Q3假人腰椎标定试验影响因素探究(1)

刘委坤 孟令旭 刘培伟 孟凡超

摘要：汽车碰撞假人是碰撞测试所用的重要设备，为了保证碰撞试验数据准确的可靠性、稳定性，定期标定、维护是主要手段。Q3 儿童假人在中国新车评价规程 2018 版中正式启用，而其Q3 儿童假人腰椎标定在所有标定项目中成功率比较低。因此，对该假人腰椎标定各影响因素进行分析，并设计出正交试验表，筛选出显著影响因素蜂窝铝孔数和摆锤碰撞速度，然后分析两个因素对腰椎减速度、假人腰椎转矩评价指标的具体影响，提高后续标定试验，提高假人腰椎标定的成功率。

关键词：Q3儿童假人、腰椎标定、影响因素

引言

研究表明，汽车碰撞儿童假人是用于研究碰撞过程中儿童损伤机理及评估汽车对儿童保护能力的重要工具。在正面碰撞事故中，儿童腰椎受伤极为严重，约 30%～40% 的儿童损伤发生在腰部。因此为了保证碰撞试验数据的准确性，对假人日常的维护与标定成为重要的组成部分，假人标定试验是保证汽车假人生物力学性能的主要措施，用以保持良好的响应，确保试验数据的可靠性。根据中国新车评价规（C-NCAP）2018 版规定，CRS 评价试验中，会使用 Q3 假人的伤害值来评价标准[1]。2013年欧洲经济委员会（ECE）开始对儿童安全法规进行修改，Q系列儿童假人在新的法规中被提出用以替换以往使用的P系列儿童假人。因此本文以 Q3 儿童假人为研究对象，重点研究其腰椎标定试验，分析试验的影响因素，运用试验设计（DOE）方法，实施合理的试验方案，得到一定量的试验数据结果;然后通过积分二次曲面优化法，找出标定试验数据输入与输出的非线性对应关系，从而继续运用多元二次回归方程来拟合众多影响因子与输出之间的函数。寻找最优系数，以提高标定试验的成功率，减少人力、物力、财力的资源浪费[2]。

标定试验

2.1 Q3 假人腰椎结构

如图 1 所示，Q3 假人腰椎本体是由橡胶和金属材质用模具浇注成圆柱体型，上表面内嵌螺纹套，用来连接腰椎力传感器或者替代块;腰椎中心内部是钢丝线缆组件，下端用螺母固定在橡胶圆柱。

随着反复碰撞试验带来的伤害以及时间的累积，假人腰椎材质会变化，其动态响应也在发生变化，为了检查假人并保证假人腰椎良好的生物力学性，从而保证试验的准确性，故而需要对其按时标定[3]。

2.2 Q3 假人腰椎标定

目前为止，Q3 假人腰椎标定方法是按照Humantics 假人公司提供的手册进行标定。具体方法为：将湿度控制在 10%～70%，温度控制在 18～ 22 ℃环境条件下，将Q3 儿童假人腰椎安装在摆臂上，摆臂上升至一定的高度，然后释放摆臂，以一定的速度撞击蜂窝铝，通过ATD 数采软件进行采集，得到碰撞过程中的数据，从而评判假人腰椎的生物力学性能，如图 2 所示：

Q3 假人腰椎在标定时需要进行正面碰撞、侧面碰撞两种类型，共需要进行腰椎正面弯曲、左侧、右侧 3 次试验。3 次试验的评价指标及范围是一致的，如表 1 所示。

由于Q3 假人腰椎正面碰撞和侧面碰撞标定试验，评价指标要求一样，限于篇幅本文以假人腰椎弯曲试验作为试验对象进行研究[4]。

2.3 试验设计

选取摆锤碰撞速度、蜂窝铝孔数、温度和时间间隔 4 个参数（表 2）， 研究其对腰椎标定的影响。

3.试验结果

本文参照正交设计表L9（34）进行试验设计，共进行 9 次试验，试验结果如表 3 所示。限于篇幅本文以假人腰椎弯曲试验作为试验对象进行研究[5]。

从图 3—图 5 均值主效应图可知，各影响因素对腰椎减速度的影响重要程度依次为蜂窝铝孔的个数、摆锤碰撞时的速度、温度、时间间隔。其中，温度和时间间隔两个影响因子影响较小，因此可认为这两个影响因素对腰椎减速度的影响并不明显。

