HybridⅢ50 th假人胸部標(biāo)定試驗(yàn)影響因素的研究

潘浩坤，熊銳，胡德卿，謝火志

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006）

前言

在交通事故中，人體胸部傷害是導(dǎo)致司乘人員受傷和死亡的主要原因之一[1]。碰撞假人作為汽車安全性能的重要評(píng)價(jià)工具，在最初投入使用和使用一段時(shí)間后都需要進(jìn)行標(biāo)定，以驗(yàn)證假人各方面性能指標(biāo)是否符合規(guī)定要求[2]。胸部標(biāo)定是碰撞假人整套標(biāo)定程序的一部分，對(duì)所獲得的相關(guān)汽車碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性有重要的影響作用。雖然假人標(biāo)定程序中對(duì)標(biāo)定環(huán)境與操作要求已做出嚴(yán)格標(biāo)示，但從實(shí)際試驗(yàn)的觀察中可看出，如假人肋骨溫度的控制、標(biāo)定時(shí)間間隔和假人在剛性平面上的安放等步驟均可能導(dǎo)致影響標(biāo)定結(jié)果的情況出現(xiàn)。通過(guò)閱讀文獻(xiàn)可知擺錘撞擊速度和肋骨溫度與胸部峰值壓縮量成正比，擺錘打擊點(diǎn)的向上偏移會(huì)使得胸部壓縮量減小，而其向下偏移會(huì)使壓縮量增大[3-5]。但上述文獻(xiàn)尚未對(duì)各影響因素帶來(lái)的影響做出比較，本文將嘗試從實(shí)際標(biāo)定情況出發(fā)，就標(biāo)定時(shí)間間隔、肋骨溫度、擺錘撞擊速度和打擊點(diǎn)的橫向偏移各自對(duì)標(biāo)定結(jié)果的影響設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以期了解各影響因素對(duì)標(biāo)定結(jié)果的影響。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

假人胸部標(biāo)定系統(tǒng)主要由胸部標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)、試驗(yàn)假人、沖擊擺錘、傳感器、數(shù)據(jù)采集器和專用電腦組成。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)需要完整裝配的假人，假人需穿著衣服和褲子但不能穿鞋子。標(biāo)定設(shè)備包括一個(gè)光滑、整潔和干燥的剛性平面和一個(gè)沖擊擺錘。擺錘是一個(gè)直徑為152.4mm的剛性圓柱狀物，其重量為23.36kg，擺錘撞擊面為一平面，撞擊面與圓柱面之間為圓角過(guò)度，撞擊面的對(duì)立面安裝有一個(gè)加速度傳感器，該傳感器的敏感軸與擺錘的縱向中心軸共線，擺錘上還安裝有用于測(cè)量擺錘撞擊速度的光柵。胸部位移傳感器安裝于腰椎與脊柱交接處的安裝位，其連接拉桿測(cè)量端安裝于胸骨滑槽處。數(shù)據(jù)采集器是標(biāo)定試驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集的核心部分，主要對(duì)被側(cè)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換并把信號(hào)送入計(jì)算機(jī)。專用電腦通過(guò)數(shù)采軟件將信號(hào)根據(jù)不同要求進(jìn)行各種數(shù)學(xué)運(yùn)算與顯示。

圖1 Hybrid III 50百分位假人胸部標(biāo)定示意圖[6]

在標(biāo)定結(jié)果的評(píng)價(jià)方面，對(duì)于假人響應(yīng)值的限制為胸部最大反作用力（Max Resistive Force，由擺錘上加速度傳感器所測(cè)得的最大加速度與擺錘質(zhì)量相乘所得）、胸部峰值壓縮量（Peak Chest Deflection，胸骨沿碰撞時(shí)沖擊擺錘的縱向中心線相對(duì)于胸椎的水平方向偏移[7]）和遲滯率（Hysteresis，遲滯引起的能耗與加載過(guò)程所做的功的比值[8]）。

