WorldSID 50百分位男性假人研究

劉 磊，朱海濤，李 充，王 凱

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心 天津300300)

WorldSID 50百分位男性假人研究

劉 磊，朱海濤，李 充，王 凱

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心 天津300300)

對(duì) WorldSID假人的開發(fā)背景和歷程進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，對(duì)假人結(jié)構(gòu)及傳感器安裝特點(diǎn)進(jìn)行了深入分析，闡述了假人的仿真度、耐用性、可重復(fù)性和一致性，對(duì)關(guān)鍵部位的響應(yīng)特性和對(duì)應(yīng) ASI＋3損傷等級(jí)的傷害值進(jìn)行了說(shuō)明，提出WorldSID假人的開發(fā)和推廣應(yīng)用必將促進(jìn)側(cè)面碰撞安全性能的提高，降低汽車的研發(fā)成本。

WorldSID 假人 側(cè)面碰撞 汽車安全

0 引 言

目前，全球有5種中等體型男性側(cè)面碰撞假人可用于法規(guī)、新車評(píng)價(jià)和開發(fā)試驗(yàn)，分別是用于美國(guó)側(cè)面乘員保護(hù)法規(guī)的 USDOT-SID假人；用于歐洲標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的EuroSID-1假人；用于歐日法規(guī)的ES-2假人；用于 FMVSS-201側(cè)面碰撞乘員保護(hù)法規(guī)的 HybridⅢ-SID假人及用于開發(fā)目的的BioSID假人。由于這些假人在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器安裝及測(cè)試程序上各不相同，會(huì)影響汽車研發(fā)過(guò)程中的設(shè)計(jì)方向，甚至產(chǎn)生錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)。同時(shí)，在側(cè)面碰撞乘員保護(hù)試驗(yàn)中，現(xiàn)存假人與真人外形差異較大，且某些關(guān)鍵部位的傷害程度不能有效體現(xiàn)，使得假人發(fā)揮的作用十分有限。此外，針對(duì)國(guó)際化的汽車市場(chǎng)，制造商需要開發(fā)不同形態(tài)的側(cè)面碰撞乘員保護(hù)系統(tǒng)來(lái)滿足不同國(guó)家和地區(qū)相關(guān)法規(guī)的要求，這勢(shì)必會(huì)增加制造商的開發(fā)成本，這些成本最終會(huì)轉(zhuǎn)嫁到消費(fèi)者身上。總而言之，側(cè)面碰撞假人的全球統(tǒng)一化對(duì)側(cè)面碰撞安全的提高以及生產(chǎn)成本的降低都是有益的。

基于以上背景，1997年 11月，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)TC22/SC12/WG5的授權(quán)下，成立了WorldSID工作組，負(fù)責(zé)開發(fā)全新的側(cè)面碰撞假人。該假人旨在取代現(xiàn)有側(cè)面碰撞假人，擁有更高的仿真度。工作組由美國(guó)、歐洲和亞太 3個(gè)地區(qū)行業(yè)咨詢組和政府專家組成，由 3個(gè)地區(qū)對(duì)應(yīng)的負(fù)責(zé)人輪流主持，如圖 1所示。WorldSID工作組得到了全球范圍內(nèi)的廣泛支持，其開發(fā)團(tuán)隊(duì)由來(lái)自歐洲、亞太和美國(guó)超過(guò) 45家機(jī)構(gòu)的數(shù)百名工程師和科學(xué)家組成，包括FTSS、Denton Inc.、Denton ATD Inc.、DTS、Endevc等公司，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和制造 WorldSID假人，使之滿足WorldSID工作組的詳細(xì)設(shè)計(jì)規(guī)定。

圖1 WorldSID工作組組織機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Organizational structure chart of WorldSID workgroup

