基于AEMDB試驗(yàn)的不同假人損傷性能研究

馬偉杰，崔健超，李向榮，李 睿

（1．中國汽車技術(shù)研究中心，天津300300；2．一汽豐田技術(shù)開發(fā)有限公司，天津300462）

1 引言

隨著中國汽車保有量的逐年增加，各種形式的交通事故量也隨之增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)目前側(cè)面碰撞事故是僅次于正面碰撞事故的第二大交通事故類型，但是，由于側(cè)面碰撞過程中，車輛與約束系統(tǒng)的吸能空間相較正面碰撞小，所造成的人員傷亡數(shù)量要比正面碰撞事故的傷亡人數(shù)還要高[1]。另一方面，側(cè)面碰撞事故中，前排乘員佩戴安全帶與否對其傷情程度的影響不大。側(cè)面碰撞中車內(nèi)駕乘人員一般受到較大的橫向加速度作用、而駕乘人員側(cè)面的生存空間較小，易與車門窗及側(cè)面內(nèi)飾相碰造成人員傷害，在縱向上的位移并不大，故安全帶給予乘員的保護(hù)作用在側(cè)面碰撞中并不明顯[2]。因此，對側(cè)面碰撞形式的試驗(yàn)研究方法就顯得極其重要。

汽車被動安全的逐步完善，車輛前段剛度的不斷改進(jìn)，原有的側(cè)面碰撞壁障已經(jīng)不能體現(xiàn)目前市場上車輛的前段剛度特性。歐洲相關(guān)機(jī)構(gòu)通過研究發(fā)現(xiàn)，ECER 95法規(guī)中使用的MDB并不能完全代表當(dāng)前歐洲車型的前部特性，也不能同時模擬前后排座椅上乘員的真實(shí)響應(yīng)。EEVC WG13工作組于2001年著手新壁障的研究，并稱之為AE-MDB，并于2003年在18屆ESV國際會議上公布了第一次使用AE-MDB壁障的測試效果，2005年又公布了第二版AE-MDB V2的測試情況[3]。在V2版本的基礎(chǔ)上又進(jìn)行一系列性能考核，包括法規(guī)認(rèn)證試驗(yàn)、高速平面墻碰撞試驗(yàn)、柱碰撞試驗(yàn)、邊緣加載剛性墻碰撞試驗(yàn)、欄板加載剛性墻試驗(yàn)、柔性墻碰撞試驗(yàn)等，確定該壁障的最終性能AE-MDB V3．9[4-5]。中國汽車技術(shù)研究中心在此基礎(chǔ)上對國內(nèi)汽車前段剛度特性進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明，相對于EEVC2000的可變形壁障來說，AE-MDB V3．9新能壁障更符合國內(nèi)車輛的前段平均剛度特性[6]。在2015版EURO NCAP中還引入了生物力學(xué)保真度更高的WorldSID50th代替之前版本中的ES2假人，進(jìn)行損傷評價分析。

2 假人靜態(tài)對比

EEVC WG12工作組于2009年發(fā)布了WorldSID假人的相關(guān)報(bào)告，其中包括了側(cè)碰用假人的生物力學(xué)保真度的得分對比[7-9]。將假人的各個部位生物力學(xué)保真度進(jìn)行打分，從（0～10）分，劃分5個等級。分別是：（0～2．6）分為不可接受，（2．6～4．4）分為較差，（4．4～6．5）分為一般，（6．5～8．6）分為良好，（8．6～10）分為優(yōu)秀。WS50th 假人的各個部位的生物力學(xué)保真度均高于ES2假人，且頭部指標(biāo)為優(yōu)秀，肩部、胸及腹部都為良好級別，如表1所示?？梢奧orldSID假人能夠更為真實(shí)的反應(yīng)側(cè)面碰撞事故中人體的損傷情況，能夠更好地對車輛的被動安全性能進(jìn)行評估。目前，2015版C-NCAP側(cè)碰碰撞試驗(yàn)所采用假人為ES2，15版EURO-NCAP所使用假人為WorldSID50th[10-11]。一下分析為兩種假人在相同碰撞條件下的響應(yīng)差異。兩假人靜態(tài)坐姿對比：從整體上看WS50th上半身高度要比ES2假人矮一些，WS50th肩部對應(yīng)ES2上肋骨位置、WS50th上肋骨對應(yīng)ES2中肋骨位置、WS50th第二根肋骨對應(yīng)ES2下肋骨位置，如圖1所示。

