商恩義 周大永 李月明 張毅

（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：汽車被動(dòng)安全 Q3假人 胸部加速度 胸部結(jié)構(gòu)

1 前言

當(dāng)前，東盟新車評(píng)價(jià)規(guī)程（New Car Assessment Program for Southeast Asian Countries，ASEAN NCAP）[1]針對(duì)其指定的正面偏置碰撞試驗(yàn)規(guī)定，通過(guò)兒童約束系統(tǒng)（兒童座椅）在后排座椅上安裝Q3 假人。試驗(yàn)后，對(duì)兒童頭部、頸部和胸部的傷害進(jìn)行評(píng)價(jià)。ASEAN NCAP針對(duì)假人胸部的評(píng)價(jià)指標(biāo)為累積3 ms合成加速度不超過(guò)50g（g為重力加速度），則該部位滿分，若不小于66g，則該部位零分。隨著ASEAN NCAP 試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)的陸續(xù)開展，越來(lái)越多的碰撞試驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集人員反映，在正面偏置碰撞試驗(yàn)中，Q3 胸部加速度曲線經(jīng)常出現(xiàn)異常尖峰，但通過(guò)排查傳感器、采集系統(tǒng)等相關(guān)儀器、計(jì)量器具，又可確認(rèn)數(shù)據(jù)真實(shí)有效，因此，只能將該尖峰參與評(píng)價(jià)，而異常尖峰參與評(píng)價(jià)后常導(dǎo)致胸部失分。事實(shí)上，Q3假人置于兒童座椅上，通過(guò)背式安全帶固定，碰撞中向前運(yùn)動(dòng)不會(huì)與外部發(fā)生接觸，背式安全帶的作用是平順的，加速度不會(huì)產(chǎn)生異常尖峰，對(duì)于由此導(dǎo)致的評(píng)價(jià)失分，開發(fā)人員往往不能接受。基于此，有必要對(duì)Q3假人胸部加速度曲線產(chǎn)生異常尖峰的原因進(jìn)行深入研究。

2 胸部加速度曲線異常狀態(tài)

建立假人坐標(biāo)系：x向?yàn)榍昂蠓较?，向前為正；y向?yàn)樽笥曳较?，向右為正；z向?yàn)樯舷路较?，向下為正[2]。

某車型進(jìn)行了ASEAN NCAP 正面偏置碰撞試驗(yàn)T01。試驗(yàn)后，Q3 假人胸部加速度曲線如圖1 所示，曲線上存在明顯尖峰。

圖1a 中，胸部合成加速度最大值達(dá)到87g，其累積3 ms 合成加速度達(dá)到66.6g，根據(jù)ASEAN NCAP 評(píng)價(jià)規(guī)則，得分為0 分，而其原因?yàn)榈?04 ms 的加速度尖峰。分析圖1b，可以確認(rèn)合成加速度的異常尖峰主要來(lái)源于胸部x向加速度ax。

圖1 Q3假人胸部加速度曲線

3 胸部加速度異常尖峰原因研究

3.1 車身加速度影響確認(rèn)

碰撞過(guò)程中，假人運(yùn)動(dòng)加速度信號(hào)受車身碰撞信號(hào)影響較大，首先確認(rèn)車身信號(hào)是否存在影響。ax與車身右B柱下部x向加速度的對(duì)比如圖2所示，在第95 ms和第104 ms 前后，Q3 假人出現(xiàn)了2 個(gè)尖峰，而此時(shí)車身B柱下部x向加速度曲線比較平緩，且很快處于歸零狀態(tài)。因此，可以確認(rèn)Q3 假人胸部加速度異常尖峰與車身加速度變化無(wú)關(guān)。

圖2 Q3假人胸部與車身右B柱下部x向加速度對(duì)比

3.2 假人運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

分析T01 試驗(yàn)中Q3 假人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，截取第80～120 ms 部分錄像如圖3 所示。圖3 清晰地反映出在Q3假人向前運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，假人胸部只受背式安全帶約束，頭部與胸部均未與外界發(fā)生任何瞬間接觸。圖3d直觀地反映出下頜接觸了胸部，圖3f 與圖3d 對(duì)比則反映出頭部以下頜與胸部接觸點(diǎn)為支點(diǎn)發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)。但下頜與胸部碰撞，及頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)是否會(huì)導(dǎo)致ax產(chǎn)生尖峰，則需要進(jìn)一步研究。

