Q3假人腰椎標(biāo)定試驗(yàn)影響因素探究

劉委坤 孟令旭 劉培偉 孟凡超

摘要：汽車碰撞假人是碰撞測試所用的重要設(shè)備，為了保證碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的可靠性、穩(wěn)定性，定期標(biāo)定、維護(hù)是主要手段。Q3 兒童假人在中國新車評價(jià)規(guī)程2018版中正式啟用，而其Q3 兒童假人腰椎標(biāo)定在所有標(biāo)定項(xiàng)目中成功率比較低。因此，對該假人腰椎標(biāo)定各影響因素進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)出正交試驗(yàn)表，篩選出顯著影響因素蜂窩鋁孔數(shù)和擺錘碰撞速度，然后分析兩個因素對腰椎減速度、假人腰椎轉(zhuǎn)矩評價(jià)指標(biāo)的具體影響，提高后續(xù)標(biāo)定試驗(yàn)，提高假人腰椎標(biāo)定的成功率。

關(guān)鍵詞：Q3兒童假人、腰椎標(biāo)定、影響因素

1.引言

研究表明，汽車碰撞兒童假人是用于研究碰撞過程中兒童損傷機(jī)理及評估汽車對兒童保護(hù)能力的重要工具。在正面碰撞事故中，兒童腰椎受傷極為嚴(yán)重，約 30%～40% 的兒童損傷發(fā)生在腰部。因此為了保證碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對假人日常的維護(hù)與標(biāo)定成為重要的組成部分，假人標(biāo)定試驗(yàn)是保證汽車假人生物力學(xué)性能的主要措施，用以保持良好的響應(yīng)，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。根據(jù)中國新車評價(jià)規(guī)（C-NCAP）2018 版規(guī)定，CRS 評價(jià)試驗(yàn)中，會使用 Q3 假人的傷害值來評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[1]。2013年歐洲經(jīng)濟(jì)委員會（ECE）開始對兒童安全法規(guī)進(jìn)行修改，Q系列兒童假人在新的法規(guī)中被提出用以替換以往使用的P系列兒童假人。因此本文以Q3兒童假人為研究對象，重點(diǎn)研究其腰椎標(biāo)定試驗(yàn)，分析試驗(yàn)的影響因素，運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）方法，實(shí)施合理的試驗(yàn)方案，得到一定量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果;然后通過積分二次曲面優(yōu)化法，找出標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入與輸出的非線性對應(yīng)關(guān)系，從而繼續(xù)運(yùn)用多元二次回歸方程來擬合眾多影響因子與輸出之間的函數(shù)。尋找最優(yōu)系數(shù)，以提高標(biāo)定試驗(yàn)的成功率，減少人力、物力、財(cái)力的資源浪費(fèi)[2]。

2.標(biāo)定試驗(yàn)

2.1 Q3假人腰椎結(jié)構(gòu)

如圖1所示，Q3假人腰椎本體是由橡膠和金屬材質(zhì)用模具澆注成圓柱體型，上表面內(nèi)嵌螺紋套，用來連接腰椎力傳感器或者替代塊; 腰椎中心內(nèi)部是鋼絲線纜組件，下端用螺母固定在橡膠圓柱。

隨著反復(fù)碰撞試驗(yàn)帶來的傷害以及時間的累積，假人腰椎材質(zhì)會變化，其動態(tài)響應(yīng)也在發(fā)生變化，為了檢查假人并保證假人腰椎良好的生物力學(xué)性，從而保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，故而需要對其按時標(biāo)定[3]。

2.2 Q3假人腰椎標(biāo)定

目前為止，Q3 假人腰椎標(biāo)定方法是按照Humantics 假人公司提供的手冊進(jìn)行標(biāo)定。具體方法為：將濕度控制在 10%～70%，溫度控制在 18～ 22 ℃環(huán)境條件下，將Q3 兒童假人腰椎安裝在擺臂上，擺臂上升至一定的高度，然后釋放擺臂，以一定的速度撞擊蜂窩鋁，通過ATD 數(shù)采軟件進(jìn)行采集，得到碰撞過程中的數(shù)據(jù)，從而評判假人腰椎的生物力學(xué)性能，如圖2所示：

Q3假人腰椎在標(biāo)定時需要進(jìn)行正面碰撞、側(cè)面碰撞兩種類型，共需要進(jìn)行腰椎正面彎曲、左側(cè)、右側(cè) 3 次試驗(yàn)。3 次試驗(yàn)的評價(jià)指標(biāo)及范圍是一致的，如表1所示。

由于Q3假人腰椎正面碰撞和側(cè)面碰撞標(biāo)定試驗(yàn)，評價(jià)指標(biāo)要求一樣，限于篇幅本文以假人腰椎彎曲試驗(yàn)作為試驗(yàn)對象進(jìn)行研究[4]。

