整車MPDB試驗中THOR假人損傷的研究*

劉 明，商 博，趙清江

（1.汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點實驗室，重慶400039；2.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶400039；3.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海201201）

前言

為同時評估車輛在發(fā)生事故時對本車乘員的保護(hù)能力（耐撞性）和對對方碰撞車輛的傷害能力（攻擊性），即對車輛的碰撞兼容性進(jìn)行評估，Euro NCAP（European new car assessment program）在2020年新引入MPDB（mobile progressive deformable barrier）碰撞測試項目［1］。Euro NCAP采用了全新設(shè)計、生物逼真度更高的THOR（test device for human occupant restraint）50百分位假人來評估對駕駛員的保護(hù)性能。C?NCAP在2022年也將采用該測試方法，試驗設(shè)置如圖1所示。

圖1 MPDB碰撞試驗設(shè)置

1 MPDB試驗特點與碰撞強度分析

1.1 MPDB碰撞車輛的加速度波形特點

通過對比同一款車型的50 km/h完全正面FWRB（full width rigid barrier）、64 km/h正面40%重疊率ODB（offset deformable barrier）試驗和50 km/h正面50%重疊率MPDB碰撞試驗的加速度曲線（圖2）可以看出，MPDB工況中波形的回彈時刻大幅提前，在80 ms前即完成整個吸能過程，這與FWRB的波形變化很接近，而在ODB工況中整個吸能過程大約持續(xù)到120 ms；此外，由于MPDB壁障的整體剛度比ODB大［2-3］，但小于剛性壁障，造成碰撞前期MPDB工況中加速度上升較快，明顯高于ODB但又小于FWRB。因此，對于MPDB工況的約束系統(tǒng)參數(shù)配置可以在參考FWRB的基礎(chǔ)上進(jìn)一步調(diào)整。

圖2 某車型FWRB、ODB和MPDB工況車身x向加速度對比

1.2 MPDB碰撞強度與車輛質(zhì)量的相關(guān)性分析

最大速度變化Δv和能量等效速度EES（energy equivalent speed）兩個指標(biāo)廣泛用于評估車輛碰撞事故中車輛損壞和乘員損傷的嚴(yán)重程度。由于車輛前端結(jié)構(gòu)設(shè)計的差異，即使在相同的Δv和EES時，碰撞車輛也表現(xiàn)出完全不同的加速度；由于乘員年齡、性別和身體狀態(tài)，約束系統(tǒng)配置等也存在廣泛的差異，這將造成在相同的Δv和EES時出現(xiàn)完全不同的乘員損傷［4］。基于這些原因，根據(jù)TSOI、Gabauer和Park等［5-7］，以及天合汽 車TRW［8］和 國 際 標(biāo) 準(zhǔn) 組 織ISO（international organization for standardization）［4］的研究，采用加速度強度指數(shù)ASI（acceleration severity index）、車輛加速度指數(shù)VPI（vehicle pulse index）和乘員載荷指標(biāo)OLC（occupant load criterion）這3個與乘員損傷相關(guān)的碰撞強度指標(biāo)對MPDB的碰撞強度進(jìn)行分析。

1.2.1 加速度強度指數(shù)ASI

歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會CEN（European committee for standardization）在標(biāo)準(zhǔn)EN1317中提出通過計算ASI指數(shù)，評估車輛和道路約束系統(tǒng)（如護(hù)欄）碰撞時的嚴(yán)重程度和對佩戴約束系統(tǒng)的乘員損傷影響。

1.2.2 車輛加速度指數(shù)VPI

VPI指數(shù)由ISO提出，用于評估碰撞加速度對佩戴約束系統(tǒng)的乘員損傷影響程度。VPI傷害指標(biāo)通過使用單自由度的集中質(zhì)量-彈簧模型來預(yù)測乘員的運動，原理如圖3所示。

圖3 車輛加速度指數(shù)VPI示意圖

VPI的計算公式為

式中：M為乘員質(zhì)量；y（t）為乘員位移；x（t）為車輛位移。車輛和乘員通過約束系統(tǒng)連接，定義函數(shù)P（t）表示兩者間的受力，其中k為約束系統(tǒng)的剛度，s為約束系統(tǒng)的松弛量。質(zhì)量為1 kg時，ISO推薦的k值為2 500 N/m，松弛量為0.03 m。對于不同的碰撞加速度，推薦使用設(shè)置固定的約束系統(tǒng)剛度k和松弛量來計算VPI。

