崔新康，商恩義,李月明,張毅,章健,張榮

(吉利汽車研究院(寧波)有限公司浙江省汽車安全技術(shù)研究重點(diǎn)實驗室，浙江杭州 311228)

0 引言

當(dāng)前，在汽車被動安全約束系統(tǒng)開發(fā)過程中，每款車通常需要進(jìn)行幾十次的實車碰撞試驗[1-2]。試驗中，通過假人身上各個部位的傳感器采集數(shù)據(jù)來評價乘員受到的傷害程度[3]。因此，對假人身上采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求較高。但事實上，試驗中采集到的假人數(shù)據(jù)中經(jīng)常存在毛刺、尖峰、削峰、跳變、相位平移、疊加等異?，F(xiàn)象[4-5]。其中，各假人中尤其以SID-IIs假人肩部加速度的異常問題偏多，這些異常數(shù)據(jù)有時會影響假人傷害值的評價，對其產(chǎn)生的原因有必要進(jìn)行深入研究，以便及時解決。

1 SID-IIs假人肩部及胸部結(jié)構(gòu)

SID-IIs假人胸部結(jié)構(gòu)[6]如圖1所示。

圖1 SID-IIs假人胸部結(jié)構(gòu)

SID-IIs假人上軀干胸部結(jié)構(gòu)可以簡化為懸臂梁式結(jié)構(gòu)如圖2所示。胸椎可以簡化為一個長方形的剛體，肩部簡化為一個長方形的彈性薄板。肋骨一端固定胸椎上，另一端和手臂相連是自由端，肩部肋骨上下都有擋板，肋骨和擋板之間有活動間隙。假人肋骨在移動時受限于上下?lián)醢?肩部肋骨和胸椎之間也有活動間隙，前后移動受限于胸椎。

圖2 SID-IIs假人肩部及胸部簡示圖

2 假人肩部加速度數(shù)據(jù)異常案例研究

某車型進(jìn)行IIHs側(cè)碰試驗后，后排SID-IIs假人肩部Y/Z向加速度數(shù)據(jù)都出現(xiàn)了持續(xù)異常突變。異常突變主要集中在10～30 ms和在70～170 ms時段。數(shù)據(jù)幅值在40g左右，脈寬在5～10 ms,如圖3所示。把肩部、胸部(上中下)、腹部(上下)的Y向加速度放在一起比較時，只有肩部的Y向加速度70～170 ms時段有異常突變，如圖4所示。

圖3 側(cè)碰試驗主駕后排假人肩部加速度

圖4 肩部、胸部、腹部加速度

在查看肩部、胸部(上中下)、腹部(上下)的位移，可以看到上面各個部位的位移走勢基本一致，在70～170 ms時段無異常突變，如圖5所示。說明假人肩部肋骨在70～170 msY向沒有受到外力。把肩部、胸部(上中下)、腹部(上下)的加速度進(jìn)行積分，可以看到胸部(上中下)、腹部(上下)的速度曲線走勢基本一致，最大達(dá)到10 m/s。肩部加速度的積分曲線在12 ms偏離總體走勢，最大速度達(dá)到26.7 m/s。如圖6所示。說明主駕后排SID-IIs假人肩部Y向加速度數(shù)據(jù)是異常數(shù)據(jù)。但是，這種異常是假人結(jié)構(gòu)運(yùn)動的真實體現(xiàn)，還是某種原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)異常暫時無法判斷。

圖5 側(cè)碰試驗主駕后排假人肩部位移

圖6 側(cè)碰試驗主駕后排假人肩部/胸/腹加速度積分

2.1 異常因素分析

圖7為異常因素分析圖。

圖7 異常因素分析圖

試驗前SID-IIs假人肩部加速度傳感器用數(shù)采靜態(tài)檢測正常，試驗后下載SID-IIs假人試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)肩部加速度數(shù)據(jù)異常。為了檢查是否是肩部加速度器損壞(傳感器內(nèi)部虛接或內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞)，把SID-IIs假人肩部加速度傳感器固定在加速度檢測設(shè)備上進(jìn)行動態(tài)沖擊試驗檢測，肩部加速度檢測結(jié)果如圖8所示，肩部X、Y、Z向加速度曲線一致，說明Y向加速度正常。

圖8 試驗后加速度檢查曲線

為了消除傳感器老化屏蔽層損壞、接頭虛接等因素，把SID-IIs假人肩部加速度傳感器更換為新型傳感器，如圖9所示。

圖9 肩部加速度傳感器

后續(xù)試驗發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)并未消除?？梢耘懦齻鞲衅饕蛩睾图偃瞬考p毀因素。

