混Ⅲ 5百分位女性假人胸部標定影響因素分析*

曹立波，羅 騫，顏凌波，張 愷，王 智

(1.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082; 2.汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室,重慶 400023)

2016111

混Ⅲ 5百分位女性假人胸部標定影響因素分析*

曹立波1,2，羅 騫1，顏凌波1,2，張 愷1，王 智2

(1.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082; 2.汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室,重慶 400023)

對混Ⅲ 5百分位女性假人胸部進行了標定實驗，探討了標定時間間隔、擺錘沖擊速度、環境溫度和盆骨螺栓松緊度對混Ⅲ 5百分位女性假人胸部標定結果的影響。結果表明，標定時間間隔、擺錘沖擊速度和環境溫度對混Ⅲ 5百分位女性假人胸部標定結果的影響明顯，而當盆骨螺栓預緊力矩大于4N·m時，其松緊度對假人胸部標定實驗結果的影響很小。因此，對同一假人胸部進行標定實驗的時間間隔應不短于60min，同時應嚴格控制擺錘沖擊速度和環境溫度。

混Ⅲ 5百分位女性假人；胸部標定實驗；影響因素

前言

近年來，隨著各國汽車安全技術的提高，原有的新車評價規程(new car assessment program, NCAP)評價體系對于汽車安全性的區分度一直在降低[1]。為此，各國不斷地更新各自的NCAP測試項目和評價規程。在成人乘員保護方面，各國在提高得分門檻的同時，逐漸引入小身材的混Ⅲ 5百分位假人作為評價對象。中國的C-NCAP于2009年開始使用混Ⅲ 5百分位假人[2]；歐洲于2015年引進正面100%剛性壁障碰撞實驗，并在該實驗中全部使用混Ⅲ 5百分位假人進行評價[3]。今后，該型假人的使用會越來越多。

在各國NCAP評價體系中，假人胸部都是重要的考核部位之一。為保證碰撞假人在碰撞過程中能真實反映人體特性，在使用過程中要適時進行標定。文獻[4]和文獻[5]中分別進行了混Ⅲ 50百分位假人胸部低速和高速標定影響因素的研究。文獻[6]中進行了混Ⅲ 50百分位假人胸部剛度特性的研究。

然而，上述研究的對象均為50百分位男性假人。本文中主要對混Ⅲ 5百分位女性假人胸部高速標定進行研究，分析各影響因素對假人胸部特性的影響。

1 混Ⅲ 5百分位假人胸部標定方法

美國聯邦法規集第49篇第572部分的O部分(NHTSA CFR Title 49 Part 572, Subpart O)明確給出混Ⅲ 5百分位假人的胸部標定程序，即在環境溫度為20.6～22.2℃、相對濕度為10%～70%的條件下，用質量為13.97±0.23kg的擺錘水平沖擊處于垂直坐姿的假人胸部指定位置，如圖1所示[7]。實驗裝置中，擺錘用鋼絲繩懸掛，通過控制擺錘升起的高度控制擺錘沖擊速度。

圖1 混Ⅲ 5百分位假人胸部標定示意圖[7]

混Ⅲ 5百分位假人胸部標定評價指標包括擺錘作用力峰值(擺錘質量與其沖擊加速度的乘積)、胸部壓縮量峰值和滯后率(或稱遲滯率，是遲滯損失的一種度量，定義為遲滯引起的能耗與加載過程所做的功的比值，可由如后面圖5所示擺錘作用力-胸部壓縮量曲線中，加載曲線和卸載曲線圍成的面積除以加載曲線下面的面積計算獲得)，混Ⅲ 5百分位假人胸部高速標定指標如表1所示。

表1 混Ⅲ 5百分位假人胸部高速標定指標

2 胸部標定影響因素分析

混Ⅲ 5百分位假人的胸部裝配如圖2所示[8]，假人肋骨與脊柱之間為剛性連接，肋骨前裝有一塊橡膠板，最外層為皮膚。假人胸部標定實驗中，對標定結果可能有影響的因素主要包括以下幾個方面。

