季奕 高嘉辰 仲衍慧

摘 要：本文對(duì)Hybrid III 50th假人的標(biāo)定結(jié)果的重復(fù)性及再現(xiàn)性分析。根據(jù)假人標(biāo)定試驗(yàn)程序，選取三個(gè)Hybrid III 50th假人分別進(jìn)行三次標(biāo)定試驗(yàn)，根據(jù)標(biāo)定試驗(yàn)獲得的響應(yīng)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)Hybrid III 50th假人的重復(fù)性和再現(xiàn)性進(jìn)行分析。以標(biāo)定試驗(yàn)獲得的響應(yīng)數(shù)據(jù)作分析的基礎(chǔ)，確定分析方法，以數(shù)據(jù)的幅值和響應(yīng)時(shí)間為關(guān)鍵分析點(diǎn)，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)CV（%）的方法，評(píng)估了Hybrid III 50th假人在高性能測(cè)試試驗(yàn)中的重復(fù)性和再現(xiàn)性，結(jié)果表明Hybrid III 50th假人重復(fù)性和再現(xiàn)性較好。

關(guān)鍵詞：Hybrid III 50th假人;標(biāo)定試驗(yàn);變異系數(shù)CV（%）;重復(fù)性;再現(xiàn)性

1 前言

Hybrid III 50th假人一般多應(yīng)用于汽車(chē)碰撞試驗(yàn)，與真實(shí)人體尺寸和結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，并具有相似的抗沖擊特性。內(nèi)部在對(duì)應(yīng)人體容易損傷位置安裝加速度傳感器，力傳感器，位移傳感器等，在汽車(chē)碰撞試驗(yàn)過(guò)程中采集實(shí)時(shí)相應(yīng)數(shù)據(jù)，并輸出到數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄以供乘員的損傷指標(biāo)分析及評(píng)價(jià)。

本文對(duì)于Hybrid III 50th假人（Hybrid III 50th Dummy）的重復(fù)性分析[1]主要針對(duì)其標(biāo)定試驗(yàn)中的頭部跌落（Head Drop）試驗(yàn)，頸部彎曲（Neck Flexion）試驗(yàn)，頸部拉伸（Neck Extension）試驗(yàn)，胸部沖擊（Thorax Impact）試驗(yàn)，膝部沖擊（Knee Impact）試驗(yàn)進(jìn)行分析，通過(guò)評(píng)價(jià)各相應(yīng)數(shù)據(jù)的%CV，對(duì)Hybrid III 50th假人標(biāo)定結(jié)果的重復(fù)性和再現(xiàn)性做出評(píng)價(jià)。

2 標(biāo)定項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本次研究中，選取3個(gè)Hybrid III 50th假人分別進(jìn)行3次標(biāo)定試驗(yàn)，分別對(duì) Hybrid III 50th假人進(jìn)行頭部跌落試驗(yàn)，頸部彎曲試驗(yàn)，頸部拉伸試驗(yàn)，胸部沖擊試驗(yàn)和膝部沖擊試驗(yàn)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中：

頭部跌落試驗(yàn)[2]：

頭部跌落驗(yàn)證試驗(yàn)是通過(guò)將假人頭部高度從376mm高度位置自由釋放下落到標(biāo)定臺(tái)上，測(cè)量頭部質(zhì)心的三軸合成加速度來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。由此產(chǎn)生的三軸合成加速度通過(guò)濾波后進(jìn)行計(jì)算，SAE用戶手冊(cè)規(guī)定了頭部三軸合成加速度的峰值應(yīng)在225g到275g之間。

頸部彎曲試驗(yàn)和頸部拉伸試驗(yàn)：

頸部彎曲試驗(yàn)和頸部屈曲和拉伸試驗(yàn)是將頸部和頭部鏈接，并將頸部一端固定在擺錘裝置上，擺錘相當(dāng)于假人的軀干部位。擺錘從給定高度釋放，在擺動(dòng)弧線的底部產(chǎn)生所需的速度。在擺錘到達(dá)底部的擺動(dòng)弧線垂直位置時(shí)，被能量吸收用蜂窩鋁緩沖似其停止。雖然擺臂運(yùn)動(dòng)停止，但頭部的慣性會(huì)導(dǎo)致頸部彎曲。標(biāo)定過(guò)程中使用上頸部六軸載荷傳感器來(lái)記錄此過(guò)程中的力和力矩，并使用旋轉(zhuǎn)電位計(jì)和連桿用于測(cè)量與頭部相對(duì)于擺錘的角度，這個(gè)角度稱(chēng)為D-平面角度（D-Plane Angle）。SAE用戶手冊(cè)規(guī)定了頸部屈曲試驗(yàn)擺錘重心處的沖擊速度為6.89-7.13m/s，頸部拉伸試驗(yàn)擺錘重心處的沖擊速度為5.90-6.19m/s。

