锤装置的下落高度较高，导致了试验的时间历程较长;并且Hybrid III 50th假人的胸部金属肋骨结构以及胸部位移量传感器的连杆螺钉固定结构比较简单，耐磨损性能较高，多次试验的一致性表现较好。在车辆碰撞试验中的稳定性也表现优秀。从胸部标定数据可以看出，其CV（%）在时间历程上基本保持一致的趋势，其都较小。

4.5 膝部冲击试验

从膝部冲击试验的分析数据可以看出，CV（%）均在0-5%之间，表明假人的一致性都处在很好的范围内，第一个假人的膝部压缩量的CV（%）值仅有0.13。膝部标定同样适用摆锤由固定位置下落撞击假人膝盖的方式，由于下落高度低时间历程短，且触发位置无法在下落瞬间控制。对于摆锤下落高度、触发位置和安装的一致性，表现在时间点CV（%）的一致性上，见表8。

由膝部冲击试验的位移量响应曲线可以看出，三个假人的压缩量的响应曲线趋势表现出了很高的一致性，但在时间轴上出现水平差异，9次试验的峰值时间点的时间差异最大在8ms，由此分析在时间历程上的差异主要来源于外部试验条件。时间点CV（%）也均在0-5%的范围内，说明了次9次试验的一致性很好。

5 结论

本次研究通过选取常用的3个Hybrid III 50th假人分别进行3次，一共9次标定试验，分别对假人的4个部位进行5种类型的标定试验。结果表明，所有考察值和时间点的CV（%）都在0-5%的范围内，在曲线趋势和峰值大小和时间点上表现最为优秀的为胸部力、胸部位移，其次是膝部和头部。膝部位移和头部三项合成加速度的时间历程短，采样点少，对于试验条件更需要严格控制，减少人为造成的差异，才能对假人的实际结果进行准确的评价。差异性最大的为颈部，由于颈部链接结构比较其他部位更容易产生个体差异性，且试验安装比较复杂，曲线本身趋势上具有一些差异。颈部D-平面的的表现趋势要优于颈部力矩，也说明了颈部本身和安装差异对于受力的影响较大。

综合对于3个假人的试验考查数值和时间历程综合分析，可以看出：

第二个假人的表现最为优秀，各项平均CV（%）为1.05，第二个假人为1.41，第三个假人为2.24。头部和颈部最好的为第二个假人，胸部和膝部为第二个假人，第三个假人虽然符合范围要求，但在今后的标定中要严格保持外部因素的一致性，并加大检查力度，从而保证试验的准确性。

参考文献：

[1]Lan Xu. Repeatability Evaluation of the Pre-Prototype NHTSA Advanced Dummy Compared to the Hybrid III[J]. SAE Paper 2000-01-0165.

[2]SAE J2856. User's Manual for the 50th Percentile Male Hybrid III Dummy[S]. USA 2010.

[3]James Saunders， Daniel Parent. Repeatability of a Small Overlap and an Oblique Moving Deformable Barrier Test Procedure[J].SAE Paper 2013-01-0762.