圖2 混Ⅲ 5百分位假人胸部裝配圖[8]

2.1 肋骨材料力學特性

假人肋骨由彈性鋼板和黏彈性材料組成。其中，黏彈性材料的應變滯后于應力，存在力學松弛；在動態應力下，力學松弛表現為滯后現象。研究表明，滯后現象強烈地依賴于外界條件，對其影響最明顯的是溫度和外力作用頻率。出現滯后現象時，由于形變功與恢復功不相等，會產生功的損耗，即力學內耗[9]。損耗的這部分功以熱的形式損失掉，從而導致肋骨材料發熱并最終影響其力學特性。所以，對同一假人進行連續標定時，若由力學內耗產生的熱量沒有完全消除或者松弛過程沒有完成，均可能對標定結果產生影響。

因此，對同一假人進行胸部標定實驗時，環境溫度和連續標定時間間隔均可能會對胸部標定實驗結果造成影響。

2.2 擺錘沖擊能量

NHTSA CFR Part 572中規定擺錘以6.71±0.12m/s的速度沖擊假人胸部。改變速度即改變擺錘的沖擊能量，勢必對假人胸部標定響應造成影響。

2.3 假人自身的裝配

圖3 混Ⅲ 5百分位假人臀部裝配圖和裝配俯視圖[8]

假人胸部標定實驗要求必須是完整裝配的假人。在假人裝配過程中，利用盆骨螺栓與股骨球形面的摩擦力來限制大腿的運動(圖3)。然而，對同一個假人，由于操作習慣等人為原因，每次在進行實驗之前的設置不會完全一致，這也可能直接影響假人受沖擊后的動態響應，最終影響假人胸部標定實驗的結果。

綜合上述分析，可能對混Ⅲ 5百分位假人胸部標定結果產生影響的因素有連續標定時間間隔、環境溫度、擺錘速度和盆骨螺栓松緊度。本文中利用同一混Ⅲ 5百分位女性假人進行不同影響因素參數條件下的胸部標定實驗，對胸部標定的各影響因素進行分析。以環境溫度21.8℃，盆骨螺栓預緊力矩4N·m，擺錘撞擊速度6.61m/s的實驗為基礎，分別改變各研究因素進行單一變量實驗，實驗中各個影響因素的實驗參數如表2所示。其中，為更直觀地表示髖關節的松緊情況，采用盆骨螺栓的預緊力矩表示髖關節的松緊度。為確保實驗結果的可靠性，首先進行標定時間間隔的影響實驗，并根據實驗結果確定對同一假人進行連續標定基本不影響假人響應的時間間隔，然后在后續的改變其它影響因素的實驗中均采用該時間間隔進行實驗。

表2 研究因素和實驗參數

3 實驗結果與分析

圖4 混Ⅲ 5百分位假人胸部標定實驗示意圖

根據NHTSA CFR Part 572對假人進行標定實驗，圖4為混Ⅲ 5百分位假人胸部標定實驗示意圖，實驗結果如表3所示。假人各響應均在NHTSA CFR Part 572要求的范圍之內，說明該混Ⅲ 5百分位假人的胸部響應特性符合NHTSA CFR Part 572的規定。

表3 混Ⅲ 5百分位假人胸部標定實驗結果

3.1 標定時間間隔

圖5 不同時間間隔下的擺錘力-胸部壓縮量曲線

在相同環境下，采用統一的標定程序，對同一假人進行連續標定實驗。不同時間間隔下的胸部標定曲線如圖5所示。表4為不同標定時間間隔下各指標的變化量，表中數據為第二次標定結果與第一次標定結果之差，其中正值表示相應指標變大，負值表示相應指標變小。采用變化率，即變化量與第一次標定結果的比值，來衡量不同時間間隔對各指標的影響，得到連續標定時間間隔對各指標的影響，如圖6所示。其中，胸部剛度為擺錘力幅值與胸部壓縮量幅值的比值[6]。

