基于2021版C-NCAP的Q3假人傷害研究

摘" 要：通過對47個試驗中Q3假人的傷害數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，對比分析引入Q3假人前后正面全寬碰撞工況的得分率情況，重點分析Q3假人各部位得分，統(tǒng)計結(jié)果表明引入Q3假人后2021版正面全寬碰撞工況假人得分率低于2018版假人得分率，Q3假人頭、頸部相對于胸部更易失分，主要由于碰撞過程中Q3假人胸部受兒童座椅Harness約束，頭、頸部由于慣性繼續(xù)運動而產(chǎn)生的“甩動”效應而失分。研究發(fā)現(xiàn)，車輛OLC值對假人傷害影響較大。

關(guān)鍵詞：Q3假人；C-NCAP；得分率；傷害分析

中圖分類號：U467.14" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：1005-2550（2023）05-0030-05

Research on the Q3 Dummy Injury Based on C-NCAP 2021

GU Hai-ming， DUAN Bing-xu， YU Rui-han， WANG Li-min

（CATARC Automotive Test Center（Tianjin） Co.，Ltd， Tianjin 300300， China）

Abstract： Based on the data of Q3 dummy in 47 tests， comparative analysis is performed to the scoring rate before and after the Q3 dummy introduction， focusing on scoring of each body parts. Results show that the scoring rate descends after the Q3 dummy introduction in full-width frontal impact scenario. Head and neck are more likely to lose points than chest.， the impact can cause swing effect to the head and neck when the dummy chest is restrained by CRS system. It is found that vehicle OLC has a great influence on dummy injury.

Key Words： Q3 Dummy; C-NCAP; Scoring Rate; Injury Analysis

1" " 引言

汽車碰撞用假人是碰撞試驗中最重要的試驗設備，Q3假人應用在歐洲ECER44、ECE R129、ASEAN NCAP、Global NCAP等標準中，2018版C-NCAP正面全寬碰撞試驗中使用Q3假人，但僅評價其在碰撞過程中的頭部最大位移量[1]，2021版C-NCAP正面全寬碰撞試驗中增加了對Q3假人頭、頸、胸部位置假人傷害的評價[2]。雖然Q3假人在兒童安全保護方面應用廣泛，但對于Q3假人傷害限值的研究討論從未停止，主要問題集中在對產(chǎn)生傷害信號的尖峰的原因解釋不清。

Yoshinori Tanaka[3]等人對ECE R44工況下乘坐在ISOFIX類兒童座椅的Q3假人的運動行為進行研究，研究指出在碰撞過程中Q3假人頭部與胸部接觸后，頭部Z向加速度產(chǎn)生尖峰而胸部Z向加速度降低，研究指出了頭部Z向加速度產(chǎn)生尖峰的現(xiàn)象，并未對頭部Z向加速度產(chǎn)生尖峰的原因進行分析。

Yong Han[4]等人使用軟件仿真的方式指出ECE R44工況下Q3假人胸部加速度尖峰是由于Q3假人下顎與頸部接觸產(chǎn)生，但是仿真的尖峰時刻是在95ms，而在實際的試驗中，Q3假人胸部加速度尖峰產(chǎn)生的時刻是在65ms，試驗與仿真結(jié)果差異較大，不足以說明Q3假人胸部加速度尖峰的來源。

本文首先通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析Q3假人在50km/h正面全寬碰撞工況下各個部位的得分情況，通過典型車輛的碰撞曲線，分析了各個部位失分的主要原因，并分析車輛OLC值與Q3假人傷害之間關(guān)系。

2" " Q3假人傷害統(tǒng)計

2.1" "統(tǒng)計工況

如圖1所示，C-NCAP 2018版正面全寬碰撞工況中，試驗車輛乘員后排位置布置了一個Q3兒童假人。Q3假人通過五點式安全帶固定在安全座椅上，在安裝過程中按照規(guī)程在假人和兒童安全座椅靠背之間放置一個鉸鏈連接的木板，木板厚2.5cm、寬6cm，長度等于Q3假人肩膀的高度減去臀部中心的高度，保證拉帶拉力要超出調(diào)節(jié)力 250N±25N，調(diào)整完畢后取出木板。安全座椅放置在車輛第二排最右側(cè)位置，通過ISOFIX固定裝置及Top tether上拉帶安裝在車身上。試驗過程中，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集Q3假人頭部加速度、頸部力及力矩、胸部加速度及胸部壓縮量[1]。