1.2.3 乘員載荷指標(biāo)OLC

OLC指標(biāo)由TRW的Kübler博士等在2008年提出。通過對碰撞過程中，在安全帶的作用下乘員的運動狀態(tài)研究，認(rèn)為在碰撞初始階段，由于安全帶對乘員的約束作用較小，乘員處于無約束的自由狀態(tài)，并保持初始速度運動直到相對于車身的位移達(dá)到65 mm（圖4中區(qū)域A1的面積）。此后，假設(shè)約束系統(tǒng)完全開始起作用，乘員以恒定的減速度運動直到相對于車身的位移達(dá)到235 mm（圖4中區(qū)域A2的面積），該恒定減速度即為OLC值。OLC指標(biāo)目前為Euro NCAP MPDB測試工況中的評價指標(biāo)之一。

圖4 OLC計算方法

根據(jù)9款實車MPDB碰撞試驗采集的加速度信號（左側(cè)B柱下位置），分別計算以上3種碰撞強度指標(biāo)，并與車輛質(zhì)量進(jìn)行線性相關(guān)度分析，如圖5所示。

圖5 車輛質(zhì)量與ASI、VPI和OLC指標(biāo)的關(guān)系

由圖5可見，隨著碰撞車輛質(zhì)量增大，3個指標(biāo)呈現(xiàn)一致減小的趨勢，即隨著車輛質(zhì)量增加，在碰撞事故中乘員損傷的風(fēng)險降低。這與美國國家公路交通安全管理局（national highway traffic safety administration，NHTSA）在碰撞兼容性早期的研究中根據(jù)碰撞事故的死亡率分析報告系統(tǒng)（fatal accident reporting system，F(xiàn)ARS）得出的結(jié)論一致［9］。中國汽車技術(shù)研究中心根據(jù)14次實車MPDB試驗中THOR假人的損傷數(shù)據(jù)比較，大型車（試驗質(zhì)量>1 700 kg）的得分率相對高于小型車（試驗質(zhì)量<1 700 kg）［10］。得分率越高，表明對乘員的保護(hù)效果越好，乘員損傷的風(fēng)險越低，這也與當(dāng)前的分析結(jié)論一致。

2 MPDB試驗中THOR假人損傷的特點與影響因素分析

2.1 THOR假人損傷的特點

根據(jù)試驗中THOR假人得分統(tǒng)計的各部位得分比例如圖6所示。其中胸腹部的得分最低，其次為小腿。通過對胸腹損傷值的進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)腹部得分為滿分，胸部壓縮量大，尤其是右上胸部位移傳感器位置的壓縮量大，是造成胸腹部得分低的關(guān)鍵原因。這與THOR假人胸部和整個上軀干全新的設(shè)計［11-12］以及安全帶的佩戴位置有關(guān)（圖7）。相對目前在碰撞試驗中廣泛使用的Hybrid III 50百分位男性假人，THOR 50百分位假人的生物仿真度更高，其胸部剛度接近人體但小于Hybrid III 50百分位假人［13］，造成在相同條件下，THOR假人的胸部壓縮量明顯大于Hybrid III假人［14］。因此，研究影響胸部壓縮量的關(guān)鍵車輛參數(shù)，如碰撞強度和約束系統(tǒng)配置等，可以有效提高約束系統(tǒng)和車輛結(jié)構(gòu)的匹配效果，減小假人損傷。

圖6 MPDB試驗中THOR假人各部分得分比例

圖7 THOR與Hybrid III假人胸部結(jié)構(gòu)比較

2.2 THOR假人傷害的影響因素

試驗中THOR假人的主要損傷集中在胸部和小腿，基于現(xiàn)有試驗參數(shù)和結(jié)果，本文中主要研究碰撞強度和安全帶限力對胸部和小腿損傷的影響。胸部損傷指標(biāo)選用右上位置胸部壓縮量，而小腿的損傷指標(biāo)選擇軸向壓縮力和小腿損傷指數(shù)TI（tibia index）作為分析對象。由于OLC指標(biāo)與試驗車質(zhì)量的線性相關(guān)性相對最好，因此選用OLC指標(biāo)分析和假人損傷值的相關(guān)性。安全帶的限力水平根據(jù)試驗中上肩部安全帶力傳感器采集的數(shù)據(jù)確定，在本次研究的試驗車型中，兩個車型配置的安全帶無限力，這兩個車型的假人損傷數(shù)據(jù)不在研究范圍內(nèi)。