2.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取擺錘碰撞速度、蜂窩鋁孔數(shù)、溫度和時間間隔 4 個參數(shù)（表 2）， 研究其對腰椎標(biāo)定的影響。

3.試驗(yàn)結(jié)果

本文參照正交設(shè)計(jì)表L9（34）進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共進(jìn)行 9 次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表 3 所示。限于篇幅本文以假人腰椎彎曲試驗(yàn)作為試驗(yàn)對象進(jìn)行研究[5]。

從圖 3—圖 5 均值主效應(yīng)圖可知，各影響因素對腰椎減速度的影響重要程度依次為蜂窩鋁孔的個數(shù)、擺錘碰撞時的速度、溫度、時間間隔。其中，溫度和時間間隔兩個影響因子影響較小，因此可認(rèn)為這兩個影響因素對腰椎減速度的影響并不明顯。

10ms、20ms、30ms3 個時刻，代表擺錘撞擊蜂窩鋁并逐漸壓潰蜂窩鋁的過程，接觸面從蜂窩鋁表面由上到下逐漸接觸和腰椎減速度逐漸變大的過程[6]。

為進(jìn)一步探究，蜂窩鋁孔個數(shù)和擺錘撞擊速度對這 3 個時刻的影響，將其中一個影響因子作為定值，另一個影響因子作為試驗(yàn)變量。

3.1不同擺錘碰撞速度對腰椎減速度的影響

選擇標(biāo)定試驗(yàn)序號第1、第4、第7 ，3次試驗(yàn)，對應(yīng)的擺錘速度分別為4.3、4.4、4.5m/s，而3次試驗(yàn)的蜂窩鋁孔個數(shù)為定值為16，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

從圖 3—圖 5 均值主效應(yīng)圖可知，各影響因素對腰椎減速度的影響重要程度依次為蜂窩鋁孔的個數(shù)、擺錘碰撞時的速度、溫度、時間間隔。其中，溫度和時間間隔兩個影響因子影響較小，因此可認(rèn)為這兩個影響因素對腰椎減速度的影響并不明顯[7]。

10ms、20ms、30ms3 個時刻，代表擺錘撞擊蜂窩鋁并逐漸壓潰蜂窩鋁的過程，接觸面從蜂窩鋁表面由上到下逐漸接觸和腰椎減速度逐漸變大的過程。為進(jìn)一步探究，蜂窩鋁孔個數(shù)和擺錘撞擊速度對這 3 個時刻的影響，將其中一個影響因子作為定值，另一個影響因子作為試驗(yàn)變量。

3.2不同擺錘碰撞速度對腰椎減速度的影響

選擇標(biāo)定試驗(yàn)序號第1、第4、第7 ，3次試驗(yàn)，對應(yīng)的擺錘速度分別為4.3、4.4、4.5m/s，而3次試驗(yàn)的蜂窩鋁孔個數(shù)為定值為

16，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6中，藍(lán)色線對應(yīng)4.5m/s、紫色線代表4.4m/s、綠色線代表4.3m/s、10、20、30m/s時刻處的3條短豎線分別表示撞擊時腰椎減速度在該時刻處的數(shù)值區(qū)間，超出相應(yīng)區(qū)間，意味著標(biāo)定試驗(yàn)失敗。圖 6 中的 3 條撞擊時腰椎減速度曲線在前 30ms 都是接近直線，同時這 3 個時刻的數(shù)值也都在規(guī)定的范圍內(nèi)，但有略微差異，且與擺錘速度呈正相關(guān)。這是因?yàn)殡S著擺錘碰撞速度的增加，會使碰撞整體能量增加，在壓潰相同蜂窩鋁的進(jìn)程中，碰撞時的加速度也會增加，導(dǎo)致撞擊時腰椎的減速度值在10、20、30ms 3 個時刻數(shù)值相應(yīng)增加，但是增加量并不很大，這也與試驗(yàn)條件設(shè)置有關(guān)[8]。

在蜂窩鋁相同的情況下，擺錘碰撞速度小范圍地變化，不會對撞擊時腰椎減速度在 10、20、30ms 時刻的數(shù)值造成嚴(yán)重影響;相反在后續(xù)的標(biāo)定過程中，如果撞擊時減速度在3個時刻點(diǎn)有略微超出范圍，可以通過稍微調(diào)節(jié)擺錘碰撞時的速度，調(diào)節(jié)不宜過大，使其滿足要求，但是前提是稍微調(diào)節(jié)后擺錘碰撞時速度須在要求規(guī)定的范圍內(nèi)即 4.3～4.5m/s。