2 試驗(yàn)方法

本文使用同一試驗(yàn)假人，依據(jù)CFR Part 572 Subpart E[6]給出的標(biāo)定要求，以一次能通過(guò)胸部標(biāo)定試驗(yàn)的假人姿勢(shì)和假人空間位置為原始的參考狀態(tài)，就標(biāo)定時(shí)間間隔、肋骨溫度、擺錘撞擊速度和打擊點(diǎn)橫向（即如圖2所示的假人坐標(biāo)系Y向）偏移對(duì)標(biāo)定結(jié)果的影響以控制變量法進(jìn)行單一變量試驗(yàn)。

圖2 假人坐標(biāo)系[6]

2.1 標(biāo)定時(shí)間間隔

假人皮膚的制作材料為具有粘彈性的聚乙烯基材料，肋骨由彈性鋼板和粘彈性材料組成。而具有粘彈特性的材料不僅具有彈性，而且內(nèi)部具有摩擦，一部分功在應(yīng)力被移除后由于摩擦效應(yīng)而轉(zhuǎn)化為熱能損失掉，使得外力作用的形變功不等于恢復(fù)功，出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象，最終導(dǎo)致材料的發(fā)熱并影響材料的力學(xué)性能。標(biāo)定時(shí)間間隔即兩次標(biāo)定試驗(yàn)之間的間隔時(shí)間，充足的間隔能使各材料充分松弛和釋放前一次試驗(yàn)中的沖擊能量以使其恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，讓標(biāo)定結(jié)果反映出假人真實(shí)狀態(tài)。

表1 間隔時(shí)間為30分鐘的標(biāo)定結(jié)果

本次試驗(yàn)選擇以30和45分鐘為間隔的標(biāo)定結(jié)果（如表1和表2所示）為比較量，對(duì)比可見(jiàn)，隨著間隔時(shí)間的增大，胸部峰值壓縮量和遲滯率由30分鐘間隔的1.3%和1.2%的變化幅度縮減至45分鐘間隔的0.3%和0.03%，胸部剛度（胸部最大反作用力與胸部峰值壓縮量之比[9]）由0.7%的變化幅度縮減為 0.1%，胸部最大反作用力由 0.6%的變化幅度縮減為 0.2%。由試驗(yàn)結(jié)果的比較可知，30分鐘間隔的假人胸部已較好地釋放第一次碰撞的沖擊能量，這與標(biāo)定程序規(guī)定的至少30分鐘的標(biāo)定間隔要求相符，且隨著間隔時(shí)間的增大，假人的狀態(tài)將更適合于連續(xù)試驗(yàn)。

表2 間隔時(shí)間為45分鐘的標(biāo)定結(jié)果

2.2 肋骨溫度

假人肋骨能模擬人體胸部在沖擊載荷下的固有遲滯損失。但肋骨材料對(duì)溫度較為敏感，會(huì)因溫度的變化而影響肋骨在受沖擊時(shí)的整體剛度[10]。肋骨溫度通過(guò)環(huán)境溫度來(lái)調(diào)節(jié)，所以按照標(biāo)定程序，假人需在設(shè)定環(huán)境中靜置4小時(shí)以上，以確保肋骨溫度穩(wěn)定至所需溫度。

本文將擴(kuò)大溫度變化范圍，將假人分別浸泡于設(shè)定的溫度環(huán)境中4小時(shí)，進(jìn)行連續(xù)變溫試驗(yàn)，以觀察標(biāo)定結(jié)果隨溫度改變的變化趨勢(shì)。通過(guò)觀察表3所示的標(biāo)定結(jié)果可知胸部峰值壓縮量隨溫度的上升而增大，遲滯率隨溫度的上升而下降，胸部剛度隨溫度的上升呈下降趨勢(shì)，胸部最大反作用力隨溫度的升高而減小。

