车辆安全性能中假人数据特性

郭树文　李志　任继伟

摘 要：经过多年的发展全球汽车行业发生了翻天覆地的变化，国内的汽车行业也伴随着国内经济的发展，经历了从无到有，由弱到强的的新阶段。国内汽车行业的发展和进步，不只简单的是产量和销量的增长，目前的车辆在性能和质量上也变得更可靠更安全。在国内强制标准和测评体系的推动下，车辆的安全性越来越受到消费者的关注，企业在车辆安全性的开发上要求更加全面细致。假人伤害评价各安全评价指标不只有其评价指标的方向性而且在特定的碰撞工况中有其固有的数据特性，经过对数据特性的总结的分析，掌握其各阶段数据的特性和表现，能够为车辆安全性能开发提供有效的指引。

关键词：被动安全 正面碰撞 数据特性 安全法规

1 引言

中国汽车行业经过多年的发展，已由起步追赶阶段迈入行业领先技术引领的全新阶段。国内汽车市场已不再是追逐低价厮杀的殘酷车市。而是一个追求品质追求性能的多元化健康发展市场。目前中国市场已是多种类型车型全面发展，不仅有传统的汽油车、还有纯电动汽车、混合动力汽车、氢能汽车等，每种车型各有其优缺点，可供消费者进行更多的选择。2020年，全国机动车交通事故达到211074起，事故造成死亡61703人，直接财产损失超过13亿元。[1]因此不论是哪种汽车，汽车安全性一直备受消费者的关注，一直都是汽车企业和消费者关注的重点。

就车辆的安全性来说，主要分为主动安全性能和被动安全性能。车辆安全性主要考虑的就是车辆在发生危险时对车内乘员提供保护的能力。车辆对乘员的保护主要是从人体生物力学损伤进行相关的评价。碰撞测试假人的伤害评价，是通过采集假人的头部、颈部、胸部和下肢四个身体部位的加速度、力、位移等伤害数据，然后将试验数据代入各部位的损伤准则进行计算而得到。[2]

2 被动安全评价体系

2.1 体系概况

目前的车辆安全评价体系主要分为强标类及测评类两大体系。强标是车辆上市销售的基本条件，只有满足相应国家的强标要求才能在其国内进行销售。而测评类主要是甄别车辆对乘员进行安全性能保护的能力高低，以便消费者在选车购车时，能够在众多的汽车产品中分辨其保护性能的优劣，利于消费者在选车购车时进行恰当合适的选择。

车辆碰撞安全形式分为多种类型，目前主要包括正碰、偏置碰、侧碰、侧柱碰、后碰等碰撞形式。通过在车辆上布置不同的假人，在碰撞过程中采集假人各部位的伤害情况，进行车辆安全性能评价。其中正碰及偏置碰主要测试车辆在发生正面撞击情况下，车辆对车内乘员保护的情况。侧碰及侧柱碰主要测试车辆在发生侧面撞击的情况下对车内乘员的保护。后碰主要考量车辆在发生追尾碰撞的情况下，对车内乘员的保护状况。

从国内车辆碰撞安全标准而言主要包括《GB 11551-2014 汽车正面碰撞的乘员保护》、《GB/T 20913-2007乘用车正面偏置碰撞的乘员保护》、《GBT 20913-2007乘用车正面偏置碰撞的乘员保护》、《GB/T 37337-2019汽车侧面柱碰撞的乘员保护》、《GB 20072-2006 乘用车后碰撞燃油系统安全要求》。而国内测评体系目前主要是C-NCAP及C-IASI两大车辆安全评价体系。

2.2 伤害指标概况

假人伤害评价是通过人体关键部位进行检测的。评价的具体的每个部位的评价指标分别是：头部为 a3ms、HIC；颈部为剪切力FX、张力FZ、伸张弯矩My；胸部为a3ms、Vc、胸位移、胸部压缩量；大腿为大腿压缩力、膝位移；小腿为小腿压缩力、小腿胫骨指数。

假人每个部位伤害的评价指标是有方向性的，如图1中假人头部、胸部、骨盆加速度传感器从假人后部指向前部为加速度传感器X向正向，从左侧指向右侧为加速度传感器Y向，从上指向下为加速度传感器Z向。

其中头部目前的研究主要针对面颅骨损伤，该部位损伤是由于面部与汽车的接触冲击引发的，包括头皮损伤、颅骨骨折、硬膜外血肿和直达性挫伤。颅骨骨折又分为接触部位骨折或由于碰撞力的传递而造成的远隔接触损伤骨折，如颅盖骨折、颅底骨折或对冲性损伤[3]。

颈部运动包括屈曲、伸展、侧屈、回转四项基本运动及其组合。[4]颈部伤害指标评价方向如下图2所示，颈部受到从前向后的剪切力FX为正，从假人右侧指向左侧剪切力FY为正方向，颈部受到轴向拉力FZ为正，从左侧看假人颈部受到逆时针方向力矩MY为正，从头顶向下看，颈部受到逆时针力矩MZ为正方向，从假人后部向前看颈部受到力矩MX逆时针为正。