表1 不同側(cè)碰假人各部位生物力學(xué)保真度得分Tab.1 The Biomechanics Fidelity Scores ofDifferent Dummies

圖1 WS50th與ES2坐姿對比Fig.1 WS50th Sitting Contrast With the ES2

除了空間位置的區(qū)別，WS50th假人位移傳感器形式與ES2也有較大區(qū)別，ES2胸部位移傳感器為電位計(jì)式，測量由于車輛變形所導(dǎo)致的胸部Y向位移量，如圖2、圖3所示。而WS50th假人位移傳感器為IR-TRACC及角度傳感器，測量假人在受到側(cè)面沖擊時的肋骨在Y向的變形量D。這一變形量由兩個變量決定，即IRTRACC測量所得壓縮變形量DR和IR-TRACC本身繞Z軸的偏轉(zhuǎn)角度θ，傳感器未壓縮時長度L，Y向位移量，如式（1）所示。

圖2 ES2肋骨傳感器結(jié)構(gòu)Fig.2 The Structure of ES2’s Rib Sensors

圖3 WS50th肋骨傳感器結(jié)構(gòu)Fig.3 The Structure of WS50th’s Rib Sensors

式中：D—WS50th假人肋骨Y向壓縮量；L—IR-TRACC傳感器

未壓縮時長度；DR—IR-TRACC傳感器所測量的肋骨壓縮量；θ—IR-TRACC傳感器繞Z軸的偏轉(zhuǎn)角度θ。

3 側(cè)面碰撞試驗(yàn)方法研究

C-NCAP與EURO NCAP碰面碰撞試驗(yàn)?zāi)M的是子彈車以50km/h的速度垂直撞擊目標(biāo)車的側(cè)面，通過一系列的剛度計(jì)算和簡化，最終將子彈車定義為移動可變形壁障。ECE R95臺車數(shù)據(jù)來源于上個世紀(jì)90年代，已不符合當(dāng)前車輛前端剛度及車身基本參數(shù)，均采用移動壁障整體質(zhì)量為950kg，前端安裝的是EEVC-2000型蜂窩鋁。但是，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，與以往車型相比，車輛相關(guān)參數(shù)以及不同車型的構(gòu)成比例都有很大變化。EEVC WG13工作組于2001年著手新壁障的研究，并稱之為AE-MDB，Euro-NCAP（2015版）正式應(yīng)用 AE-MDB V3.9，該移動壁障總體質(zhì)量為1300kg，采用Cellbond公司2001年與歐洲工作組合作開發(fā)新的AE-MDB可變形壁障，其寬度為1700mm，高度500mm，凈重25kg，共分為6個單元，每一單元分別規(guī)定了變形量與壓潰力的限值通道，以規(guī)范變形壁障的性能。兩種類型移動壁障，如圖4、圖5所示。為研究兩種假人在實(shí)車碰撞過程中的響應(yīng)區(qū)別，共進(jìn)行了兩個車型的兩次實(shí)車側(cè)面碰撞試驗(yàn)進(jìn)行比較分析，如下表2所示。該2次試驗(yàn)所采用車型均為A級車，分別各進(jìn)行兩次側(cè)面碰撞試驗(yàn)，主要考察WS50th假人與ES2假人對比。

圖4 ECE R95移動壁障Fig.4 ECE R95 MDB

圖5 Euro NCAP（2015版）移動壁障Fig.5 Euro NCAP（Version 2015）MDB

表2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定Tab.2 Test Parameter Settings

4 碰撞試驗(yàn)中假人的響應(yīng)對比

T1和T2為相同車型，兩次試驗(yàn)參數(shù)與上表2所示，除駕駛員位假人有區(qū)別外，其它試驗(yàn)參數(shù)均一致。由于WS50th假人和ES2假人的整體結(jié)構(gòu)和評價方法都不同，那么假人損傷的橫向?qū)Ρ纫簿蜎]有太大的意義。但是可以換個角度分析兩次試驗(yàn)中假人損傷百分比P來分析兩種假人的動態(tài)響應(yīng)差異，即假人響應(yīng)值VR相對該部位高性能限制VH的百分比，計(jì)算公式，如式（2）所示。