2.2" " Q3假人損傷統(tǒng)計分析

C-NCAP 2021版乘員保護測評方案中，正面全寬碰撞工況的試驗速度和假人布置方案和C-NCAP 2018版是一樣的，但對于Q3假人的評價存在差別，提出了更高的要求，需要對頭部、頸部、胸部進行評價。結(jié)合試驗視頻，發(fā)現(xiàn)所有Q3假人均未與前排座椅發(fā)生接觸，對于假人頭部按照頭部加速度3ms指標進行評價，頸部僅評價頸部Fz向指標，胸部僅評價胸部加速度3ms指標，具體評價指標及限值如表1所示：

本文對從碰撞試驗室的數(shù)據(jù)庫中抽取的2021年度47個車型的50km/h正面全寬碰撞中Q3假人的傷害指標進行統(tǒng)計，并對比50km/h正面全寬碰撞工況下車型按照C-NCAP 2018版評價和C-NCAP 2021版評價的假人得分率，如圖2所示，數(shù)據(jù)顯示按照C-NCAP 2018版評價50km/h正面全寬碰撞的假人得分率中位數(shù)為89.3%，按照C-NCAP 2021版測評方案的假人得分率中位數(shù)為78.8%，C-NCAP 2021版假人得分率相較C-NCAP 2018版假人得分率偏低，表明C-NCAP 2021版隨著Q3假人參與到評價規(guī)程中后，評價規(guī)則更加嚴苛，另一方面也表明Q3假人的綜合得分率要低于成年假人的綜合得分率。

圖3為Q3假人得分率統(tǒng)計結(jié)果，結(jié)果顯示Q3假人得分率中位數(shù)為24.0%，得分率上四分位數(shù)為9.2%，得分率下四分位數(shù)位52.4%；Q3假人頭部得分率中位數(shù)為5.0%，得分率上四分位數(shù)為0.0%，得分率下四分位數(shù)位46.2%；Q3假人頸部得分率中位數(shù)為24.1%，得分率上四分位數(shù)為8.1%，得分率下四分位數(shù)位46.2%；Q3假人胸部得分率中位數(shù)為63.0%，得分率上四分位數(shù)為19.0%，得分率下四分位數(shù)位89.0%。統(tǒng)計結(jié)果表明Q3假人整體得分率偏低，遠小于成年假人89.3%的得分率，其中頭、頸部為主要失分部位，Q3假人胸部得分率相對頭、頸部得分率稍高。

3" " Q3假人損傷特征分析

3.1" "Q3假人頭頸部損傷分析

圖4為某車輛正面全寬碰撞工況下頭部合成加速度與頭部三向加速度曲線，合成加速度峰值達到92g，其cum.a3ms達到88g，按照C-NCAP 2021版評價要求，頭部部位得分為0分。從圖中可看出，頭部Z向加速度對頭部合成加速度貢獻最大，頭部Z向加速度的尖峰為頭部扣分的主要原因。

試驗過程中在Q3假人下顎與胸部粘貼接觸傳感器，如圖5所示。當下顎與胸部接觸時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中會產(chǎn)生一個階躍信號，從接觸傳感器采集到的曲線圖像中可以確定下顎與胸部接觸的時刻。圖6為頭部Z向加速度、頸部Fz向力及接觸傳感器信號曲線，從圖6中可以看出，頸部Fz、頭部Az峰值在80ms左右，而下顎與胸部接觸時刻在95ms左右。頸部Fz、頭部Az峰值出現(xiàn)的時刻與下顎接觸胸部時刻存在較大差異，且峰值出現(xiàn)時刻先于接觸時刻，這表明此試驗中Q3頭、頸部損傷并非由于碰撞過程中下顎與胸部接觸造成。

3.2" "Q3假人胸部損傷分析

圖7為Q3假人胸部合成加速度與胸部三向加速度曲線及接觸傳感器信號曲線，圖7中合成加速度峰值達到66g，按照C-NCAP 2021版評價要求，胸部部位得分為0分。同時從圖7中可得到，胸部X、Z向加速度是引起Q3假人胸部失分的主要原因，在80ms時刻，胸部X向加速度突然有一反向尖峰，持續(xù)約4ms后震蕩減小，表明此時刻Q3假人胸部受到兒童座椅完全約束，此時Q3假人上肢由于處于自由狀態(tài)繼續(xù)運動。這種向前上方的“甩動”對假人脊柱產(chǎn)生一前向拉力，致使Q3假人X向胸部加速度產(chǎn)生一震蕩，Q3假人無約束自由行程結(jié)束。此后由于兒童假人胸骨、座椅安全帶及后拉帶的彈性，假人繼續(xù)向前運動直至反彈，假人胸部X向加速度逐漸減??；胸部Z向加速度由正值突變?yōu)樨撝担砻骷偃擞捎谲囕v碰撞過程中的前傾而導致在Z方向自由約束的假人受到約束。

