Q3假人頭部標(biāo)定試驗(yàn)影響因素探究

周鵬，胡經(jīng)國

中汽研汽車檢驗(yàn)中心(寧波)有限公司，浙江寧波 315336)

0 引言

汽車道路交通事故是造成兒童傷亡的主要因素之一。世界衛(wèi)生組織在2008 年發(fā)布的《世界預(yù)防兒童傷害報(bào)告》顯示：全世界每年大約有26 萬名兒童因交通事故喪生，并且造成約1 000萬名兒童受傷[1]。相較于歐美等發(fā)達(dá)國家，我國因交通事故死亡的兒童人數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國家，所以我國應(yīng)該重視兒童安全保護(hù)。兒童乘員汽車安全性研究中最重要的一個工具就是兒童假人，而Q系列的兒童假人是目前的新型假人，正在大范圍地逐步推廣使用。我國最新的2018年版C-NCAP中就規(guī)定了使用Q3兒童假人，用以考核乘員約束系統(tǒng)強(qiáng)度，涉及的指標(biāo)主要有頭部加速度、頸部力與力矩、胸部加速度、胸部壓縮量等。對于Q3假人而言，在試驗(yàn)前需對其頭部、頸部、胸部、腰椎、腹部進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。本文作者著重介紹了頭部標(biāo)定試驗(yàn)及其影響因素之間的關(guān)系。

Q3假人頭部跌落試驗(yàn)有兩個評價(jià)指標(biāo)：頭部合成加速度、側(cè)向加速度。影響假人頭部標(biāo)定的因素主要有標(biāo)定時間間隔、頭部角度、跌落高度、溫濕度等因素。本文作者通過對Q3假人頭部的大量標(biāo)定試驗(yàn)，對影響假人頭部標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果的因素做了較為全面的探究，總結(jié)了一些外部因素對標(biāo)定影響的規(guī)律，為今后的假人頭部標(biāo)定試驗(yàn)、生物力學(xué)響應(yīng)與損傷研究、試驗(yàn)假人坐姿研究等提供了參考。

1 標(biāo)定方法

根據(jù)Q3兒童假人標(biāo)定試驗(yàn)說明[2]進(jìn)行頭部標(biāo)定試驗(yàn)，共有兩種標(biāo)定試驗(yàn)類型，分別為頭部正面標(biāo)定試驗(yàn)和側(cè)面標(biāo)定試驗(yàn)。

頭部標(biāo)定試驗(yàn)的準(zhǔn)備和要求如下：

(1)待標(biāo)定頭部部件在測試前應(yīng)在測試環(huán)境中至少保存4 h，測試實(shí)驗(yàn)室應(yīng)控制環(huán)境溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(40±30)%。

(2)在頭部加速度計(jì)安裝塊上按要求安裝3個單軸加速度傳感器。

(3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和所有儀器必須符合SAE J211(1995年3月版)的要求。根據(jù)SAE J211(1995年3月版)，所有數(shù)據(jù)通道應(yīng)在A/D轉(zhuǎn)換之前使用硬件濾波器進(jìn)行濾波。

(4)對于Q3假人的頭部跌落試驗(yàn)，需要支撐和釋放機(jī)構(gòu)以及厚度至少為50 mm的鋼板，它將用作沖擊表面。該板應(yīng)類似于CFR 49第572部分Hybrid III頭部跌落試驗(yàn)中描述的鋼板，并且應(yīng)具有相同的粗糙度和尺寸。

(5)試驗(yàn)前應(yīng)保證皮膚和頭蓋骨材料清潔完好無破損，檢查所有螺釘是否已正確擰緊。

頭部正面標(biāo)定試驗(yàn)步驟如下：

(1)將頭部用專用鐵絲框定位懸掛在頭部標(biāo)定臺上。鐵絲框上有一塊鋼片，可以使用磁鐵將頭部固定到位，同時可以在任何方向輕松調(diào)整頭部。

(2)頭部的Z軸應(yīng)與水平面成28°±2°的角度，內(nèi)側(cè)-外側(cè)軸(Y軸)應(yīng)為水平，允許誤差±1°。釋放后，頭部應(yīng)該用前額撞擊表面。頭部的Z軸平行于顱骨帽平面，見圖1。

