Q3假人腰椎標定試驗影響因素探究(1)

劉委坤 孟令旭 劉培偉 孟凡超

摘要：汽車碰撞假人是碰撞測試所用的重要設(shè)備，為了保證碰撞試驗數(shù)據(jù)準確的可靠性、穩(wěn)定性，定期標定、維護是主要手段。Q3 兒童假人在中國新車評價規(guī)程 2018 版中正式啟用，而其Q3 兒童假人腰椎標定在所有標定項目中成功率比較低。因此，對該假人腰椎標定各影響因素進行分析，并設(shè)計出正交試驗表，篩選出顯著影響因素蜂窩鋁孔數(shù)和擺錘碰撞速度，然后分析兩個因素對腰椎減速度、假人腰椎轉(zhuǎn)矩評價指標的具體影響，提高后續(xù)標定試驗，提高假人腰椎標定的成功率。

關(guān)鍵詞：Q3兒童假人、腰椎標定、影響因素

引言

研究表明，汽車碰撞兒童假人是用于研究碰撞過程中兒童損傷機理及評估汽車對兒童保護能力的重要工具。在正面碰撞事故中，兒童腰椎受傷極為嚴重，約 30%～40% 的兒童損傷發(fā)生在腰部。因此為了保證碰撞試驗數(shù)據(jù)的準確性，對假人日常的維護與標定成為重要的組成部分，假人標定試驗是保證汽車假人生物力學(xué)性能的主要措施，用以保持良好的響應(yīng)，確保試驗數(shù)據(jù)的可靠性。根據(jù)中國新車評價規(guī)（C-NCAP）2018 版規(guī)定，CRS 評價試驗中，會使用 Q3 假人的傷害值來評價標準[1]。2013年歐洲經(jīng)濟委員會（ECE）開始對兒童安全法規(guī)進行修改，Q系列兒童假人在新的法規(guī)中被提出用以替換以往使用的P系列兒童假人。因此本文以 Q3 兒童假人為研究對象，重點研究其腰椎標定試驗，分析試驗的影響因素，運用試驗設(shè)計（DOE）方法，實施合理的試驗方案，得到一定量的試驗數(shù)據(jù)結(jié)果;然后通過積分二次曲面優(yōu)化法，找出標定試驗數(shù)據(jù)輸入與輸出的非線性對應(yīng)關(guān)系，從而繼續(xù)運用多元二次回歸方程來擬合眾多影響因子與輸出之間的函數(shù)。尋找最優(yōu)系數(shù)，以提高標定試驗的成功率，減少人力、物力、財力的資源浪費[2]。

標定試驗

2.1 Q3 假人腰椎結(jié)構(gòu)

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

隨著反復(fù)碰撞試驗帶來的傷害以及時間的累積，假人腰椎材質(zhì)會變化，其動態(tài)響應(yīng)也在發(fā)生變化，為了檢查假人并保證假人腰椎良好的生物力學(xué)性，從而保證試驗的準確性，故而需要對其按時標定[3]。

2.2 Q3 假人腰椎標定

目前為止，Q3 假人腰椎標定方法是按照Humantics 假人公司提供的手冊進行標定。具體方法為：將濕度控制在 10%～70%，溫度控制在 18～ 22 ℃環(huán)境條件下，將Q3 兒童假人腰椎安裝在擺臂上，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ATD 數(shù)采軟件進行采集，得到碰撞過程中的數(shù)據(jù)，從而評判假人腰椎的生物力學(xué)性能，如圖 2 所示：

Q3 假人腰椎在標定時需要進行正面碰撞、側(cè)面碰撞兩種類型，共需要進行腰椎正面彎曲、左側(cè)、右側(cè) 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。