對比圖6和圖7曲線可發(fā)現(xiàn)，頭部Z向加速度、頸部Fz向力最大值時刻與胸部加速度X、Z向加速度最大值時刻均在80ms左右。此階段為Q3假人自由運動的上肢與假人軀干相對速度最大，“甩動”效應最明顯的時間段。可以判斷Q3假人損傷主要由于一種慣性“甩動”效應導致。在碰撞過程中假人運動受到約束系統(tǒng)的突然約束，而未被約束的假人部位由于慣性繼續(xù)運動而產(chǎn)生的 “甩動”效應對Q3假人保護有極為不利的影響。

4" " OLC對Q3假人傷害影響分析

根據(jù)文獻[5]的數(shù)據(jù)可以得出，針對ISOFIX安裝形式的安全座椅，在試驗中Q3假人拉帶力的允差對碰撞過程中Q3所受傷害影響可忽略不計，本文相關(guān)數(shù)據(jù)均來自相同兒童安全座椅試驗結(jié)果，進而將Q3假人的傷害從約束系統(tǒng)配置中剝離開。本文采用乘員載荷準則OLC對車輛B柱加速度進行評價。OLC模型中[6]，假設假人在前65mm運動過程中處于自由狀態(tài)，65mm-300mm處于約束系統(tǒng)約束狀態(tài)，這與Q3假人在試驗中的運動是一致的，OLC的含義為假人約束過程中所承載的平均減速度，單位為g。

對車輛B柱加速度曲線的OLC與Q3假人各部位傷害進行回歸分析，圖8為車輛B柱加速度曲線OLC與Q3假人頭部a3ms散點圖，并進行線性回歸分析，圖中R2是回歸方程的決定系數(shù)，是評價回歸方程擬合程度的重要指標，數(shù)值大小反映自變量對因變量的解釋程度，從圖中可以看出R2為0.81，其相關(guān)系數(shù)為0.90。Q3假人頭部a3ms響應與車輛OLC之間極強相關(guān)，并呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。圖9為車輛B柱加速度曲線OLC與Q3假人頸部力Fz散點圖，從圖中可以看出R2為0.48，其相關(guān)系數(shù)為0.69，Q3假人頸部力Fz與車輛OLC之間強相關(guān)，并呈現(xiàn)正相關(guān)，圖10為車輛B柱加速度曲線OLC與Q3假人胸部加速度a3ms散點圖，從圖中可以看出R2為0.68，其相關(guān)系數(shù)為0.83，Q3假人胸部加速度a3ms與車輛OLC之間強相關(guān)，并呈現(xiàn)正相關(guān)。

5" " 總結(jié)

根據(jù)C-NCAP 2021版評價規(guī)程中的Q3假人試驗及評價方法，對比研究C-NCAP 2021版與C-NCAP 2018版正面全寬碰撞工況下假人得分率，并具體分析Q3假人整體得分率及各部位得分率，分析各部位傷害機理，同時分析影響Q3假人得分試驗因素，結(jié)果表明C-NCAP 2021版評價規(guī)程相較2018版評價規(guī)程更為嚴苛，Q3假人整體得分率較低，其中頭、頸部相較胸部得分率更低，頭、頸部損傷并非因假人下顎與胸部接觸產(chǎn)生，假人損傷與“甩動”效應關(guān)系較大，通過降低車輛的OLC可減少Q(mào)3假人傷害。

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）[M]. 天津： 中國汽車技術(shù)研究中心， 2018.

[2]中國汽車技術(shù)研究中心有限公司. C-NCAP 管理規(guī)則（2021年版）[M]. 天津： 中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，2021.

[3]Responses of Hybrid III 3YO and Q3 Dummies in Various CRSs Tested Using ECE R44 Impact Conditions.

[4]Analysis of Chest Injuries to Child Occupants Seated in Impact Shield CRS based on Dummy tests， FE Simulations and Animal Tests .

[5]Visvikis， Costandinos amp; Thurn， Christoph amp; Krebs， Cornelia. （2017）. The effect of ISOFIX on booster seat performance in UN Regulation No. 129 front impact tests.

[6]水野幸治.汽車碰撞安全[M].北京：人民交通出版社，2016.

[7]Test Device Head Contact Duration Analysis （STABILIZED Jul 2016） J2052_201607.

專家推薦語

屈新田

東風汽車集團有限公司技術(shù)中心

CAE專業(yè)副總師" 高級工程師

本論文基于試驗數(shù)據(jù)樣本進行統(tǒng)計分析，得出Q3假人頭、頸部相對于胸部更易失分的主要原因，研究表明車輛OLC值對假人傷害影響較大。全文總體結(jié)構(gòu)合理，數(shù)據(jù)詳實，論述比較清晰，主要觀點和結(jié)論清晰，對汽車車身結(jié)構(gòu)設計有一定的指導意義。