溫度偏差對(duì)第50百分位假人胸部壓縮變形量的影響研究

商恩義 周大永 崔新康 曹盈

（浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江省汽車安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311228）

主題詞：被動(dòng)安全 50th假人 胸部壓縮變形量 溫度偏差

1 前言

目前，乘用車約束系統(tǒng)開發(fā)過程的正面碰撞試驗(yàn)中，Hybrid Ⅲ50th假人胸部壓縮變形量的測(cè)量結(jié)果通常受溫度偏差、假人坐姿一致性、安全帶佩戴位置一致性等因素的影響，其中溫度偏差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響比較突出，是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。為此，有研究人員在確保假人擺放姿態(tài)等基本試驗(yàn)條件一致的情況下，以22 ℃為基礎(chǔ)，通過適當(dāng)改變溫度進(jìn)行了大量重復(fù)性臺(tái)車試驗(yàn)，通過統(tǒng)計(jì)分析不同試驗(yàn)之間胸部壓縮變形量的偏差，得到溫度變化對(duì)假人胸部壓縮變形量的影響約為1.5～2.0 mm/℃的結(jié)論。但事實(shí)上，當(dāng)前預(yù)緊限力式安全帶產(chǎn)品的力值穩(wěn)定范圍普遍為0.5 kN，即使保證假人坐姿、安全帶佩戴位置完全一致，重復(fù)試驗(yàn)的試驗(yàn)條件也不具有一致性，所以通過分析重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的離散性來推導(dǎo)溫度對(duì)假人胸部壓縮變形量的影響不夠嚴(yán)謹(jǐn)?；谏鲜鲈?，本文利用正面碰撞假人胸部剛度概念，分析溫度差異對(duì)50th假人胸部壓縮變形量的影響。

2 Hyprid Ⅲ50th假人胸部剛度

2.1 假人胸部結(jié)構(gòu)

Hybrid Ⅲ50th假人胸部由肋骨組件和皮膚構(gòu)成，其中，肋骨組件如圖1所示[1]，是由6根C型肋骨（C型鋼板和阻尼材料粘合而成）構(gòu)成的彈性框架結(jié)構(gòu)，肋骨前端通過短鋼板相連接，后端固定在胸椎上，肋骨組件“穿上”皮膚后構(gòu)成假人胸部，假人胸部具有一定剛度，在受力過程中會(huì)發(fā)生彈性變形。

2.2 假人胸部剛度

相關(guān)研究表明[2-3]，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下，在碰撞初期假人平動(dòng)時(shí)，其胸部壓縮變形量d的時(shí)間曲線與肩帶力FB的時(shí)間曲線之間存在關(guān)系系數(shù)k，k基本穩(wěn)定在200 kN/m。用Fd表示導(dǎo)致假人胸部產(chǎn)生變形的力，某試驗(yàn)中，令Fd=kd，將Fd時(shí)間曲線與FB時(shí)間曲線進(jìn)行比較，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，在假人前撲，安全帶肩帶力由0上升至安全帶開始限力階段，兩曲線近似平行，且在限力后穩(wěn)定值相近。如果排除胸部壓縮變形量延時(shí)的影響，可認(rèn)為安全帶力上升階段兩曲線近似重合，因此，稱k為假人胸部剛度。每次試驗(yàn)中，k可以通過肩帶力與胸部壓縮變形量比較得到，鑒于胸部結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性，在相同的環(huán)境溫度等試驗(yàn)條件下，k相對(duì)穩(wěn)定。

圖1 Hybrid Ⅲ50th假人胸部結(jié)構(gòu)

圖2 某試驗(yàn)中Fd時(shí)間曲線與FB時(shí)間曲線

假人胸部剛度雖然相對(duì)穩(wěn)定，但肋骨結(jié)構(gòu)中包含的阻尼材料受溫度影響較大，因此，溫度變化對(duì)胸部壓縮變形量造成的影響實(shí)質(zhì)上是溫度變化改變了假人胸部剛度k所致。研究溫度變化對(duì)假人胸部壓縮變形量的影響可通過研究溫度變化對(duì)假人胸部剛度的影響來進(jìn)行。

3 溫度偏差對(duì)假人胸部壓縮變形量的影響研究

在不同溫度條件下進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，利用Fd時(shí)間曲線和FB時(shí)間曲線推導(dǎo)出胸部剛度k，并通過多次試驗(yàn)結(jié)果建立溫度與剛度的關(guān)系式，進(jìn)而推導(dǎo)出指定安全帶力和試驗(yàn)溫度下溫度對(duì)假人胸部變形量的影響。

