基于滑台试验的THOR 5F假人胸部变形特性研究

2023-05-05李月明王鹏翔祝贺王勇辉商恩义

汽车零部件 2023年4期

李月明，王鹏翔，祝贺，王勇辉，商恩义

吉利汽车研究院(宁波)有限公司，浙江宁波 315336

0 引言

2020版欧洲新车评价程序(European new car assessment programme，Euro NCAP)[1]规定，正面碰撞试验中驾驶员侧及后排均采用HybridⅢ 5th(简称H5)假人，但2023版规定在前排乘员侧采用H5假人。Euro NCAP 2025—2030年路线图中指出在正面碰撞试验中，将用THOR 5F(简称T5)假人和THOR 50M(简称T50)假人取代Hybrid Ⅲ假人。当前，T50假人已在正面可移动渐进变形壁障(mobile progressive deformable barrier，MPDB)试验[2]驾驶员侧采用，商恩义等[3-4]在对T50假人头部受力特性研究的基础上探讨了头部触底评价方法。另外，对T50假人胸部变形特性也进行了研究，指出T50假人胸部4个变形量测量位置，带扣侧上方测量值最大，该位置在假人向前平动过程中与安全带肩带力之间存在稳定的对应关系。Kurano[5]、Martin等[6]通过与H5假人对比研究了T5假人颈部损伤情况。Yoganandan等[7-8]通过Hybrid Ⅲ和THOR假人台车试验研究了THOR假人在后冲击载荷下的颈部损伤概率曲线，以及在斜向和侧向远端碰撞中的胸部变形响应。Wang等[9]通过在两个试验室分别进行30 km/h的台车试验，使用NHTSA BioRank方法研究了T5假人的生物保真度，指出假人胸部压缩变形量为优秀，4次重复试验均具有良好的稳定性。

本文在相关研究表明试验中假人胸部变形具有较好重复性的基础上，利用1个T5假人和2个H5假人进行了3次50 km/h的台车碰撞试验，并对2种类型假人在驾驶员侧、前排乘员侧和后排左侧3个位置的胸部变形情况进行了对比分析，同时基于H5假人探讨了T5假人胸部的变形特性。

1 T5假人胸部结构

T5假人胸部结构及传感器位置如图1所示。由图1a可见，胸腔骨架由6条环形钢板和胸椎、防护板构成，后端通过条形钢板固定在胸椎上，前端固定在防护板上。由图1b可见，立姿状态下胸腔骨架前端向下倾斜。胸部变形量采用4个IR-TRACC传感器进行测量，按左上、右上、左下、右下梯形布置。

图1 T5假人胸部结构及传感器位置

H5假人胸部结构及传感器位置如图2所示。

图2 H5假人胸部结构及传感器位置

由图2a可见，胸部结构同为6条环形钢板构成，但胸前闭合连接件与T5假人所用防护板有所不同，且所围成的胸腔骨架在立姿状态下呈水平状态；由图2b可见，胸部变形测量方式为“曲柄滑块式”单点测量。

2 台车试验研究

对假人进行3次50 km/h正面碰撞台车试验：试验1，驾驶员侧为T5假人，乘员侧和后排左侧为H5假人；试验2，前排乘员侧为T5假人，驾驶员侧为H5假人；试验3，后排左侧为T5假人。试验中，驾驶员侧和前排乘员侧配备安全气囊及42 N·m预紧限力式安全带，后排左侧配备59 N·m预紧限力式安全带。3次试验中同一位置配置相同。

3次试验后，各位置假人运动姿态对比如图3至图5所示。图3和图4各个时刻假人姿态、头部与安全气囊相对关系都基本相同，表明试验中各约束系统工作正常，假人变更对前排假人姿态无明显影响。图5中，约前80 ms时两个假人运动姿态基本相同，但因无安全气囊作用及假人向前行程较大，碰撞后期两个假人姿态出现差异，其中，T5假人颈部表现为更柔软，如图5a4、5a5、5b4、5b5所示。

建立假人力和加速度坐标系：前后为x向，向前为正；左右为y向，向右为正；上下为z向，向下为正[10]。对于假人胸部变形量，指定压缩变形为正，用d表示。通过数据分析假人胸部变形特性。

图3 驾驶员侧T5假人和H5假人运动姿态对比

图4 前排乘员侧T5假人和H5假人运动姿态对比

图5 后排左侧T5假人和H5假人运动姿态对比

2.1 T5假人胸部变形量间关系

T5假人胸部不同测量位置变形量对比如图6所示。由图6a可见，驾驶员侧T5假人右下位置测量值最大；由图6b可见，前排乘员侧T5假人左下位置测量值最大；由图6c可见，后排左侧T5假人右下位置和右上位置测量值碰撞前期比较接近，右下测量值略大，且均大于左上和左下测量值。碰撞后期，右下测量结果有上升过程，最终右下测量值最大。

T5假人安全带肩带的佩戴位置如图7所示。由图可见，肩带与带扣侧下方传感器测量位置较接近。综合各个位置T5假人胸部压缩变形量测量结果及安全带肩带在假人胸部的位置，可以确认T5假人在任意乘坐位置，带扣侧下方是假人胸部受安全带约束造成伤害最大的位置，该位置测量结果是后续研究假人胸部所受伤害的关注点。

