Hybrid Ⅲ-50th-RS假人上腹部沖擊試驗探究

王科飛，張春玉，楊青，顏凌波，程林，徐唐杰

(1. 中國長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；2. 湖南賽孚汽車科技股份有限公司，湖南 長沙 410205；3. 湖南大學(xué) 汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410082)

軌道客車運行速度高，載客多，一旦發(fā)生碰撞事故傷亡非常嚴重[1]。據(jù)統(tǒng)計，僅2010年1月到2012年3月的2年多時間里，世界范圍內(nèi)就發(fā)生數(shù)十起列車碰撞事故，其中不乏特大碰撞事故[2]。列車碰撞事故一旦發(fā)生，將給乘員帶來巨大的傷害[3]。20 世紀80年代，歐美就開始對鐵路機車車輛碰撞安全進行了研究，并頒布了一系列標準[4]。而我國對軌道列車被動安全系統(tǒng)性研究不足，尚未形成較完整的相關(guān)標準[5]。20 世紀90年代，美國FRA 進行了大量列車碰撞試驗和仿真研究[6-10]。從1999年11月開始，在科羅拉多的美國交通運輸技術(shù)中心開展了多次整車碰撞試驗，重點研究了單節(jié)車輛與剛性墻、機車與機車、機車與車輛、車輛與車輛、列車對列車的碰撞，以及列車發(fā)生碰撞后乘客的二次碰撞特性[11]。國內(nèi)對于列車碰撞及列車乘員的二次碰撞傷害研究起步較晚，2019年8月，中車四方股份公司進行了速度為52 km/h的高速列車整車碰撞試驗，這也是國內(nèi)首次實車+假人配置的碰撞試驗[12]。對于列車乘員二次碰撞傷害研究的假人，前期多用汽車碰撞假人代替，最典型的是Hybrid ⅠⅠⅠ-50th 假人。由于列車乘員乘坐空間的設(shè)計與汽車乘坐空間設(shè)計不同[13]，在發(fā)生碰撞事故時，對乘員造成的損傷部位也會有所不同，因此需要針對列車乘坐空間設(shè)計出更符合列車碰撞試驗所需要的假人。目前，國外已經(jīng)開發(fā)出了Hybrid ⅠⅠⅠ-50th-RS 假 人，并 已 用 于 列 車 碰 撞 研究[14]。而國內(nèi)雖然對列車乘員的二次碰撞傷害有些研究，但目前沒有專門的針對列車二次碰撞傷害研究的假人，主要還是采用Hybrid Ⅲ-50th 假人進行仿真研究，其研究的損傷部位也主要停留在頭部、頸部和胸部[15-17]。由于國外對此技術(shù)的壟斷、國外假人費用昂貴以及軌道交通安全測試的迫切需要，為了避免國內(nèi)出現(xiàn)“無人可用”的尷尬境地，開發(fā)出自己的RS 假人就顯得尤為重要，這對于我國軌道交通安全以及在仿生假人領(lǐng)域的話語權(quán)有著重要意義，對提升我國綜合國力有著重要的積極作用。列車乘坐空間內(nèi)一般都安裝有小桌板，如圖1所示，列車發(fā)生碰撞時，人體腹部撞擊到小桌板成為常見的損傷之一[18]。為了更好的反映人體在列車碰撞時腹部損傷情況，需提高假人腹部的仿生度。現(xiàn)有的Hybrid Ⅲ-50th 假人，其腹部為發(fā)泡的聚氨酯加PVC 皮膚，其沒有測量腹部入侵的傳感器，不能反映出腹部的損傷。參考國外Hybrid Ⅲ-50th-RS 假人設(shè)計[19]，將假人腹部分為上下2部分，并且分別配有相應(yīng)的位移傳感器。本文則主要是針對假人上腹部沖擊試驗進行探究，并最終確定了符合碰撞要求的假人上腹部。

圖1 列車乘員乘坐空間Fig.1 Passenger space of train

1 上腹部拉桿位移傳感器介紹

Hybrid ⅠⅠⅠ-50th 假人上腹部位移傳感器為三向位移傳感器，由一個拉桿位移傳感器和2個角度傳感器組成，可用于測量假人上腹部在沖擊試驗中的空間位移。其中，拉桿位移傳感器拉桿沿著假人上腹部孔洞中伸出，通過萬向節(jié)用螺釘與載荷分配板連接，可測量假人上腹部沿拉桿方向的壓縮位移，2 個角度傳感器分別測量拉桿位移傳感器繞Y軸和Z 軸轉(zhuǎn)動的角度。根據(jù)3 個傳感器的空間位置關(guān)系，參考假人坐標系的相關(guān)規(guī)定及傳感器坐標定義研究[20]，可計算出假人上腹部的空間位移及沿X軸、Y軸、Z軸3 個方向的分位移。上腹部位移傳感器的結(jié)構(gòu)及實物如圖2所示。

