WorldSID與ES-2假人肋骨結(jié)構(gòu)對比

胡經(jīng)國，周鵬

(中汽研汽車檢驗中心(寧波)有限公司，浙江寧波 315336)

0 引言

ES-2假人是現(xiàn)今應(yīng)用最為廣泛和普遍的側(cè)面碰撞假人，而WorldSID假人作為仿真度更高，各項生物性能更加出色的側(cè)碰假人，已經(jīng)開始逐漸取代ES-2，成為側(cè)碰假人中的“主力軍”。兩種假人在外形尺寸、內(nèi)部構(gòu)造、傳感器、動態(tài)響應(yīng)等方面都有較大差異，文中著重介紹兩者胸部肋骨結(jié)構(gòu)的差異，通過基本的外形尺寸結(jié)構(gòu)、標(biāo)定工況下的差異以及在相同標(biāo)定試驗中的胸部肋骨傷害比較來具體談?wù)剝煞N假人的不同。

1 兩種假人的基本差異

在沒有開發(fā)WorldSID假人之前，側(cè)面碰撞假人有BioSID、ES-2、EuroSID-1、USDOT-SID等，且各國使用的側(cè)面碰撞假人不同，所以為了統(tǒng)一、規(guī)范化側(cè)面碰撞假人，國際標(biāo)準(zhǔn)化工作組(ISO)研究開發(fā)了WorldSID 50th男性假人。按照ISO生物力學(xué)評價等級(表1)，對各側(cè)碰假人進(jìn)行評價，得分如表2所示[1]，可以看出WorldSID假人的整體仿真度是最好的，得分為7.6分，評級達(dá)到了“好”，而現(xiàn)今使用最廣泛的ES-2假人得分是4.6分，評級僅是“普通”。

表1 ISO生物力學(xué)評分等級

表2 各假人仿真度評價對比 單位：分

因ES-2假人是根據(jù)歐洲男性的平均身材研發(fā)的，而WorldSID假人是基于全世界男性的身材開發(fā)的，所以兩者在外形尺寸上的差異也很大。從外形上來看，WorldSID假人肩部較窄，但是胸部、腹部和骨盆都比ES-2假人要寬，表3為兩者側(cè)面寬度對比，尺寸測量為從假人中心到一側(cè)的距離[2]。從質(zhì)量分布來看兩種假人各部位的質(zhì)量也有差別，具體可從表4[3-4]中看到，兩種假人各部位的質(zhì)量相差并不大，整體質(zhì)量也是非常接近，其中各部位分類有較大區(qū)別的是胸部、腹部和骨盆，ES-2假人是3個部位獨立分開的，而 WorldSID假人是將3個部位分成了上、下軀干，這主要是兩種假人胸部肋骨結(jié)構(gòu)不同造成的。

表3 WorldSID假人和ES-2假人側(cè)面寬度對比單位：mm

表4 WorldSID假人和ES-2假人各部位質(zhì)量對比

2 肋骨結(jié)構(gòu)對比差異

2.1 基本的外形結(jié)構(gòu)差異

WorldSID假人肋骨結(jié)構(gòu)包括1根肩部肋骨、3根胸部肋骨、2根腹部肋骨組成整個軀干。6根肋骨的結(jié)構(gòu)、組成以及樣式都基本一致，但因安裝位置的不同，在大小上有著差異。每根肋骨左右兩側(cè)對稱，單側(cè)的結(jié)構(gòu)為一個內(nèi)閉環(huán)和一個半開環(huán)構(gòu)成，內(nèi)閉環(huán)與脊柱相連，外開環(huán)一端與脊柱后部相連，另一端與另一側(cè)的半開環(huán)通過肋骨連接板(相當(dāng)于人體結(jié)構(gòu)中的胸骨)相連接，用以模擬人類肋骨結(jié)構(gòu)。肋骨連接板在x-y平面將同一高度的左右側(cè)肋骨連接，在x-z平面上將肩部肋骨與3根胸部肋骨連接在一起。人類身體結(jié)構(gòu)在腹部沒有肋骨，而WorldSID假人采用與胸部肋骨相似的肋骨結(jié)構(gòu)來替代腹部，另一塊肋骨連接板將兩根腹部肋骨連接起來，而不與胸部肋骨連接，區(qū)分了肩-胸結(jié)構(gòu)與腹部結(jié)構(gòu)，使兩個結(jié)構(gòu)間減少干涉，更好地模擬真人。 WorldSID假人胸部肋骨結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 WorldSID胸部肋骨結(jié)構(gòu)

