Hybrid Ⅲ-50th-RS假人上腹部冲击试验探究

王科飞，张春玉，杨青，颜凌波，程林，徐唐杰

(1. 中国长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062；2. 湖南赛孚汽车科技股份有限公司，湖南 长沙 410205；3. 湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南 长沙 410082)

轨道客车运行速度高，载客多，一旦发生碰撞事故伤亡非常严重[1]。据统计，仅2010年1月到2012年3月的2年多时间里，世界范围内就发生数十起列车碰撞事故，其中不乏特大碰撞事故[2]。列车碰撞事故一旦发生，将给乘员带来巨大的伤害[3]。20 世纪80年代，欧美就开始对铁路机车车辆碰撞安全进行了研究，并颁布了一系列标准[4]。而我国对轨道列车被动安全系统性研究不足，尚未形成较完整的相关标准[5]。20 世纪90年代，美国FRA 进行了大量列车碰撞试验和仿真研究[6-10]。从1999年11月开始，在科罗拉多的美国交通运输技术中心开展了多次整车碰撞试验，重点研究了单节车辆与刚性墙、机车与机车、机车与车辆、车辆与车辆、列车对列车的碰撞，以及列车发生碰撞后乘客的二次碰撞特性[11]。国内对于列车碰撞及列车乘员的二次碰撞伤害研究起步较晚，2019年8月，中车四方股份公司进行了速度为52 km/h的高速列车整车碰撞试验，这也是国内首次实车+假人配置的碰撞试验[12]。对于列车乘员二次碰撞伤害研究的假人，前期多用汽车碰撞假人代替，最典型的是Hybrid ⅠⅠⅠ-50th 假人。由于列车乘员乘坐空间的设计与汽车乘坐空间设计不同[13]，在发生碰撞事故时，对乘员造成的损伤部位也会有所不同，因此需要针对列车乘坐空间设计出更符合列车碰撞试验所需要的假人。目前，国外已经开发出了Hybrid ⅠⅠⅠ-50th-RS 假 人，并 已 用 于 列 车 碰 撞 研究[14]。而国内虽然对列车乘员的二次碰撞伤害有些研究，但目前没有专门的针对列车二次碰撞伤害研究的假人，主要还是采用Hybrid Ⅲ-50th 假人进行仿真研究，其研究的损伤部位也主要停留在头部、颈部和胸部[15-17]。由于国外对此技术的垄断、国外假人费用昂贵以及轨道交通安全测试的迫切需要，为了避免国内出现“无人可用”的尴尬境地，开发出自己的RS 假人就显得尤为重要，这对于我国轨道交通安全以及在仿生假人领域的话语权有着重要意义，对提升我国综合国力有着重要的积极作用。列车乘坐空间内一般都安装有小桌板，如图1所示，列车发生碰撞时，人体腹部撞击到小桌板成为常见的损伤之一[18]。为了更好的反映人体在列车碰撞时腹部损伤情况，需提高假人腹部的仿生度。现有的Hybrid Ⅲ-50th 假人，其腹部为发泡的聚氨酯加PVC 皮肤，其没有测量腹部入侵的传感器，不能反映出腹部的损伤。参考国外Hybrid Ⅲ-50th-RS 假人设计[19]，将假人腹部分为上下2部分，并且分别配有相应的位移传感器。本文则主要是针对假人上腹部冲击试验进行探究，并最终确定了符合碰撞要求的假人上腹部。

图1 列车乘员乘坐空间Fig.1 Passenger space of train

1 上腹部拉杆位移传感器介绍

Hybrid ⅠⅠⅠ-50th 假人上腹部位移传感器为三向位移传感器，由一个拉杆位移传感器和2个角度传感器组成，可用于测量假人上腹部在冲击试验中的空间位移。其中，拉杆位移传感器拉杆沿着假人上腹部孔洞中伸出，通过万向节用螺钉与载荷分配板连接，可测量假人上腹部沿拉杆方向的压缩位移，2 个角度传感器分别测量拉杆位移传感器绕Y轴和Z 轴转动的角度。根据3 个传感器的空间位置关系，参考假人坐标系的相关规定及传感器坐标定义研究[20]，可计算出假人上腹部的空间位移及沿X轴、Y轴、Z轴3 个方向的分位移。上腹部位移传感器的结构及实物如图2所示。