胸部沖擊試驗(yàn)：

胸部沖擊試驗(yàn)是以23.4±0.02kg擺錘以2.94m/s-3.06m/s的速度撞擊假人胸部的正面碰撞試驗(yàn)。SAE用戶手冊(cè)中規(guī)定了假人的胸部壓縮量峰值范圍在-26.5m/s-21.5mm的范圍內(nèi)。

膝部沖擊試驗(yàn)：

以2.07-2.13m/s的速度對(duì)彎曲下肢的膝蓋進(jìn)行5kg擺錘撞擊。最大撞擊力范圍在-5.78kN-4.72kN的范圍內(nèi)。本試驗(yàn)中假設(shè)同一假人的兩個(gè)膝蓋是相同的，因此只比較每個(gè)假人的一個(gè)膝蓋。

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)定義

在評(píng)估Hybrid III 50th假人的重復(fù)性和再現(xiàn)性的傳統(tǒng)方法中，通過(guò)重復(fù)多次試驗(yàn)，并計(jì)算響應(yīng)曲線峰值的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)（%CV）[2]。從而對(duì)Hybrid III 50th假人的重復(fù)性和再現(xiàn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

%CV=100*||

σ-一個(gè)假人3次試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差

-一個(gè)假人3次試驗(yàn)的平均值

重復(fù)性：計(jì)算變異系數(shù)百分比CV（%），每個(gè)假人3次試驗(yàn)的響應(yīng)的峰值的百分比CV（%）。

再現(xiàn)性：計(jì)算變異系數(shù)百分比CV（%），三個(gè)假人所有9次試驗(yàn)中的響應(yīng)的峰值的百分比CV（%）。

對(duì)于結(jié)果認(rèn)為，0-5%的CV（%）是優(yōu)秀（Excellent）的，5-8%的CV（%）是好（Good）的，8-10%的CV（%）是可接受（Acceptable）的，大于10%的變異系數(shù)是不可接受（Unacceptable）的。一般一個(gè)假人的評(píng)估結(jié)果是優(yōu)秀的（CV%在0-5%之間），說(shuō)明這個(gè)假人在應(yīng)用于車(chē)輛碰撞試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果中具有更高的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次研究中，抽選現(xiàn)階段本試驗(yàn)機(jī)構(gòu)使用的三個(gè)Hybrid III 50th假人相同在外界環(huán)境和試驗(yàn)環(huán)境的條件下，分別進(jìn)行三次標(biāo)定試驗(yàn)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.1 頭部跌落試驗(yàn)

從頭部跌落試驗(yàn)的分析數(shù)據(jù)可以看出，表4中Avg表示一個(gè)假人3次試驗(yàn)的平均值，SD表示一個(gè)假人3次試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差（以下數(shù)據(jù)中平均值和標(biāo)準(zhǔn)差均用Avg和SD表示）。經(jīng)過(guò)計(jì)算CV（%）可以看出，CV（%）均在0-5%之間，表明假人的重復(fù)性都處在很好的范圍內(nèi)，但是第三個(gè)假人頭部三項(xiàng)合成加速度數(shù)值偏大，CV（%）達(dá)到了4.87，已經(jīng)接近最理想值0-5%，也就是優(yōu)秀（Excellent）的上限。由于頭部標(biāo)定的下落距離很短，數(shù)據(jù)樣本數(shù)量少，時(shí)間軸對(duì)于試驗(yàn)中試驗(yàn)受體本身以及各種環(huán)境因素和人為因素更具有參考價(jià)值。嚴(yán)格控制下落高度、安裝方式和試驗(yàn)臺(tái)表面的一致性，保證9次試驗(yàn)的加速度響應(yīng)曲線的時(shí)間差異在5ms之內(nèi)。

由頭部跌落試驗(yàn)的響應(yīng)曲線可以看出，其中DX-TX表示第X個(gè)假人的第X次試驗(yàn)的相應(yīng)曲線（以下數(shù)據(jù)圖表中DX-TX均表示第X個(gè)假人的第X次試驗(yàn)的相應(yīng)曲線）?？梢钥闯鲇捎谠囼?yàn)條件的統(tǒng)一性，其中峰值的時(shí)刻基本保持一致，但是第三個(gè)假人在第三次試驗(yàn)中的峰值差異與其他八次差異較大，造成了第三個(gè)假人的CV（%）偏大。那么就需要檢查假人硅膠制品的頭部皮膚是否在碰撞試驗(yàn)中有輕微的變形，導(dǎo)致假人頭部皮膚與金屬骨骼之間產(chǎn)生間隙，以及頭部傳感器線束是否固定牢固，從而對(duì)排除試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響的外部負(fù)向因素，保證每次試驗(yàn)的一致性。