图6 T5假人胸部不同测量位置变形量对比

图7 T5假人安全带肩带的佩戴位置

2.2 同等试验条件下T5假人与H5假人胸部变形量对应关系研究

将2个假人在3个位置的试验结果分别进行对比，建立T5假人带扣侧下方测得的压缩变形量曲线与对应乘坐位置H5假人测量结果之间的对比关系，如图8所示。为了便于分析2条曲线间的对比关系，分别建立纵坐标，并通过调节纵坐标范围，使2条曲线具有同步性。此时，2个纵坐标最大值间的倍数，即为2条曲线间存在的倍数关系。当T5假人纵坐标选为-12～60 mm、H5假人纵坐标选为-5～25 mm时，驾驶员侧和前排乘员侧，在整个碰撞过程中2条曲线均比较接近；而在后排左侧，约80 ms前，即安全带限力前假人上半身向前平动过程中，假人胸部压缩变形曲线具有同步性，后期由于没有安全气囊作用，假人运动姿态略有差别，从而导致2条件曲线同步性变差，但不影响其整体相对关系。因此，可以确认在同等试验条件下T5假人胸部压缩变形量约为H5假人胸部压缩变形量的2.4倍。

图8 T5假人胸部与H5假人胸部变形量对比

3 T5假人胸部的刚度研究

针对Hybrid Ⅲ假人胸部，商恩义等[11-12]在2010年10月首次提出了刚度概念，并在后续工作中对刚度稳定性进行了研究，指出在碰撞初期，在限力式安全带限力前，假人胸部向前运动近似平动。在此阶段，如果将胸部压缩变形量曲线在时间轴上向前适当平移，消除胸部压缩变形与安全带肩带力间的延时，安全带肩带力与胸部压缩变形量之间存在稳定的倍数关系，即假人胸部存在刚度k，单位为kN/m。T5假人最大胸部压缩变形量发生在带扣侧下方位置，虽然不靠近胸部框架中心，但该位置的测量结果与H5假人的测量结果存在稳定的倍数关系，则该位置的刚度也能反映胸部的变形特性。

3.1 T5假人胸部在平动阶段的刚度研究

建立驾驶员侧、前排乘员侧和后排左侧T5假人带扣侧下方胸部压缩变形量与安全带肩带力对比关系，如图9所示。当安全带肩带力纵坐标选为-1～5 kN、胸部变形量纵坐标选为-10～50 mm时，排除2条曲线在时域上的延时，在假人胸部平动阶段，T5假人在每个乘坐位置的安全带肩带力与胸部压缩变形量曲线均比较接近。如果将胸部变形量曲线向前适当平移消除胸部压缩变形反应延时的影响，则2条曲线接近吻合，即T5假人胸部也存在刚度k，由于安全带肩带力纵坐标最大值为5 kN，胸部压缩变形量纵坐标最大值为50 mm，则k取值约为100 kN/m。但由于T5假人胸部变形量测量点有4个，且反映胸部最大变形位置的传感器处于胸部肋骨下方安全带带扣一侧，受安全带作用更强，受假人运动姿态的影响也较大。因此，在整个碰撞过程中T5假人胸部刚度稳定性较差，碰撞后期刚度越来越小，即在近似恒定的安全带作用力下，胸部更易变形。

图9 T5假人胸部变形量与肩带力对比

3.2 T5假人胸部在前扑过程中的刚度研究

在安全带肩带合力近似垂直于胸向后挤压胸腔的理想情况下，T5假人胸部刚度约为100 kN/m，但随着碰撞持续进行，安全带肩带限力后，假人上半身开始出现前扑现象，安全带肩带对假人胸部约束作用将发生改变。此时，假人胸部刚度将不再是个常量。由图9可见，安全带肩带开始限力后，安全带肩带力曲线与胸部变形量曲线不再接近，即此时假人胸部刚度k应为变量。

通过骨盆和胸部加速度曲线探讨假人前扑过程中安全带肩带作用变化过程和胸部刚度的变化。在假人骨盆内安装有3个方向的加速度传感器，x向和z向曲线的变化反映了假人上半身的运动情况。骨盆x向和z向加速度曲线如图10所示。由图可见，约50 ms时，ax达到最大值；约70 ms时，az达到最大值；在50～70 ms范围内，反映了假人臂部向前运动达到最大行程，而后随着胸部向前扑并向上提臂；约70 ms后，假人臂部开始向后运动，此过程中将加速胸部前扑。

图10 骨盆x向和z向加速度曲线

T5假人第1根胸椎和第12根胸椎位置分别安装有加速传感器，分别用T1和T12表示，两者z向加速度和幅值的变化，反映了胸部上端和下端的受力情况。驾驶员侧T5假人胸部加速度与胸部变形量的关系如图11所示。由图可见，在整个碰撞过程中，T1的az表现为正，即整个过程受到向下的压力；T12的az表现为负，即整个过程受到向上的提力。在70 ms前，随着假人胸部前扑向上提臂，T12位置z向受到持续增大的向上拉力，而T1位置z向在限力肩带作用下受到相对稳定的向下压力。在70 ms后，随着假人臂部向后运动，胸部加速前扑，腰带作用被缓解，T12位置z向上提作用减小，肩带作用被增强，T1位置z向受到的向下压力持续增大，此过程中安全带将由腰带向肩部输送，胸部骨架下沿在安全带向胸后约束与向上摩擦力的共同作用下，刚度逐渐减小，变形量持续增大。