图2 上腹部位移传感器Fig.2 Upper abdomen displacement sensor

2 上腹部冲击试验介绍

假人在用于整车碰撞之前，需对假人的各个部位通过指定的试验方法，考察它们在规定试验条件下内部传感器测得的加速度、力值和位移变形量是否在设计范围内，即是否满足生物力学响应特性[21]。目前汽车碰撞试验中常用的Hybrid ⅠⅠⅠ-50th 假人的腹部为发泡的聚氨酯加PVC 皮肤，并且没有针对该腹部的标定试验，而国外虽已开发设计出Hybrid Ⅲ-50th-RS 假人，但仅有少量相关的研究文献，尚未形成列车碰撞假人标定试验的标准法规。THOR 假人是继Hybrid ⅠⅠⅠ-50th 假人之后较为先进的一款假人，其腹部的设计分为上腹部和下腹部2 个模块，本文主要是参考THOR-NT假人及国外Hybrid Ⅲ-50th-RS 假人对上腹部的标定试验进行探究。

参考THOR 假人生物力学相应的研究，假人上腹部冲击响应要求是由Nusholtz基于方向盘接触碰撞L2 区域而开发的数据得出的。假人上腹部冲击力经过5 220 N～6 380 N区间，位移经过41 mm～50 mm区间，其中假人上腹部冲击力和位移曲线需要穿过所要求的范围曲线，如图3 所示[22]。假人的上腹部标定利用方向盘冲击器以8.0 m/s 的速度撞击假人上腹部。其中，方向盘冲击器总质量为18 kg，前端为一方向盘形状冲击器，直径为26.7 mm，相对于垂直面呈30°角，如图4所示，后端为一圆柱摆锤[23-26]。做冲击试验前，需将假人置于20.6 ℃～22.2 ℃，湿度10%～70%的环境中4 h以上，试验环境与此相同。试验时调整假人坐姿，使假人关于摆锤中心面左右对称，假人下肢水平拉伸展开，上肢水平向前伸展，无后背支撑。每2次试验之间时间间隔不少于30 min[27]。通过装在摆锤后端的加速度传感器来获得摆锤冲击加速度，计算得到冲击力大小，上腹部位移是通过假人左右2个上腹部位移传感器测得，计算平均值。

图3 上腹部冲击力和位移范围曲线Fig.3 Force-displacement corridor for the upper abdomen

图4 方向盘冲击器的形状和尺寸Fig.4 Shape and size of the steering wheel impactor

3 上腹部冲击试验探究

通过搜集文献，结合现有的材料，将假人上腹部采用前层泡沫、中层泡沫和后层泡沫的“三层式”结构，如图5所示。其中，前层采用聚氨酯泡沫，中层采用三元乙丙泡沫，后层采用丁晴橡胶，并制作了不同硬度的前层泡沫和中层泡沫进行研究。通过不同条件下的对比测试，分别探究了假人坐姿、压力分配板与腹部袋子连接、假人有无穿胸部皮肤以及“三层式”和“四层式”腹部结构等因素对试验的影响，试验示意图如图6所示。

图5 “三层式”上腹部Fig.5 “Three-layer”upper abdomen

图6 上腹部冲击试验示意图Fig.6 Schematic diagram of upper abdominal impact test

3.1 假人坐姿对试验的影响

首先，试验以假人胸部肋骨水平为准，调节假人坐姿，对2 种硬度的前层泡沫和2 种硬度的中层泡沫进行组合试验，每种组合进行2次试验，且相邻2 次试验的时间间隔不少于30 min，以验证数据稳定性，泡沫硬度采用邵氏C 硬度计进行测量，试验组记为A 组，分别为A11，A12，A21，A22，A31和A32。试验的初始条件如表1所示。

