aPLI沖擊器動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法研究

陳澎　楊康特

摘 要：隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)安全領(lǐng)域的不斷發(fā)展，汽車(chē)行人保護(hù)的概念逐漸被消費(fèi)者了解，并受到了越來(lái)越多的關(guān)注，一種新型的aPLI沖擊器開(kāi)始參與試驗(yàn)評(píng)估。該沖擊器與現(xiàn)有柔性腿型沖擊器有較大區(qū)別，標(biāo)定方法及評(píng)價(jià)區(qū)間也有不同之處，更高精確度的標(biāo)定能夠更好的反應(yīng)沖擊器的真實(shí)狀況，但是國(guó)內(nèi)使用該沖擊器的經(jīng)驗(yàn)不夠豐富，本文通過(guò)拆解介紹了aPLI沖擊器的結(jié)構(gòu)，展示了其工作原理，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求與試驗(yàn)室環(huán)境得出了一套基于現(xiàn)有條件對(duì)aPLI沖擊器進(jìn)行標(biāo)定的實(shí)操方法，結(jié)合標(biāo)定結(jié)果與參考標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)試驗(yàn)的有效性，通過(guò)多次標(biāo)定進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對(duì)一些試驗(yàn)中的注意事項(xiàng)進(jìn)行總結(jié)，為其他試驗(yàn)室開(kāi)展該沖擊器標(biāo)定試驗(yàn)提供參考。

關(guān)鍵詞：aPLI沖擊器 動(dòng)態(tài)沖擊 標(biāo)定方法

1 引言

汽車(chē)安全性能的測(cè)試往往依靠行人機(jī)械模型，假人機(jī)械的測(cè)試結(jié)果可以影響EEVC、GTR以及NCAP等安全法規(guī)的制定。主要的安全性能測(cè)試方法是使用部件測(cè)試，即用下肢沖擊器與實(shí)車(chē)碰撞來(lái)測(cè)量汽車(chē)的保護(hù)性能[1]。在我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程中，道路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及相關(guān)法律法規(guī)的制定和實(shí)施未能及時(shí)同步匹配汽車(chē)保有量增長(zhǎng)速度，加之以我國(guó)龐大的人口基數(shù)，使得人車(chē)混行道路大量存在，行人交通事故發(fā)生頻率同比發(fā)達(dá)國(guó)家居高不下[2]。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，行人的下肢損傷占受傷總數(shù)的32.8%，具有較高風(fēng)險(xiǎn)[3]。

aPLI沖擊器常用于汽車(chē)對(duì)行人保護(hù)的相關(guān)試驗(yàn)，相較于目前國(guó)內(nèi)主流的Flex-PLI沖擊器，具有重新設(shè)計(jì)的膝部組件、肌肉、簡(jiǎn)化以代表人體軀干的上半身部分，并針對(duì)內(nèi)部電路進(jìn)行升級(jí)，更加了豐富的評(píng)價(jià)內(nèi)容也使得其內(nèi)部構(gòu)造更復(fù)雜，提升了日常維護(hù)難度，也對(duì)標(biāo)定工作提出了新的要求。

在2021版C-NCAP管理規(guī)則[4]中對(duì)aPLI沖擊器的標(biāo)定有了明確的要求，對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)中的速度、溫度、撞擊位置等主要影響因素有了更高要求。本文介紹采用了高精度的專(zhuān)用試驗(yàn)臺(tái)架，在滿(mǎn)足標(biāo)定要求的條件下進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。由于采用了專(zhuān)用懸掛系統(tǒng)，可以保證沖擊角度和撞擊位置的一致性，因此本文主要介紹針對(duì)標(biāo)定技術(shù)要求內(nèi)，不同影響因素對(duì)標(biāo)定結(jié)果的影響情況。

研究標(biāo)定方法前需要對(duì)沖擊器有比較完整的了解，首先將aPLI沖擊器進(jìn)行拆解及介紹，對(duì)其主要傳感器布置位置有清晰的認(rèn)識(shí)，并做好腿型保護(hù)措施。