4.2 頸部彎曲試驗(yàn)

從頸部彎曲試驗(yàn)的分析數(shù)據(jù)可以看出，CV（%）均在0-5%之間，表明假人的一致性都處在很好的范圍內(nèi)，但是第三個(gè)假人D-平面CV（%）值偏大，達(dá)到了4.16。時(shí)間軸上顯示出擺錘下落高度、安裝方式和底部用于能量吸收用蜂窩鋁的一致性很好，見(jiàn)表5。

由頸部彎曲試驗(yàn)的響應(yīng)曲線可以看出，三個(gè)假人的D-平面角度和和頸部扭矩的響應(yīng)曲線趨勢(shì)基本保持一致，但是D1假人的D-平面角度和扭矩的響應(yīng)曲線在第二次試驗(yàn)歷程中的趨勢(shì)均略有不同，但峰值的幅值和時(shí)間點(diǎn)基本保持一致。初步分析是由于固定頸部的扭矩或頸部頂絲的松緊差異造成，導(dǎo)致擺錘下降過(guò)程中對(duì)頸部的沖擊震蕩造成。在時(shí)間歷程上三個(gè)假人響應(yīng)曲線的峰值時(shí)間點(diǎn)基本保持一致的趨勢(shì)，也體現(xiàn)了頸部緩沖塊的壓潰性能的一致性，從而說(shuō)明了試驗(yàn)環(huán)境和設(shè)備的一致性對(duì)于標(biāo)定正確性有著至關(guān)重要的意義，見(jiàn)圖2、圖3。

4.3 頸部拉伸試驗(yàn)

從頸部拉伸試驗(yàn)的分析數(shù)據(jù)可以看出，CV（%）均在0-5%之間，表明假人的一致性都處在很好的范圍內(nèi)，但是第三個(gè)假人扭矩的CV（%）值偏大，達(dá)到了4.59，已經(jīng)接近最理想值0-5%。時(shí)間軸上顯示出擺錘下落高度、安裝方式和底部用于能量吸收用蜂窩鋁的一致性很好，見(jiàn)表6。

由頸部拉伸試驗(yàn)的響應(yīng)曲線可以看出，三個(gè)假人的D-平面角度和和頸部扭矩的響應(yīng)曲線趨勢(shì)基本保持一致，但是D3的D-平面角度和扭矩的響應(yīng)曲線在第三次試驗(yàn)歷程中的趨勢(shì)均略有不同，且D-平面曲線的峰值的也有較大差異。頸部標(biāo)定裝置由于是擺錘系統(tǒng)，并且假人頸部為橡膠結(jié)和金屬結(jié)構(gòu)的結(jié)合，多次試驗(yàn)對(duì)于結(jié)合處的一致性也有細(xì)微影響，在碰撞試驗(yàn)中頸部也屬于易損部件，容易產(chǎn)生細(xì)微裂痕損傷。并且在試驗(yàn)外部條件中，對(duì)于假人頸部外套、頸部安裝力矩（在1.09-1.63Nm范圍內(nèi)）、頸部頂絲、頸部支架、底部吸能緩沖、頸部安裝角度的多維參數(shù)一致性要求較高。在時(shí)間歷程上三個(gè)假人響應(yīng)曲線的峰值時(shí)間點(diǎn)基本保持一致的趨勢(shì)，其CV（%）也都較小，見(jiàn)圖4、圖5。

4.4 胸部沖擊試驗(yàn)

從胸部沖擊試驗(yàn)的分析數(shù)據(jù)可以看出，CV（%）均在0-5%之間，表明假人的一致性都處在很好的范圍內(nèi)，前兩個(gè)假人的胸部力和胸部壓縮量的CV（%）值均沒(méi)有超過(guò)1。對(duì)于胸部標(biāo)定這種擺錘下落的時(shí)間歷程較長(zhǎng)，觸發(fā)位置無(wú)法在下落瞬間控制，就利用嚴(yán)格控制擺錘高度和觸發(fā)位置，以及記錄通過(guò)記錄碰撞點(diǎn)速度的方式控制下落高度的一致性?？刂仆獠織l件的一致性，也就控制了胸部力峰值和胸部壓縮量峰值時(shí)間點(diǎn)的一致性，見(jiàn)表7。