表3 連續(xù)變溫試驗(yàn)結(jié)果

2.3 擺錘撞擊速度

標(biāo)定程序中規(guī)定發(fā)生碰撞時(shí)的擺錘速度為 6.59m/s～6.83 m/s，試驗(yàn)中的擺錘以單擺運(yùn)動(dòng)的形式布置，假人安放于擺錘運(yùn)動(dòng)的最低點(diǎn)，擺錘撞擊速度由擺錘的釋放高度來(lái)控制。由能量守恒定律可列出式1作為撞擊速度的估算值以提高試驗(yàn)效率。

式中，v為撞擊速度；g為重力加速度；Δh為擺錘撞擊點(diǎn)與釋放點(diǎn)間的高度差。

表4 連續(xù)變速試驗(yàn)標(biāo)定結(jié)果

試驗(yàn)通過(guò)對(duì)同一標(biāo)定條件下的連續(xù)變速試驗(yàn)來(lái)觀察標(biāo)定結(jié)果與擺錘撞擊速度間的關(guān)系，連續(xù)試驗(yàn)時(shí)間間隔采取 45分鐘以提高效率。對(duì)如表4所示試驗(yàn)結(jié)果的觀察可知，隨著釋放高度的增加，擺錘速度亦隨之增大。隨著碰撞能量的增大，胸部最大反作用力、胸部峰值壓縮量和遲滯率均出現(xiàn)隨之增大的趨勢(shì)。而胸部剛度則隨撞擊速度的增大而減小。

2.4 打擊點(diǎn)橫向偏移

假人在撞擊前需要先移除胸部皮膚，以使假人和設(shè)備調(diào)整至規(guī)定狀態(tài)。待調(diào)整完畢后需把胸部皮膚穿上，并復(fù)原如盆骨角度、頸部角度和假人中心對(duì)稱面的豎直狀態(tài)等先前確定的假人姿勢(shì)和位置參數(shù)。但在穿上胸部皮膚后，由于皮膚的遮蓋，假人肋骨特征已不明顯，這會(huì)使得擺錘縱向軸線較難對(duì)準(zhǔn)假人中心對(duì)稱平面，從而較易出現(xiàn)打擊點(diǎn)橫向偏移的情況。而在豎直方向上（假人坐標(biāo)系 Z向），由于試驗(yàn)平面在調(diào)節(jié)后相對(duì)固定，待假人狀態(tài)復(fù)原后則不易出現(xiàn)打擊點(diǎn)在豎直方向上的偏移。針對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)中的實(shí)際情況，本文以打擊點(diǎn)在水平方向上的偏移量為變量設(shè)計(jì)試驗(yàn)，又因假人在結(jié)構(gòu)上為左右對(duì)稱，則本文僅對(duì)一側(cè)打擊點(diǎn)偏移的情況進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。

通過(guò)對(duì)表5標(biāo)定結(jié)果的觀察可知，隨著擺錘打擊點(diǎn)偏離中心對(duì)稱面的距離的增大，胸部最大反作用力和計(jì)算所得的胸部剛度隨之增大，而胸部峰值壓縮量和遲滯率則有隨之減小的趨勢(shì)。如圖3所示，由于假人肋骨為一籠形對(duì)稱結(jié)構(gòu)，打擊點(diǎn)的偏移會(huì)導(dǎo)致一側(cè)的肋骨成為主要受力部件。因而胸部剛度的增大，一方面可能是由于肋骨的粘彈性材料在肋骨上并非等厚度分布，隨著打擊點(diǎn)橫向偏移的增大，打擊點(diǎn)會(huì)向厚度大的位置移動(dòng)，而材料厚度的增加導(dǎo)致了肋骨剛度的增大[11]；另一方面可能是由于胸部位移傳感器連接拉桿的測(cè)量端位于胸骨滑槽處，若把主要受力肋骨的承受撞擊段看做懸臂梁，如圖4所示，打擊點(diǎn)的偏移會(huì)使受力點(diǎn)遠(yuǎn)離測(cè)量點(diǎn)所處的懸臂梁自由端，即受力點(diǎn)往x減小的方向移動(dòng)，導(dǎo)致自由端撓度值的減小，造成計(jì)算得出的胸部剛度值的增大。