由于在多個車型的側(cè)碰試驗中均出現(xiàn)肩部加速度數(shù)據(jù)異常，每次試驗時SID-IIs假人肩部加速度傳感器LEMO頭連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通道會不一樣。如圖10所示，由此可以排除車型差異和數(shù)采的因素。

圖10 試驗數(shù)采和假人通道連接

每次側(cè)碰試驗的溫度都控制在20～22 ℃，如圖11所示，溫度偏差較小,因此也可以排除溫濕度因素。

圖11 試驗前假人溫度檢查

通過上面分析，最終把排查重點(diǎn)放在了假人本身結(jié)構(gòu)上。

2.2 數(shù)據(jù)分析

通過視頻觀察后排SID-IIs假人，在10～30 ms這段時間SID-IIs假人在慣性力的作用下假人向門護(hù)板移動傾斜。在30 ms時主駕后排SID-IIs假人手臂與門護(hù)板接觸(圖12)。

圖12 假人手臂與門護(hù)板位置

在通過查看試驗數(shù)據(jù)，安全帶在10 ms左右點(diǎn)火(圖13)開始預(yù)緊。安全帶力在15 ms時達(dá)到了峰值2 164 N，15～30 ms安全帶力逐步減小，安全帶肩帶力曲線具體如圖14所示。安全帶的預(yù)收緊過程如圖15所示。

圖13 安全帶點(diǎn)火時間

圖14 安全帶肩帶力曲線

圖15 10～30 ms后排假人安全帶預(yù)緊視頻

一般情況下安全帶預(yù)收緊時，胸部加速度會變大，例如：在正碰試驗中在前排安全帶預(yù)緊時HIII-50%假人產(chǎn)生的胸部加速度為1～5g。但是，主駕后排SID-IIs假人在10～30 ms肩部Y/Z向的加速度幅值竟然達(dá)到45g左右則明顯異常。在10～30 ms這個時間段內(nèi)唯一的外力來源就是安全帶預(yù)緊力，安全帶預(yù)緊時安全帶快速收緊，胸部上邊(肩部肋骨、胸部第一根肋骨)短時間受到較大的力。

在54 ms肩部位移達(dá)到最大值15.2 mm，如圖16所示,此時假人上軀干開始反彈。在假人上軀干反彈的過程中70～110 ms時段肩部加速度Y/Z出現(xiàn)突變，在Z向峰值明顯大于Y向，同時Y向曲線相位比Z向曲線相位偏后，說明在這段時間肩部受力主要方向為Z向。在130～159 ms時段肩部加速度Y/Z再次出現(xiàn)突變，這段時間Y向和Z向的相位出現(xiàn)偏差越來越大，Y向曲線相位比Z向曲線相位偏差達(dá)到6 ms，具體如圖17所示。通過視頻觀察后排SID-IIs假人，在70～170 ms這段時間SID-IIs假人手臂與門護(hù)板一直未脫離(圖18)，安全帶力在0附近。所以，在假人上軀干處于反彈的過程中，肩部肋骨Z向的力來源于手臂。

(4)教學(xué)方法的選擇：作為職業(yè)院校的老師在主觀上并不排除教學(xué)改革，也積極學(xué)習(xí)先進(jìn)的教學(xué)理念、各種信息化教學(xué)手段，竭力擺脫傳統(tǒng)教學(xué)方法的束縛。但是，實際教學(xué)中，只有少部分學(xué)生主動參與教學(xué)，課堂上無法開展教學(xué)互動，有的學(xué)生拒絕參與課堂學(xué)習(xí)，學(xué)生的消極反應(yīng)影響了老師的教學(xué)熱情，為了完成任務(wù)，很多老師不得不又回到以講授為主的授課方式，這主要由于他們沒有找到適應(yīng)中職學(xué)生的教學(xué)方式。盡管中職學(xué)生存在學(xué)習(xí)意愿弱、學(xué)習(xí)習(xí)慣較差等問題，他們善于通過動手實踐來學(xué)習(xí)各種技能，該課程的教學(xué)時應(yīng)充分設(shè)計動手環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在完成實際任務(wù)的過程中達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。

圖16 SID-IIs假人肩部位移

圖17 SID-IIs假人肩部加速度

圖18 70～170 ms后排假人安全帶預(yù)緊視頻

2.3 異常數(shù)據(jù)原因分析

根據(jù)SID-IIs假人肩部肋骨結(jié)構(gòu)，在肩部肋骨和胸椎連接在X、Z都是一個懸臂梁結(jié)構(gòu)。受力時端部會產(chǎn)生較大位移，加速度安裝塊就安裝在懸臂梁結(jié)構(gòu)的端部。加速度傳感器記錄的就是假人肋骨端部的運(yùn)動情況。