圖3 Q3假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)（錄像截屏）

3.3 假人胸部和頭部相對(duì)關(guān)系研究

向前下方推壓Q3假人頭部，如圖4所示，確認(rèn)假人下頜與胸部的接觸位置及其內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)。圖4a顯示，假人下頜與胸部的接觸位置在假人胸部上端邊沿處。圖4b 中，Q3 假人胸部上端邊沿由硬尼龍材料的Y型支架固定在硬尼龍材料板上，外套由較厚的馬夾組成，為階梯結(jié)構(gòu)，受壓后應(yīng)具有彈性[3]。因此，初步確認(rèn)碰撞過(guò)程中可能出現(xiàn)的情況為：下頜撞擊到胸部，沿胸部上端皮膚下壓，隨著碰撞的進(jìn)行，頭部以下頜接觸點(diǎn)為支點(diǎn)向前翻轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致下頜尖部從馬夾上端滑下Y型支架，下滑過(guò)程中，導(dǎo)致ax產(chǎn)生尖峰。

3.4 準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)研究

為了確認(rèn)Q3 假人胸部具有彈性，及下頜撞擊會(huì)產(chǎn)生明顯反應(yīng)，對(duì)Q3假人進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)。

圖4 假人下頜與胸部的相對(duì)關(guān)系

3.4.1 按壓試驗(yàn)

如圖5所示，對(duì)Q3假人胸部進(jìn)行快速下壓、快速釋放的按壓試驗(yàn)，采集到的ax曲線如圖6所示。圖6中，ax曲線存在明顯的因沖壓產(chǎn)生的振蕩，表明胸部具有較高彈性。

圖5 胸部沖壓試驗(yàn)

圖6 胸部按壓試驗(yàn)ax曲線

3.4.2 前壓頭部試驗(yàn)

快速向前下方推壓Q3 假人頭部，下頜與胸部發(fā)生接觸后立即釋放。試驗(yàn)中采集頭部和胸部的x向和z向加速度，如圖7所示。假人頭部x向和z向加速度分別用axh和azh表示，采集到的加速度曲線如圖8 所示。圖8中，4條曲線變化同步，azh與ax在幅值上具有明顯的關(guān)聯(lián)性，即碰撞過(guò)程中主要為頭部的z向撞擊胸部x向。隨著按壓釋放，加速度曲線均產(chǎn)生回彈震蕩現(xiàn)象，該結(jié)果表明試驗(yàn)中Q3 假人下頜撞到胸部，撞擊過(guò)程中胸部ax曲線產(chǎn)生沖擊。

從水的動(dòng)蕩程度和生物生長(zhǎng)環(huán)境來(lái)看，鮞粒形成的環(huán)境應(yīng)為潮間帶到潮下帶[17]。從鮞粒近圓狀的形態(tài)判斷，其沉積環(huán)境的穩(wěn)定程度較高。但是生物成因的鮞層并沒(méi)有一直延續(xù)下去，富藻層越來(lái)越薄，以至于難以分辨，導(dǎo)致微生物消亡的具體環(huán)境因素的變化有待研究。

圖7 前壓頭部

圖8 頭部與胸部加速度對(duì)比

3.5 假人頭部與頸部的運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)性研究

在正面偏置碰撞試驗(yàn)中，對(duì)于Q3假人，通常要采集頭部3個(gè)方向的加速度以及頸部與頭部相連位置3個(gè)方向的力。相關(guān)研究表明[4]，對(duì)于此種結(jié)構(gòu)，在頭部與外部沒(méi)有發(fā)生接觸的情況下，頭部加速度由頸部約束作用產(chǎn)生。在頭部與外部（包含假人身體）發(fā)生碰撞的情況下，正面碰撞中y向所受外力較小不予考慮，則頭部x向和z向所受到的外力Fxo、Fzo分別為[4]：

式中，m=2.54 kg為Q3假人頭部質(zhì)量；Fx為頸部x向剪切力；Fz為頸部z向張力。

利用Fxo、Fzo可以分析假人下頜與胸部的碰撞過(guò)程，確認(rèn)胸部ax異常尖峰的產(chǎn)生與下頜撞擊之間的關(guān)系。

3.5.1 頭部外力求解

T01 試驗(yàn)中，Q3 假人頭部x向和z向加速度曲線如圖9所示，頸部x向剪切力和z向張力曲線如圖10所示，依據(jù)式（1）和式（2）求得頭部所受外力，如圖11所示。

圖9 頭部加速度曲線

圖11中，F(xiàn)xo和Fzo曲線在變化過(guò)程均為負(fù)值，表明x向外力由前向后，z向外力由下向上，即假人頭部所受外力來(lái)自于頭部前下方。在約第100 ms前，2個(gè)力同步下降，表明此時(shí)作用合力方向與x軸和z軸夾角均成45°左右。在約第100 ms 發(fā)生突變之后，F(xiàn)xo開始增大，F(xiàn)zo突變下降后近似水平，表明此時(shí)作用合力方向向垂直于面部方向發(fā)展。整個(gè)碰撞過(guò)程中，F(xiàn)xo和Fzo最大值均達(dá)到1 kN左右。