3.3不同蜂窩鋁孔個數(shù)對腰椎減速度的影響

選擇試驗(yàn)序號第4、第5、第6三次試驗(yàn)，對應(yīng)蜂窩鋁孔個數(shù)分別為14、16、18，而3次試驗(yàn)的擺錘碰撞速度為4.4m/s，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7中，藍(lán)色線對應(yīng)孔數(shù)為14、紫色線代表孔數(shù)為16、綠色線代表孔數(shù)為18、10、20、30ms時刻處的3條短豎直線也是規(guī)定的腰椎減速度區(qū)間范圍。圖7中的3條腰椎減速度曲線在前30ms雖然也都接近直線，但是有著明顯的分層;蜂窩鋁孔數(shù)越多撞擊時的腰椎減速度在10、20、30ms的數(shù)值也越大，而且蜂窩鋁孔個數(shù)為18的曲線在30ms時刻的數(shù)值幾乎超出要求的范圍[9]。

這是因?yàn)榉涓C鋁孔數(shù)增多，導(dǎo)致吸能區(qū)域整體變硬，碰撞剛度變大，碰撞時的加速度急劇增加，導(dǎo)致撞擊時腰椎減速度也隨著快速增加，最終反映在10、20、30ms的數(shù)值變大。可見，蜂窩鋁的軟硬對假人頸部減速度的影響是非常顯著的。

4結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可得：連續(xù)標(biāo)定時間間隔縮短會導(dǎo)致合成加速度增大，其合成加速度數(shù)值會隨著標(biāo)定間隔的延長而逐漸減小，趨于平緩，對結(jié)果影響較大，所以在標(biāo)定中要保證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的時間間隔（至少30min）;減小或者增大都會導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果合成加速度變大，側(cè)向角度（Y軸與水平面夾角）增大或者減小也會導(dǎo)致合成加速度突變，Y向加速度變大，對標(biāo)定結(jié)果影響較大，所以在試驗(yàn)中一定要準(zhǔn)確調(diào)整好兩個角度，使其在規(guī)定值上;跌落高度增加使腰椎合成加速度變大，且高度越高影響越大;腰椎合成加速度隨標(biāo)定環(huán)境溫度升高而減小，對結(jié)果影響較大，且高低溫環(huán)境對于腰椎標(biāo)定都有一定的關(guān)系。

本文先是對Q3假人的腰椎結(jié)構(gòu)和腰椎標(biāo)定判定指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)介紹，然后對 4 個影響因子三水平設(shè)計(jì)出正交試驗(yàn)表L9 來確定各影響因子對假人腰椎評價(jià)指標(biāo)的重要程度，并得出重要程度分布。

通過正交試驗(yàn)分析得到，蜂窩鋁孔個數(shù)和擺錘碰撞撞擊速度為顯著影響因子，溫度和時間間隔為非顯著影響因素;然后對 2 個顯著影響因素對假人腰椎標(biāo)定的每個評價(jià)指標(biāo)單獨(dú)進(jìn)行研究，分析其影響機(jī)理，并更好地開展后續(xù)標(biāo)定工作。

蜂窩鋁孔個數(shù)增多，碰撞吸能區(qū)域整體剛度變大，碰撞時的加速度增加，因而會使得假人腰椎減速度在10、20、30 ms 時刻的數(shù)值明顯增大，使假人腰部轉(zhuǎn)角D-P峰值顯著增加，并且各指標(biāo)達(dá)到峰值的時刻均提前。擺錘碰撞速度增加，碰撞整體能量變大，假人頸部減速度在 10、20、30ms 時刻的數(shù)值有增加趨勢，但變化并不特別顯著，假人腰椎轉(zhuǎn)角D-P峰值增加，但是各指標(biāo)達(dá)到峰值的時刻變化并不明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]中國汽車技術(shù)研究中心. C-NCAP 管理規(guī)則（2018 年 版 ）[EB/OL]. [2018-10-15]. http ： //www. c-ncap. org/cms/files/cncap-regulation-2018. pdf.

[2]正面碰撞試驗(yàn)中假人頭部及胸部受力分析方法的研究與應(yīng)用[J].商恩義，張君媛，楊斌，張慧云.汽車技術(shù).2010（10）

[3]汽車碰撞試驗(yàn)假人皮膚材料的參數(shù)研究[J].曹立波，華歆，張冠軍，張愷.汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào).2014（03）

[4]王凱，李向榮，朱海濤，等.HybridⅢ50百分位假人胸部低撞擊標(biāo)定研究[J].汽車工程，2009，31（12）：1123-1125.

[5]World Health Organization.Youth and road safety[R/OL].http： / / whqlibdoc.who.int/publications/2007 /9241595116_eng.pdf，2007.

[6]First Technology Safety Systems Inc.Q3（ Advanced 3 year old child） user manual[Z]，2016

[7]汽車碰撞安全[M].人民交通出版社股份有限公司，水野幸治，2016

[8]汽車兒童乘員碰撞傷害與防護(hù)[M].清華大學(xué)出版社，張金換，2015

[9]碰撞用50百分位假人胸部標(biāo)定系統(tǒng)研究[D].王鵬.吉林大學(xué) 2015

作者簡介：劉委坤，1993年.3月生人，男，漢族，吉林省 吉林市，研究生，工程師，研究方向：被動安全，從事工作：碰撞安全方向。