2 aPLI沖擊器的介紹

2.1 整體介紹

aPLI沖擊器總重24.7kg±0.3kg，由皮膚（Skin）、肌肉（Moulded Flesh）、大腿（Femur）、小腿（Tibia）、膝部（Knee）、上體模塊（SUBP）等組成。其中上體模塊中布置有數(shù)據(jù)采集模塊等關(guān)鍵部件，用于采集腿型彎矩、位移、轉(zhuǎn)速、加速度等各項(xiàng)傳感器響應(yīng)數(shù)值。

2.2 總成介紹

拆解的總成如圖1所示，膝關(guān)節(jié)總成上下可插入Femur和Tibia總成，每個(gè)總成沖擊的正反兩面用螺栓緊固及定位，發(fā)生沖擊測(cè)試時(shí)，F(xiàn)emur和Tibia總成上承受彎矩，發(fā)生彎曲變形，總成內(nèi)部腿骨上的應(yīng)變片響應(yīng)實(shí)時(shí)信息，傳輸并記錄到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，在膝關(guān)節(jié)總成中內(nèi)置3根拉線(xiàn)位移傳感器（ACL、MCL、PCL），用于模擬韌帶拉伸量，較好的實(shí)現(xiàn)了人體受到車(chē)輛撞擊時(shí)膝部韌帶變化的過(guò)程。

2.3 與柔性腿型Flex-PLI對(duì)比

aPLI沖擊器質(zhì)量在Flex-PLI的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，總體質(zhì)量由Flex-PLI的13.2kg升級(jí)到aPLI的24.7kg，總長(zhǎng)度由928mm增加到1096mm。其中Femur總成部分增加了上體配重模塊的固定套件，F(xiàn)emur腿骨傳感器寬度相對(duì)于Flex-PLI增加了22.5%，以抵抗更大強(qiáng)度的彎矩變形;Knee總成部分結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，與Flex-PLI相比，最大的改進(jìn)有兩點(diǎn)：股骨髖與半月板的連接方式由平行六面體改進(jìn)為橢圓形，避免側(cè)向碰撞時(shí)，韌帶伸長(zhǎng)量突增的情況;韌帶布置方式更接近人體膝部，各韌帶伸長(zhǎng)量的測(cè)試結(jié)果也更準(zhǔn)確，韌帶延伸量傳感器由Flex-PLI的ACL、LCL、MCL、PCL平行及十字交叉布置方式轉(zhuǎn)變成aPLI的平行方式，并取消了LCL傳感器。

2.4 小結(jié)

因aPLI沖擊器相對(duì)于Flex-PLI沖擊器增加了近一倍的質(zhì)量，相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備就需要提供更高的發(fā)射能量來(lái)保證腿型試驗(yàn)的正常測(cè)試需求;因aPLI沖擊器重量分布不一致特點(diǎn)，試驗(yàn)測(cè)試時(shí)需要腿型的非沖擊面與設(shè)備的發(fā)射推手有足夠的接觸支撐位置，以減小彎矩誤差;因aPLI沖擊器上體模塊有可旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，試驗(yàn)時(shí)需要注意每次拔除固定卡銷(xiāo)，以免測(cè)試失效等。

3 動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)方法介紹

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，aPLI沖擊器每使用20次需要重新標(biāo)定，若超過(guò)一年未使用也應(yīng)當(dāng)重新標(biāo)定方可投入使用。此外若有試驗(yàn)傷害值超過(guò)對(duì)應(yīng)CAC響應(yīng)值時(shí)同樣需要標(biāo)定再使用，若出現(xiàn)傳感器維修，更換腿型零件等工作后也同樣需要重新標(biāo)定。

aPLI沖擊器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定主要分為膝部中心位置沖擊和膝部向上120mm位置沖擊兩種，一次完整的動(dòng)態(tài)標(biāo)定應(yīng)當(dāng)包含這兩種沖擊的標(biāo)定結(jié)果均滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)通道的Corridors限值。