由于Q3 假人腰椎正面碰撞和側(cè)面碰撞標定試驗，評價指標要求一樣，限于篇幅本文以假人腰椎彎曲試驗作為試驗對象進行研究[4]。

2.3 試驗設(shè)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）， 研究其對腰椎標定的影響。

3.試驗結(jié)果

本文參照正交設(shè)計表L9（34）進行試驗設(shè)計，共進行 9 次試驗，試驗結(jié)果如表 3 所示。限于篇幅本文以假人腰椎彎曲試驗作為試驗對象進行研究[5]。

從圖 3—圖 5 均值主效應(yīng)圖可知，各影響因素對腰椎減速度的影響重要程度依次為蜂窩鋁孔的個數(shù)、擺錘碰撞時的速度、溫度、時間間隔。其中，溫度和時間間隔兩個影響因子影響較小，因此可認為這兩個影響因素對腰椎減速度的影響并不明顯。

10ms、20ms、30ms3 個時刻，代表擺錘撞擊蜂窩鋁并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腰椎減速度逐漸變大的過程[6]。

為進一步探究，蜂窩鋁孔個數(shù)和擺錘撞擊速度對這 3 個時刻的影響，將其中一個影響因子作為定值，另一個影響因子作為試驗變量。

3.1不同擺錘碰撞速度對腰椎減速度的影響

選擇標定試驗序號第1、第4、第7 ，3次試驗，對應(yīng)的擺錘速度分別為4.3、4.4、4.5m/s，而3次試驗的蜂窩鋁孔個數(shù)為定值為16，試驗結(jié)果如圖6所示。

從圖 3—圖 5 均值主效應(yīng)圖可知，各影響因素對腰椎減速度的影響重要程度依次為蜂窩鋁孔的個數(shù)、擺錘碰撞時的速度、溫度、時間間隔。其中，溫度和時間間隔兩個影響因子影響較小，因此可認為這兩個影響因素對腰椎減速度的影響并不明顯[7]。

10ms、20ms、30ms3 個時刻，代表擺錘撞擊蜂窩鋁并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腰椎減速度逐漸變大的過程。為進一步探究，蜂窩鋁孔個數(shù)和擺錘撞擊速度對這 3 個時刻的影響，將其中一個影響因子作為定值，另一個影響因子作為試驗變量。

3.2不同擺錘碰撞速度對腰椎減速度的影響

選擇標定試驗序號第1、第4、第7 ，3次試驗，對應(yīng)的擺錘速度分別為4.3、4.4、4.5m/s，而3次試驗的蜂窩鋁孔個數(shù)為定值為

16，試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6中，藍色線對應(yīng)4.5m/s、紫色線代表4.4m/s、綠色線代表4.3m/s、10、20、30m/s時刻處的3條短豎線分別表示撞擊時腰椎減速度在該時刻處的數(shù)值區(qū)間，超出相應(yīng)區(qū)間，意味著標定試驗失敗。圖 6 中的 3 條撞擊時腰椎減速度曲線在前 30ms 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(guān)。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(dǎo)致撞擊時腰椎的減速度值在10、20、30ms 3 個時刻數(shù)值相應(yīng)增加，但是增加量并不很大，這也與試驗條件設(shè)置有關(guān)[8]。

在蜂窩鋁相同的情況下，擺錘碰撞速度小范圍地變化，不會對撞擊時腰椎減速度在 10、20、30ms 時刻的數(shù)值造成嚴重影響;相反在后續(xù)的標定過程中，如果撞擊時減速度在3個時刻點有略微超出范圍，可以通過稍微調(diào)節(jié)擺錘碰撞時的速度，調(diào)節(jié)不宜過大，使其滿足要求，但是前提是稍微調(diào)節(jié)后擺錘碰撞時速度須在要求規(guī)定的范圍內(nèi)即 4.3～4.5m/s。

