整車MPDB試驗中THOR假人損傷的研究*

劉 明，商 博，趙清江

（1.汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室，重慶400039；2.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶400039；3.泛亞汽車技術中心有限公司，上海201201）

前言

為同時評估車輛在發生事故時對本車乘員的保護能力（耐撞性）和對對方碰撞車輛的傷害能力（攻擊性），即對車輛的碰撞兼容性進行評估，Euro NCAP（European new car assessment program）在2020年新引入MPDB（mobile progressive deformable barrier）碰撞測試項目［1］。Euro NCAP采用了全新設計、生物逼真度更高的THOR（test device for human occupant restraint）50百分位假人來評估對駕駛員的保護性能。C?NCAP在2022年也將采用該測試方法，試驗設置如圖1所示。

圖1 MPDB碰撞試驗設置

1 MPDB試驗特點與碰撞強度分析

1.1 MPDB碰撞車輛的加速度波形特點

通過對比同一款車型的50 km/h完全正面FWRB（full width rigid barrier）、64 km/h正面40%重疊率ODB（offset deformable barrier）試驗和50 km/h正面50%重疊率MPDB碰撞試驗的加速度曲線（圖2）可以看出，MPDB工況中波形的回彈時刻大幅提前，在80 ms前即完成整個吸能過程，這與FWRB的波形變化很接近，而在ODB工況中整個吸能過程大約持續到120 ms；此外，由于MPDB壁障的整體剛度比ODB大［2-3］，但小于剛性壁障，造成碰撞前期MPDB工況中加速度上升較快，明顯高于ODB但又小于FWRB。因此，對于MPDB工況的約束系統參數配置可以在參考FWRB的基礎上進一步調整。

圖2 某車型FWRB、ODB和MPDB工況車身x向加速度對比

1.2 MPDB碰撞強度與車輛質量的相關性分析

最大速度變化Δv和能量等效速度EES（energy equivalent speed）兩個指標廣泛用于評估車輛碰撞事故中車輛損壞和乘員損傷的嚴重程度。由于車輛前端結構設計的差異，即使在相同的Δv和EES時，碰撞車輛也表現出完全不同的加速度；由于乘員年齡、性別和身體狀態，約束系統配置等也存在廣泛的差異，這將造成在相同的Δv和EES時出現完全不同的乘員損傷［4］。基于這些原因，根據TSOI、Gabauer和Park等［5-7］，以及天合汽 車TRW［8］和 國 際 標 準 組 織ISO（international organization for standardization）［4］的研究，采用加速度強度指數ASI（acceleration severity index）、車輛加速度指數VPI（vehicle pulse index）和乘員載荷指標OLC（occupant load criterion）這3個與乘員損傷相關的碰撞強度指標對MPDB的碰撞強度進行分析。

1.2.1 加速度強度指數ASI

歐洲標準化委員會CEN（European committee for standardization）在標準EN1317中提出通過計算ASI指數，評估車輛和道路約束系統（如護欄）碰撞時的嚴重程度和對佩戴約束系統的乘員損傷影響。

1.2.2 車輛加速度指數VPI

VPI指數由ISO提出，用于評估碰撞加速度對佩戴約束系統的乘員損傷影響程度。VPI傷害指標通過使用單自由度的集中質量-彈簧模型來預測乘員的運動，原理如圖3所示。

圖3 車輛加速度指數VPI示意圖

VPI的計算公式為

式中：M為乘員質量；y（t）為乘員位移；x（t）為車輛位移。車輛和乘員通過約束系統連接，定義函數P（t）表示兩者間的受力，其中k為約束系統的剛度，s為約束系統的松弛量。質量為1 kg時，ISO推薦的k值為2 500 N/m，松弛量為0.03 m。對于不同的碰撞加速度，推薦使用設置固定的約束系統剛度k和松弛量來計算VPI。

1.2.3 乘員載荷指標OLC

OLC指標由TRW的Kübler博士等在2008年提出。通過對碰撞過程中，在安全帶的作用下乘員的運動狀態研究，認為在碰撞初始階段，由于安全帶對乘員的約束作用較小，乘員處于無約束的自由狀態，并保持初始速度運動直到相對于車身的位移達到65 mm（圖4中區域A1的面積）。此后，假設約束系統完全開始起作用，乘員以恒定的減速度運動直到相對于車身的位移達到235 mm（圖4中區域A2的面積），該恒定減速度即為OLC值。OLC指標目前為Euro NCAP MPDB測試工況中的評價指標之一。

圖4 OLC計算方法

根據9款實車MPDB碰撞試驗采集的加速度信號（左側B柱下位置），分別計算以上3種碰撞強度指標，并與車輛質量進行線性相關度分析，如圖5所示。

圖5 車輛質量與ASI、VPI和OLC指標的關系

由圖5可見，隨著碰撞車輛質量增大，3個指標呈現一致減小的趨勢，即隨著車輛質量增加，在碰撞事故中乘員損傷的風險降低。這與美國國家公路交通安全管理局（national highway traffic safety administration，NHTSA）在碰撞兼容性早期的研究中根據碰撞事故的死亡率分析報告系統（fatal accident reporting system，FARS）得出的結論一致［9］。中國汽車技術研究中心根據14次實車MPDB試驗中THOR假人的損傷數據比較，大型車（試驗質量>1 700 kg）的得分率相對高于小型車（試驗質量<1 700 kg）［10］。得分率越高，表明對乘員的保護效果越好，乘員損傷的風險越低，這也與當前的分析結論一致。