1 開發(fā)歷程

WorldSID假人的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：根據(jù) ISO側(cè)面碰撞假人仿真度等級(jí)，達(dá)到Good至Excellent等級(jí)；該假人理論站立高度為 1,753,mm，坐姿高度 911,mm，重 77.3,kg；可以測(cè)量碰撞時(shí)乘員之間的相互作用，具有左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu)及傳感器布置；在側(cè)面傾斜±30,°碰撞范圍內(nèi)具有良好的人體響應(yīng)。

WorldSID假人的發(fā)展歷程如圖2所示。

圖2 WorldSID假人發(fā)展歷程Fig.2 Historical development of WorldSID male dummy

WorldSID假人經(jīng)過(guò)各種試驗(yàn)條件下的技術(shù)性能測(cè)試，歷經(jīng)3次設(shè)計(jì)、測(cè)試、反饋重新設(shè)計(jì)，確定了最終的設(shè)計(jì)版本。為了提高仿真度、耐用性、可用性和其他方面的性能，在原型假人的基礎(chǔ)上進(jìn)行了各個(gè)部件的改進(jìn)，經(jīng)歷了近 2年的仿真度、裝車和部件測(cè)試，開發(fā)出試制假人。到 2003年初，制造了 11個(gè)試制假人，并在全球范圍內(nèi)對(duì)試制假人進(jìn)行測(cè)試改進(jìn)，形成最終的WorldSID假人。2004年3月，WorldSID假人設(shè)計(jì)完成，可以購(gòu)買和使用。

2 WorldSID假人概況

2.1 假人結(jié)構(gòu)

WorldSID假人代表了中等體型的成年男性乘員。在對(duì)多個(gè)人體測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)研究的基礎(chǔ)上，并對(duì)不同人種的人體測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)比后，WorldSID工作組采納了 AMVO 50百分位男性數(shù)據(jù)進(jìn)行了該假人的開發(fā)。AMVO數(shù)據(jù)庫(kù)中駕駛員乘坐姿態(tài)定為假人的設(shè)計(jì)參考姿態(tài)。

最終版的 WorldSID50百分位男性假人重77.3,kg，理論直立高度為 1,753,mm，坐姿高度911,mm，肩寬 480,mm，胸寬 371,mm，骨盆寬度410,mm，腿長(zhǎng) 555,mm，整體特征幾乎完美地符合了AMVO的設(shè)計(jì)目標(biāo)；關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍、單個(gè)部件的三維尺寸和質(zhì)量特性都接近設(shè)計(jì)目標(biāo)，一些小部件的質(zhì)量偏差是由于細(xì)小部件與人體測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)稍有不同造成的?？傮w來(lái)說(shuō)，WorldSID假人的人體測(cè)量學(xué)幾乎是AMVO數(shù)據(jù)庫(kù)中等體型成年男性乘員的完美復(fù)制，見圖3。

圖3 WorldSID假人Fig.3 A WorldSID male dummy

2.1.1 頭部

WorldSID假人使用無(wú)特征的面部，面部輪廓與真人一致，但沒(méi)有耳朵、鼻子和嘴唇。該設(shè)計(jì)的目的是假人面部無(wú)接縫，這樣碰撞過(guò)程中不會(huì)因假人面部與車輛內(nèi)飾或氣囊產(chǎn)生刮擦而破壞試驗(yàn)結(jié)果。

2.1.2 頸部

WorldSID頸部總成包括 3個(gè)主要的子總成：頸部、頸部支架和脖套。頸部安裝在上頸部、下頸部力傳感器中間。下頸部力傳感器安裝在頸部支架上，該可調(diào)的頸部支架還承載著 3向線性加速度傳感器和傳感器塊，其特點(diǎn)是頸部角度可以調(diào)節(jié)，頸部可以繞y 軸前傾 9,°，后仰 27,°。