ES-2假人的肩部、胸部和腹部是獨立分開的，如圖2所示。ES-2假人的手臂直接連接在鎖骨上，這就使得假人的手臂可以繞著鎖骨向前移動，而由于肩部鎖骨采用特氟龍材料，并用一定力的彈力繩固定肩胛骨(在鎖骨外側(cè)4 mm處施加肩鎖凸塊并將其作用于與鎖骨運動相同的平面時，所需的力應(yīng)在27.5～32.5 N之間。為了設(shè)置彈性繩的張力， 彈性繩的長度應(yīng)在彈性繩固定器上調(diào)整)，所以假人肩部可以進(jìn)行側(cè)向移動，肩部可安裝肩部力傳感器以便測量側(cè)向撞擊力。肋骨共有3根，分別是胸部上、中、下3根肋骨。3根肋骨完全一致，肋骨采用的是帶有軸承系統(tǒng)的剛性肋骨，肋骨阻尼由獨立的阻尼器產(chǎn)生，采用的傳感器是電位移傳感器測量胸部的變形[5]，在肋骨結(jié)構(gòu)上還可加裝加速度傳感器，用于測量碰撞方向的加速度大小。3根肋骨與假人腰椎結(jié)構(gòu)剛性連接，保證肋骨只能由彈簧阻尼結(jié)構(gòu)帶動側(cè)向一個方向的位移。腹部是一泡沫結(jié)構(gòu)，內(nèi)置有前中后3處腹部力傳感器，ES-2假人腹部的剛度完全取決于腹部泡沫的剛度，前中后3處腹部力傳感器與腰椎相連，左右側(cè)都可安裝。而泡沫覆蓋物是否可用，完全取決于假人腹部標(biāo)定的結(jié)果。

圖2 ES-2結(jié)構(gòu)

2.2 標(biāo)定工況的不同

兩種假人在標(biāo)定試驗中都需要標(biāo)定肩部、胸部和腹部，且標(biāo)定所需的環(huán)境一樣，但是相同部位在標(biāo)定方法上有著一定的差異。

首先，肩部和腹部標(biāo)定都是將假人整體放置到標(biāo)定臺上，然后用23.4 kg的擺錘以一定的速度撞擊假人相應(yīng)標(biāo)定部位得出標(biāo)定結(jié)果，但是兩者所用的標(biāo)定臺不同， WorldSID假人標(biāo)定時是坐在一個剛性座椅上，座椅底座和靠背都覆蓋有2 mm厚的特氟龍板，呈現(xiàn)一個固定的姿態(tài)；而ES-2假人是坐在水平剛性平面上，沒有背部支撐，在假人和平面之間放置兩張2 mm厚的特氟龍板。

其次，胸部標(biāo)定時，ES-2假人是將肋骨拆下，每根進(jìn)行單獨標(biāo)定，用7.78 kg的重物分別在815 mm、204 mm、459 mm的高度下落，撞擊到肋骨可壓縮側(cè)，使肋骨的位移量分別在46～51 mm、23.5～27.5 mm、36～40 mm之間。而WorldSID假人胸部是整體標(biāo)定，用23.4 kg的擺錘撞擊假人胸部肋骨，在4.2～4.4 m/s的速度下，得出3根胸部肋骨的位移量。