表1為根據(jù)OLC指標(biāo)、安全帶限力、胸部壓縮量和小腿損傷結(jié)果計算的線性相關(guān)系數(shù)。由表1可知，OLC指標(biāo)與小腿損傷呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)>0.81），與右上位置的胸部壓縮量也表現(xiàn)較為明顯的正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)=0.69）。因此減小OLC指標(biāo)，有利于減小胸部壓縮量和小腿損傷。安全帶的限力水平和THOR假人的胸部壓縮量存在顯著的線性相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)=0.91），隨著安全帶限力水平的提高，胸部壓縮量增大。這與泛亞汽車技術(shù)中心對MPDB工況中THOR假人胸部損傷研究的結(jié)論一致，安全帶限力等級是影響胸部壓縮量的關(guān)鍵因素［15］。而安全帶限力與小腿軸向壓縮力的相關(guān)性相對胸部較低，與小腿損傷TI指數(shù)的相關(guān)性不明顯。

表1 OLC指標(biāo)、安全帶限力、假人胸部和小腿損傷之間的相關(guān)性

3 減小THOR假人損傷的對策分析

基于以上分析，胸部壓縮量是影響THOR假人損傷的關(guān)鍵，OLC指標(biāo)和安全帶的限力等級均對胸部壓縮量有影響。OLC指標(biāo)主要通過車輛開發(fā)前期結(jié)構(gòu)方面的不斷優(yōu)化來改進(jìn)，安全帶的限力等級作為約束系統(tǒng)的參數(shù)，則須基于車輛的OLC指標(biāo)進(jìn)行匹配優(yōu)化。由于胸部壓縮量對安全帶限力等級的敏感程度更高，因此確定合適的安全帶限力等級是約束系統(tǒng)配置的關(guān)鍵。

根據(jù)OLC指標(biāo)，安全帶限力等級對THOR假人右上位置胸部壓縮量的影響擬合三維關(guān)系如圖8所示。由圖8可見：當(dāng)OLC指標(biāo)較低時，較低的安全帶限力等級造成的胸部壓縮量較?。划?dāng)OLC指標(biāo)較高時，則要通過多輪的優(yōu)化確定合適的安全帶限力等級。

圖8 OLC指標(biāo)和安全帶限力等級對胸部壓縮量的影響

由于安全帶的限力水平和THOR假人的胸部壓縮量存在顯著的線性相關(guān)性，所以基于試驗數(shù)據(jù)擬合，可得到兩者的相關(guān)性公式，如圖9所示。通過該公式，可以近似獲得限力等級對應(yīng)的胸部壓縮量。根據(jù)Euro NCAP評價規(guī)程，不同的胸部壓縮量對應(yīng)不同的胸部得分。因此可以通過設(shè)定的假人胸部得分目標(biāo)確定胸部壓縮量目標(biāo)，再通過該公式轉(zhuǎn)換，可近似確定所需的安全帶限力等級。Euro NCAP中THOR假人胸腹部的分?jǐn)?shù)為4分，對應(yīng)的胸部壓縮量限值為35 mm。以得分3分為目標(biāo)，轉(zhuǎn)換后對應(yīng)的胸部壓縮量為41.25 mm，通過公式近似確定的安全帶限力等級為2.70 kN。由于目前企業(yè)中使用的安全帶限力相鄰兩個等級之間的差值通常為0.5 kN，因此確定的安全帶限力等級為2.5~3.0 kN。

圖9 安全帶限力等級和THOR假人右上胸部壓縮量的相關(guān)性

4 結(jié)論

通過對MPDB試驗數(shù)據(jù)研究得到如下結(jié)論。

（1）在MPDB試驗中，對于不同的碰撞強度評價指標(biāo)，碰撞強度與碰撞車輛的質(zhì)量成負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著車輛質(zhì)量增加，碰撞事故中乘員損傷的風(fēng)險降低。

（2）在MPDB試驗中，THOR假人的損傷主要集中在胸部，尤其是右上位置的胸部壓縮量。

（3）安全帶的限力等級和碰撞強度對THOR假人的胸部壓縮量均有影響，安全帶的限力等級是影響的關(guān)鍵因素。隨著限力的提高，胸部壓縮量增大。因此，為提高THOR假人的得分，建議盡可能降低碰撞強度，安全帶限力等級為2.5~3.0 kN。