圖2 上腹部位移傳感器Fig.2 Upper abdomen displacement sensor

2 上腹部沖擊試驗介紹

假人在用于整車碰撞之前，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)計范圍內(nèi)，即是否滿足生物力學(xué)響應(yīng)特性[21]。目前汽車碰撞試驗中常用的Hybrid ⅠⅠⅠ-50th 假人的腹部為發(fā)泡的聚氨酯加PVC 皮膚，并且沒有針對該腹部的標定試驗，而國外雖已開發(fā)設(shè)計出Hybrid Ⅲ-50th-RS 假人，但僅有少量相關(guān)的研究文獻，尚未形成列車碰撞假人標定試驗的標準法規(guī)。THOR 假人是繼Hybrid ⅠⅠⅠ-50th 假人之后較為先進的一款假人，其腹部的設(shè)計分為上腹部和下腹部2 個模塊，本文主要是參考THOR-NT假人及國外Hybrid Ⅲ-50th-RS 假人對上腹部的標定試驗進行探究。

參考THOR 假人生物力學(xué)相應(yīng)的研究，假人上腹部沖擊響應(yīng)要求是由Nusholtz基于方向盤接觸碰撞L2 區(qū)域而開發(fā)的數(shù)據(jù)得出的。假人上腹部沖擊力經(jīng)過5 220 N～6 380 N區(qū)間，位移經(jīng)過41 mm～50 mm區(qū)間，其中假人上腹部沖擊力和位移曲線需要穿過所要求的范圍曲線，如圖3 所示[22]。假人的上腹部標定利用方向盤沖擊器以8.0 m/s 的速度撞擊假人上腹部。其中，方向盤沖擊器總質(zhì)量為18 kg，前端為一方向盤形狀沖擊器，直徑為26.7 mm，相對于垂直面呈30°角，如圖4所示，后端為一圓柱擺錘[23-26]。做沖擊試驗前，需將假人置于20.6 ℃～22.2 ℃，濕度10%～70%的環(huán)境中4 h以上，試驗環(huán)境與此相同。試驗時調(diào)整假人坐姿，使假人關(guān)于擺錘中心面左右對稱，假人下肢水平拉伸展開，上肢水平向前伸展，無后背支撐。每2次試驗之間時間間隔不少于30 min[27]。通過裝在擺錘后端的加速度傳感器來獲得擺錘沖擊加速度，計算得到?jīng)_擊力大小，上腹部位移是通過假人左右2個上腹部位移傳感器測得，計算平均值。

圖3 上腹部沖擊力和位移范圍曲線Fig.3 Force-displacement corridor for the upper abdomen

圖4 方向盤沖擊器的形狀和尺寸Fig.4 Shape and size of the steering wheel impactor

3 上腹部沖擊試驗探究

通過搜集文獻，結(jié)合現(xiàn)有的材料，將假人上腹部采用前層泡沫、中層泡沫和后層泡沫的“三層式”結(jié)構(gòu)，如圖5所示。其中，前層采用聚氨酯泡沫，中層采用三元乙丙泡沫，后層采用丁晴橡膠，并制作了不同硬度的前層泡沫和中層泡沫進行研究。通過不同條件下的對比測試，分別探究了假人坐姿、壓力分配板與腹部袋子連接、假人有無穿胸部皮膚以及“三層式”和“四層式”腹部結(jié)構(gòu)等因素對試驗的影響，試驗示意圖如圖6所示。

圖5 “三層式”上腹部Fig.5 “Three-layer”upper abdomen

圖6 上腹部沖擊試驗示意圖Fig.6 Schematic diagram of upper abdominal impact test

3.1 假人坐姿對試驗的影響

首先，試驗以假人胸部肋骨水平為準，調(diào)節(jié)假人坐姿，對2 種硬度的前層泡沫和2 種硬度的中層泡沫進行組合試驗，每種組合進行2次試驗，且相鄰2 次試驗的時間間隔不少于30 min，以驗證數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，泡沫硬度采用邵氏C 硬度計進行測量，試驗組記為A 組，分別為A11，A12，A21，A22，A31和A32。試驗的初始條件如表1所示。