2.1.3 肩部和手臂

WorldSID假人肩部由特殊的肋骨代替，肩部肋骨由兩條鋁鎳合金構(gòu)成，內(nèi)側(cè)一條是環(huán)形的，外側(cè)一條與人類輪廓相似，連接脊柱后部與肩關(guān)節(jié)，在肩關(guān)節(jié)處與代表鎖骨的桿相連。肩部肋骨內(nèi)條上附有阻尼材料來(lái)控制變形率。肩部肋骨的目的是當(dāng)肩部側(cè)向變形時(shí)降低肩關(guān)節(jié)向上、向前運(yùn)動(dòng)。肩部肋骨的最大變形量為75,mm。

2.1.4 胸腹部

WorldSID假人胸腹部包含肋骨，各肋骨獨(dú)立連接到胸椎上。除胸部上肋骨以外，每根肋骨與車輛XY 面平行，胸部上肋骨與垂直方向的夾角約 7,°，其縱向和側(cè)向的尺寸均較小。所有胸腹部肋骨結(jié)構(gòu)與肩部相同，由鋁鎳合金構(gòu)成，內(nèi)條上附有 H-III型阻尼材料以控制應(yīng)變率，左右肋骨的最大變形量均為75,mm。

2.1.5 腰部

WorldSID假人腰部是由一塊橡膠切削而成，由反 U型外殼和兩條內(nèi)部豎筋組成，U型外殼控制著側(cè)向剛度和柔韌性。

2.1.6 骨盆

骨盆包括一個(gè)裝有設(shè)備的骨盆骨骼和一片骨盆皮膚。骨盆骨骼由 2個(gè)半剛性對(duì)稱骨盆骨骼，兩塊骨骼前端通過(guò)恥骨力傳感器相連，后端通過(guò)骶髂力傳感器相連。骶髂力傳感器通過(guò)接口面與骨盆骨骼相連。骶髂力傳感器下端裝有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接口。

2.1.7 大腿

大腿包括髖關(guān)節(jié)到膝部的所有部件。大腿皮膚在最接近骨盆和最遠(yuǎn)離骨盆的兩端開槽。大腿上的設(shè)備包括：股骨頸力傳感器、上下大腿力傳感器、膝蓋內(nèi)外側(cè)力傳感器、膝蓋角度計(jì)、1個(gè)傳感器模塊和2個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊。

2.1.8 小腿

小腿包括小腿骨骼總成、小腿皮膚和腳鞋造型。小腿皮膚在后側(cè)開槽來(lái)安裝骨骼和設(shè)備。小腿上的設(shè)備包括：上下脛骨力傳感器、3向腳踝角度計(jì)。

2.2 WorldSID假人用傳感器

如 WorldSID工作組文件 N397所述，假人體內(nèi)大量分布的傳感器構(gòu)成假人最主要的部分。傳感器符合公認(rèn)的傳感器標(biāo)準(zhǔn)，如SAE J211和ISO 6487，可用于損傷風(fēng)險(xiǎn)、約束系統(tǒng)和乘員行為的研究。WorldSID假人可裝配的傳感器如表1。

表1 WorldSID假人傳感器總表Tab.1 List of WorldSID male dummy’s sensors

中胸部肋骨加速度傳感器(ax,y,z) 3中胸部肋骨位移傳感器(φy) 1下胸部肋骨加速度傳感器(ax,y,z) 3下胸部肋骨位移傳感器(φy) 1 T 1加速度傳感器(ax,y,z) 3 T 4加速度傳感器(ax,y,z) 3胸椎T 1 2加速度傳感器(ax,y,z) 3 1 3胸腔角加速度傳感器(ax,y,z) 2胸腔傾角傳感器(θx,y) 2上腹部肋骨加速度傳感器(ax,y,z) 3腹部上腹部肋骨位移傳感器(φx,y,z) 1下腹部肋骨加速度傳感器(ax,y,z) 3單側(cè)8共1 6下腹部肋骨位移傳感器(φy) 1腰椎 下腰椎傳感器(Fx,y,zMx,y,z) 6 6骨盆重心加速度傳感器(ax,y,z) 3骨盆恥骨力(Fy) 1骶髂力傳感器(Fx,y,zMx,y,z) 1 2 1 8骨盆傾角傳感器(θx,y) 2大腿膝部力(Fx,y,z) 3大腿力傳感器(Fx,y,zMx,y,z) 6大腿膝蓋外側(cè)力(Fy) 1膝蓋內(nèi)側(cè)力(Fy) 1單側(cè)1 2共2 4膝蓋角度傳感器(θy) 1上脛骨力傳感器(Fx,y,zMx,y,z) 6小腿下脛骨力傳感器(Fx,y,zMx,y,z) 6腳踝角度傳感器(φx,y,z) 3單側(cè)1 5共2 4