式中：P—假人各部位損傷百分比；VR—假人各部位試驗(yàn)時的響應(yīng)值；VH—C-NCAP規(guī)程中各部位的高性能限值。

由于WS50th假人和ES2假人兩種假人結(jié)構(gòu)有所區(qū)別，因此，假人的評價指標(biāo)也有一定的區(qū)別，兩種假人各個部位評價指標(biāo)，如表3所示。由下圖6對比試驗(yàn)T1、T2結(jié)果可知，在試驗(yàn)T1時，ES2假人頭部累計(jì)3ms損傷百分比最大，這可能是在碰撞過程中假人頭部與車輛內(nèi)飾件接觸，造成加速度增大所導(dǎo)致；上肋骨損傷百分比最高為78.45%，下肋骨次之，中肋骨損傷百分比最小，這與車門的侵入速率和車門內(nèi)飾件外形有關(guān)。腹部合力相較恥骨力損傷百分比更大，由于該部分所對應(yīng)的車體較早與壁障接觸且侵入速率較高。試驗(yàn)T2中，WS50th假人頭部指標(biāo)損傷百分比不管是HIC值還是累計(jì)3ms都要低于ES2假人，這可能是由于WS50th假人坐姿較ES2假人低，WS50th假人未與車輛內(nèi)飾件接觸，有累計(jì)3ms損傷百分比為31.04%能夠明顯說明這一點(diǎn)；胸部肋骨損傷百分比的橫向?qū)Ρ葋碚f，ES2假人上肋骨損傷百分比最大為78.45%，WS50th假人同樣上肋骨損傷百分比最大為41.89%；腹部損傷百分比，WS50th假人假人為位移，ES2假人為合力，損傷百分比分別為43.3%和74.7%；骨盆損傷百分比，均為恥骨力，傳感器的安裝位置相近，WS50th假人損傷百分比要高于ES2假人，分別為57.94%和42.93%。WS50th假人與ES2假人相對，頭部、胸部和腹部指標(biāo)的損傷百分比都要低一些，減少的損傷百分比分別為57.32%、36.56%和31.4%，而恥骨力對比來說，WS50th假人比ES2假人高了15.01%。

表3 兩種假人評價指標(biāo)對比Tab.3 The Comparative of Two Dummies’Evaluatons

圖6 T1與T2假人損傷百分比對比Fig.6 T1and T2Contrast Percentage Dummy Injury

所要說明的是ES2假人與WS50th假人在實(shí)車中的乘坐狀態(tài)以及碰撞過程中假人的具體響應(yīng)姿態(tài)，如圖7所示。有一點(diǎn)需要說明的是，使用ES2假人試驗(yàn)時，座椅Z向調(diào)整位置為上下中間位置，使用WS50th假人時，座椅Z向調(diào)整為最下位置。在T1與T2試驗(yàn)中座椅上下不可調(diào)，可以直接依據(jù)兩假人的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行比較。由ES2假人與WS50th假人坐姿各個部位的對應(yīng)關(guān)系，我們不妨來比較小相對應(yīng)位置的位移曲線，如圖8、圖9所示。從實(shí)際的位移量曲線來進(jìn)行比較分析。從圖8、圖9可知，兩次試驗(yàn)ES2假人與WS50th假人的肋骨響應(yīng)時間歷程基本一致，圖8中ES2假人中肋骨位移量為9.87mm，WS50th假人上肋骨位移量要比ES2假人大，峰值為11.87mm。圖9所示的ES2假人下肋骨位移量為13.3mm，WS50th假人中肋骨位移量要比ES2假人小，峰值為10.26mm，由于兩假人胸部肋骨變形量高性能限值分別為22mm和28mm，因此，ES2假人的中肋骨與下肋骨損傷百分比要比WS50th假人上肋骨與中肋骨損傷百分比要高。ES2假人與WS50th假人骨盆相對于車輛內(nèi)部空間的位置基本一致，但是由于兩假人骨盆構(gòu)造與材質(zhì)有區(qū)別，因此，所得曲線差異也十分明顯。ES2假人恥骨力分值為1.288kN，WS50th假人恥骨力峰值為0.987kN，如圖10所示。ES2恥骨力要高于WS50th假人，但是兩假人恥骨力高性能限值分別為3 kN和1.7 kN，因此，出現(xiàn)了雖然ES2假人恥骨力大于WS50th假人，但是恥骨力損傷百分比正好相反，即WS50th假人要大一些。

圖7 ES2與WS50th假人試驗(yàn)響應(yīng)對比Fig.7 The Comparison Between ES2 and WS50th Response