表4 不同標定時間間隔下各指標的變化量

圖6 標定時間間隔對各指標的影響情況

由圖6可知，當時間間隔為15min時，連續標定對各指標的影響最大。其中，胸部壓縮量增加了6.23%，胸部剛度減小了9.15%。當時間間隔為30min時，胸部壓縮量減小了4.77%，胸部剛度增加了5.26%，說明時間間隔較短時，連續標定對實驗結果有明顯影響，其中假人胸部剛度和胸部壓縮量受的影響最為明顯。當時間間隔為45min時，各指標的改變均小于基礎實驗的2%(-1.62%～1.01%)，說明時間間隔為45min時，連續標定對實驗結果的影響較小，但松弛過程仍未完全結束。當時間間隔為60min時，兩次實驗各損傷指標的變化不超過0.6%，這說明當連續標定時間間隔為60min時，假人胸部已完全釋放了第一次標定的撞擊能量，并恢復到原形態。另外，由圖6可知，受連續標定影響最小的指標為滯后率；當標定時間間隔為15min時，滯后率增加了1.86%；當時間間隔大于或等于30min時，在連續標定的影響下，滯后率的變化均未超過1%；這說明連續標定時間間隔對滯后率的影響很小。

目前，根據CFR Part 572 O部分的實驗要求，對同一假人胸部進行標定實驗的時間間隔至少為30min。但由表4和圖6可見，30min的時間間隔并不足以消除假人胸部的力學松弛現象。因此，在后續的實驗中，為排除時間間隔對實驗的影響，每次標定的時間間隔至少為60min。

3.2 環境溫度

根據CFR Part 572 O部分的實驗要求，實驗前需將假人放置在20.6～22.2℃中至少4h；Euro-NCAP以及C-NCAP中規定放置時間至少為5h。為確保假人內部達到實驗溫度，在進行環境溫度對假人胸部標定實驗的影響研究時，實驗過程中假人在不同溫度環境中的放置時間均大于5h。

圖7 不同溫度下的胸部標定曲線

在不同的環境溫度條件下，進行標定實驗獲得的假人胸部標定實驗曲線如圖7所示。以在環境溫度21.8℃下進行的實驗為基礎實驗，獲得各指標的變化量(表5)和變化率(圖8)。隨環境溫度的增加，假人胸部剛度明顯減小，胸部壓縮量明顯增加，說明隨環境溫度增加，假人肋骨越容易發生變形。在環境溫度的影響下，擺錘力的改變均小于2%(-1.66%～0.94%)，說明環境溫度對擺錘力的影響較小。當環境溫度為19.9，21.8和23.8℃時，假人胸部滯后率相同；只當環境溫度為25.8℃時，滯后率減小了5.82%。說明在一定溫度范圍內，環境溫度對滯后率的影響很小；當環境溫度較高時，假人肋骨的滯后性能發生了明顯改變。

表5 不同環境溫度下各指標的變化量

圖8 環境溫度對各指標的影響情況

由圖8可知，在19.9～23.8℃之間，假人胸部剛度和胸部壓縮量隨環境溫度升高基本上呈線性變化。由此獲得在CFR Part 572法規中規定的20.6～22.2℃的溫度范圍內，假人胸部剛度的最大變化量約為3.17N/mm，胸部壓縮量幅值的最大變化量約為1.60mm，滯后率基本不受影響。

3.3 擺錘撞擊速度

在相同的標定環境下，以不同的擺錘速度沖擊假人胸部，獲得的實驗曲線如圖9所示。在圖9(b)中，當速度為5.71m/s時，擺錘撞擊力-時間曲線在30ms之后(擺錘力峰值時刻之后)出現無規則波動。經分析系由加速度傳感器與實驗擺錘的連接出現松動導致，所以與之相關的滯后率存在一定問題。以擺錘速度為6.61m/s的實驗作為基礎實驗，獲得不同擺錘速度下各指標的變化量(表6)和變化率(圖10)。

