Q3兒童假人頸部標定影響因子的分析與研究

劉東春，陳 洋，王 旭，任繼偉

(中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司 天津300300)

0 引 言

假人標定試驗是保證汽車假人生物力學性能的主要措施，用以保持良好的響應，確保試驗數(shù)據(jù)的可靠性。根據(jù)中國新車評價規(guī)程(C-NCAP)2018 版規(guī)定，在正面100%剛性壁障試驗中，使用Q3 兒童假人考察后排兒童約束系統(tǒng)。本文以Q3 兒童假人為研究對象，重點研究其頸部標定試驗，分析試驗的影響因子，運用試驗設計(DOE)方法，實施合理的試驗方案，得到一定的試驗數(shù)據(jù)；然后通過曲面響應優(yōu)化法，找出標定試驗多輸入多輸出的非線性對應關系，采用多元二次回歸方程來擬合眾多影響因子與輸出值之間的函數(shù)關系，尋找最優(yōu)參數(shù)，以提高標定試驗試驗的成功率，減少人力、物力、財力的資源浪費。

1 標定試驗

1.1 Q3假人頸部結構

如圖1 所示，Q3 假人頸部本體是由橡膠和金屬材質用模具澆注成圓柱體型，上表面內(nèi)嵌螺紋套，用來連接頸部力傳感器或者替代塊；頸部中心內(nèi)部是鋼絲線纜組件，下端用螺母固定在橡膠圓柱。

隨著碰撞試驗損傷以及時間的推移，假人頸部材質會變化，其動態(tài)響應也在發(fā)生變化，為了檢查假人頸部良好的生物力學性能，就需要定期進行標定。

圖1 Q3假人頸部結構Fig.1 Neck structure of Q3 Dummy

1.2 Q3假人頸部標定

目前，Q3 假人頸部標定方法是按照Humantics假人公司提供的手冊進行。具體方法為：在溫度18～22 ℃，濕度10%～70%的環(huán)境條件下，將Q3 兒童假人頸部安裝在擺臂上，擺臂上升至一定的高度，然后釋放擺臂，以一定的速度撞擊蜂窩鋁，通過采集碰撞過程中的數(shù)據(jù)，來評判假人頸部的生物力學性能，如圖2 所示。

圖2 Q3假人頸部標定試驗Fig.2 Neck calibration test of Q3 Dummy

Q3 假人頸部在標定時需要進行正面碰撞、側面碰撞兩種類型，共需要進行頸部彎曲、左側、右側3 次試驗。3 次試驗的評價指標及范圍是一致的，如表1 所示。

表1 Q3假人頸部標定評價指標Tab.1 Neck calibration evaluating index test of Q3 Dummy

由于Q3 假人頸部正面碰撞和側面碰撞標定試驗，評價指標要求一樣，限于篇幅本文以假人頸部彎曲試驗作為試驗對象進行研究。

1.3 試驗設計

選取擺錘碰撞速度、蜂窩鋁孔數(shù)、溫度和時間間隔4 個參數(shù)(表2)，研究其對頸部標定的影響。

表2 影響因素水平表Tab.2 Factor-level table

1.4 試驗結果

本文參照正交設計表 L9(34)進行試驗設計，共進行9 次試驗，試驗結果如表3 所示。

表3 正交試驗結果Tab.3 Orthogonal test results

2 Q3假人頸部標定評價指標影響因素分析

2.1 頸部減速度的影響因素分析

在上述進行的9 次正交試驗，由表3 試驗結果可以計算得到各因數(shù)對假人頸部在10、20、30 ms 時減速度影響的均值主效應圖如圖3—圖5 所示。

圖3 10 ms頸部減速度主效應圖Fig.3 The main effect chart of neck velocity decrease at 10 ms

圖4 20 ms頸部減速度主效應圖Fig.4 The main effect chart of neck velocity decrease at 20 ms

圖5 30 ms頸部減速度主效應圖Tab.5 The main effect chart of neck velocity decrease at 30 ms

從圖3—圖5 均值主效應圖可知，各因子對頸部減速度的影響重要程度依次為蜂窩鋁孔數(shù)、擺錘碰撞速度、溫度、時間間隔。其中，溫度和時間間隔兩個因素影響較小，可以認為這兩個因素對頸部減速度的影響并不明顯。

10、20 以及30 ms 3 個時刻，代表擺錘逐漸壓潰蜂窩鋁的過程，接觸面從蜂窩鋁表面由上到下逐漸接觸和頸部減速度逐漸增加的過程。為進一步考察，蜂窩鋁孔數(shù)和擺錘速度對這3 個時刻的影響，將其中一個因素作為定值，另一個因素作為變量進行研究。

2.1.1 不同擺錘碰撞速度對頸部減速度的影響

選擇標定試驗序號第2、第5、第8 3 次試驗，對應的擺錘速度分別為3.7、3.9、4.1 m/s，而3 次試驗的蜂窩鋁孔數(shù)為定值9，試驗結果如圖6 所示。