3 WorldSID假人性能

3.1 整體性能

3.1.1 仿真度

與其他現(xiàn)用的側(cè)面碰撞中等體型男性成年假人相比，WorldSID 假人的仿真度是最好的。ISO/TR 9790定義了使用33項(xiàng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)側(cè)碰假人仿真性能的流程?；贗SO/TR 9790評(píng)價(jià)體系，該假人得分是 7.6(在 10分評(píng)價(jià)制里是“Good”)，是唯一獲得整體仿真度“Good”評(píng)價(jià)的假人。WorldSID假人有助于設(shè)計(jì)更安全的汽車，加強(qiáng)側(cè)面碰撞保護(hù)，降低乘員傷害。WorldSID假人與其他側(cè)碰假人整體和各部評(píng)價(jià)對(duì)比如表2所示。

表2 各假人仿真的對(duì)比Tab.2 Simulation contrast between different dummies

除此之外，NHTSA還根據(jù)一種新的仿真度評(píng)價(jià)體系 Bio Rank System對(duì) WorldSID 原型假人 ES-2和 Hybrid Ⅲ-SID進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，盡管WorldSID假人處于改進(jìn)階段，但與其他 2種假人相比，其仿真度更好。

3.1.2 耐用性

WorldSID假人耐用性的設(shè)計(jì)目標(biāo)是假人各部件經(jīng)歷至少10次產(chǎn)生150% Mortz開發(fā)的傷害指標(biāo)負(fù)載的試驗(yàn)后仍能正常使用。

WorldSID假人的真實(shí)耐用性是根據(jù)滑車試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)、擺錘試驗(yàn)和大量駕駛員、碰撞側(cè)后排乘員裝載WorldSID假人的實(shí)車MDB試驗(yàn)和柱碰撞的試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)的。假人響應(yīng)范圍從低于傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)到 3倍傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)或者使用的傳感器最大容量評(píng)價(jià)范圍。目測(cè)假人各部件時(shí)，未發(fā)現(xiàn)損傷，證明其具有良好的耐用性。

3.1.3 重復(fù)性

根據(jù) WorldSID工作組文件 N395所述，當(dāng)進(jìn)行認(rèn)證測(cè)試時(shí)，WorldSID假人各部位表現(xiàn)出良好的可重復(fù)性并且各假人之間一致性的累積方差在大部分情況下小于5%，在所有情況下都小于10%。

3.1.4 靈敏性

根據(jù)要求，為了使碰撞位置和角度微小變化導(dǎo)致的敏感度最小化，WorldSID假人由連續(xù)表面構(gòu)成，包括肩套、一體化的鞋子和外套，以及從不同角度受到撞擊時(shí)肋骨的無(wú)約束設(shè)計(jì)。當(dāng)進(jìn)行各種類型的試驗(yàn)，包括側(cè)面 0～30°斜向滑車試驗(yàn)時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生肋骨彎折或其身體部件彎折，并且表現(xiàn)出良好的可重復(fù)性?？傮w來(lái)說(shuō)，假人不會(huì)對(duì)碰撞角度的微小變化過(guò)度敏感，但隨著碰撞角度的增加，假人響應(yīng)會(huì)發(fā)生對(duì)應(yīng)的變化。