3.1 試驗(yàn)方案制定

實(shí)車碰撞試驗(yàn)成本較高，故通過臺(tái)車試驗(yàn)進(jìn)行研究。約束系統(tǒng)開發(fā)所進(jìn)行的正面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)中，臺(tái)車的加速度曲線通常采用50 km/h實(shí)車正面碰撞試驗(yàn)中車身B柱底部x向加速度曲線，考慮到本次研究需要進(jìn)行的臺(tái)車試驗(yàn)次數(shù)較多，為了在達(dá)到測(cè)試效果的同時(shí)避免對(duì)假人造成過度傷害，降低碰撞強(qiáng)度，采用某次30 km/h正面碰撞試驗(yàn)車身B柱底部位置x向加速度曲線。

為了減少試驗(yàn)次數(shù)，試驗(yàn)時(shí)在駕駛員側(cè)和乘員側(cè)分別放置假人，并通過可移動(dòng)的空調(diào)分別對(duì)2個(gè)假人身體附近吹風(fēng)，調(diào)節(jié)假人局部環(huán)境溫度。另外，為保證試驗(yàn)所用假人胸部滿足試驗(yàn)要求，試驗(yàn)前分別對(duì)2個(gè)假人的胸部進(jìn)行了低速標(biāo)定[4]。為了保證試驗(yàn)條件與正式試驗(yàn)條件盡可能接近，按照C-NCAP管理規(guī)則[5]規(guī)定的正面碰撞試驗(yàn)要求調(diào)節(jié)座椅、擺放假人和佩戴安全帶。正式試驗(yàn)中，要求假人在試驗(yàn)溫度下放置4 h，以保證胸腔溫度、肋骨上阻尼材料的溫度與環(huán)境溫度一致，利用置入假人胸腔內(nèi)的熱電偶測(cè)量胸腔溫度。假人坐姿和溫度測(cè)量方式如圖3所示。

圖3 臺(tái)車試驗(yàn)中假人坐姿和溫度測(cè)量方式

3.2 試驗(yàn)方案可行性分析

首次臺(tái)車試驗(yàn)后，取k=200 kN/m，分別計(jì)算出駕駛員側(cè)假人和乘員側(cè)假人的Fd，并分別將Fd時(shí)間曲線與FB時(shí)間曲線進(jìn)行比較，結(jié)果如圖4所示。

圖4中，2條曲線上升過程近似平行，安全帶開始限力后，F(xiàn)B和Fd取值接近，即此試驗(yàn)中k的取值合適，該結(jié)果符合文獻(xiàn)[2]的研究結(jié)論。需要指出的是，駕駛員位置的安全帶限力等級(jí)為4 kN，乘員側(cè)的安全帶限力等級(jí)為3.5 kN，但兩側(cè)k的取值相同，該結(jié)果表明，0.5 kN的安全帶力的變化對(duì)假人胸部剛度沒有影響。即，在重復(fù)試驗(yàn)中，安全帶肩帶力0.5 kN以內(nèi)的偏差會(huì)影響胸部壓縮變形量，但不影響假人胸部剛度。因此，可以確認(rèn)通過剛度研究溫度偏差對(duì)假人胸部壓縮變形量的影響，可排除重復(fù)試驗(yàn)中安全帶肩帶力一致性差異的影響，研究方案可行。

圖4 Fd時(shí)間曲線與FB時(shí)間曲線臺(tái)車試驗(yàn)結(jié)果

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)前述試驗(yàn)方法及條件進(jìn)行了7次臺(tái)車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，假人胸部剛度分布及其與溫度間的線性關(guān)系如圖5所示。

表1 臺(tái)車試驗(yàn)結(jié)果

圖5 假人胸部剛度分布及其與溫度的線性關(guān)系

由圖5可以看出，在溫度約為22 ℃時(shí)，假人胸部剛度基本維持在200～205 kN/m，這與文獻(xiàn)[2]的研究結(jié)果基本吻合。另外，當(dāng)溫度在21～26 ℃區(qū)間變化時(shí)，剛度變化無規(guī)律。只有當(dāng)溫度差值達(dá)10 ℃左右時(shí)，才表現(xiàn)出溫度越高剛度越低。該結(jié)果表明，當(dāng)溫度為22 ℃左右時(shí)，在各種試驗(yàn)條件產(chǎn)生的差異影響下，溫度對(duì)胸部剛度的影響不明顯。即，溫度在小范圍內(nèi)變化時(shí)進(jìn)行溫度對(duì)胸部壓縮變形量的影響研究不準(zhǔn)確。

