溫度偏差對第50百分位假人胸部壓縮變形量的影響研究

商恩義 周大永 崔新康 曹盈

（浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江省汽車安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311228）

主題詞：被動(dòng)安全 50th假人 胸部壓縮變形量 溫度偏差

1 前言

目前，乘用車約束系統(tǒng)開發(fā)過程的正面碰撞試驗(yàn)中，Hybrid Ⅲ50th假人胸部壓縮變形量的測量結(jié)果通常受溫度偏差、假人坐姿一致性、安全帶佩戴位置一致性等因素的影響，其中溫度偏差對測量結(jié)果的影響比較突出，是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。為此，有研究人員在確保假人擺放姿態(tài)等基本試驗(yàn)條件一致的情況下，以22 ℃為基礎(chǔ)，通過適當(dāng)改變溫度進(jìn)行了大量重復(fù)性臺(tái)車試驗(yàn)，通過統(tǒng)計(jì)分析不同試驗(yàn)之間胸部壓縮變形量的偏差，得到溫度變化對假人胸部壓縮變形量的影響約為1.5～2.0 mm/℃的結(jié)論。但事實(shí)上，當(dāng)前預(yù)緊限力式安全帶產(chǎn)品的力值穩(wěn)定范圍普遍為0.5 kN，即使保證假人坐姿、安全帶佩戴位置完全一致，重復(fù)試驗(yàn)的試驗(yàn)條件也不具有一致性，所以通過分析重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的離散性來推導(dǎo)溫度對假人胸部壓縮變形量的影響不夠嚴(yán)謹(jǐn)。基于上述原因，本文利用正面碰撞假人胸部剛度概念，分析溫度差異對50th假人胸部壓縮變形量的影響。

2 Hyprid Ⅲ50th假人胸部剛度

2.1 假人胸部結(jié)構(gòu)

Hybrid Ⅲ50th假人胸部由肋骨組件和皮膚構(gòu)成，其中，肋骨組件如圖1所示[1]，是由6根C型肋骨（C型鋼板和阻尼材料粘合而成）構(gòu)成的彈性框架結(jié)構(gòu)，肋骨前端通過短鋼板相連接，后端固定在胸椎上，肋骨組件“穿上”皮膚后構(gòu)成假人胸部，假人胸部具有一定剛度，在受力過程中會(huì)發(fā)生彈性變形。

2.2 假人胸部剛度

相關(guān)研究表明[2-3]，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下，在碰撞初期假人平動(dòng)時(shí)，其胸部壓縮變形量d的時(shí)間曲線與肩帶力FB的時(shí)間曲線之間存在關(guān)系系數(shù)k，k基本穩(wěn)定在200 kN/m。用Fd表示導(dǎo)致假人胸部產(chǎn)生變形的力，某試驗(yàn)中，令Fd=kd，將Fd時(shí)間曲線與FB時(shí)間曲線進(jìn)行比較，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，在假人前撲，安全帶肩帶力由0上升至安全帶開始限力階段，兩曲線近似平行，且在限力后穩(wěn)定值相近。如果排除胸部壓縮變形量延時(shí)的影響，可認(rèn)為安全帶力上升階段兩曲線近似重合，因此，稱k為假人胸部剛度。每次試驗(yàn)中，k可以通過肩帶力與胸部壓縮變形量比較得到，鑒于胸部結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性，在相同的環(huán)境溫度等試驗(yàn)條件下，k相對穩(wěn)定。

圖1 Hybrid Ⅲ50th假人胸部結(jié)構(gòu)

圖2 某試驗(yàn)中Fd時(shí)間曲線與FB時(shí)間曲線

假人胸部剛度雖然相對穩(wěn)定，但肋骨結(jié)構(gòu)中包含的阻尼材料受溫度影響較大，因此，溫度變化對胸部壓縮變形量造成的影響實(shí)質(zhì)上是溫度變化改變了假人胸部剛度k所致。研究溫度變化對假人胸部壓縮變形量的影響可通過研究溫度變化對假人胸部剛度的影響來進(jìn)行。

3 溫度偏差對假人胸部壓縮變形量的影響研究

在不同溫度條件下進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，利用Fd時(shí)間曲線和FB時(shí)間曲線推導(dǎo)出胸部剛度k，并通過多次試驗(yàn)結(jié)果建立溫度與剛度的關(guān)系式，進(jìn)而推導(dǎo)出指定安全帶力和試驗(yàn)溫度下溫度對假人胸部變形量的影響。