表1 试验设置初始条件Table 1 Ⅰnitial conditions of the test setup

根据试验要求，用MⅠNDAU 32 数据采集设备采集摆锤加速度、速度、上腹部拉杆位移传感器数 据，用Hypergraph 按 照SAE J211-ⅠSO6487 对 所采集数据进行滤波后再处理，所有通道滤波等级采用CFC180 进行滤波[19]，处理后的上腹部力和位移情况如图7所示。

图7 A11-A32组试验力和位移曲线Fig.7 Force and displacement curves of A11-A32 groups

分析图7 可知：调节假人胸部肋骨水平时，3种硬度组合的上腹部几乎都不能达到试验要求。3种硬度组合的上腹部均显示偏硬，上腹部压缩位移太小，很难达到41～50 mm 的范围。考虑到已将假人上腹部前层泡沫和中间泡沫均已做得很软，而且上腹部材料变得很软后位移反而减小。分析该种假人坐姿方式可能是由于在冲击过程中，胸部下端肋骨阻止了方向盘冲击器对腹部的压缩，造成腹部冲击试验数据不能真实反映其响应特性，因此，需重新调整假人坐姿，使假人上腹部保持水平进行试验。参照A11组试验，按照上腹部“前硬中硬”的方式，布置好假人继续进行试验。此次试验记为A4，采用同样的方式采集和处理数据，数据处理结果如图8所示。

图8 A5组试验力和位移曲线Fig.8 Force and displacement curves of A5 groups

分析图8 可知：对比A11 组和A4 组试验曲线，改变假人坐姿使假人保持上腹部水平后，在相同试验工况下，假人上腹部位移有了较大提高，已经基本满足试验要求，但还显示偏硬的性质。为了探索更好的效果，更换较软的上腹部中层泡沫继续试验。此次试验记为A5 组，采用同样的方式采集和处理数据，数据处理结果如图8所示。

分析图8，对比A4 组和A5 组试验曲线该组试验数据明显异常，位移小了许多，而冲击力变化不大。分析认为可能是传感器前端连接万向节的螺钉未与腹袋连接，导致方向盘冲击器冲击假人上腹部时腹部虽然压缩但是未带动传感器杆压缩，进而导致传感器测得的位移不真实，较实际位移明显偏小。

3.2 压力分配板与腹袋是否连接对试验的影响

为验证上述分析，探究压力分配板与腹袋是否连接对试验的影响，在与传感器万向节连接的螺钉上增加一枚垫片，垫片和压力分配板分别放在腹袋里面和外面，用于夹紧腹袋，使得方向盘冲击器冲击假人上腹部时传感器杆能够随着腹部压缩而伸缩，确保测得假人上腹部压缩位移为真实值。试验时，假人未穿胸部皮肤，参照A21 组试验，按照上腹部“前硬中软”的方式，分别将压力分配板放在腹袋里面和外面，用于验证分析以及探究压力分配板位于腹袋内外侧对测得假人的上腹部压缩位移的影响。试验分别记为B1 组和B2 组，采用同样的方式采集和处理数据，数据处理结果如图9所示。

图9 B1，B2组试验力和位移曲线Fig.9 Force and displacement curves of B1,B2 groups

分析图9 可知：对比A21 组与B1 组数据曲线，用垫片和压力分配板将腹袋夹紧，假人上腹部符合要求。对比B1组和B2组试验曲线，压力分配板位于腹袋内侧还是外侧，上腹部的峰值冲击力和最大位移差别不大，说明压力分配板位于腹袋内侧还是外侧对试验的影响不大。同时这也说明了4.1 节的分析是合理的，试验时需将压力分配板与腹袋连接，以保证拉杆位移传感器测得的位移是真实的上腹部压缩位移。