進(jìn)一步分析剛度分布特性，圖5中，溫度越高，分布的胸部剛度與趨勢(shì)線越接近，線性關(guān)系越穩(wěn)定。另外，駕駛員側(cè)假人趨勢(shì)線與乘員側(cè)假人趨勢(shì)線非常接近，因此可以認(rèn)為在20～35 ℃范圍內(nèi)，假人胸部剛度與溫度之間存在穩(wěn)定的線性變化規(guī)律。

為了使假人胸部剛度與溫度的線性關(guān)系通用，應(yīng)推導(dǎo)出溫度與胸部剛度之間的關(guān)系式。為了保證推導(dǎo)結(jié)果的通用性，如圖6所示，將2個(gè)假人試驗(yàn)結(jié)果合并，擬合出胸部剛度k與溫度t之間的關(guān)系式：

圖6 假人胸部剛度與溫度的關(guān)系

3.4 溫度影響分析

當(dāng)前，基于安全考慮，各乘用車上配置的限力式安全帶在限力后肩帶力通常為3.5 kN、4 kN和4.5 kN，另外，法規(guī)中試驗(yàn)溫度范圍要求是20～22 ℃，因此，依據(jù)式（1），進(jìn)一步研究此條件下溫度對(duì)假人胸部壓縮變形量的影響。

不同肩帶力、不同溫度下由式（1）計(jì)算得到的剛度kv以及進(jìn)一步計(jì)算得到的胸部壓縮變形量dv、溫度每增加1 ℃時(shí)胸部變形量產(chǎn)生的差值Δd如表2所示。

表2 溫度偏差對(duì)胸部變形量產(chǎn)生的影響

由表2可知，在3.5～4.5 kN的作用下，20～22 ℃范圍內(nèi)，溫度變化的影響約為0.7 mm/℃。

另外，0.5 ℃左右溫度偏差產(chǎn)生的影響僅為0.35 mm，對(duì)C-NCAP評(píng)價(jià)的影響可以忽略，故此時(shí)試驗(yàn)可以考慮進(jìn)行。

3.5 研究結(jié)果的應(yīng)用探討

根據(jù)C-NCAP管理規(guī)則，在20～22 ℃范圍內(nèi)所進(jìn)行的正面碰撞試驗(yàn)均有效。因此，為了評(píng)估重復(fù)試驗(yàn)中胸部壓縮變形量可能產(chǎn)生的偏差，可以考慮在每次試驗(yàn)后，依據(jù)式（1）求出假人胸部壓縮變形量在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的上、下偏差，將試驗(yàn)結(jié)果以測(cè)量結(jié)果加公差的形式進(jìn)行表示。

例如，在試驗(yàn)溫度為21.5 ℃，安全帶肩帶力為4.5 kN的條件下由式（1）求得k=211 kN/m，d=21.3 mm。結(jié)合表2，當(dāng)t=20 ℃時(shí)，d=20.3 mm，則下偏差為-1.0 mm，當(dāng)t=22 ℃時(shí)，d=21.7 mm，則上偏差為+0.4 mm，最終試驗(yàn)結(jié)果可標(biāo)記為，其中A為試驗(yàn)測(cè)得假人胸部壓縮變形量。

需要強(qiáng)調(diào)的是，假人胸部剛度k是基于假人平動(dòng)狀態(tài)階段確定的，故此時(shí)給出的公差也是此階段胸部壓縮變形量受溫度偏差影響可能產(chǎn)生的偏差。當(dāng)碰撞后期假人上半身發(fā)生前撲時(shí)，假人胸部剛度會(huì)略有改變。

4 結(jié)束語

本文通過加速臺(tái)車試驗(yàn)研究了溫度偏差對(duì)50th假人胸部壓縮變形量的影響，指出在正面碰撞試驗(yàn)中，假人胸部剛度與溫度之間存在穩(wěn)定的線性關(guān)系，并推導(dǎo)出在3.5～4.5 kN的作用下，溫度在20～22 ℃之間變化時(shí)，溫度對(duì)胸部壓縮變形量的影響約為0.7 mm/℃，試驗(yàn)時(shí)溫度與目標(biāo)溫度有0.5 ℃左右的偏差可以忽略。