2 MPDB試驗中THOR假人損傷的特點與影響因素分析

2.1 THOR假人損傷的特點

根據試驗中THOR假人得分統計的各部位得分比例如圖6所示。其中胸腹部的得分最低，其次為小腿。通過對胸腹損傷值的進一步分析，發現腹部得分為滿分，胸部壓縮量大，尤其是右上胸部位移傳感器位置的壓縮量大，是造成胸腹部得分低的關鍵原因。這與THOR假人胸部和整個上軀干全新的設計［11-12］以及安全帶的佩戴位置有關（圖7）。相對目前在碰撞試驗中廣泛使用的Hybrid III 50百分位男性假人，THOR 50百分位假人的生物仿真度更高，其胸部剛度接近人體但小于Hybrid III 50百分位假人［13］，造成在相同條件下，THOR假人的胸部壓縮量明顯大于Hybrid III假人［14］。因此，研究影響胸部壓縮量的關鍵車輛參數，如碰撞強度和約束系統配置等，可以有效提高約束系統和車輛結構的匹配效果，減小假人損傷。

圖6 MPDB試驗中THOR假人各部分得分比例

圖7 THOR與Hybrid III假人胸部結構比較

2.2 THOR假人傷害的影響因素

試驗中THOR假人的主要損傷集中在胸部和小腿，基于現有試驗參數和結果，本文中主要研究碰撞強度和安全帶限力對胸部和小腿損傷的影響。胸部損傷指標選用右上位置胸部壓縮量，而小腿的損傷指標選擇軸向壓縮力和小腿損傷指數TI（tibia index）作為分析對象。由于OLC指標與試驗車質量的線性相關性相對最好，因此選用OLC指標分析和假人損傷值的相關性。安全帶的限力水平根據試驗中上肩部安全帶力傳感器采集的數據確定，在本次研究的試驗車型中，兩個車型配置的安全帶無限力，這兩個車型的假人損傷數據不在研究范圍內。

表1為根據OLC指標、安全帶限力、胸部壓縮量和小腿損傷結果計算的線性相關系數。由表1可知，OLC指標與小腿損傷呈現顯著的正相關關系（相關系數>0.81），與右上位置的胸部壓縮量也表現較為明顯的正相關關系（相關系數=0.69）。因此減小OLC指標，有利于減小胸部壓縮量和小腿損傷。安全帶的限力水平和THOR假人的胸部壓縮量存在顯著的線性相關性（相關系數=0.91），隨著安全帶限力水平的提高，胸部壓縮量增大。這與泛亞汽車技術中心對MPDB工況中THOR假人胸部損傷研究的結論一致，安全帶限力等級是影響胸部壓縮量的關鍵因素［15］。而安全帶限力與小腿軸向壓縮力的相關性相對胸部較低，與小腿損傷TI指數的相關性不明顯。

表1 OLC指標、安全帶限力、假人胸部和小腿損傷之間的相關性

3 減小THOR假人損傷的對策分析

基于以上分析，胸部壓縮量是影響THOR假人損傷的關鍵，OLC指標和安全帶的限力等級均對胸部壓縮量有影響。OLC指標主要通過車輛開發前期結構方面的不斷優化來改進，安全帶的限力等級作為約束系統的參數，則須基于車輛的OLC指標進行匹配優化。由于胸部壓縮量對安全帶限力等級的敏感程度更高，因此確定合適的安全帶限力等級是約束系統配置的關鍵。

根據OLC指標，安全帶限力等級對THOR假人右上位置胸部壓縮量的影響擬合三維關系如圖8所示。由圖8可見：當OLC指標較低時，較低的安全帶限力等級造成的胸部壓縮量較小；當OLC指標較高時，則要通過多輪的優化確定合適的安全帶限力等級。

圖8 OLC指標和安全帶限力等級對胸部壓縮量的影響

由于安全帶的限力水平和THOR假人的胸部壓縮量存在顯著的線性相關性，所以基于試驗數據擬合，可得到兩者的相關性公式，如圖9所示。通過該公式，可以近似獲得限力等級對應的胸部壓縮量。根據Euro NCAP評價規程，不同的胸部壓縮量對應不同的胸部得分。因此可以通過設定的假人胸部得分目標確定胸部壓縮量目標，再通過該公式轉換，可近似確定所需的安全帶限力等級。Euro NCAP中THOR假人胸腹部的分數為4分，對應的胸部壓縮量限值為35 mm。以得分3分為目標，轉換后對應的胸部壓縮量為41.25 mm，通過公式近似確定的安全帶限力等級為2.70 kN。由于目前企業中使用的安全帶限力相鄰兩個等級之間的差值通常為0.5 kN，因此確定的安全帶限力等級為2.5~3.0 kN。

圖9 安全帶限力等級和THOR假人右上胸部壓縮量的相關性

4 結論

通過對MPDB試驗數據研究得到如下結論。

（1）在MPDB試驗中，對于不同的碰撞強度評價指標，碰撞強度與碰撞車輛的質量成負相關關系，即隨著車輛質量增加，碰撞事故中乘員損傷的風險降低。

（2）在MPDB試驗中，THOR假人的損傷主要集中在胸部，尤其是右上位置的胸部壓縮量。

（3）安全帶的限力等級和碰撞強度對THOR假人的胸部壓縮量均有影響，安全帶的限力等級是影響的關鍵因素。隨著限力的提高，胸部壓縮量增大。因此，為提高THOR假人的得分，建議盡可能降低碰撞強度，安全帶限力等級為2.5~3.0 kN。