為評(píng)價(jià)溫度變量對(duì)肩部性能的影響，進(jìn)行了溫度敏感度研究。結(jié)果顯示，肋骨變形測(cè)量值在 20.6～22.2,℃范圍內(nèi)對(duì)溫度不敏感。因此，推薦在 20.6～22.2,℃范圍內(nèi)使用WorldSID假人。

3.2 響應(yīng)特性

在實(shí)車碰撞測(cè)試中，由于 WorldSID假人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，碰撞過(guò)程中假人胸腹等關(guān)鍵部位表現(xiàn)出特定的響應(yīng)特性，特點(diǎn)如下：①隨著碰撞過(guò)程的進(jìn)行，腰椎可以彎曲，因此假人不會(huì)因胸、腹、骨盆相對(duì)位置的變化而發(fā)生平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)；②由于 WorldSID假人胸部相對(duì)寬厚，減小了側(cè)氣囊的展開空間，使得氣囊氣壓增高、壓力增大，導(dǎo)致在碰撞初期胸腹肋骨壓縮量和腹部加速度值較大；③由于假人恥骨聯(lián)合與力作用點(diǎn)的位置不同，可能導(dǎo)致碰撞力不易傳遞到恥骨聯(lián)合，或者假人髂骨截面相對(duì)力的作用方向有傾斜角度，通常導(dǎo)致側(cè)面施加的力不易傳遞到髂骨處，骨盆合成加速度和恥骨聯(lián)合力較小。

3.3 損傷限值

根據(jù) WorldSID工作組的換算結(jié)果，使用該假人時(shí)，50% AIS3＋損傷風(fēng)險(xiǎn)對(duì)應(yīng)的傷害值如表3所示。

表3 WorldSID假人關(guān)鍵部位損傷值Tab.3 Injury criteria of WorldSID male dummy’s key parts

4 WorldSID假人的應(yīng)用

由于 WorldSID假人具有各方面的良好性能，其應(yīng)用也逐漸提升到日程中。2010年6月，在世界車輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇(WP29)第 151次會(huì)議上，澳大利亞和美國(guó)分別提出新增加 2項(xiàng)全球統(tǒng)一汽車技術(shù)法規(guī)(GTR法規(guī))的制定工作：側(cè)面柱碰撞GTR和側(cè)碰假人GTR。會(huì)議經(jīng)過(guò)充分討論后，批準(zhǔn)了這2項(xiàng)法規(guī)的制定工作，并同意成立專門的非正式工作小組，由澳大利亞和美國(guó)分別擔(dān)任非正式工作小組的主席。到2013年5月，側(cè)面柱碰撞GTR法規(guī)的最終草案版本已經(jīng)完成，這份草案中規(guī)定在側(cè)面柱碰撞測(cè)試中，使用 WorldSID 50%假人進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試。在 EURONCAP和K-NCAP組織發(fā)布的2015年規(guī)程變更計(jì)劃中，將在側(cè)面柱碰撞測(cè)試中用 WorldSID 50%假人取代現(xiàn)有的ES2假人進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試。從這些分析中，我們能夠看出未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)：WorldSID系列假人將會(huì)在汽車側(cè)面相關(guān)碰撞測(cè)試中得到廣泛的應(yīng)用。

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Study on the WorldSID 50th Percentile Male Dummy Model

LIU Lei，ZHU Haitao，LI Chong，WANG Kai
(China Automotive Technology & Research Center，Tianjin 300300，China)

In this paper，the development background and process of the WorldSID dummy model was systematically reviewed，its whole structure and sensor installation characteristics were analyzed and its biofidelity，durability，repeatability and reproducibility were illustrated. Besides，response characteristics and the WorldSID’s injury criteria were described. In the end，it proposed that the development and wide adoption of the WorldSID dummy will inevitably promote side impact safety and reduce the R&D cost of vehicles.

WorldSID；dummy model；side impact；vehicle safety

U467.1+4

A

1006-8945(2014)08-0050-05

2014-07-06