WorldSID 50th假人整體式和分體式胸部墊片的比對分析

朱曉勇 陳亞依 丁冉冉 周鵬

摘 要：為深入了解WorldSID 50th假人整體式和分體式胸部墊片結(jié)構(gòu)性能的差異，在相同沖擊工況下分別對配備兩種墊片的WorldSID 50th假人的胸部和腹部進行沖擊，分析假人各部位的響應(yīng)特性。結(jié)果表明：在相同沖擊條件下，配備分體式墊片的假人所受到的沖擊力較小，所產(chǎn)生的胸腹部位移較大，使假人的受力響應(yīng)更集中于受力的區(qū)域附近，力及加速度的傳遞方面會有所削弱，但總體的差異不大。此研究中針對WorldSID 50th假人整體式和分體式墊片在相同沖擊工況下的研究和分析，為后期WorldSID 50th假人胸部墊片的改良和選擇提供了基礎(chǔ)，具有一定的指導意義。

關(guān)鍵詞：汽車安全;WorldSID 50th;假人標定;胸部墊片

Abstract： In order to deeply understand the difference of structural performance between 1-piece pad and split pad of the WorldSID 50th dummy， the thorax of the WorldSID 50th dummy equipped with two kinds of pads were impacted respectively under the same impact condition， and the response characteristics of various parts of the dummy were analyzed. The results show that under the same impact condition， the dummy equipped with 1-piecepad receives less impact force and produces larger thorax and abdomendisplacement， which makes the stress response of the dummy more concentrated in the vicinity of the stress area and weakens the transmission of force and acceleration， but the overall difference is not big. The research and analysis of the 1-piece pad and split pad of the WorldSID 50th dummy under the same impact conditions provide a basis for the laterimprovement and selection of it， and have some guiding significance.

Keywords： Car Safety; WorldSID 50th; Dummy Calibration; Thorax Pad

前言

1 研究背景介紹

1.1 WorldSID 50th假人的研究意義

在碰撞試驗中，碰撞假人是一件重要且易損的工具。由于碰撞假人造價高昂，碰撞過程中假人配件的損壞具有不可控性，而配件購買周期較長。因此，在不影響假人性能的情況下改良易損件，降低假人易損件在碰撞過程中的損壞概率對降低碰撞試驗的成本，提高假人的使用效率有著極其重要的意義。

2015年，歐盟新車認證程序/中心（European New Car Assessment Programme，Euro-NCAP）的側(cè)面可移動變形壁障碰撞工況和斜柱撞都采用了WorldSID 50th假人[1][2]。中國新車評價規(guī)程（China New Car Assessment Program，C- NCAP）自2018版開始，其中的可變形移動壁障側(cè)面碰撞工況也采用了WorldSID 50th假人[3]。而由國內(nèi)安全標準委員會最新制定的2019版?zhèn)让嬷鲎驳某藛T保護推薦性標準法規(guī)，也采用WorldSID 50th假人與ES-2re假人來進行側(cè)面柱碰撞的傷害評價[4]。由此可見，WorldSID 50th假人的應(yīng)用已成為國內(nèi)碰撞安全項目開發(fā)試驗中的必不可少的內(nèi)容。

1.2 WorldSID 50th假人胸部墊片研究背景

為了降低WorldSID 50th假人易損件——假人胸部墊片在碰撞過程中的損壞概率，降低碰撞試驗的成本，提高假人的使用效率，NHTSA提出了對分體式墊片的研究，并進行了推薦。本研究為了深入了解WorldSID 50th假人整體式和分體式胸部墊片性能結(jié)構(gòu)的差異，收集了NHTSA做的相關(guān)試驗數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)進行規(guī)律性分析，直觀地顯示出兩種海綿墊片對假人響應(yīng)的影響。

2 WorldSID 50th假人整體式和分體式墊片的優(yōu)缺點

WorldSID 50th假人的發(fā)展歷史可以追溯到1997年，他的設(shè)計目標是提高碰撞中應(yīng)用的假人的仿真等級。而在碰撞過程中，WorldSID 50th假人的部分部件相對其他假人較易損壞，其中就有假人胸部墊片。

現(xiàn)在WorldSID 50th假人廠家標配的胸部墊片都是整體式的，如圖1所示，這種整體式墊片的特點是在整塊墊片的兩側(cè)各開了四個孔供塑料搭扣通過這些孔將其固定到假人身上。優(yōu)點是：整體式墊片對碰撞力的傳導效果更好，更貼合人體的情況，仿真程度更高。它的缺點也很明顯，由于它是整體式的，在碰撞過程中由于假人肋骨間的獨立移動，極易在肋骨間產(chǎn)生撕裂傷，如圖1所示。而兩側(cè)孔的位置也容易因拉扯而裂開，對它的使用產(chǎn)生影響。分體式墊片，如圖1所示，它的特點是一塊塊分別與肋骨粘合，將肋骨間的位移空間留出，避免了因位移造成的墊片的撕裂，而取消了墊片兩側(cè)開孔也能避免因孔位撕裂而造成的墊片損傷。