表1 試驗設(shè)置初始條件Table 1 Ⅰnitial conditions of the test setup

根據(jù)試驗要求，用MⅠNDAU 32 數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集擺錘加速度、速度、上腹部拉桿位移傳感器數(shù) 據(jù)，用Hypergraph 按 照SAE J211-ⅠSO6487 對 所采集數(shù)據(jù)進行濾波后再處理，所有通道濾波等級采用CFC180 進行濾波[19]，處理后的上腹部力和位移情況如圖7所示。

圖7 A11-A32組試驗力和位移曲線Fig.7 Force and displacement curves of A11-A32 groups

分析圖7 可知：調(diào)節(jié)假人胸部肋骨水平時，3種硬度組合的上腹部幾乎都不能達到試驗要求。3種硬度組合的上腹部均顯示偏硬，上腹部壓縮位移太小，很難達到41～50 mm 的范圍?？紤]到已將假人上腹部前層泡沫和中間泡沫均已做得很軟，而且上腹部材料變得很軟后位移反而減小。分析該種假人坐姿方式可能是由于在沖擊過程中，胸部下端肋骨阻止了方向盤沖擊器對腹部的壓縮，造成腹部沖擊試驗數(shù)據(jù)不能真實反映其響應(yīng)特性，因此，需重新調(diào)整假人坐姿，使假人上腹部保持水平進行試驗。參照A11組試驗，按照上腹部“前硬中硬”的方式，布置好假人繼續(xù)進行試驗。此次試驗記為A4，采用同樣的方式采集和處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖8所示。

圖8 A5組試驗力和位移曲線Fig.8 Force and displacement curves of A5 groups

分析圖8 可知：對比A11 組和A4 組試驗曲線，改變假人坐姿使假人保持上腹部水平后，在相同試驗工況下，假人上腹部位移有了較大提高，已經(jīng)基本滿足試驗要求，但還顯示偏硬的性質(zhì)。為了探索更好的效果，更換較軟的上腹部中層泡沫繼續(xù)試驗。此次試驗記為A5 組，采用同樣的方式采集和處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖8所示。

分析圖8，對比A4 組和A5 組試驗曲線該組試驗數(shù)據(jù)明顯異常，位移小了許多，而沖擊力變化不大。分析認為可能是傳感器前端連接萬向節(jié)的螺釘未與腹袋連接，導(dǎo)致方向盤沖擊器沖擊假人上腹部時腹部雖然壓縮但是未帶動傳感器桿壓縮，進而導(dǎo)致傳感器測得的位移不真實，較實際位移明顯偏小。

3.2 壓力分配板與腹袋是否連接對試驗的影響

為驗證上述分析，探究壓力分配板與腹袋是否連接對試驗的影響，在與傳感器萬向節(jié)連接的螺釘上增加一枚墊片，墊片和壓力分配板分別放在腹袋里面和外面，用于夾緊腹袋，使得方向盤沖擊器沖擊假人上腹部時傳感器桿能夠隨著腹部壓縮而伸縮，確保測得假人上腹部壓縮位移為真實值。試驗時，假人未穿胸部皮膚，參照A21 組試驗，按照上腹部“前硬中軟”的方式，分別將壓力分配板放在腹袋里面和外面，用于驗證分析以及探究壓力分配板位于腹袋內(nèi)外側(cè)對測得假人的上腹部壓縮位移的影響。試驗分別記為B1 組和B2 組，采用同樣的方式采集和處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖9所示。

圖9 B1，B2組試驗力和位移曲線Fig.9 Force and displacement curves of B1,B2 groups

分析圖9 可知：對比A21 組與B1 組數(shù)據(jù)曲線，用墊片和壓力分配板將腹袋夾緊，假人上腹部符合要求。對比B1組和B2組試驗曲線，壓力分配板位于腹袋內(nèi)側(cè)還是外側(cè)，上腹部的峰值沖擊力和最大位移差別不大，說明壓力分配板位于腹袋內(nèi)側(cè)還是外側(cè)對試驗的影響不大。同時這也說明了4.1 節(jié)的分析是合理的，試驗時需將壓力分配板與腹袋連接，以保證拉桿位移傳感器測得的位移是真實的上腹部壓縮位移。

3.3 假人穿胸部皮膚和衣服對試驗的影響

上述試驗均是在未穿胸部皮膚和衣服的條件下進行的，為驗證假人穿胸部皮膚和衣服對試驗的影響，在上述B1和B2組試驗的基礎(chǔ)上，分別給假人穿上胸部皮膚以及穿上胸部皮膚和衣服進行試驗，記為C1和C2組，采用同樣的方式采集和處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖10所示。