最后，兩種假人本身結(jié)構(gòu)不同，安裝的傳感器不同，所以標(biāo)定采集到的數(shù)據(jù)以及各部位的要求都不同。具體的兩種假人肩部、胸部和腹部的標(biāo)定指標(biāo)如表5所示。

表5 WorldSID假人和ES2假人標(biāo)定項目對比

2.3 相同標(biāo)定試驗下兩者傷害的比較

由于在實際的側(cè)面碰撞試驗中很難做到在同樣的試驗工況下，分別用WorldSID和ES-2兩種假人進(jìn)行試驗，所以為了能夠更好地對比兩者的耐沖擊傷害，在WorldSID假人標(biāo)定用剛性座椅上，采用同樣的方法對WorldSID和ES-2兩種假人的左側(cè)進(jìn)行肩部、胸部和腹部的標(biāo)定試驗。

從肩部標(biāo)定指標(biāo)看，兩者的速度要求是一樣的，所以沖擊擺錘是從一樣的高度下落，ES-2假人要求的撞擊加速度在7.5～10.5g之間，根據(jù)擺錘質(zhì)量換算成撞擊力為1.72～2.41 kN，而WorldSID假人要求的撞擊力在2.6～3.3 kN，這就意味著ES-2的肩部相較于WorldSID更“軟”。實際試驗分別將兩種假人采用同樣方法，以4.3 m/s的速度進(jìn)行標(biāo)定，得到WorldSID假人受到肩部撞擊力為2.69 kN，而ES-2假人肩部受到的撞擊加速度為9.02g，也就是2.1 kN，這也就驗證了ES-2假人相較于WorldSID假人肩部y向受力更小，相對較“軟”。

使用相同擺錘、相同速度對假人的胸部左側(cè)肋骨進(jìn)行標(biāo)定(標(biāo)定時手臂拆掉，直接撞擊胸部肋骨)，得到的肋骨位移曲線如圖3所示，由圖可以看出WorldSID假人的肋骨變形量要略大一些。為了進(jìn)一步驗證兩種假人的胸部剛度，采用不同的速度去標(biāo)定胸部，得到的結(jié)論是：在相同條件下分別標(biāo)定WorldSID和ES-2兩種假人的胸部，前者的胸部位移量更大，且標(biāo)定速度越高越明顯。所以可以得出WorldSID假人的胸部肋骨較“軟”。

圖3 胸部肋骨位移曲線

在相同條件下對腹部進(jìn)行標(biāo)定，因為ES-2假人裝的是腹部力傳感器，而WorldSID假人的腹部是跟胸部相似的兩根肋骨結(jié)構(gòu)，考核的是肋骨位移指標(biāo)，無法將兩種假人的腹部傷害指標(biāo)進(jìn)行直接比較，所以只能通過撞擊的擺錘力來進(jìn)行判斷。用4.3 m/s的速度分別撞擊兩者腹部，得到ES-2假人的擺錘撞擊力為5.1 kN，WorldSID假人的撞擊力為2.9 kN，可以得出ES-2假人的腹部剛度明顯大于WorldSID假人。

3 結(jié)束語

文中比較了ES-2和WorldSID兩種假人的基本差異，包括生物力學(xué)評級、身材尺寸、質(zhì)量等，從肋骨結(jié)構(gòu)入手，對比兩種假人的肋骨外形結(jié)構(gòu)、標(biāo)定工況以及標(biāo)定試驗下的傷害程度，得出兩種假人的肩部、胸部、腹部結(jié)構(gòu)完全不同；標(biāo)定方法和考核指標(biāo)也有較大差異；通過標(biāo)定試驗，發(fā)現(xiàn)WorldSID相較于ES-2假人肩部剛性更大、胸部和腹部更“軟”。

通過上述分析，對WorldSID和ES-2這兩種假人的基本結(jié)構(gòu)，尤其是肩部、胸部和腹部都有了一定的了解，這還為實車碰撞中兩種假人的真實響應(yīng)提供了參考。