圖6 不同擺錘碰撞速度對假人頸部減速度影響Fig.6 Effect of different pendulum impact velocity on neck velocity decrease

圖6 中，10、20、30 ms 時刻處的3 條短豎線分別表示頸部減速度在該時刻處的數(shù)值區(qū)間，超出相應區(qū)間，意味著標定試驗失敗。圖6 中的3 條頸部減速度曲線在前30 ms 都是接近直線，同時這3 個時刻的數(shù)值也都在規(guī)定的范圍內(nèi)，但有略微差異，且與擺錘速度呈正相關。這是因為隨著擺錘碰撞速度的增加，會使碰撞整體能量增加，在壓潰相同蜂窩鋁的進程中，碰撞時的加速度也會增加，導致頸部的減速度值在10、20、30 ms 3 個時刻數(shù)值相應增加，但是增加量并不很大，這也與試驗條件設置有關。

在蜂窩鋁相同的情況下，擺錘碰撞速度小范圍地變化，不會對頸部減速度在10、20、30 ms 時刻的數(shù)值造成嚴重影響；相反在后續(xù)的標定過程中，如果頸部減速度在3個時刻點有略微超出范圍，可以通過微調(diào)擺錘碰撞速度，使其滿足要求，前提是微調(diào)后擺錘碰撞速度須在規(guī)定的范圍內(nèi)即3.8～4.0 m/s。

2.1.2 不同蜂窩鋁孔數(shù)對頸部減速度的影響

選擇試驗序號第4、第5、第6 三次試驗，對應的蜂窩鋁孔數(shù)分別為7、9、11，而3 次試驗的擺錘碰撞速度為3.9 m/s，試驗結果如圖7 所示。

圖7 不同蜂窩鋁孔數(shù)對假人頸部減速度影響Fig.7 Effect of different holes of honeycomb material on neck velocity decrease

圖7 中，10、20、30 ms 時刻處的3 條短豎直線也是規(guī)定的頸部減速度區(qū)間范圍。圖7 中的3 條頸部減速度曲線在前30 ms 雖然也都接近直線，但是有著明顯的分層；蜂窩鋁孔數(shù)越多頸部減速度在10、20、30 ms 的數(shù)值也越大，而且蜂窩鋁孔數(shù)為11 的曲線在30 ms 時刻的數(shù)值幾乎超出要求的范圍。

這是因為蜂窩鋁孔數(shù)增多，導致吸能區(qū)域整體變硬，碰撞剛度變大，碰撞時的加速度急劇增加，導致頸部減速度也隨著快速增加，最終反映在10、20、30 ms 的數(shù)值變大。可見，蜂窩鋁的軟硬對假人頸部減速度的影響是非常顯著的。

2.2 頭部D-P轉角的影響因素分析

在進行的9 次正交試驗中，由表3 計算得到各因數(shù)對頭部D-P 轉角影響的均值主效應圖如圖8 所示。

由圖8 所示，9 次正交試驗結果頭部D-P 轉角均值分析可知，4 個因素對D-P 轉角的影響重要程度依次為蜂窩鋁孔數(shù)、擺錘速度、時間間隔、溫度。其中，溫度和時間間隔的極差均小于0.5，可以認為它們的影響不明顯；而擺錘速度和蜂窩鋁孔數(shù)對頭部D-P轉角的影響比較顯著。為進一步考察兩者對頭部D-P轉角不同的影響，可將一個因素作為定值，關注另一個因素變化時的觀察曲線試驗。

2.2.1 擺錘碰撞速度對D-P 轉角的影響

選擇試驗序號第2、第5、第8 3 次試驗，對應的擺錘速度分別為3.7、3.9、4.1 m/s 的，3 次試驗的蜂窩鋁孔數(shù)均為9，假人頭部D-P 試驗結果如圖9 所示。

圖9 不同擺錘碰撞速度對假人頭部D-P轉角影響Fig.9 Effect of different pendulum impact velocity on DP angle

如圖9 所示，3 條曲線走勢大體相同，只是假人頭部D-P 轉角峰值發(fā)生時刻的前后小區(qū)間時間段，出現(xiàn)明顯偏差，并且在該時間段內(nèi)，隨著擺錘碰撞速度的提高，假人頭部D-P 轉角峰值也隨著變大，兩者呈正相關。

隨著擺錘碰撞速度的提高，使得碰撞能量增加，在碰撞過程中，假人頭部甩動幅度也會隨著變大，即D-P 轉角增加。在后續(xù)標定工作中，假人頭部D-P 轉角峰值小范圍超出，也是可以通過調(diào)整擺錘碰撞速度進行修改。

