TNO-10假人躯干力学性能的研究

杨青　颜凌波　刘鑫光　傅灿

摘 要：TNO-10假人主要用于安全带动态测试试验，假人躯干的力学性能会直接影响安全带动态测试结果。本文介绍了两种TNO-10假人躯干力学性能研究的方法，通过扭转试验和弯曲试验研究了皮肤硬度不同和骨架不同的假人躯干的力学性能，为深入研究假人躯干对安全带试验的影响提供了参考依据。

关键词：TNO-10假人;躯干;力学性能;扭转;弯曲

中图分类号：U467.14 文献标识码：A

0 引言

TNO-10假人是主要用于考察汽车安全带在碰撞中性能的加载工具。通过获得在台车试验中假人胸部位移量和臀部位移量来评价安全带在事故中对乘员的保护效果。目前，我国汽车安全行业所使用的TNO-10假人由于使用年限、试验次数、生产厂家等不同，造成假人状态产生了较大差异，从而导致测试结果有较大差异，目前行业内主要使用的几种假人之间的胸部位移试验结果差异最大可以达到100多毫米，行业内试验结果一致性情况并不乐观。面临的主要有假人皮肤老化和内部骨架损坏而不易察觉的问题，而针对这两种情况对假人力学性能的影响，国内外并没有提出合适的方法进行研究。2018年9月，我国车身分标委成立了专门工作组开始制定《汽车安全带试验用假人》的行业标准。分析安全带动态试验要求可知，假人胸部位移量和臀部位移量都与其躯干有直接关系，假人躯干的物理性能会直接影响试验结果。针对TNO-10假人躯干的力学性能，本文提出两种测试方法进行研究——扭转试验和弯曲试验。

1 假人简介

TNO-10假人是汽车碰撞模拟试验中安全带动态测试及其研发试验的加载装置，为适用配重，设计中去除了前臂，并仅有一只小腿，其主要有头、颈、躯干、大腿和小腿5个部分构成，如图1所示。假人内部骨架主要用金属材料制成，包裹于骨架之上皮肤主要是由聚氨酯材料制成。根据GB/T14166-2013标准，该假人可作为试验用测试装备使用。GB/T14166-2013是在基于欧洲经济委员会第16项法规（ECE016）重新起草的GB/T14166-2003的基础上进行修改，因此其关于假人的要求与ECE R16法规中关于假人的要求基本一致。

2 假人躯干力学性能试验分析

目前，在汽车上主要使用的是三点式安全带，由于其自身结构的原因，在安全带动态试验中，假人躯干会产生扭转和弯曲变形。如图2所示，是车载高速摄像机在不同时刻记录的台车试验中假人姿态变化的情况，从图中可以看出：在台车试验过程中，假人躯干确实存在扭转和弯曲变形。在试验过程中，这两种变形应该是同时存在的。

根据上述现象，可以将假人躯干的变形动作完全分解成扭转和弯曲，通过扭转试验和弯曲试验来检测假人躯干的力学性能。本文设计制作了一台TNO-10假人躯干试验装置（如图3），进行假人躯干力学性能的研究。

2.1 扭转试验数据分析

考虑到台车试验中假人躯干一次试验只会产生一个方向扭转的情况，同时避免躯干残余应力对试验的影响，我们采用了半周期间隔1 h顺时针和逆时针交替扭转的方式。具体试验过程如下：如图3（a）所示，将TNO-10假人躯干固定安装在试验台上，启动电机后，使躯干先沿逆时针方向至少扭转到25°，然后反向扭转恢复到0°，记录这半周期T/2扭转过程中的扭矩——角度曲线;等待1 h后，再将躯干沿顺时针至少扭转到-25°，然后反向扭转恢复到0°，再次记录这半周期T/2扭转过程中的扭矩——角度曲线。以下规定：逆时针扭转角度为正，对应刚度为正刚度;顺时针扭转角度为负，对应刚度为反刚度。

根据GB14166-2013要求，假人皮肤采用聚氨酯材料制成，硬度为邵氏A 50-60[1]。我们分别对几种硬度不同的躯干进行了扭转试验，研究其在扭转变形中的力学特性，如图4所示。

表1是对硬度不同的躯干多次扭转试验数据统计所得。结合图4中的试验曲线，可以明显看出：假人躯干的力学特性与刚度成正相关，硬度越大，扭转刚度也越大。说明可以用扭转试验来研究假人躯干硬度发生变化后的力学性能。

2.2 弯曲试验数据分析

为了研究TNO-10假人躯干骨架损坏对其力学性能的影响，我们用三个不同的骨架，一个链条断裂，一个肋骨断裂和一个完好的骨架，采用相同的材料配比，按照相同的工艺制作了三个硬度基本相同的躯干。对这3个躯干进行了扭转试验，如图5所示，试验发现：骨架是否损坏对躯干力学性能的影响在扭转试验中表现得不是太明显。根据台车试验假人姿态变化的分析，安全带动态试验中假人躯干还存在弯曲变形，因此，我们可以对这三个躯干进行了弯曲试验，研究其力学性能的差异。弯曲试验的具体过程为：如图3（b）所示，将假人躯干固定在试验台上，启动电动推杆后，躯干向上至少弯曲到15°，然后反向恢复到水平位置（0°），记录试验过程中力——角度曲线。对这三个骨架不同躯干的弯曲试验曲线如图7所示。

从图7中可以看出，骨架完好的躯干弯曲刚度要明显大于骨架损坏的躯干刚度。对比图6中扭转试验曲线，可以明显看出，弯曲试验对骨架不同的三个躯干的力学性能所表现的差异比扭转试验更明显，更有利于区分假人骨架是否失效的情况。

3 结论

本文首先简要分析了现在行业中所用TNO-10假人的状态存在差异，然后分析TNO-10假人台车试验中躯干姿态产生的变化，提出采用扭转试验和弯曲试验来研究假人躯干的力学性能。根据试验思路，开发了一套试验装置，对不同硬度和不同骨架的假人躯干进行了研究。通过扭转试验可以发现，躯干硬度不同，其力学性能不同;利用弯曲试验，可以更明显的区分假人躯干骨架是否损坏失效。通过对假人躯干力学性能的研究，可以为假人皮肤老化或骨架损坏对安全带动态测试结果的影响提供参考依据，有利于提高试验数据的一致性。

参考文献：

[1]GB 14166 机动车乘员用安全带、约束系统、儿童约束系统ISOFIX儿童约束系统[S].2013.

[2]ECE R16 Safety-belts，restraint systems，child restraint systems and ISOFIX child restraint systems for occupants of power-driven vehicles，2018.

[3]湖南赛孚汽车科技股份有限公司.TNO-10假人用户手册.

[4]First Technology Safety Systems，Inc，TNO-10 Manikin Rev B，2008.

[5]王欣，马瑞雪，等.TNO-10型碰撞假人的研制[J].客車技术与研究，2014（02）：51-53+62.

[6]杨青，贺中意，颜凌波，等.一种TNO-10假人躯干标定装置.专利201821278670.X，2019[P].

[7]Michel Griffiths，B.E.，M.Biomed.E.and Andrew Skidmore，THE PERFORMANCE OF AGED USED SEATBELTS，1987.