10ms、20ms、30ms3 个时刻，代表摆锤撞击蜂窝铝并逐渐压溃蜂窝铝的过程，接触面从蜂窝铝表面由上到下逐渐接触和腰椎减速度逐渐变大的过程[6]。

为进一步探究，蜂窝铝孔个数和摆锤撞击速度对这 3 个时刻的影响，将其中一个影响因子作为定值，另一个影响因子作为试验变量。

3.1不同摆锤碰撞速度对腰椎减速度的影响

选择标定试验序号第1、第4、第7 ，3次试验，对应的摆锤速度分別为4.3、4.4、4.5m/s，而3次试验的蜂窝铝孔个数为定值为16，试验结果如图6所示。

从图 3—图 5 均值主效应图可知，各影响因素对腰椎减速度的影响重要程度依次为蜂窝铝孔的个数、摆锤碰撞时的速度、温度、时间间隔。其中，温度和时间间隔两个影响因子影响较小，因此可认为这两个影响因素对腰椎减速度的影响并不明显[7]。

10ms、20ms、30ms3 个时刻，代表摆锤撞击蜂窝铝并逐渐压溃蜂窝铝的过程，接触面从蜂窝铝表面由上到下逐渐接触和腰椎减速度逐渐变大的过程。为进一步探究，蜂窝铝孔个数和摆锤撞击速度对这 3 个时刻的影响，将其中一个影响因子作为定值，另一个影响因子作为试验变量。

3.2不同摆锤碰撞速度对腰椎减速度的影响

选择标定试验序号第1、第4、第7 ，3次试验，对应的摆锤速度分别为4.3、4.4、4.5m/s，而3次试验的蜂窝铝孔个数为定值为

16，试验结果如图6所示。

图6中，蓝色线对应4.5m/s、紫色线代表4.4m/s、绿色线代表4.3m/s、10、20、30m/s时刻处的3条短竖线分别表示撞击时腰椎减速度在该时刻处的数值区间，超出相应区间，意味着标定试验失败。图 6 中的 3 条撞击时腰椎减速度曲线在前 30ms 都是接近直线，同时这 3 个时刻的数值也都在规定的范围内，但有略微差异，且与摆锤速度呈正相关。这是因为随着摆锤碰撞速度的增加，会使碰撞整体能量增加，在压溃相同蜂窝铝的进程中，碰撞时的加速度也会增加，导致撞击时腰椎的减速度值在10、20、30ms 3 个时刻数值相应增加，但是增加量并不很大，这也与试验条件设置有关[8]。

在蜂窝铝相同的情况下，摆锤碰撞速度小范围地变化，不会对撞击时腰椎减速度在 10、20、30ms 时刻的数值造成严重影响;相反在后续的标定过程中，如果撞击时减速度在3个时刻点有略微超出范围，可以通过稍微调节摆锤碰撞时的速度，调节不宜过大，使其满足要求，但是前提是稍微调节后摆锤碰撞时速度须在要求规定的范围内即 4.3～4.5m/s。

3.3不同蜂窝铝孔个数对腰椎减速度的影响

选择试验序号第4、第5、第6三次试验，对应蜂窝铝孔个数分别为14、16、18，而3次试验的摆锤碰撞速度为4.4m/s，试验结果如图7所示。

图7中，蓝色线对应孔数为14、紫色线代表孔数为16、绿色线代表孔数为18、 10、20、30ms时刻处的3条短竖直线也是规定的腰椎减速度区间范围。图 7 中的 3 条腰椎减速度曲线在前 30ms 虽然也都接近直线，但是有着明显的分层;蜂窝铝孔数越多撞击时的腰椎减速度在 10、20、30ms 的数值也越大，而且蜂窝铝孔个数为 18 的曲线在 30ms 时刻的数值几乎超出要求的范围[9]。

