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【安全專欄】加載位置對Hybrid Ⅲ假人胸部響應(yīng)影響

2021-02-25 00:39:51·  來源：AUTO行家  
　
在世界各國汽車安全碰撞法規(guī)和NCAP試驗(yàn)中，大多都會采用Hybrid Ⅲ假人的胸部最大壓縮量來評估車輛對乘員胸部的防護(hù)效果。但因Hybrid Ⅲ假人的胸部最大壓縮量采用
在世界各國汽車安全碰撞法規(guī)和NCAP試驗(yàn)中，大多都會采用Hybrid Ⅲ假人的胸部最大壓縮量來評估車輛對乘員胸部的防護(hù)效果。但因Hybrid Ⅲ假人的胸部最大壓縮量采用定點(diǎn)測量辦法，使測量結(jié)果易受加載位置的影響。針對該問題，本文通過假人胸部低速沖擊標(biāo)定試驗(yàn)，研究了加載位置對Hybrid Ⅲ假人胸部壓縮量的影響。結(jié)果表明，Hybrid Ⅲ 50th男性假人的最大胸部壓縮變形與擺錘撞擊中心在Z 方向的偏移量呈線性（R2=0. 9554）負(fù)相關(guān)性。Hybrid Ⅲ 5th女性假人由于乳房的影響，雖然加載位置對胸部最大壓縮變形仍然有較大的影響，但胸部最大壓縮變形與沖擊加載位置的相關(guān)性不如男性假人那么明顯。最后利用標(biāo)定試驗(yàn)中獲得的Hybrid Ⅲ 50th男性假人的最大胸部壓縮變形與擺錘撞擊中心位置的相關(guān)性方程對同一車型的兩個不同安全帶佩戴位置的假人胸部最大壓縮變形進(jìn)行了修正。
 
關(guān)鍵字：車輛安全；碰撞試驗(yàn)；擺錘沖擊；安全帶佩戴位置；胸部壓縮量；Hybrid Ⅲ假人
作者：馬偉杰1，劉志新1，程翔宇2，蔣彬輝2
單位：1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 2. 湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
 
Hybrid Ⅲ假人是目前應(yīng)用最為廣泛的機(jī)械假人模型，各國正在實(shí)施的汽車安全法規(guī)體系（如美國FMVSS208、歐洲ECE R94、日本TRIAS 和我國GB11551—2014 等） 和現(xiàn)行NCAP （new carassessment program）體系（法規(guī)中包括US-NCAP、Euro-NCAP、J-NCAP 和我國C-NCAP）都是在車輛前排布置Hybrid Ⅲ假人對車輛的安全性展開評估。
 
據(jù)美國NASS （national automotive samplingsystem）數(shù)據(jù)顯示，道路交通事故中胸部損傷的比例高達(dá)26. 7%，僅次于頭部。考慮到胸部損傷的嚴(yán)重性，在法規(guī)和NCAP中，都將胸部安全性的防護(hù)作為主要考察指標(biāo)。如美國FMVSS208中考察了HybridⅢ 假人的胸部3ms加速度和胸部壓縮量，歐洲ECER94和我國GB11551—2014中考察了假人的胸部壓縮量和VC 值。在各國的NCAP體系中，對胸部的評估也以考查假人胸部3ms加速度、胸部壓縮量和VC值為主。在考查的3種胸部損傷準(zhǔn)則中，除胸部3ms加速度外，均以測量到的假人胸部壓縮量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，假人胸部壓縮量的測量精度對整個胸部安全性的評估結(jié)果影響重大［1］。當(dāng)前對HybridⅢ 假人的胸部壓縮量采用單點(diǎn)測量的方法：僅在假人胸腔內(nèi)安裝了單一的胸部電位計(jì)來測量胸骨與脊骨之間的壓縮變形，如圖1所示。研究表明，這種單點(diǎn)胸部壓縮量的測量結(jié)果對載荷施加的部位比較敏感。如Horsch等［2］研究發(fā)現(xiàn)，將安全帶靠近頸部放置時(shí)獲得的胸部壓縮量比安全帶水平外移50 mm后的假人胸部壓縮量小34% 。2012年，Pereira等［3］通過假人胸部標(biāo)定試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沖擊Hybrid Ⅲ 50th男性假人第6根肋骨位置測量到的胸部壓縮量比沖擊第3根肋骨時(shí)小33%。Haight等［4］對比了US-NCAP和FMVSS 208 中兩種安全帶試驗(yàn)設(shè)置：在NCAP 中安全帶D環(huán)固定點(diǎn)放置在最高位，F(xiàn)MVSS 208中安全帶D環(huán)固定點(diǎn)放置在最低位。結(jié)果顯示安全帶D環(huán)固定點(diǎn)放置在最高位時(shí)能顯著降低假人的胸部壓縮量。然而，多數(shù)的法規(guī)和NCAP中并未明確安全帶的具體佩戴位置，如FMVSS208、ECER94、Euro-NCAP、J-NCAP和C-NCAP等，僅有A-NCAP中明確了安全帶上邊緣不得超過假人上衣調(diào)整螺栓孔［5］。
 