圖10 頸部力

圖11 頭部外力曲線

3.5.2 頭部外力與胸部x向加速度對(duì)應(yīng)分析

將ax與Fxo和Fzo基于時(shí)域繪于同一圖中，如圖12所示。依據(jù)假人ax曲線為負(fù)和az曲線為正，以及ax和az幅值大小關(guān)系，推導(dǎo)出胸部受力Fx和Fz曲線的方向及大小關(guān)系如圖13 所示。綜合圖3d、3f、圖4b 和圖13，分析圖12 中曲線產(chǎn)生尖峰的原因?yàn)椋杭s第80 ms 時(shí)，下頜尖部與胸部接觸，接觸點(diǎn)為胸部上端邊沿，F(xiàn)xo和Fzo開始產(chǎn)生，ax開始產(chǎn)生波動(dòng)，胸腔上端受壓后發(fā)生彈性變形；約第95 ms 時(shí)，伴隨頭部轉(zhuǎn)動(dòng)，下頜尖部從胸部皮膚向胸腔上沿滑入，胸部產(chǎn)生回彈震蕩，伴隨下頜尖部下滑至Y型支架上端并被支撐，頭部質(zhì)心以下頜接觸點(diǎn)為支點(diǎn)向前繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓，促使Fxo和Fzo增速加快；約第102 ms時(shí)，對(duì)比圖3d 和圖3f，伴隨頭部轉(zhuǎn)動(dòng)，面部與胸部前端面夾角減小，下頜尖部突然失去Y型支架支撐滑入胸部上腔，該失穩(wěn)過(guò)程導(dǎo)致Fxo和Fzo瞬間泄荷，ax產(chǎn)生尖峰，隨后隨著下頜前端被支架托住，頭部正面向胸部后下方翻轉(zhuǎn)擠壓，F(xiàn)xo和ax繼續(xù)增大，F(xiàn)zo近似不變。

圖12 ax與頭部外力基于時(shí)域的比較

圖13 假人頭部和胸部受力示意

通過(guò)上述分析，可以確認(rèn)胸部加速度曲線中的突變是下頜撞擊胸部過(guò)程中發(fā)生的下頜尖部從皮膚滑到Y(jié)型支架及從該支架滑入胸腔上部產(chǎn)生的2 次沖擊所至。

4 Q3假人與Q6假人對(duì)比分析

Q6假人在試驗(yàn)中從未發(fā)生過(guò)胸部加速度產(chǎn)生異常尖峰的問(wèn)題，拆解Q6 假人胸部上端結(jié)構(gòu)如圖14 所示。從圖14b 中可以看出，Q6 假人胸部上端結(jié)構(gòu)與Q3 假人胸部上端結(jié)構(gòu)相近，也是由硬尼龍構(gòu)成的Y型框架。但與Q3假人不同的是，Q6假人胸部上端并未直接覆蓋馬夾，而是存在如圖14a所示的能夠覆蓋頸部和胸部的部件，該結(jié)構(gòu)有效避免了下頜與胸部發(fā)生碰撞后滑入胸部上端產(chǎn)生沖擊的可能性。

圖14 Q6假人胸部結(jié)構(gòu)

與Q6假人結(jié)構(gòu)對(duì)比分析，可以進(jìn)一步確認(rèn)Q3假人胸部結(jié)構(gòu)存在不足，在某些試驗(yàn)中，可能造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)法真實(shí)反映碰撞過(guò)程中Q3 假人胸部傷害情況，進(jìn)而造成評(píng)價(jià)發(fā)生誤判。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)靜壓試驗(yàn)研究及對(duì)某次正面偏置碰撞試驗(yàn)中Q3假人胸部數(shù)據(jù)與頭部、頸部數(shù)據(jù)的綜合分析，指出Q3 假人胸部上沿階梯式結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)缺陷，在碰撞過(guò)程中會(huì)造成假人下頜尖部與胸部發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，對(duì)胸部造成2 次沖擊，導(dǎo)致胸部加速度曲線產(chǎn)生異常尖峰，因此，在針對(duì)當(dāng)前Q3假人胸部進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，建議對(duì)加速度曲線上的異常部分進(jìn)行忽略處理。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度考慮，建議Q3假人胸部上端結(jié)構(gòu)參照Q6假人結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善。