由胸部沖擊試驗(yàn)的響應(yīng)曲線可以看出，三個(gè)假人的胸部力和胸部壓縮量的響應(yīng)曲線趨勢(shì)表現(xiàn)出了很高的一致性，只有第二個(gè)假人第二次試驗(yàn)胸位移壓縮后回彈的歷程中的趨勢(shì)均略有滯后。胸部標(biāo)定裝置由于是擺錘比較其他標(biāo)定部位較重，對(duì)于胸部皮膚的橡膠壓潰差異造成的數(shù)據(jù)差異較小;而擺錘裝置的下落高度較高，導(dǎo)致了試驗(yàn)的時(shí)間歷程較長(zhǎng);并且Hybrid III 50th假人的胸部金屬肋骨結(jié)構(gòu)以及胸部位移量傳感器的連桿螺釘固定結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，耐磨損性能較高，多次試驗(yàn)的一致性表現(xiàn)較好。在車(chē)輛碰撞試驗(yàn)中的穩(wěn)定性也表現(xiàn)優(yōu)秀。從胸部標(biāo)定數(shù)據(jù)可以看出，其CV（%）在時(shí)間歷程上基本保持一致的趨勢(shì)，其都較小。

4.5 膝部沖擊試驗(yàn)

從膝部沖擊試驗(yàn)的分析數(shù)據(jù)可以看出，CV（%）均在0-5%之間，表明假人的一致性都處在很好的范圍內(nèi)，第一個(gè)假人的膝部壓縮量的CV（%）值僅有0.13。膝部標(biāo)定同樣適用擺錘由固定位置下落撞擊假人膝蓋的方式，由于下落高度低時(shí)間歷程短，且觸發(fā)位置無(wú)法在下落瞬間控制。對(duì)于擺錘下落高度、觸發(fā)位置和安裝的一致性，表現(xiàn)在時(shí)間點(diǎn)CV（%）的一致性上，見(jiàn)表8。

由膝部沖擊試驗(yàn)的位移量響應(yīng)曲線可以看出，三個(gè)假人的壓縮量的響應(yīng)曲線趨勢(shì)表現(xiàn)出了很高的一致性，但在時(shí)間軸上出現(xiàn)水平差異，9次試驗(yàn)的峰值時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間差異最大在8ms，由此分析在時(shí)間歷程上的差異主要來(lái)源于外部試驗(yàn)條件。時(shí)間點(diǎn)CV（%）也均在0-5%的范圍內(nèi)，說(shuō)明了次9次試驗(yàn)的一致性很好。

5 結(jié)論

本次研究通過(guò)選取常用的3個(gè)Hybrid III 50th假人分別進(jìn)行3次，一共9次標(biāo)定試驗(yàn)，分別對(duì)假人的4個(gè)部位進(jìn)行5種類(lèi)型的標(biāo)定試驗(yàn)。結(jié)果表明，所有考察值和時(shí)間點(diǎn)的CV（%）都在0-5%的范圍內(nèi)，在曲線趨勢(shì)和峰值大小和時(shí)間點(diǎn)上表現(xiàn)最為優(yōu)秀的為胸部力、胸部位移，其次是膝部和頭部。膝部位移和頭部三項(xiàng)合成加速度的時(shí)間歷程短，采樣點(diǎn)少，對(duì)于試驗(yàn)條件更需要嚴(yán)格控制，減少人為造成的差異，才能對(duì)假人的實(shí)際結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。差異性最大的為頸部，由于頸部鏈接結(jié)構(gòu)比較其他部位更容易產(chǎn)生個(gè)體差異性，且試驗(yàn)安裝比較復(fù)雜，曲線本身趨勢(shì)上具有一些差異。頸部D-平面的的表現(xiàn)趨勢(shì)要優(yōu)于頸部力矩，也說(shuō)明了頸部本身和安裝差異對(duì)于受力的影響較大。

綜合對(duì)于3個(gè)假人的試驗(yàn)考查數(shù)值和時(shí)間歷程綜合分析，可以看出：

第二個(gè)假人的表現(xiàn)最為優(yōu)秀，各項(xiàng)平均CV（%）為1.05，第二個(gè)假人為1.41，第三個(gè)假人為2.24。頭部和頸部最好的為第二個(gè)假人，胸部和膝部為第二個(gè)假人，第三個(gè)假人雖然符合范圍要求，但在今后的標(biāo)定中要嚴(yán)格保持外部因素的一致性，并加大檢查力度，從而保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

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