因此，研究安全帶佩戴位置對胸部壓縮量的影響有助于提升法規(guī)和NCAP 對車輛安全性評估的準(zhǔn)確性，從而也有助于加強(qiáng)車輛對胸部的防護(hù)。
圖1 Hybrid Ⅲ 假人胸部電位計(jì)位置
針對上述問題，本文中對Hybrid Ⅲ男性和女性分別開展胸部低速擺錘沖擊試驗(yàn)?？紤]到女性假人胸部結(jié)構(gòu)的特殊性，還對試驗(yàn)中的擺錘進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計(jì)了模擬安全帶帶狀載荷的沖擊塊，安裝于胸部標(biāo)定擺錘前端。對試驗(yàn)中測得的假人胸部最大壓縮變形與擺錘沖擊位置的相關(guān)性進(jìn)行分析。最后將獲得的相關(guān)性應(yīng)用于實(shí)車試驗(yàn)中假人胸部最大壓縮變形的修正，以消除加載中心位置與測量點(diǎn)位置的差異造成的測量影響。
 
試驗(yàn)方法
對于Hybrid Ⅲ 假人胸部標(biāo)定主要有兩種方法，即NHTSA （national highway traffic safety administration）在CFR-Part 572 中規(guī)定的胸部高速標(biāo)定方法［6］和SAE標(biāo)準(zhǔn)J2779和J2878中規(guī)定的胸部低速標(biāo)定方法［7-8］。兩種標(biāo)定方法均在擺錘非撞擊側(cè)安裝測量擺錘沖擊方向的加速度傳感器，并結(jié)合假人胸部位移傳感器響應(yīng)，最終自動輸出假人胸部力-位移沖擊響應(yīng)曲線和內(nèi)滯比；在試驗(yàn)程序和試驗(yàn)環(huán)境上要求一致，但因擺錘臂長的差異使假人胸部所受的沖擊能量不同，從而導(dǎo)致胸部壓縮量也不同。
在高速標(biāo)定試驗(yàn)中男女假人的胸部壓縮量范圍分別為63. 5~72. 6 mm 和50~58 mm［6］；低速標(biāo)定試驗(yàn)中則分別為21. 5~26. 5 mm［7］和17. 4~21. 8 mm［8］。據(jù)C-NCAP實(shí)車碰撞試驗(yàn)中的假人胸部壓縮量的結(jié)果統(tǒng)計(jì)顯示，男性和女性的胸部壓縮量主要分布在15~55 mm和20~60 mm內(nèi)［9］。故本文在假人胸部低速標(biāo)定試驗(yàn)條件下展開研究。
 
男性假人試驗(yàn)矩陣
假人胸部低速標(biāo)定試驗(yàn)規(guī)范中規(guī)定的撞擊中心點(diǎn)為假人第3根肋骨中心線以下12. 7±1 mm處（約位于假人第3、4根肋骨間隙處），而Hybrid Ⅲ 50th男性假人肋骨寬度為19. 05 mm，肋骨之間的間隙為9. 4 mm［10］，即肋骨的間距為28. 45 mm。按此推算，從規(guī)定的撞擊中心至第1 肋骨上緣的距離為80. 65mm。因此，以撞擊中心為0點(diǎn)，沿Z 軸向上每隔20 mm作為一個撞擊點(diǎn)，共選包括0點(diǎn)在內(nèi)的0、20、40、60和80 mm等5個點(diǎn)為撞擊中心點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，如圖2所示。其中，20 mm撞擊中心點(diǎn)約位于假人第3根肋骨靠近上緣處，40 mm撞擊中心點(diǎn)約位于假人第2根肋骨中部偏下，60 mm撞擊中心點(diǎn)約位于假人第1根肋骨與第2根肋骨間隙中，接近第1肋骨下緣處，80 mm撞擊中心點(diǎn)約位于假人第1根肋骨的上緣。
圖2 男性假人胸部撞擊中心位置示意圖
 
 
女性假人試驗(yàn)矩陣
由于Hybrid Ⅲ 5th女性假人胸部結(jié)構(gòu)的特殊性，且沖擊器的圓形沖擊面較大（直徑為152. 4±0. 25mm），撞擊質(zhì)量為13. 97 kg。若僅單獨(dú)Z 向移動撞擊中心位置，則在部分位置將受到乳房緩沖的影響?？紤]法規(guī)和NCAP試驗(yàn)中，女性假人常被置于后排位置［11］，假人胸部僅受到安全帶狀載荷的作用，為此在擺錘上安裝一個帶狀沖擊塊來模擬帶狀沖擊載荷的同時(shí)，避開假人乳房位置，如圖3所示。帶狀沖擊塊的寬度為48 mm，長度為260 mm，質(zhì)量為0. 81 kg，故改進(jìn)后擺錘的總撞擊質(zhì)量為14. 78 kg。
圖3 改進(jìn)后的標(biāo)定擺錘
 
碰撞試驗(yàn)假人姿態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，后排女性假人安全帶的佩戴角度范圍的尺寸如圖4（a）所示。對應(yīng)的角度α1~α2約為16°~36°。將該角度范圍等間隔選取16°、21°、26°、31°和36°等5個特定角度進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，如圖4（c）所示。然后，選定沖擊塊偏轉(zhuǎn)角度為26°時(shí)，將擺錘中軸線對應(yīng)的撞擊位置沿Z軸向上偏移，以低速標(biāo)定試驗(yàn)中規(guī)定的撞擊中心點(diǎn)為0點(diǎn)，每隔20 mm選取一個點(diǎn)，共選取0、20、40、60和80 mm等5個撞擊中心點(diǎn)展開試驗(yàn)，其中，首末個撞擊點(diǎn)位置如圖4（b）所示。
圖4 女性假人胸部撞擊角度和位置示意圖
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