2.2.2 蜂窩鋁孔數(shù)對假人頭部D-P 轉角的影響

為更直觀顯示蜂窩鋁孔數(shù)對假人頭部D-P 轉角的影響，選擇蜂窩鋁孔數(shù)為7、9、11 的3 次試驗，擺錘碰撞速度為3.9 m/s。

如圖10 所示，3 條曲線整體均有著明顯的偏差，隨著蜂窩鋁孔數(shù)的增多，假人頭部D-P 轉角曲線上升的趨勢也變快，轉角峰值到達的時刻明顯提前，峰值也隨之變大。這是由于隨著蜂窩鋁孔數(shù)的增多，相同碰撞能量的情況下，由于碰撞吸能區(qū)整體剛度變大，碰撞時假人頭部甩動的幅度急劇增加，使得D-P轉角快速到達峰值，并且峰值變大。

2.3 頸部轉矩My的影響因素分析

在進行的9 次正交試驗中，圖表3 計算得到各因數(shù)對假人頸部轉矩My 的影響均值主效應圖如圖11所示。

4 個因素對其影響的優(yōu)先級為擺錘速度、蜂窩鋁孔數(shù)、時間間隔、溫度。溫度和時間間隔對頸部轉矩My 的影響非常小，極差均不超過0.05，可視為不顯著影響因素；擺錘碰撞速度和蜂窩孔數(shù)的極差均大于1.0，視為顯著影響因素。為進一步考察兩個顯著影響因素對假人頸部轉矩My 不同的影響，可將一個因素作為定值，關注另一個因素變化時的觀察曲線試驗。

圖10 不同蜂窩鋁孔數(shù)對假人頭部D-P轉角的影響Fig.10 Effect of different holes of honeycomb material on D-P angle

圖11 頸部轉矩My主效應圖Tab.11 Main effect chart of neck moment(My)

2.3.1 擺錘碰撞速度對假人頸部轉矩My 的影響

選擇標定試驗序號第2、第5、第8 3 次試驗，對應的擺錘速度分別為3.7、3.9、4.1 m/s，3 次試驗的蜂窩鋁孔數(shù)均為9，假人頸部My 試驗結果如圖12 所示。

圖12 不同擺錘碰撞速度對假人轉矩My的影響Fig.12 Effect of different pendulum impact velocity on neck moment(My)

擺錘碰撞速度對假人轉矩My 的影響和對假人頭部D-P 轉角的影響非常類似。在不同的擺錘碰撞速度下，假人轉矩My 的3 條曲線大體趨勢走向非常接近，只是在轉矩My 達到峰值的小區(qū)間的時間段有明顯的差異，擺錘碰撞速度越大，假人頸部轉矩My也越大。隨著擺錘碰撞速度的增加，碰撞整體能量增加，致使假人頸部繞y 軸的甩動幅度增加，轉矩My數(shù)值也增加。

2.3.2 蜂窩鋁孔數(shù)對假人頸部轉矩My 的影響

選擇試驗序號第4、第5、第6 3 次試驗，對應的擺錘速度分別為3.7、3.9、4.1 m/s，3 次試驗的蜂窩鋁孔數(shù)均為9，假人頸部My 試驗結果如圖13 所示。

圖13 不同蜂窩鋁孔數(shù)對假人頸部轉矩My的影響Fig.13 Effect of different holes of honeycomb material on neck moment(My)

不同的蜂窩鋁孔數(shù)，假人頸部轉矩My 的3 條曲線有著明顯的差異。隨著蜂窩鋁孔數(shù)增多，假人頸部轉矩My 的峰值變大，并且到達峰值的時間縮短；孔數(shù)越多，轉矩My 曲線出現(xiàn)兩個鄰近波峰的現(xiàn)象越明顯。蜂窩鋁孔數(shù)對假人頸部轉矩My 的整體情況影響與對假人頭部轉角D-P 的影響效果非常類似。

3 結 論

本文首先對Q3 假人的頸部結構和頸部標定評價指標進行介紹，然后對4 個影響因素三水平設計出正交試驗表L9來確定各影響因素對假人頸部評價指標的重要程度。通過正交試驗分析得到，蜂窩鋁孔數(shù)和擺錘碰撞速度為顯著影響因素，溫度和時間間隔為非顯著影響因素；然后對2 個顯著影響因素對假人頸部標定的每個評價指標單獨進行研究，分析其影響機理，指導后續(xù)的標定工作。

蜂窩鋁孔數(shù)增多，碰撞吸能區(qū)域整體剛度變大，碰撞時的加速度增加，因而會使得假人頸部減速度在10、20、30 ms 時刻的數(shù)值明顯增大，使假人頭部轉角D-P 峰值顯著增加，同樣會使假人頸部轉矩My 峰值變大，并且各指標達到峰值的時刻均提前。

擺錘碰撞速度增加，碰撞整體能量變大，假人頸部減速度在10、20、30 ms 時刻的數(shù)值有增加趨勢，但變化并不特別顯著，假人頭部轉角D-P 峰值增加，假人頸部轉矩My 峰值變大，但是各指標達到峰值的時刻變化并不明顯。