表5 打擊點(diǎn)橫向偏移連續(xù)標(biāo)定結(jié)果

圖3 假人肋骨結(jié)構(gòu)

圖4 肋骨撞擊面簡(jiǎn)化受力模型示意圖

3 數(shù)據(jù)處理

從多次標(biāo)定的結(jié)果及以往標(biāo)定經(jīng)歷可以看出，胸部標(biāo)定結(jié)果中的胸部最大反作用力和峰值壓縮量是較易出現(xiàn)超限值情況的，而遲滯率則相較于前面兩者要容易落于限值范圍內(nèi)。以上述肋骨溫度、擺錘撞擊速度和打擊點(diǎn)橫向偏移三種影響因素為自變量，最大反作用力、峰值壓縮量和遲滯率為因變量，可以得出各自的經(jīng)驗(yàn)公式，如表6所示。對(duì)表6內(nèi)的公式求一階導(dǎo)數(shù)可得各影響因素對(duì)標(biāo)定結(jié)果造成的變化率，擺錘撞擊速度對(duì)標(biāo)定結(jié)果的影響為三者中最大，肋骨溫度的影響居中，打擊點(diǎn)橫向偏移為最小。

表6 各影響因素與標(biāo)定結(jié)果間的經(jīng)驗(yàn)公式

4 結(jié)論

本文就標(biāo)定時(shí)間間隔、肋骨溫度、擺錘撞擊速度和打擊點(diǎn)橫向偏移對(duì)現(xiàn)行法規(guī)中的 50百分位假人胸部標(biāo)定結(jié)果的影響進(jìn)行單變量試驗(yàn)，得出如下結(jié)論。

（1）在標(biāo)定過(guò)程中，由于實(shí)際操作的種種原因，難免出現(xiàn)標(biāo)定不通過(guò)而需要重新標(biāo)定的情況。但由于假人需要一定的時(shí)間來(lái)釋放在上一次標(biāo)定中所吸收的沖擊能量，因而間隔時(shí)間不能太短。盡管標(biāo)定程序中的30分鐘間隔已能使標(biāo)定結(jié)果的變化量控制在 1%左右，但更長(zhǎng)的間隔時(shí)間無(wú)疑更有利于假人恢復(fù)至原始狀態(tài)而使標(biāo)定結(jié)果更為準(zhǔn)確。

（2）肋骨溫度由假人所處的環(huán)境溫度來(lái)控制，是標(biāo)定過(guò)程的大前提，穩(wěn)定的溫度有利于獲得穩(wěn)定的肋骨力學(xué)性能。隨著肋骨溫度的提升，胸部峰值壓縮量隨之增大，胸部最大反作用力、胸部整體剛度和遲滯率均呈下降趨勢(shì)。

（3）擺錘撞擊速度由擺錘的釋放高度來(lái)控制，主要影響撞擊能量。隨著速度的提高，碰撞能量會(huì)增大，胸部最大反作用力、胸部峰值壓縮量和遲滯率均出現(xiàn)隨之增大的趨勢(shì)，胸部剛度隨撞擊速度的增大而減小。撞擊速度對(duì)標(biāo)定結(jié)果影響較大，在標(biāo)定的過(guò)程中應(yīng)對(duì)釋放高度做好記錄，以縮減各次標(biāo)定中的撞擊能量的差異。

（4）打擊點(diǎn)橫向偏移是試驗(yàn)中較易出現(xiàn)的情況。由于偏移后的打擊位置會(huì)落于肋骨材料較厚和不易變形的位置，導(dǎo)致胸部最大反作用力隨偏移量的增大而增大，胸部峰值壓縮量隨偏移量的增大而減小，計(jì)算所得的胸部剛度隨之增大。遲滯率隨偏移量的增大呈減小的趨勢(shì)。記錄假人的空間位置，減小打擊點(diǎn)的偏移有利于提高標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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