大腿伤害指标评价方向如下图3所示，大腿受轴向拉力FZ受到为正，受到轴向压缩FZ为负。

小腿胫骨压缩力通过小腿力传感器直接采集；胫骨指数由小腿力传感器采集到的力载荷和力矩载荷计算得到。指标主要反映垂直于小腿骨方向的受力以及作用于小腿上、下部位的弯曲力矩导致小腿骨、脚踝等受到伤害的情况。[5]小腿伤害评价指标方向如下图4所示，小腿受轴向拉力FZ为正，受轴向压缩FZ为负，小腿下部受到从左侧指向右侧的力FY为正，小腿下部受到由后指向前的力FX为正；小腿下部从左侧看受到顺时针方向的力矩MY为正，小腿下部从后看受到顺时针方向力矩MX为正。小腿上部受到从前向后的力FX为正，小腿上部从右侧看受到从右指向左侧的力FY为正；小腿上部从左侧看受到逆时针力矩MY为正，小腿上部从后看受到逆时针力矩MX为正。

3 假人伤害指标特点

假人伤害的评价指标是存在方向性的，首先从法规来看，如下图5为《GB 11551-2014 汽车正面碰撞的乘员保护》中的要求，技术要求中明确：颈部对Y轴的弯矩在伸张方向应不大于57N·m，而且在测评体系中如下图6也明确考核颈部弯矩MY伸张方向；因此在检测中需注意检测值的方向性，反向的结果会得到完全不同的结论；在标准中要求颈部伸张拉力FZ不超过相应限值，也即颈部轴向考核拉伸方向的受力，对轴向压缩受力不进行考核；而对颈部剪切力FX在正向和负向均进行考核。

大腿评价指标考核大腿压缩力FZ，即只考核大腿所受压缩力不考核拉伸受力情况，小腿也是考核压缩力

由于假人各部位的生理特性，各部位承受不同方向伤害的能力是有非常大的区别的。颈部能承受向前高强度弯曲，而后向弯曲却很容易导致颈部伤害，因此颈部主要考核向后弯曲情况。另外颈部由于能够承受较高的压缩力，而不能承受较高的轴向拉伸，因此主要考核颈部轴向拉伸力。

而且颈部伤害主要考核枕骨髁处颈部力及弯矩伤害程度，由于传感器采集的数据距离枕骨髁旋转中心有0.01778m的距离，因此实际弯矩需要用：MOCY=MY-FX*（O.D），从弯矩计算公司可以看出采集到的数据FX剪切力也会影响MOCY 的结果，如果把FX的方向颠倒了，会使弯矩计算错误，得出错误的评价指标。

对典型汽车正面碰撞试验进行分析，假人伤害有一定的规律性。

在发生碰撞后，假人相对车内饰向前运动，如下图7中所示头部与气囊接触前颈部所受剪切力FX为负值；在头部与气囊接触前，头部加速度主要由颈部剪切力引起，因此二者有明显的线性关系；在头部与气囊接触后，剪切力FX与头部加速度aX不再具有单一线性关系；在头部与气囊接触后，气囊给头向后的力，颈部剪切力FX由负值转为正值。

在头部与气囊接触前，如下图8所示头部相对胸部做圆周旋转运动，因此头部受到颈部向心力作用，主要由颈部FZ提供，在此阶段颈部FZ主要为正值。在头部与气囊接触前，头部Z向加速度由颈部拉力FZ引起，因此二者有线性关系，与气囊接触后不再具有单一线性关系。在头部与气囊接触后，颈部拉力增大，主要由于气囊对头部的上拉导致。

在安全带起作用后，头部与气囊接触之前，如下图9所示颈部MY为负值。在头部与气囊接触后，由于假人下巴先与气囊接触，因此导致假人颈部有接近胸部的趨势，因此弯矩逐渐由负转为正值。由于颈部弯矩MOCY =MY-FX*（O.D），因此MY及FX方向正确性直接影响颈部弯矩的结果。

大腿与小腿力只考核轴向压缩力，即受力为负值阶段。小腿胫骨指数主要受到小腿压缩力和小腿弯矩的影响，通过理论分析得出，压缩力和弯矩都受到前围侵入量和假人前移 量的影响。[6]小腿受力最大值阶段，如下图10所示出现在小腿踩实前围地板阶段。大腿力在小腿踩实前围地板阶段，压缩力逐渐开始增大。小腿未踩实之前，大腿受力为轴向拉力。

4 总结

经过以上分析可以发现，在车辆安全性能的评价指标中假人各项评价指标是有方向性和数据特性的。只有正确的采集假人伤害数据才能保证数据结果的准确和可靠，为企业开发和车辆安全性能评价提供有效数据支撑。

正确认识和理解假人关键部位的数据特性，理解假人不同部位数据之间的关联性以及在不同阶段的数据表现，方便对假人的受力进行有效的分析。

参考文献：

[1]秦世昊，翟登旺，王江武等. 基于大数据的车辆驾驶行为安全性研究，2022.

[2]刘东春，王凯，张长江.汽车正面角度碰撞试验方法对比分析研究，汽车与配件，2021.

[3]胡经国，朱晓勇，丁冉冉等.碰撞假人头部性能指标 HIC36 及 HIC15 的区别研究，汽车零部件，2022，06-28。

[4]丁冉冉，胡经国，朱晓勇等.碰撞假人颈部评价研究，2020.

[5]张俊南，余海龙.移动渐进变形壁障碰撞试验中驾驶员小腿伤害研究，2023.

[6]钮嘉颖，黄颖，郭刚等.基于MPDB工况下驾驶员侧假人伤害值优化研究，2021.