(3)頭部的最低點(diǎn)應(yīng)在沖擊面上方(130±1)mm處。

(4)松開頭部，使其自由跌落。

(5)頭部兩次標(biāo)定最短時間間隔不少于30 min。

圖1 頭部正面標(biāo)定試驗(yàn)示意

頭部正面標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果性能要求如下：

(1)最大合成加速度峰值應(yīng)在(95～125)g之間。

(2)Y方向的加速度應(yīng)在(-10～10)g之間。

頭部側(cè)面標(biāo)定試驗(yàn)的準(zhǔn)備和要求與正面標(biāo)定試驗(yàn)基本一致。

頭部側(cè)面標(biāo)定試驗(yàn)如圖2所示，其試驗(yàn)步驟如下：

(1)將頭部用專用鐵絲框定位懸掛在頭部標(biāo)定臺上。鐵絲框上有一塊鋼片，可以使用磁鐵將頭部固定到位，同時可以在任何方向輕松調(diào)整頭部。

(2)定位頭部，中間矢狀平面與水平軸成35°±2°的角度，并且前后軸是水平的，允許偏差±1°。這對應(yīng)于水平面和頭基面之間的角度為55°±2°，當(dāng)頭部跌落時，應(yīng)使假人頭部一側(cè)與沖擊表面進(jìn)行碰撞。

(3)頭部的最低點(diǎn)應(yīng)在沖擊面上方(130±1)mm處。

(4)松開頭部，使其自由跌落。

(5)頭部兩次標(biāo)定最短時間間隔不少于30 min。

頭部側(cè)面標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果性能要求如下：

(1)最大合成頭部加速度峰值應(yīng)在(100～130)g之間。

(2)X方向的加速度應(yīng)在(-20～20)g之間。

側(cè)面標(biāo)定試驗(yàn)分為左右側(cè)，所以需要左右側(cè)各做一次試驗(yàn)，標(biāo)定方法相同，只是方向相反。

圖2 頭部側(cè)面標(biāo)定試驗(yàn)示意

使用頭部標(biāo)定試驗(yàn)臺和相關(guān)測試設(shè)備對Q3假人按試驗(yàn)步驟進(jìn)行頭部標(biāo)定試驗(yàn)，分別進(jìn)行正面和左右側(cè)面的跌落試驗(yàn)，共計(jì)3次。用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集頭部三向加速度數(shù)值，并將3個方向的加速度數(shù)據(jù)用CFC1000濾波過濾產(chǎn)生相應(yīng)曲線，以此確定頭部合成加速度。其中頭部正面標(biāo)定試驗(yàn)如圖3(a)所示，頭部側(cè)面(左側(cè))標(biāo)定試驗(yàn)如圖3(b)所示。

圖3 假人頭部標(biāo)定試驗(yàn)

2 標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果以及影響因素分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

頭部正面和側(cè)面的標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果分別如圖4(a)(b)(c)所示。

圖4 頭部正面和側(cè)面的標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果

2.2 影響頭部標(biāo)定試驗(yàn)的因素

因?yàn)轭^部標(biāo)定有正面試驗(yàn)和側(cè)面(左、右)試驗(yàn)，側(cè)面標(biāo)定試驗(yàn)中左側(cè)和右側(cè)相一致，所以文中只考慮頭部左側(cè)標(biāo)定試驗(yàn)。在分析影響因素時，以正面標(biāo)定試驗(yàn)為主，而側(cè)面標(biāo)定試驗(yàn)用以驗(yàn)證結(jié)論。

2.2.1 標(biāo)定時間間隔

按照假人標(biāo)定要求，頭部連續(xù)標(biāo)定的時間間隔不得少于30 min。此次試驗(yàn)在同一環(huán)境下，采用相同標(biāo)定程序，對同一頭部進(jìn)行連續(xù)正面標(biāo)定試驗(yàn)，設(shè)定標(biāo)定試驗(yàn)間隔分別為5、10、20、30、40 min進(jìn)行5次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 正面標(biāo)定不同間隔試驗(yàn)結(jié)果

可以看到：曲線隨時間間隔整體的增加，斜率逐漸變小。所以可以得到的結(jié)論就是頭部合成加速度隨著連續(xù)標(biāo)定時間間隔的延長而逐漸減小，趨于平緩。這主要是因?yàn)橹谱髌つw的材料是由肖氏A硬度(Shore scleroscope hardness，HS)為40～50的聚氯乙烯制作完成[3]，而聚氯乙烯材料具有典型的黏性特性，在連續(xù)撞擊的過程中，撞擊部位的皮膚一直處于硬化的狀態(tài)，應(yīng)力來不及釋放，進(jìn)而使緩沖能力下降，推高合成加速度[4]。所以要保證同一頭部的連續(xù)標(biāo)定要有一定的時間間隔，按假人手冊要求為30 min以上，即為合理。