動(dòng)態(tài)沖擊的方法如圖2所示。

標(biāo)定試驗(yàn)前確認(rèn)好各項(xiàng)工作已準(zhǔn)備就緒，通過(guò)以11.1m/s±0.2m/s的發(fā)射速度發(fā)射導(dǎo)向滑車(chē)撞擊沖擊器，滑車(chē)前端固定有吸能蜂窩鋁，撞擊時(shí)頂部掛鉤裝置需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)脫開(kāi)，以減小懸掛裝置在測(cè)試過(guò)程中對(duì)沖擊器的影響，使其更接近于自由飛行狀態(tài)，位于上體模塊的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在沖擊器自由飛行過(guò)程中記錄實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)，最后沖擊器回落到保護(hù)裝置中。

4 基于標(biāo)定結(jié)果對(duì)試驗(yàn)方法的分析

撞擊結(jié)束后連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀取DAS內(nèi)記錄的各項(xiàng)傳感器信息，數(shù)據(jù)截取應(yīng)從沖擊時(shí)刻開(kāi)始，60ms時(shí)間內(nèi)取得，并觀(guān)察傳感器曲線(xiàn)狀態(tài)，無(wú)異常曲線(xiàn)該數(shù)據(jù)才能視為有效。如圖3所示：

觀(guān)察數(shù)據(jù)，彎矩和伸長(zhǎng)量取第一接觸時(shí)刻后的第一個(gè)波峰值為本次沖擊的試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)比較標(biāo)準(zhǔn)要求的限值來(lái)判定本次標(biāo)定的結(jié)果，若結(jié)果未通過(guò)則需要分析其原因，再次標(biāo)定通過(guò)后可繼續(xù)投入使用。

由于試驗(yàn)過(guò)程中操作手法的不同，在調(diào)整位置時(shí)難免出現(xiàn)誤差。同時(shí)受溫度影響，沖擊器的外層肌肉狀態(tài)直接影響標(biāo)定結(jié)果[5]。為了保證標(biāo)定試驗(yàn)的一致性和結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過(guò)分析多次標(biāo)定結(jié)果，本章針對(duì)標(biāo)定過(guò)程中對(duì)標(biāo)定結(jié)果有影響的因素進(jìn)行分析，取沖擊速度、環(huán)境溫度、沖擊角度和沖擊高度設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，找出試驗(yàn)室所能提供的參數(shù)范圍內(nèi)最關(guān)鍵的因子，在試驗(yàn)中應(yīng)當(dāng)首要考慮并保障該因子的穩(wěn)定性。

4.1 試驗(yàn)中的參數(shù)控制

通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)四因子三水平的正交實(shí)驗(yàn)法，可比較全面的分析試驗(yàn)中所涉及的參數(shù)對(duì)標(biāo)定結(jié)果的影響，試驗(yàn)的正交表和結(jié)果如圖4所示：

圖中括號(hào)內(nèi)為試驗(yàn)的實(shí)際值，速度和溫度由專(zhuān)用測(cè)量?jī)x器測(cè)得，位置由激光位移傳感器測(cè)量，精度為0.1mm，角度由專(zhuān)用角度尺測(cè)量，精度為0.01°。其中第三組試驗(yàn)使用高速攝像像素點(diǎn)測(cè)量以驗(yàn)證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

通過(guò)計(jì)算正交試驗(yàn)表中的結(jié)果，使用極差分析法進(jìn)行分析，得出以上因子對(duì)4個(gè)Tibia通道，3個(gè)Femur通道和MCL通道的影響情況，計(jì)算出各極差值，對(duì)比得出影響最大的因子，具體數(shù)據(jù)如表1所示：