圖10 C1，C2組試驗力和位移曲線Fig.10 Force and displacement curves of C1,C2 groups

分析圖10 可知：假人穿上胸部皮膚和衣服后仍符合要求，峰值力減小了1.1 kN 左右，位移減小了4 mm 左右。穿上胸部皮膚后峰值位移和未穿上皮膚的峰值位移相差不大。但在穿上胸部皮膚后發(fā)現(xiàn)，傳感器后端與胸部皮膚距離較近，在試驗時或者真實碰撞環(huán)境中傳感器容易觸及胸部皮膚，影響試驗結(jié)果，甚至可能會損壞傳感器。鑒于此，本研究考慮在上腹部后層增加一塊丁晴橡膠板，采用“前層+中層+后層1+后層2”的“四層式”上腹部結(jié)構(gòu)進行試驗，如圖11所示。

圖11 “四層式”上腹部結(jié)構(gòu)Fig.11 Structure of the“four-layer”upper abdomen

3.4 “三層式”上腹部和“四層式”上腹部對試驗的影響

在上述試驗的基礎(chǔ)上，假人上腹部采用“四層式”，同時拉桿位移傳感器往假人前方平移一定位移布置，以確保拉桿位移傳感器后端與胸部皮膚留有較大空間，防止沖擊時傳感器接觸胸部皮膚，影響試驗結(jié)果。采用“前硬中軟”和“前軟中軟”的組合進行試驗，以探究“三層式”上腹部和“四層式”上腹部對試驗的影響，試驗記為D1和D2組，采用同樣的方式采集和處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖12所示。

圖12 D1，D2組試驗力和位移曲線Fig.12 Force and displacement curves of D1,D2 groups

比較C1，D1 組試驗數(shù)據(jù)可知，在上腹部后層增加一塊丁晴橡膠板后，峰值力增大了約1.54 kN，峰值位移減小了約4.43 mm，導(dǎo)致上腹部試驗數(shù)據(jù)不合格，顯示出“較硬”的性質(zhì)。由D2 組試驗數(shù)據(jù)可知，更換較軟的上腹部前層泡沫后，在同樣工況下，上腹部峰值力和位移增大，試驗數(shù)據(jù)合格，說明此種組合的上腹部符合要求。

4 結(jié)論

1) 進行上腹部沖擊試驗時，以假人胸部肋骨水平為準調(diào)整假人坐姿無法滿足試驗要求，所得上腹部峰值位移數(shù)據(jù)異常，需調(diào)整假人坐姿使假人上腹部水平進行試驗。

2) 進行上腹部沖擊試驗時需保持壓力分配板與腹袋連接，確保拉桿位移傳感器測得的位移與假人上腹部壓縮的真實位移相符，且壓力分配板位于腹袋內(nèi)側(cè)還是外側(cè)對上腹部峰值力和峰值位移影響不大。

3) 試驗時假人穿上胸部皮膚與不穿胸部皮膚相比，峰值力減小，峰值位移也減??；假人穿上衣服和不穿衣服相比，峰值力變化不大，峰值位移增大。

4) “四層式”上腹部與“三層式”上腹部相比，試驗時峰值力較大，峰值位移較小，顯示出較硬的性質(zhì)。

5) 改變上腹部前層泡沫和中層泡沫的硬度，可以調(diào)節(jié)試驗時上腹部峰值力和峰值位移的大小，本研究最終采用的“前軟中軟”的上腹部前層泡沫和中層泡沫較為符合試驗要求。

本文研究成果對Hybrid Ⅲ-50th-RS 假人上腹部的研究及改進提供了重要的試驗依據(jù)，對Hybrid Ⅲ-50th-RS假人上腹部沖擊試驗的標準制定有一定的參考價值，也有助于針對列車碰撞試驗用假人的整體假人開發(fā)，同時對提升我國在軌道交通安全領(lǐng)域的話語權(quán)有著積極作用。然而，由于本文是以THOR-NT 假人仿生性能研究為基礎(chǔ)進行的Hybrid Ⅲ-50th-RS 假人上腹部試驗探究，因此該假人整體開發(fā)后，還需結(jié)合尸體數(shù)據(jù)，對各部位進行進一步的生物力學(xué)響應(yīng)驗證研究，以使假人各部位及其整體更加符合人體生物力學(xué)動態(tài)響應(yīng)。