3.3 假人穿胸部皮肤和衣服对试验的影响

上述试验均是在未穿胸部皮肤和衣服的条件下进行的，为验证假人穿胸部皮肤和衣服对试验的影响，在上述B1和B2组试验的基础上，分别给假人穿上胸部皮肤以及穿上胸部皮肤和衣服进行试验，记为C1和C2组，采用同样的方式采集和处理数据，数据处理结果如图10所示。

图10 C1，C2组试验力和位移曲线Fig.10 Force and displacement curves of C1,C2 groups

分析图10 可知：假人穿上胸部皮肤和衣服后仍符合要求，峰值力减小了1.1 kN 左右，位移减小了4 mm 左右。穿上胸部皮肤后峰值位移和未穿上皮肤的峰值位移相差不大。但在穿上胸部皮肤后发现，传感器后端与胸部皮肤距离较近，在试验时或者真实碰撞环境中传感器容易触及胸部皮肤，影响试验结果，甚至可能会损坏传感器。鉴于此，本研究考虑在上腹部后层增加一块丁晴橡胶板，采用“前层+中层+后层1+后层2”的“四层式”上腹部结构进行试验，如图11所示。

图11 “四层式”上腹部结构Fig.11 Structure of the“four-layer”upper abdomen

3.4 “三层式”上腹部和“四层式”上腹部对试验的影响

在上述试验的基础上，假人上腹部采用“四层式”，同时拉杆位移传感器往假人前方平移一定位移布置，以确保拉杆位移传感器后端与胸部皮肤留有较大空间，防止冲击时传感器接触胸部皮肤，影响试验结果。采用“前硬中软”和“前软中软”的组合进行试验，以探究“三层式”上腹部和“四层式”上腹部对试验的影响，试验记为D1和D2组，采用同样的方式采集和处理数据，数据处理结果如图12所示。

图12 D1，D2组试验力和位移曲线Fig.12 Force and displacement curves of D1,D2 groups

比较C1，D1 组试验数据可知，在上腹部后层增加一块丁晴橡胶板后，峰值力增大了约1.54 kN，峰值位移减小了约4.43 mm，导致上腹部试验数据不合格，显示出“较硬”的性质。由D2 组试验数据可知，更换较软的上腹部前层泡沫后，在同样工况下，上腹部峰值力和位移增大，试验数据合格，说明此种组合的上腹部符合要求。

4 结论

1) 进行上腹部冲击试验时，以假人胸部肋骨水平为准调整假人坐姿无法满足试验要求，所得上腹部峰值位移数据异常，需调整假人坐姿使假人上腹部水平进行试验。

2) 进行上腹部冲击试验时需保持压力分配板与腹袋连接，确保拉杆位移传感器测得的位移与假人上腹部压缩的真实位移相符，且压力分配板位于腹袋内侧还是外侧对上腹部峰值力和峰值位移影响不大。

3) 试验时假人穿上胸部皮肤与不穿胸部皮肤相比，峰值力减小，峰值位移也减小；假人穿上衣服和不穿衣服相比，峰值力变化不大，峰值位移增大。

4) “四层式”上腹部与“三层式”上腹部相比，试验时峰值力较大，峰值位移较小，显示出较硬的性质。

5) 改变上腹部前层泡沫和中层泡沫的硬度，可以调节试验时上腹部峰值力和峰值位移的大小，本研究最终采用的“前软中软”的上腹部前层泡沫和中层泡沫较为符合试验要求。

本文研究成果对Hybrid Ⅲ-50th-RS 假人上腹部的研究及改进提供了重要的试验依据，对Hybrid Ⅲ-50th-RS假人上腹部冲击试验的标准制定有一定的参考价值，也有助于针对列车碰撞试验用假人的整体假人开发，同时对提升我国在轨道交通安全领域的话语权有着积极作用。然而，由于本文是以THOR-NT 假人仿生性能研究为基础进行的Hybrid Ⅲ-50th-RS 假人上腹部试验探究，因此该假人整体开发后，还需结合尸体数据，对各部位进行进一步的生物力学响应验证研究，以使假人各部位及其整体更加符合人体生物力学动态响应。