通過(guò)對(duì)比8個(gè)通道可以看出，速度（39km/h-41km/h）對(duì)于標(biāo)定結(jié)果的影響比較大，在5個(gè)通道中取最主要影響，剩下的主要是位置的影響比較明顯。因此在進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中，務(wù)必保證沖擊速度的穩(wěn)定性，其次確保沖擊高度的準(zhǔn)確性，然后是溫度和角度，當(dāng)試驗(yàn)條件有限時(shí)，可在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)調(diào)整，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性的同時(shí)，優(yōu)化試驗(yàn)方法。

4.2 試驗(yàn)后的操作建議

試驗(yàn)沖擊之后，aPLI沖擊器進(jìn)入自由飛行姿態(tài)，此時(shí)具有較高的能量，若完全讓其自由吸收，則可能影響沖擊器使用壽命，甚至對(duì)沖擊器造成二次損傷，由于aPLI沖擊器質(zhì)量增加近一倍，對(duì)回收裝置的要求也更高，平鋪緩沖墊的效果已經(jīng)不夠理想，可采用墊空加高的方式增加緩沖距離來(lái)減小撞擊損傷，圖5所示為對(duì)比二次撞擊后反彈的通道響應(yīng)數(shù)值：

通過(guò)上圖可明顯看到二次撞擊對(duì)通道輸出的影響，若不加裝足夠的緩沖物，則在二次撞擊時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較大的波峰，有時(shí)會(huì)超過(guò)第一次撞擊峰值，長(zhǎng)期測(cè)試后會(huì)影響沖擊器的正常狀態(tài)及使用壽命。因此加裝合適的回收裝置對(duì)于保護(hù)沖擊器也有非常必要性。

5 結(jié)論

aPLI沖擊器的整體構(gòu)造和質(zhì)量分布相較上一種版本有較大的區(qū)別，新增的上體模塊和重新設(shè)計(jì)的膝部模塊傳感器更豐富也更復(fù)雜，常用12通道升級(jí)為18通道，傷害值采集能力提升明顯，但對(duì)應(yīng)的注意事項(xiàng)也有較大變化。

本文通過(guò)將標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)定要求落實(shí)到試驗(yàn)室實(shí)際操作中，提供了明確可實(shí)施的試驗(yàn)參考，并且分析了標(biāo)定過(guò)程中可能影響結(jié)果的幾項(xiàng)因素，通過(guò)標(biāo)定結(jié)果可知：

在標(biāo)定試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先保證沖擊速度的穩(wěn)定性，其次應(yīng)當(dāng)保證沖擊位置的準(zhǔn)確性，對(duì)于溫度和角度要求不如前兩者高，但是本文中涉及的試驗(yàn)要素的各項(xiàng)測(cè)試是建立在當(dāng)前試驗(yàn)室所能提供的條件下進(jìn)行的，角度和溫度并沒(méi)有偏離標(biāo)準(zhǔn)要求過(guò)多，不能完全平等各因素的影響值，但實(shí)際標(biāo)定試驗(yàn)參數(shù)通常不會(huì)超出本文的研究范圍，可以作為參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡林，方勝勇，陳強(qiáng).基于正交實(shí)驗(yàn)的汽車(chē)一兩輪車(chē)碰撞事故再現(xiàn)的參數(shù)影響研究[J].汽車(chē)工程，2016，38（5）：567-573.

[2]唐吉思，姿態(tài)及體型對(duì)碰撞中行人下肢運(yùn)動(dòng)和損傷響應(yīng)的影響研究[D]，清華大學(xué)，2017.

[3]CHEN H P，F(xiàn)U L X，ZHENG H Y.A comparative study between China and IHRA for the vehicle-pedestrain impact[N].SAE Technical Paper，No：2009-01-1205.

[4]中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司（天津），C-NCAP管理規(guī)則（2021版）[S/OL].

[5]李俊杰，汽車(chē)前風(fēng)窗玻璃成人頭型沖擊器豎直沖擊法探究，[J]，全國(guó)性建材科技期刊——《玻璃》，2020，（344）5：24-29.