3 試驗大綱介紹

本文的比對試驗數(shù)據(jù)由NHTSA提供[5]。在此次比對試驗中，研究內(nèi)容主要分兩部分：一部分研究在相同沖擊工況下配備不同種類胸部墊片的假人各部位的響應(yīng)特性，另一部分研究分體式墊片在碰撞過程中響應(yīng)的一致性情況。

本次比對試驗主要從假人的標定工況著手，在相同沖擊工況下，根據(jù)配備不同種類胸部墊片假人的各部位響應(yīng)特性來深入分析整體式和分體式胸部墊片對假人響應(yīng)特性的影響。

假人的標定是指假人用于整車碰撞試驗之前，需對假人的各個部位通過指定的試驗方法，考察它們在規(guī)定試驗條件下內(nèi)部傳感器測得的加速度，力值和位移變形量是否在設(shè)計值范圍內(nèi)。只有所有標定的參數(shù)保持在設(shè)計范圍內(nèi)的假人才可以用于整車碰撞試驗[6]。

NHTSA利用擺錘沖擊標定試驗，對WorldSID 50th假人的胸部和腹部進行沖擊，試驗分兩個對照組，分別為配備整體式墊片和分體式墊片的假人。胸部沖擊試驗時的擺錘速度為4.30m/s，室內(nèi)溫度在21.1°到21.8°之間，室內(nèi)濕度在26.3%到38.6%之間。腹部沖擊試驗時的擺錘速度為4.31m/s，室內(nèi)溫度在20.6°到21.4°之間，室內(nèi)濕度在24.4%到30.3%之間。試驗時采集擺錘的速度，擺錘力峰值，胸部和腹部肋骨的最大位移，假人T4和T12區(qū)域Y向的最大加速度。

4 關(guān)于整體式和分體式胸部墊片比對試驗的數(shù)據(jù)比較

鑒于胸部墊片的安裝位置為假人的胸部及腹部，在此僅對于側(cè)面碰撞假人性能影響較大的胸部和腹部進行規(guī)律性分析。在標定工況的基礎(chǔ)上，通過撞擊分別安裝整體式和分體式胸部墊片的假人，分析兩種墊片在相同沖擊工況下的響應(yīng)特性，考察兩種墊片對假人響應(yīng)特性的影響。

4.1 胸部沖擊性能

針對假人的胸部進行沖擊試驗時，將假人撞擊側(cè)的手臂升高到垂直位置或綁在頭部側(cè)面，以便給擺錘撞擊留出更多空間。試驗時采用質(zhì)量為23.4kg，錘面直徑為152.4mm的擺錘。當擺錘處于最低位置時，鐘擺的中心線與胸部中肋骨的中心線對齊，并與假人接觸[7]。試驗后采集撞擊過程中的沖擊速度（m/s）、最大擺錘力（kN）、胸部（T1、T2、T3）的最大位移（mm）、T4和T12處的最大加速度，如圖2所示。

按照上述實驗方案進行6次配備整體式和6次配備分體式墊片的胸部沖擊試驗。分析這六組數(shù)據(jù)，胸部沖擊的變異系數(shù)均在8%以內(nèi)，均為有效數(shù)據(jù)。其中，變異系數(shù)為標準差與平均數(shù)的比值，在進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析時，如果變異系數(shù)大于15%，則要考慮該數(shù)據(jù)可能不正常，應(yīng)該剔除。 比較這六組數(shù)據(jù)，從下圖3可以看出，整體式和分體式胸部墊片對假人響應(yīng)特性的影響存在的趨勢和規(guī)律如下：

（1）通過比對試驗數(shù)據(jù)和假人測試要求，可以看出新型的分體式墊片能滿足WorldSID 50th假人標定程序中的胸部標定的需求。

（2）在相同的胸部沖擊下，配備分體式墊片的假人所受到的沖擊力要小于配備整體式墊片的假人，差異在5%左右， 所產(chǎn)生的胸部位移響應(yīng)要大于配備整體式墊片的假人，差異在6%左右。

（3）配備分體式墊片的假人受到胸部沖擊時胸部位移量的一致性要優(yōu)于配備整體式墊片的假人。而在T4、T12區(qū)域的最大加速度響應(yīng)方面，配備整體式墊片的假人的一致性更好。