在10～30 ms這個時間段內(nèi)唯一的外力來源就是安全帶預(yù)緊力，安全帶預(yù)緊力峰值達(dá)2 164 N。安全帶預(yù)緊時，安全帶在快速收緊的過程中，胸部上邊受到的力最大。主要集中在肩部肋骨、胸部第一根肋骨。肩部安全帶預(yù)收緊，安全帶會下壓肩部肋骨，安全帶施力點(diǎn)在肩部肋骨端部附近。端部肋骨瞬間受力產(chǎn)生較大位移，下移動時會受阻于擋板和胸椎，肋骨會和擋板產(chǎn)生撞擊，同時由于肋骨是一個彈性體，在撞到下?lián)醢鍟r會向上撞擊上擋板，在上下?lián)醢逯g振蕩，幅度和強(qiáng)度越來越小。肋骨撞擊擋板時會產(chǎn)生高加速度。

在70～170 ms時間段，假人上軀干處于反彈的過程中，肩部未完全和車門護(hù)板脫離。在這個過程中手臂和車門護(hù)板撞擊及手臂在自身重力下抖動造成肩部肋骨和上下?lián)醢遄矒?。?dǎo)致肩部產(chǎn)生高加速度。

2.4 試驗驗證

用手握住假人手臂端部，上下/前后晃動手臂撞擊上下?lián)醢?，同時小幅轉(zhuǎn)動假人手臂。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)假人肩部加速度曲線。查看試驗曲線能否復(fù)現(xiàn)試驗異常數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)觸發(fā)后，上下晃動SID-IIs假人手臂5次，共采集了10 s的數(shù)據(jù)，從試驗采集到的數(shù)據(jù)中，可以看到5個雜波數(shù)據(jù)，幅值達(dá)到40g，如圖19所示。

圖19 SID-IIs肩部加速度曲線

由于實車碰撞過程在300 ms左右，為了更好地分析數(shù)據(jù)，把每一個雜波時間軸放大到毫秒級。試驗放大第一個雜波會發(fā)現(xiàn)肩部加速度Z、X向出現(xiàn)試驗中類似的異常數(shù)據(jù)，Z向幅值大約為38g，X向幅值大約為42g，脈寬在5 ms左右,具體如圖20所示。

圖20 第一個雜波放大曲線

放大第二個雜波會發(fā)現(xiàn)肩部加速度Z、Y向出現(xiàn)試驗中類似的異常數(shù)據(jù)，Z向幅值大約為38g,Y向幅值大約為39 g，脈寬在5 ms左右，具體如圖21所示。

圖21 第二個雜波放大曲線

放大第三個雜波會發(fā)現(xiàn)肩部加速度Z、Y向出現(xiàn)試驗中類似的異常數(shù)據(jù)，Z向幅值大約為38g，X向幅值大約為37g，脈寬在5 ms左右,具體如圖22所示。

圖22 第三個雜波放大曲線

放大第四個雜波會發(fā)現(xiàn)肩部加速度Z、X向出現(xiàn)試驗中類似的異常數(shù)據(jù)，Z向幅值大約為38g，X向幅值大約為30g，脈寬在3 ms左右,具體如圖23所示。

圖23 第四個雜波放大曲線

放大第五個雜波會發(fā)現(xiàn)肩部加速度Z、X向出現(xiàn)試驗中類似的異常數(shù)據(jù)，Z向幅值大約為38g，X向幅值大約為42g，脈寬在5 ms左右,具體如圖24所示。

圖24 第五個雜波放大曲線

通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，每次撞擊Z向的幅值都在38g左右，X向和Y向幅值相對Z向小一點(diǎn)，曲線的走勢和脈寬和案例試驗中的異常曲線基本符合，驗證了之前的分析結(jié)果，試驗中的SID-IIs肩部加速度異常數(shù)據(jù)是由于肋骨撞擊。

3 結(jié)束語

文中通過對試驗數(shù)據(jù)和試驗視頻進(jìn)行分析和試驗驗證，研究了SID-IIs假人肩部加速度曲線異常原因，指出肩部加速度曲線異常的原因是由于試驗過程中假人肩部肋骨撞擊上下?lián)醢?胸椎產(chǎn)生的。這個是由假人結(jié)構(gòu)本身決定的。假人結(jié)構(gòu)目前無法改變。因此，異常數(shù)據(jù)無法根除，但是，通過研究可以了解到SID-II假人的缺陷，推動假人公司進(jìn)一步完善假人結(jié)構(gòu)。

假人數(shù)據(jù)之間是相互關(guān)聯(lián)的，在進(jìn)行安全開發(fā)分析數(shù)據(jù)前，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析印證一下，確保了數(shù)據(jù)的可靠性。可以避免試驗中出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)誤導(dǎo)安全開發(fā)。