3.3不同蜂窩鋁孔個數(shù)對腰椎減速度的影響

選擇試驗序號第4、第5、第6三次試驗，對應(yīng)蜂窩鋁孔個數(shù)分別為14、16、18，而3次試驗的擺錘碰撞速度為4.4m/s，試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7中，藍色線對應(yīng)孔數(shù)為14、紫色線代表孔數(shù)為16、綠色線代表孔數(shù)為18、 10、20、30ms時刻處的3條短豎直線也是規(guī)定的腰椎減速度區(qū)間范圍。圖 7 中的 3 條腰椎減速度曲線在前 30ms 雖然也都接近直線，但是有著明顯的分層;蜂窩鋁孔數(shù)越多撞擊時的腰椎減速度在 10、20、30ms 的數(shù)值也越大，而且蜂窩鋁孔個數(shù)為 18 的曲線在 30ms 時刻的數(shù)值幾乎超出要求的范圍[9]。

這是因為蜂窩鋁孔數(shù)增多，導(dǎo)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(dǎo)致撞擊時腰椎減速度也隨著快速增加，最終反映在 10、20、30ms 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。

4 結(jié)論

根據(jù)試驗結(jié)果分析可得： 連續(xù)標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，所以在標定中要保證標 準規(guī)定的時間間隔 （ 至少 30 min） ;減小或者增大都會導(dǎo)致試驗結(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，對標定結(jié)果影響較大，所以在試驗中一定要準確調(diào)整好兩個角度，使其在規(guī)定值上; 跌落高度增加使腰椎合成加速度變大，且高度越高影響越大; 腰椎合成加速度隨標定環(huán)境溫度升高而減小，對結(jié)果影響較大，且高低溫環(huán)境對于腰椎標定都有一定的關(guān)系。

本文先是對Q3 假人的腰椎結(jié)構(gòu)和腰椎標定判定指標進行詳細介紹，然后對 4 個影響因子三水平設(shè)計出正交試驗表L9 來確定各影響因子對假人腰椎評價指標的重要程度，并得出重要程度分布。

通過正交試驗分析得到，蜂窩鋁孔個數(shù)和擺錘碰撞撞擊速度為顯著影響因子，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腰椎標定的每個評價指標單獨進行研究，分析其影響機理，并更好地開展后續(xù)標定工作。

蜂窩鋁孔個數(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，因而會使得假人腰椎減速度在 10、20、30 ms 時刻的數(shù)值明顯增大，使假人腰部轉(zhuǎn)角 D-P 峰值顯著增加，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、30ms 時刻的數(shù)值有增加趨勢，但變化并不特別顯著， 假人腰椎轉(zhuǎn)角D-P 峰值增加，但是各指標達到峰值的時刻變化并不明顯。

參考文獻

[1] 中國汽車技術(shù)研究中心. C-NCAP 管理規(guī)則（2018 年 版 ）[EB/OL]. [2018-10-15]. http ： //www. c-ncap. org/cms/files/cncap-regulation-2018. pdf.

[2] 正面碰撞試驗中假人頭部及胸部受力分析方法的研究與應(yīng)用[J]. 商恩義，張君媛，楊斌，張慧云.汽車技術(shù).2010（10）

[3]汽車碰撞試驗假人皮膚材料的參數(shù)研究[J]. 曹立波，華歆，張冠軍，張愷.汽車安全與節(jié)能學(xué)報. 2014（03）

[4] 王凱，李向榮，朱海濤，等. Hybrid Ⅲ 50 百分位假 人胸部低撞擊標定研究 [J]. 汽車工程， 2009 ， 31（12）：1123-1125.

[5] World Health Organization.Youth and road safety[R/OL].http： / / whqlibdoc.who.int/publications/2007 /9241595116_eng.pdf，2007.

[6] First Technology Safety Systems Inc. Q3 （ Advanced 3 year old child） user manual[Z]，2016

[7]汽車碰撞安全[M]. 人民交通出版社股份有限公司 ， 水野幸治， 2016

[8]汽車兒童乘員碰撞傷害與防護[M]. 清華大學(xué)出版社 ， 張金換， 2015

[9]碰撞用50百分位假人胸部標定系統(tǒng)研究[D]. 王鵬.吉林大學(xué) 2015