3.1 試驗(yàn)方案制定

實(shí)車碰撞試驗(yàn)成本較高，故通過臺(tái)車試驗(yàn)進(jìn)行研究。約束系統(tǒng)開發(fā)所進(jìn)行的正面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)中，臺(tái)車的加速度曲線通常采用50 km/h實(shí)車正面碰撞試驗(yàn)中車身B柱底部x向加速度曲線，考慮到本次研究需要進(jìn)行的臺(tái)車試驗(yàn)次數(shù)較多，為了在達(dá)到測試效果的同時(shí)避免對假人造成過度傷害，降低碰撞強(qiáng)度，采用某次30 km/h正面碰撞試驗(yàn)車身B柱底部位置x向加速度曲線。

為了減少試驗(yàn)次數(shù)，試驗(yàn)時(shí)在駕駛員側(cè)和乘員側(cè)分別放置假人，并通過可移動(dòng)的空調(diào)分別對2個(gè)假人身體附近吹風(fēng)，調(diào)節(jié)假人局部環(huán)境溫度。另外，為保證試驗(yàn)所用假人胸部滿足試驗(yàn)要求，試驗(yàn)前分別對2個(gè)假人的胸部進(jìn)行了低速標(biāo)定[4]。為了保證試驗(yàn)條件與正式試驗(yàn)條件盡可能接近，按照C-NCAP管理規(guī)則[5]規(guī)定的正面碰撞試驗(yàn)要求調(diào)節(jié)座椅、擺放假人和佩戴安全帶。正式試驗(yàn)中，要求假人在試驗(yàn)溫度下放置4 h，以保證胸腔溫度、肋骨上阻尼材料的溫度與環(huán)境溫度一致，利用置入假人胸腔內(nèi)的熱電偶測量胸腔溫度。假人坐姿和溫度測量方式如圖3所示。

圖3 臺(tái)車試驗(yàn)中假人坐姿和溫度測量方式

3.2 試驗(yàn)方案可行性分析

首次臺(tái)車試驗(yàn)后，取k=200 kN/m，分別計(jì)算出駕駛員側(cè)假人和乘員側(cè)假人的Fd，并分別將Fd時(shí)間曲線與FB時(shí)間曲線進(jìn)行比較，結(jié)果如圖4所示。

圖4中，2條曲線上升過程近似平行，安全帶開始限力后，F(xiàn)B和Fd取值接近，即此試驗(yàn)中k的取值合適，該結(jié)果符合文獻(xiàn)[2]的研究結(jié)論。需要指出的是，駕駛員位置的安全帶限力等級為4 kN，乘員側(cè)的安全帶限力等級為3.5 kN，但兩側(cè)k的取值相同，該結(jié)果表明，0.5 kN的安全帶力的變化對假人胸部剛度沒有影響。即，在重復(fù)試驗(yàn)中，安全帶肩帶力0.5 kN以內(nèi)的偏差會(huì)影響胸部壓縮變形量，但不影響假人胸部剛度。因此，可以確認(rèn)通過剛度研究溫度偏差對假人胸部壓縮變形量的影響，可排除重復(fù)試驗(yàn)中安全帶肩帶力一致性差異的影響，研究方案可行。

圖4 Fd時(shí)間曲線與FB時(shí)間曲線臺(tái)車試驗(yàn)結(jié)果

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)前述試驗(yàn)方法及條件進(jìn)行了7次臺(tái)車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，假人胸部剛度分布及其與溫度間的線性關(guān)系如圖5所示。

表1 臺(tái)車試驗(yàn)結(jié)果

圖5 假人胸部剛度分布及其與溫度的線性關(guān)系

由圖5可以看出，在溫度約為22 ℃時(shí)，假人胸部剛度基本維持在200～205 kN/m，這與文獻(xiàn)[2]的研究結(jié)果基本吻合。另外，當(dāng)溫度在21～26 ℃區(qū)間變化時(shí)，剛度變化無規(guī)律。只有當(dāng)溫度差值達(dá)10 ℃左右時(shí)，才表現(xiàn)出溫度越高剛度越低。該結(jié)果表明，當(dāng)溫度為22 ℃左右時(shí)，在各種試驗(yàn)條件產(chǎn)生的差異影響下，溫度對胸部剛度的影響不明顯。即，溫度在小范圍內(nèi)變化時(shí)進(jìn)行溫度對胸部壓縮變形量的影響研究不準(zhǔn)確。