圖9 不同擺錘撞擊速度下的胸部標定曲線

擺錘速度/(m·s-1)胸部壓縮量/mm擺錘力/kN胸部剛度/(N·mm-1)滯后率/%5 71-7 9-0 68-0 67-1 6?6 06-3 1-0 46-3 220 36 30-1 5-0 26-2 720 3

注：帶*的數據存在問題。

圖10 擺錘撞擊速度對各指標的影響情況

盡管由于實驗設備的限制和操作難度，擺錘撞擊速度未能完全覆蓋NHTSA規定的范圍，但仍然可以看出撞擊速度對各指標的影響。由圖10可知，整體上擺錘速度對胸部滯后率的影響非常小(速度為5.71m/s時，滯后率減小了2.3%，其余均小于0.5%)。隨擺錘速度的增加，擺錘力和胸部壓縮量均明顯增加，這表明擺錘力和胸部壓縮量受擺錘撞擊速度的影響較大。隨著速度的升高，假人胸部剛度的改變并不明顯。當速度差異接近1m/s時，滯后率產生了一定的變化；因此，今后有必要選取更大差異的擺錘撞擊速度進行實驗，進一步明確滯后率與擺錘速度的關系。

3.4 盆骨螺栓松緊度

假人標定前，需要調節假人盆骨螺栓的松緊，使髖關節處于1g～2g的狀態。1g指調整關節至剛好可以使相鄰上肢或下肢保持水平，當作用一個較小的力而后移除該力時，上肢或下肢可繼續下落[3]。

圖11為不同盆骨螺栓松緊度下的胸部標定曲線。當盆骨螺栓預緊力矩為0時重復多次實驗，發現擺錘力-時間曲線都出現了無規則的波動，且每次實驗的結果一致性較差，說明盆骨螺栓過松會影響實驗數據的穩定性和一致性。造成該現象的原因可能是由于假人下半身與上半身之間缺乏有效約束，導致無規則的相對運動，從而使采集的數據產生波動。以盆骨螺栓預緊力矩為4N·m的實驗為基礎實驗，獲得各實驗指標變化量(表7)和變化率(圖12)。由于預緊力矩為0時實驗重復性較差，難以準確得出最合理的實驗結果，因此表7和圖12的數據不包括預緊力矩為0的情況。

圖11 不同盆骨螺栓松緊度下的胸部標定曲線

盆骨螺栓力矩/(N·m)胸部壓縮量變化量/mm擺錘力變化量/kN胸部剛度變化量/(N·mm-1)滯后率變化量/%21 54-0 17-5 37-0 576-0 27-0 06-0 73-0 27

圖12 盆骨螺栓松緊度對各指標的影響情況

由圖12可知，盆骨螺栓松緊度對滯后率的影響很小(-0.83%～0)，但對胸部剛度、胸部壓縮量和最大擺錘力有一定的影響。相對基礎實驗，當預緊力矩為2N·m時，擺錘力減小了4.02%，胸部剛度減小了6.73%，胸部壓縮量增加了2.91%。這說明盆骨螺栓預緊松到一定程度時，其預緊力矩的改變會對假人胸部標定的結果造成一定的影響。然而，預緊力矩6N·m的標定結果與基礎實驗預緊力矩4N·m的標定結果的差異很小，說明將盆骨螺栓預緊到一定程度后，盆骨螺栓松緊度對假人胸部響應的影響很小。因此，進行混Ⅲ 5百分位女性假人胸部標定實驗時，盆骨螺栓松緊度應大于4N·m。

4 結論

根據現行的NHTSA CFR Part 572中規定的混Ⅲ 5百分位女性假人的胸部標定程序，研究了標定時間間隔、擺錘沖擊速度、環境溫度以及盆骨螺栓松緊度對混Ⅲ 5百分位女性假人胸部標定實驗的影響，得出如下結論。