圖8 ES2中肋骨與WS50th上肋骨對比Fig.8 The Comparison Between ES2 Middle Rib and WS50th Upper Rib

圖9 ES2下肋骨與WS50th中肋骨對比Fig.9 The Comparison Between ES2 Lower Rib and WS50th Middle Rib

圖10 ES2與WS50th假人恥骨力對比Fig.10 The Comparison of Pubic Forces Between ES2 and WS50th

5 總結(jié)

在試驗(yàn)室中雖然能夠針對于兩款假人進(jìn)行一系列的標(biāo)定試驗(yàn)對比，但是進(jìn)行滑臺或者實(shí)車碰撞試驗(yàn)比較在實(shí)際試驗(yàn)中兩種假人的響應(yīng)區(qū)別。通過上述比較試驗(yàn)得出如下結(jié)論：（1）提出了橫向比較兩種假人損傷的概念，及損傷百分比。這一定義能夠體現(xiàn)出假人某一部位距離高性能限值的區(qū)間大小。但是也存在不能體現(xiàn)出在出現(xiàn)扣分時，與高、低性能限值的比例關(guān)系；（2）通過損傷百分比對比結(jié)果可知，在相同載荷沖擊下，ES2假人相較WS50th假人在頭部、胸部、腹部方面表現(xiàn)更為惡劣，但骨盆損傷值ES2假人要比WS50th假人表現(xiàn)要好一些。

［1］姜田富.側(cè)面碰撞過程中汽車遠(yuǎn)側(cè)氣囊防護(hù)效果的研究［D］.上海：上海工程技術(shù)大學(xué)，2015：13-15.（Jiang Tian-fu.The Protection Efficiency Study of Automobile Far Side Airbag in Side Impact Process［D］.Shanghai：Shanghai University of Engineering Science，2015：13-15.）

［2］Xu Xiao，Chen Jun-Yi，Wang Hong-Yan.Characteristic Analysis of Passenger Cars’Side Impact based on In-depth Accident Research in China［C］.The 24th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles.Gothenburg：NHTSA，2015：Paper no.15-0016.

［3］Roberts，A.K，Van Ratingen，M.R.Progress on the development of the advanced european mobile deformable barrier face（AE-MDB）［C］.The 18th international technical conference on the enhanced safety of vehicles.Nagoya：NHTSA，2003：Paper no.126.

［4］Ellway，J.D，Van Ratingen，M.R，Versmissen，T.The advanced european mobile deformable barrier specification for use in euro NCAP side impact testing［C］.The 23th international technical conference on the enhanced safety of vehicles.Seoul，Korea：NHTSA，2013：Paper no.13-0069.

［5］Marie-Laure Roussaire，Richhard Zeitouni，Céline Adalian.Enhancement of side impact protection using an improved test procedure［C］.The 20th internationaltechnicalconferenceontheenhancedsafetyofvehicles.Lyon：NHTSA，2007：Paper no.07-0245.

［6］李向榮，馬偉杰，朱海濤.運(yùn)用AE-MDB的新型側(cè)面碰撞試驗(yàn)研究［C］.上海：2015年中國汽車工程學(xué)會年會論文集，2015：551-554.（Li Xiang-rong，Ma Wei-jie，Zhu Hai-tao.New Side Impact Test Research Using AEMDB［C］.shanghai：2015 SAE-China Congress Proceedings，2015：551-554.）

［7］Status of WorldSID 50th Percentile Male Side Impact Dummy，EEVC WG12 Report，2009.

［8］ISO/TR9790：Road Vehicles-Anthropomorphic side impact dummy lateral impactresponserequirementstoassessthebiofidelityofthe dummy，1999.

［9］Rhule Heather.Comparison of WorldSID and ES-2RE Biofidelity Using an Updated Biofidelity Ranking System［C］.The 21th international technical conference on the enhanced safety of vehicles.Stuttgart：NHTSA，2009：Paper no.09-0563.

［10］中國汽車技術(shù)研究中心.中國新車評價規(guī)程［EB/OL］.天津：中國汽車技術(shù)研究中心，2015.（China Automotive Technology and Research Center.China New Car Assessment Program［EB/OL］.Tianjin：China Automotive Technology and Research Center，2015.）

［11］European Association of New Car Safety Evaluation.European New Car Assessment Programme，Version 7.1.1［EB/OL］.