2.2.2 頭部角度

按標(biāo)定要求，做頭部正面跌落試驗(yàn)時，頭部的Z軸應(yīng)與水平面成28°±2°的角度，內(nèi)側(cè)-外側(cè)軸(即Y軸與水平面)應(yīng)為水平，誤差±1°。采用控制變量法，為探究頭部的Z軸與水平面所成角度對試驗(yàn)結(jié)果的影響，在同一試驗(yàn)環(huán)境下，對同一頭部分別調(diào)整Z軸與水平面成0°、15°、29°、45°、60°、75°、90°進(jìn)行試驗(yàn)，而內(nèi)側(cè)-外側(cè)軸保持水平，其試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 正面標(biāo)定不同頭部角度試驗(yàn)結(jié)果

可以看出：試驗(yàn)生成的合成加速度呈先減小后增大的趨勢。因?yàn)樵囼?yàn)要求的角度是28°±2°，而試驗(yàn)結(jié)果表明29°時合成加速度處于最小點(diǎn)，所以可以得出的結(jié)論是：在規(guī)定的頭部試驗(yàn)角度減小或者增大時都會導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果合成加速度變大。其中就文中涉及試驗(yàn)而言，根據(jù)曲線斜率得出小于10°或者大于67°都有可能超過規(guī)定合成加速度上限值。造成這個試驗(yàn)結(jié)果原因主要是因?yàn)镼3假人頭部是一個不規(guī)則的曲面，隨著角度的調(diào)整，頭部碰撞點(diǎn)不同，而且角度調(diào)整是在線性條件下，但是碰撞點(diǎn)位置改變不呈線性，所以得出了該曲線。圖7就是此次試驗(yàn)在不同角度下的碰撞點(diǎn)位置。

圖7 不同角度下的碰撞點(diǎn)位置

Y向加速度范圍作為標(biāo)定指標(biāo)，主要是考慮進(jìn)行頭部標(biāo)定試驗(yàn)時假人頭部和水平剛性平面接觸時關(guān)于ZX平面的受力是否對稱，即Y向上正負(fù)加速度是否足夠小。一般理想狀態(tài)下只要標(biāo)定試驗(yàn)操作正確，Y向加速度范圍都滿足標(biāo)定性能要求[5]。但是實(shí)際試驗(yàn)時總會有誤差出現(xiàn)，所以為探究Y軸與水平面所成角度對試驗(yàn)結(jié)果的影響，在同一試驗(yàn)環(huán)境下，對同一頭部分別調(diào)整Y軸與水平面所成角度為-5°、0°、1°、3°、5°進(jìn)行試驗(yàn)，而Z軸與水平面成29°保持不變。得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖8(a)、(b)所示。

圖8 Y軸偏角與頭部加速度關(guān)系

由圖8可見：在-5°～5°范圍內(nèi)隨Y軸與剛性平面夾角的增大，合成加速度峰值先增大后減小，Y軸側(cè)向加速度增大；在角度為0°和1°時，合成加速度峰值和側(cè)向加速度峰值都處于符合要求狀態(tài)；而角度增大到3°時，側(cè)向加速度明顯變大，波形出現(xiàn)異常，由正常的平穩(wěn)波動出現(xiàn)單峰振蕩，在-5°和5°時側(cè)向加速度更大，分別達(dá)到-16.74g和15.82g，超出了限值，波形變?yōu)閱畏宸钦袷帬顟B(tài)。

當(dāng)Y軸角度在規(guī)定范圍內(nèi)時，前額與剛性平面發(fā)生碰撞，由于碰撞平面較小，在碰撞時刻頭部會出現(xiàn)晃動，因而Y軸的加速度會出現(xiàn)振蕩的狀態(tài)，數(shù)值較?。浑S著Y軸與剛性平面角度的增大，碰撞平面會向顳骨偏移，加速度在Y軸上的分量也會增加，因而會出現(xiàn)Y軸加速度增大且波形呈單峰非振蕩的情況。當(dāng)Y軸偏角超過3°時，側(cè)向加速度峰值依然變大，但是由于波形出現(xiàn)了變化，導(dǎo)致了合成加速度的減小。通過試驗(yàn)可知，在Y軸偏角允許的±1°內(nèi)時，由于標(biāo)定過程的試驗(yàn)誤差也會使頭部加速度出現(xiàn)異常的狀態(tài)，所以在標(biāo)定過程中要嚴(yán)格按照試驗(yàn)步驟進(jìn)行，Y軸向要盡可能接近0°來避免和減小誤差。