進(jìn)一步分析剛度分布特性，圖5中，溫度越高，分布的胸部剛度與趨勢線越接近，線性關(guān)系越穩(wěn)定。另外，駕駛員側(cè)假人趨勢線與乘員側(cè)假人趨勢線非常接近，因此可以認(rèn)為在20～35 ℃范圍內(nèi)，假人胸部剛度與溫度之間存在穩(wěn)定的線性變化規(guī)律。

為了使假人胸部剛度與溫度的線性關(guān)系通用，應(yīng)推導(dǎo)出溫度與胸部剛度之間的關(guān)系式。為了保證推導(dǎo)結(jié)果的通用性，如圖6所示，將2個(gè)假人試驗(yàn)結(jié)果合并，擬合出胸部剛度k與溫度t之間的關(guān)系式：

圖6 假人胸部剛度與溫度的關(guān)系

3.4 溫度影響分析

當(dāng)前，基于安全考慮，各乘用車上配置的限力式安全帶在限力后肩帶力通常為3.5 kN、4 kN和4.5 kN，另外，法規(guī)中試驗(yàn)溫度范圍要求是20～22 ℃，因此，依據(jù)式（1），進(jìn)一步研究此條件下溫度對假人胸部壓縮變形量的影響。

不同肩帶力、不同溫度下由式（1）計(jì)算得到的剛度kv以及進(jìn)一步計(jì)算得到的胸部壓縮變形量dv、溫度每增加1 ℃時(shí)胸部變形量產(chǎn)生的差值Δd如表2所示。

表2 溫度偏差對胸部變形量產(chǎn)生的影響

由表2可知，在3.5～4.5 kN的作用下，20～22 ℃范圍內(nèi)，溫度變化的影響約為0.7 mm/℃。

另外，0.5 ℃左右溫度偏差產(chǎn)生的影響僅為0.35 mm，對C-NCAP評價(jià)的影響可以忽略，故此時(shí)試驗(yàn)可以考慮進(jìn)行。

3.5 研究結(jié)果的應(yīng)用探討

根據(jù)C-NCAP管理規(guī)則，在20～22 ℃范圍內(nèi)所進(jìn)行的正面碰撞試驗(yàn)均有效。因此，為了評估重復(fù)試驗(yàn)中胸部壓縮變形量可能產(chǎn)生的偏差，可以考慮在每次試驗(yàn)后，依據(jù)式（1）求出假人胸部壓縮變形量在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的上、下偏差，將試驗(yàn)結(jié)果以測量結(jié)果加公差的形式進(jìn)行表示。

例如，在試驗(yàn)溫度為21.5 ℃，安全帶肩帶力為4.5 kN的條件下由式（1）求得k=211 kN/m，d=21.3 mm。結(jié)合表2，當(dāng)t=20 ℃時(shí)，d=20.3 mm，則下偏差為-1.0 mm，當(dāng)t=22 ℃時(shí)，d=21.7 mm，則上偏差為+0.4 mm，最終試驗(yàn)結(jié)果可標(biāo)記為，其中A為試驗(yàn)測得假人胸部壓縮變形量。

需要強(qiáng)調(diào)的是，假人胸部剛度k是基于假人平動(dòng)狀態(tài)階段確定的，故此時(shí)給出的公差也是此階段胸部壓縮變形量受溫度偏差影響可能產(chǎn)生的偏差。當(dāng)碰撞后期假人上半身發(fā)生前撲時(shí)，假人胸部剛度會(huì)略有改變。

4 結(jié)束語

本文通過加速臺(tái)車試驗(yàn)研究了溫度偏差對50th假人胸部壓縮變形量的影響，指出在正面碰撞試驗(yàn)中，假人胸部剛度與溫度之間存在穩(wěn)定的線性關(guān)系，并推導(dǎo)出在3.5～4.5 kN的作用下，溫度在20～22 ℃之間變化時(shí)，溫度對胸部壓縮變形量的影響約為0.7 mm/℃，試驗(yàn)時(shí)溫度與目標(biāo)溫度有0.5 ℃左右的偏差可以忽略。