（4）在相同的胸部沖擊時，配備分體式墊片的假人在T4產(chǎn)生對的加速度響應(yīng)要大于配備整體式墊片的假人，差異在6%左右，在T12產(chǎn)生的加速度響應(yīng)要小于配備整體式墊片的假人，差異在5%～8%左右。即分體式的海綿墊片會使假人的受力響應(yīng)更集中于受力的區(qū)域附近，力及加速度的傳遞方面會有所削弱。

4.2 腹部沖擊性能

針對假人的腹部進行沖擊試驗時，將假人手臂放置于水平或處于驅(qū)動姿勢。試驗時采用質(zhì)量為23.4kg，錘面直徑為152.4mm的擺錘。并在擺錘表面增加塑料塊模擬車輛扶手，該扶手的中心與兩個腹部肋骨的中間對齊并平行，并且當鐘擺懸在最低點時與假人接觸，如圖4所示。

試驗后采集撞擊過程中的沖擊速度（m/s）、最大擺錘力（kN）、腹部（A1、A2）的最大位移（mm）和T12處的最大加速度。

共進行6組腹部沖擊的比對試驗，比較這六組數(shù)據(jù)，從圖5可以看出，整體式和分體式墊片對假人響應(yīng)特性的影響存在的趨勢和規(guī)律如下：

在相同的腹部沖擊下，配備分體式墊片的假人所受到的沖擊力要小于配備整體式墊片的假人，差異在3%左右，所產(chǎn)生的胸部位移響應(yīng)要大于配備整體式墊片的假人，差異在4%左右，在T12產(chǎn)生對的加速度響應(yīng)要小于配備整體式墊片的假人，差異在4%左右。與胸部沖擊的響應(yīng)特征一致，即分體式墊片會使假人的受力響應(yīng)更集中于受力的區(qū)域附近，力及加速度的傳遞方面會有所削弱。

5 分體式墊片性能一致性試驗的數(shù)據(jù)比較

取兩塊分體式墊片分別安裝在假人上，在標定工況的基礎(chǔ)上進行腹部沖擊，通過比對兩塊分體式墊片數(shù)據(jù)的區(qū)別，分析分體式墊片在相同沖擊工況下的響應(yīng)一致性。

比較這九組數(shù)據(jù)，如圖6所示，其中1.1～1.6用的是同一塊分體式海綿墊片，2.1～2.3用的是同一塊分體式海綿墊片。從下圖可以看出，兩塊分體式海綿墊片具有較好的一致性，各指標的變異系數(shù)均在1%以內(nèi)。

6 結(jié)論

本研究針對WorldSID 50th假人胸部墊片整體式和分體式性能結(jié)構(gòu)的差異，在標定工況的基礎(chǔ)上，分別對假人的胸部和腹部進行沖擊，并分析整體式和分體式墊片對假人響應(yīng)特性的影響。同時，通過比對相同工況下兩塊不同的分體式墊片的響應(yīng)特性來分析分體式墊片數(shù)據(jù)的一致性情況。從分析結(jié)果來看，WorldSID 50th假人分體式墊片與整體式墊片相比，總體的規(guī)律和趨勢如下：

（1）配備分體式墊片的假人所受到的沖擊力要小于配備整體式墊片的假人，所產(chǎn)生的胸部位移響應(yīng)要大于配備整體式墊片的假人，但不是特別明顯。

（2）分體式墊片會使假人的受力響應(yīng)更集中于受力的區(qū)域附近，力及加速度的傳遞方面會有所削弱。

（3）分體式墊片在沖擊響應(yīng)方面具有良好的一致性

通過上述分析，可以對分體式墊片的響應(yīng)特性有基本的了解;通過WorldSID 50th假人整體式墊片和分體式墊片性能的比對和分析，為后期WorldSID 50th假人胸部墊片的改良和選擇提供了研究基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

參考文獻

[1] Euro NCAP Side Impact Mobile Deformable Barrier Testing Pro -tocol， Version7.1.1.

[2] Euro NCAP Oblique Pole Side Impact Testing Protocol，Version7.0.2.

[3] 中國汽車技術(shù)研究中心，C-NCAP管理規(guī)則（2018版）.

[4] GB∕T 37337-2019 汽車側(cè)面柱碰撞的乘員保護.

[5] WorldSID 50th Male Split Thorax Pad Investigation，NHTSA-VRTC 18-Apr-18.

[6] 周會鋒，李碧浩，王大志，WorldSID 50th假人與ES-2假人的性能比對分析，汽車安全與節(jié)能學報，第8卷第3期，2017.

[7] Humanetics，WorldSID 50th User Manual.