2.2.3 跌落高度

標(biāo)定時頭部最低點(diǎn)距離剛性沖擊面(130±1)mm。此組試驗(yàn)將頭部高度分別調(diào)整為120、125、130、135、140 mm，進(jìn)行5次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 正面標(biāo)定不同頭部高度試驗(yàn)結(jié)果

可以看出：隨頭部跌落高度的升高，合成加速度逐漸增大，且曲線的斜率變大，說明試驗(yàn)高度越高，對試驗(yàn)結(jié)果的影響就越大，這與前文提到的頭部皮膚材料有關(guān)。跌落高度對于試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響，從此次試驗(yàn)結(jié)果看，高度在上下10 mm之間的浮動還是在合成加速度的上下限值之間，且基本呈線性變化。

2.2.4 溫度

標(biāo)定試驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)室應(yīng)控制環(huán)境溫度為(20±2)℃，相對濕度為(40±30)%。因濕度要求在10%～70%，范圍較大，所以文中不探究濕度的影響。設(shè)置低溫15.3 ℃、常溫21.2 ℃、高溫32.4 ℃三次試驗(yàn)，分別探究不同環(huán)境溫度對頭部標(biāo)定結(jié)果的影響。圖10是這組試驗(yàn)的結(jié)果。

可以看出：頭部合成加速度隨標(biāo)定環(huán)境溫度升高而減小。在低溫15.3 ℃和高溫32.4 ℃時合成加速度都接近臨界值，因?yàn)榈蜏丨h(huán)境下會使頭部皮膚硬化，所以頭部跌落時會導(dǎo)致合成加速度變大，而高溫環(huán)境剛好與之相反，皮膚變軟吸能效果變好，合成加速度變小。另外，頭部長時間在低溫環(huán)境下會使皮膚變硬，柔軟性能明顯下降，試驗(yàn)時必然會導(dǎo)致皮膚破裂；而長時間在高溫環(huán)境下時，皮膚變軟，會加速皮膚老化，大大縮短假人使用壽命[6]。因此假人無論是試驗(yàn)還是保存都應(yīng)在18～22 ℃的環(huán)境溫度下。

圖10 不同溫度下的試驗(yàn)結(jié)果

2.3 在頭部側(cè)面標(biāo)定試驗(yàn)上的驗(yàn)證

頭部側(cè)面標(biāo)定試驗(yàn)按上文正面標(biāo)定試驗(yàn)的探究方法進(jìn)行試驗(yàn)，即在標(biāo)定試驗(yàn)間隔、頭部角度、跌落高度和溫度條件下分別進(jìn)行試驗(yàn)，對其結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證，最終得到的結(jié)論是：Q3頭部側(cè)面標(biāo)定試驗(yàn)在不同影響因素條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)論與正面標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)論基本一致，所以側(cè)面標(biāo)定試驗(yàn)驗(yàn)證正面標(biāo)定試驗(yàn)的結(jié)論是成立的。

3 結(jié)論

文中針對標(biāo)定試驗(yàn)間隔、頭部角度、跌落高度、溫度4個因素分別對頭部標(biāo)定結(jié)果的影響進(jìn)行探究試驗(yàn)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可得：連續(xù)標(biāo)定時間間隔縮短會導(dǎo)致合成加速度增大，其合成加速度數(shù)值會隨著標(biāo)定間隔的延長而逐漸減小，趨于平緩，對結(jié)果影響較大，所以在標(biāo)定中要保證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的時間間隔(至少30 min)；規(guī)定的頭部正向角度(Z軸與水平面夾角)減小或者增大都會導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果合成加速度變大，側(cè)向角度(Y軸與水平面夾角)增大或者減小也會導(dǎo)致合成加速度突變，Y向加速度變大，對標(biāo)定結(jié)果影響較大，所以在試驗(yàn)中一定要準(zhǔn)確調(diào)整好兩個角度，使其在規(guī)定值上；跌落高度增加使頭部合成加速度變大，且高度越高影響越大；頭部合成加速度隨標(biāo)定環(huán)境溫度升高而減小，對結(jié)果影響較大，且高低溫環(huán)境對于頭部皮膚都有較大的損傷。