正面離位乘員試驗中采樣時長對假人傷害值的影響分析

劉暉 楊俊瑋 楊佳宙 張桂明

摘要：為了分析離位乘員正面碰撞試驗中采樣時長對假人傷害值的影響，本文以駕駛員位置的HIII-5F假人為研究對象，對假人三個主要部位（頭、頸、胸）的傷害值進行統計分析，研究了兩種采樣時長125ms與200ms下假人各主要部位的傷害情況。結果表明：不同采樣時長對假人頭部傷害以及胸部傷害指標未產生影響，在不同采樣時長中，氣囊的展開狀態以及假人在不同時刻身體各部位運動趨勢的差異，均會對頸部傷害指標產生影響。

關鍵詞：正面離位乘員試驗;HIII-5F;采樣時長;傷害指標

0? 引言

隨著人們安全意識的不斷提升，汽車安全越來越受到社會的重視。安全氣囊是降低乘員傷害的重要裝置，對降低乘員傷亡起著不可替代的作用[1]，但是當身材矮小的女性與兒童位于前排并處于非正常乘坐姿態（即離位乘員）時，安全氣囊會提前與乘員接觸，造成致命損傷[2]。美國頒布并多次修訂聯邦機動車安全法規FMVSS 208，該法規詳細介紹了第五百分位女性假人DAB低風險展開與兒童假人PAB低風險展開試驗方法，以降低氣囊對離位乘員的傷害，其中針對第五百分位女性假人規定的數據采樣時長為125ms[3];2019年5月，我國頒布了《GB_T 37437—2019正面安全氣囊離位乘員保護技術要求》（后文簡稱國標），該標準規定了前排正面安全氣囊離位乘員保護的試驗方法和技術要求，進一步完善了國內乘員保護標準，該標準規定數據的采樣時長為200ms[4]。

國內許多相關學者對OOP（out of position）工況下假人的傷害情況進行了深入的研究，并取得了一定的研究成果[5-7]。然而，目前針對OOP正面碰撞對假人的傷害研究大多采用CAE分析的方法，并且關于采樣時長對OOP正面碰撞試驗中假人傷害值影響的研究相對較少。本文在大量OOP正面碰撞試驗的基礎上，對假人頭部，胸部和頸部的傷害值進行統計分析，并結合試驗時的高速攝像視頻，分析了氣囊展開過程各個階段對假人不同部位的沖擊作用以及假人離開氣囊后不同部位之間的相互作用，研究了采用兩種采樣時長125ms與200ms對三個部位傷害值的影響。

1? 數據分析

1.1 假人頭部與胸部損傷指標分析

依照FMVSS 208法規與國標相關試驗要求進行17次離位乘員正面碰撞試驗，試驗假人選用位于駕駛員位置的HIII-5F假人，其中包括兩種姿態，分別為：下巴在氣囊模塊上，頭與頸靠近氣囊模塊（driver Position 1），下巴在方向盤邊緣上，頸與胸靠近氣囊模塊（driver Position 2），兩種姿態如圖1所示。后文兩種姿態分別用A和B表示，其中頭部傷害指標考察HIC15，頸部傷害指標考察Nij、頸部軸向力、彎曲/伸展力矩和扭矩，胸部傷害指標考察胸部3ms合成加速度、胸部壓縮量以及胸部壓縮速率三項指標。各傷害評估參考值如表1所示。

為了研究采樣時長對假人傷害值的影響，本文引入新的指標，即200ms相對125ms采樣時長條件下的傷害指標改變率，將其作為對比兩種采樣時長對傷害值影響的指標，200ms相對125ms采樣時長條件下頭部和胸部傷害指標的改變率如表2所示。

由表2可知，在兩種姿態下分別采用200ms與125ms采樣時長獲得的假人頭部與胸部損傷指標數值相等，即說明采樣時長對頭部與胸部傷害指標未產生影響。

1.2 假人頸部傷害指標分析

頸部傷害指標主要考察頸部載荷極限綜合指標Nij，頸部軸向載荷，剪切載荷，彎矩以及扭矩，200ms相對125ms采樣時長條件下17組試驗頸部傷害指標改變率如表3所示。

分析表3可知，采樣時長未對兩種姿態中頸部軸向拉伸載荷（Neck-AxialFzT）指標產生影響;采樣時長對兩種坐姿下其余六種頸部傷害指標均有影響;119個傷害指標中出現增長的數據占比為21%，其中軸向拉伸載荷、彎曲與伸展彎矩的增長數據占比最多。頸部載荷極限綜合指標Nij的計算公式如下式所示，兩種采樣時長條件下17組試驗Nij的改變率如表4所示。

由表4可知，采樣時長對壓縮-伸展（NCF）、壓縮-彎曲（NCE）指標產生影響，其中，在坐姿A姿態下，采樣時長對NCE有顯著影響;采樣時長對對拉伸-伸展（NTF）、拉伸-彎曲（NTE）指標無影響。

2? 結論

本文統計分析了17次OOP正面碰撞試驗中采樣時長對假人頭部、胸部和頸部傷害值的影響，針對頸部的傷害差異總結了三種試驗類型，并選取三個典型試驗進行了詳細的分析，結論如下：

①采樣時長對假人頭部與胸部的傷害值未產生影響;

②不同采樣時長、不同姿態中頸部軸向拉伸載荷指標未產生影響;對兩種坐姿下軸向拉伸載荷、彎曲、伸展彎矩產生影響;對Nij壓縮-伸展、壓縮-彎曲指標產生影響;其中坐姿頭與頸靠近氣囊模塊時壓縮-彎曲指標有顯著影響;采樣時長對對拉伸-伸展、拉伸-彎曲指標無影響。

根據上述結論，不同采樣時長會對OOP正面碰撞試驗中假人的傷害值產生影響。采用國標GB_T 37437—2019規定的200ms采樣時長獲得的假人傷害值更能真實反映目前中國市場氣囊對假人的傷害程度。

參考文獻：

[1]繆建洲.汽車乘員約束系統及其新發展[J].電子機械工程，2012，28（3）：7-11.

[2]張學榮，周進寶，黃碩，等.3歲離位兒童損傷機理研究[J]. 汽車技術，2016（10）：48-52.

[3]FMVSS 208， FEDERAL MOTOR VEHICLE SAFETY STANDARDS[S].

[4]GB/T 37437-2019，正面安全氣囊 離位乘員保護技術要求[S].

[5]陸善彬，劉立勇，張君媛，等.安全氣囊仿真技術在乘員離位模擬中的應用研究[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2009， 32（12）：1793-1795.

[6]孫小光，商恩義，師玉濤，等.基于正面離位乘員保護的安全氣囊優化[J].汽車技術，2014（11）：54-56.

[7]杜亮，張紹衛，朱西產.正面100%RB碰撞中假人頸部My傷害分析[J].上海汽車，2011（4）：54-59.