(1) 連續標定時間間隔對假人胸部標定結果的影響非常明顯。標定實驗后，假人肋骨需要約60min才能完全釋放沖擊能量并恢復到原來的狀態，目前法規中規定的30min不足以使假人肋骨完全恢復。因此，在實際標定過程中，進行連續標定的時間間隔應不小于60min。

(2) 環境溫度對假人胸部標定結果的影響也較為明顯。其中，隨著環境溫度的升高，胸部剛度明顯減小，胸部壓縮量明顯增加，但擺錘力的變化非常小。相比胸部壓縮量和胸部剛度，滯后率對環境溫度的敏感性并不高，但環境溫度大幅增高時，假人胸部標定的滯后率還是會有所降低。

(3) 隨著擺錘速度的增加，假人胸部壓縮量和擺錘碰撞力同時增加。

(4) 假人盆骨螺栓過松時，假人胸部標定實驗數據采集的穩定性和一致性會受到一定影響。但當盆骨螺栓預緊到一定程度時，假人胸部標定結果受盆骨螺栓松緊的影響會非常小。由實驗結果可知，進行混Ⅲ 5百分位女性假人胸部標定實驗時，盆骨螺栓預緊力矩應不小于4N·m。

(5) 胸部壓縮量主要受連續標定時間間隔、環境溫度和擺錘撞擊速度的影響，擺錘力主要受擺錘速度的影響，胸部剛度主要受連續標定時間間隔和環境溫度的影響，環境溫度對滯后率有一定影響。

[1] 劉玉光,劉志新.各國新車評價規程(NCAP)測試評價技術的現狀與發展[J].汽車安全與節能學報,2013,4(1):16-22.

[2] 中國汽車技術研究中心.C-NCAP管理規程(2012版)[S].天津:2012.

[3] Euro NCAP. European New Car Assessment Program// Full Width Frontal Impact Testing Protocol[S].2014.

[4] 王凱,李向榮,朱海濤,等.Hybrid Ⅲ 50百分位假人胸部低速撞擊標定研究[J].汽車工程,2009,31(12):1123-1125.

[5] 管麗華,蘭璽,周虎,等.Hybrid Ⅲ 50th假人胸部標定影響因素分析[C].2013中國汽車工程學會年會論文集,北京:北京理工大學出版社,2013:657-659.

[6] 商恩義,師玉濤,楊勁松,等.正面碰撞試驗用50%假人胸部剛度研究[J].汽車零部件,2013(5):59-63.

[7] USA NHTSA. Test Dummy Specification, NHTSA CFR Part 572: O[S]. USA NHTSA,2007-06.

[8] First Technology. Hybrid Ⅲ 5th Female User Manual[S]. First Technology Safety Systems, Inc.,2008:36-61.

[9] 高俊剛,李源勛.高分子材料[M].北京:化學工業出版社,2002:147-158.

An Analysis on the Influencing Factors of Thorax Calibration forHybrid-Ⅲ 5th Percentile Female Dummy

Cao Libo1,2, Luo Qian1, Yan Lingbo1,2, Zhang Kai1& Wang Zhi2

1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082; 2.StateKeyLaboratoryofVehicleNVHandSafetyTechnology,Chongqing400023

A series of chest calibration tests for Hybrid-Ⅲ 5th percentile female dummy are conducted to investigate the influences of calibration time interval, pendulum impact speed, ambient temperature and the tightness of pelvis bolts on the results of dummy chest calibration. The outcomes show that the calibration time interval, pendulum impact speed and ambient temperature have significant influences on the results of dummy chest calibration, while the tightness of pelvis bolts only has little effects providing the tightening torque is higher than 4N·m. Hence, the calibration time interval for the same dummy chest should be more than 60 minutes, and the pendulum impact speed and ambient temperature should also be strictly controlled.

Hybrid-Ⅲ 5th percentile female dummy; thorax calibration test; influencing factors

*汽車噪聲振動與安全技術國家重點實驗室基金(NVHSKL-201415)資助。

原稿收到日期為2015年4月15日。