这是因为蜂窝铝孔数增多，导致吸能区域整体变硬，碰撞刚度变大，碰撞时的加速度急剧增加，导致撞击时腰椎减速度也随着快速增加，最终反映在 10、20、30ms 的数值变大。可见，蜂窝铝的软硬对假人颈部减速度的影响是非常显著的。

4 结论

根据试验结果分析可得： 连续标定时间间隔缩短会导致合 成加速度增大，其合成加速度数值会随着标定间隔的延长而逐 渐减小，趋于平缓，对结果影响较大，所以在标定中要保证标 准规定的时间间隔 （ 至少 30 min） ;减小或者增大都会导致试验结果合成加速度 变大，侧向角度 （ Y 轴与水平面夹角） 增大或者减小也会导致 合成加速度突变，Y 向加速度变大，对标定结果影响较大，所以在试验中一定要准确调整好两个角度，使其在规定值上; 跌落高度增加使腰椎合成加速度变大，且高度越高影响越大; 腰椎合成加速度随标定环境温度升高而减小，对结果影响较大，且高低温环境对于腰椎标定都有一定的关系。

本文先是对Q3 假人的腰椎结构和腰椎标定判定指标进行详细介绍，然后对 4 个影响因子三水平设计出正交试验表L9 来确定各影响因子对假人腰椎评价指标的重要程度，并得出重要程度分布。

通过正交试验分析得到，蜂窝铝孔个数和摆锤碰撞撞击速度为显著影响因子，温度和时间间隔为非显著影响因素;然后对 2 个显著影响因素对假人腰椎标定的每个评价指标单独进行研究，分析其影响机理，并更好地开展后续标定工作。

蜂窝铝孔个数增多，碰撞吸能区域整体刚度变大，碰撞时的加速度增加，因而会使得假人腰椎减速度在 10、20、30 ms 时刻的数值明显增大，使假人腰部转角 D-P 峰值显著增加，并且各指标达到峰值的时刻均提前。摆锤碰撞速度增加，碰撞整体能量变大，假人颈部减速度在 10、20、30ms 时刻的数值有增加趋势，但变化并不特别显著， 假人腰椎转角D-P 峰值增加，但是各指标达到峰值的时刻变化并不明显。

参考文献

[1] 中国汽车技术研究中心. C-NCAP 管理规则（2018 年 版 ）[EB/OL]. [2018-10-15]. http ： //www. c-ncap. org/cms/files/cncap-regulation-2018. pdf.

[2] 正面碰撞试验中假人头部及胸部受力分析方法的研究與应用[J]. 商恩义，张君媛，杨斌，张慧云.汽车技术.2010（10）

[3]汽车碰撞试验假人皮肤材料的参数研究[J]. 曹立波，华歆，张冠军，张恺.汽车安全与节能学报. 2014（03）

[4] 王凯，李向荣，朱海涛，等. Hybrid Ⅲ 50 百分位假 人胸部低撞击标定研究 [J]. 汽车工程， 2009 ， 31（12）：1123-1125.

[5] World Health Organization.Youth and road safety[R/OL].http： / / whqlibdoc.who.int/publications/2007 /9241595116_eng.pdf，2007.

[6] First Technology Safety Systems Inc. Q3 （ Advanced 3 year old child） user manual[Z]，2016

[7]汽车碰撞安全[M]. 人民交通出版社股份有限公司 ， 水野幸治， 2016

[8]汽车儿童乘员碰撞伤害与防护[M]. 清华大学出版社 ， 张金换， 2015

[9]碰撞用50百分位假人胸部标定系统研究[D]. 王鹏.吉林大学 2015