汽车碰撞试验假人的标定试验

汽车碰撞试验假人的标定试验
摘要：假人参数在碰撞试验中对碰撞模拟结果有显著影响，分别对汽车正面碰撞实验应用的HybridⅢ男性假人头部与颈部标定试验要求、步骤等及实验结果的分析方法进行了详细介绍，并通过具体试验对某HybridⅢ做了头部与颈部的标定。

关键字：假人；汽车正面碰撞试验；标定试验
Abstract：The parameters of dummies have a significant impact on simulation results in the crash test. It illustrated the test requirements，steps and presented detailed analysis of the test results of head and neck calibration test of Hybrid Ⅲmale dummy in the front crash test. All the test methods are demonstrated in the head and neck calibration test of some Hybrid Ⅲ.
Key words: anthropomorphic; vehicle frontal crash test; demarcate test
1 试验意义
汽车碰撞试验属于汽车被动安全的研究范围，其目的主要是检验碰撞过程中车辆对乘员的保护能力。

碰撞试验的危险性，使得在实验中不可能是用进行真人，国外研究机构在大量尸体解剖工作的基础上，根据人体的动力特性及各部位的质量大小等，制造了假人，它可以代替人体用于汽车碰撞实验，模拟真人受到的伤害情况，并经标定后可以重复使用。

在试验中，通过在假人头部、胸部以及腿部安装传感器采集试验过程中的数据，这些数据能够体现汽车碰撞时，力、位移、加速度等物理量对人体的作用，通过数据采集系统将这些数据转换为数字信号由计算机处理，通过计算得出HPC（head Performance Criterion，头部性能指标）、ThPC（Thorax Performance Criterion，胸部性能指标）、FPC（Femur Performance Criterion，大腿性能指标）等伤害指标。

研究人员借助这些数据，就可分析出车祸中真人的受伤程度，进而对汽车的安全性能进行定量评估。

汽车碰撞试验是汽车安全研究中至关重要的一步，由于该试验极具危险性、破坏性，所以研制符合我国人体身材特点和生物力学特性的汽车碰撞假人是势在必行的。

国外在这方面进行了大量的工作，成功开发了各种人体物理模型系统。

国外常用的假人，通过安装在其上的各种传感器，可从试验中获取所需的数据。

通过对试验数据的分析，对人体损伤指数和生命保障系统进行定性和定量的评价。

本文仅讨论假人头部和胸部的分体正面碰撞试验中标定系统的试验。

通常采用的试验数据采集处理系统为电测量系统，试验中要用到的相关传感器，数据采集处理系统和在试验中使用的假人在试验前都要进行严格的标定。

2 试验用假人
假人是集人体工程学、统计学、工程力学、材料力学、生物学为一体的精密测试仪器，一个假人由近400个部件、大约60个传感器组成，造价高达4万美元左右，如果加上传感器配套设备，得需（6～7）万美元。

碰撞实验中，主要使用的假人有男性假人、女性假人、儿童假人及侧碰假人。

在国外，假人的研究已经比较成熟，诸如FTSS（First Technology Safety
Systems ） 和 Robert A Denton INC 生产的假人已经能够获得标准的认可。

现在 NCAP 实验使用的假人也主要由这两家公司提供。

中国新车评价规程（C-NCAP ）标准中的100%正面碰撞实验及40%侧碰实验采用 Hybrid Ⅲ50%男性假人和5%的女性假人。

本实验中使用的是 Hybrid Ⅲ 50%男性假人。

主要的体型参数：身高177cm ，体重86kg 。

其主要的测量仪器是：（1）头部、胸部安装3个单向或一个三向加速度传感器；（2）胸部安装位移传感器；（3）大腿安装2个单向力传感器。

诸如颈部传感器、盆骨加速度传感器、腰椎传感器、颈骨传感器等可以根据实验的要求选择性安装。

Hybrid Ⅲ50%男性假人需要进行的标定实验主要有：头部冲击实验、颈部弯曲和延伸实验、胸部冲击实验、膝盖冲击实验、膝盖剪切实验等。

主要介绍其头部和颈部弯曲性标定实验。

3 标定系统的组成
汽车碰撞试验是现代制造技术、测试技术、生物医学工程技术在汽车安全工程领域中的综合应用。

在试验中，测量技术是关键技术之一。

假人分体正面碰撞试验中主要应用的是电测量法。

电测量系统由传感器、放大器、数据记录及采集处理系统构成。

信号经过信号适调、放大器、低通滤波后由信号记录仪记录，或由计算机直接采集碰撞中的测量信号，然后进行数据处理。

如图1所示。

图1 汽车碰撞假人模拟试验标定系统工作原理
Fig.1 Car crash simulation test dummy calibration system works.
4 标定试验方法
试验中的信息处理是在人体和机械环境中物质能量的传递过程，必须使用耐冲击、阻尼小、可靠性高的传感器来提取速度、加速度、动量等信息。

在此次假人分体正面碰撞标定试验中要测量的项目有加速度、位移和力。

4.1 假人的头部标定试验
压电式加速度 三维传感器 （安装在头部）
压电式压力传感器（安装在前额，胸部和大腿部）
电位器式 位移传感器 （安装在胸部）
8通道电荷 、 放大器
CF-920实时数据、图形分析系统
微机数据图形、分析处理系统
人体损伤指数和生命保障系统相关数据和专家系统
A/O
4.1.1 头部标定试验要求
（1）头部加速度计的最大合成加速度在（255～275）g 之间。

（2）试验中的合成加速度/时间历程曲线是单峰曲线，且主峰后的加速度振荡幅值应小于峰值的10%。

（3）横向加速度矢量不超过15g。

（4）对同一头部皮肤，两次试验之间的间隔不少于3个小时。

4.1.2 头部标定试验步骤
（1）将头部总成在温度为19~25℃，相对湿度为10%~70%的环境中至少放置4小时，然后再试验；
（2）用7.5Nm的力矩拧紧固定加速度传感器安装座的螺栓；用18Nm的力矩拧紧头颅骨后盖的四个紧固螺栓。

（3）用1:1:1的三氯乙烯或等效物质如酒精清洗头皮表面和碰撞板表面；
（4）悬挂头部，保证前额最低点低于鼻子最低点12.7±0.1mm，且距碰撞板表面376±1mm，同时保证其中心对称面处于垂直状态；
（5）利用释放装置使头部从规定高度上落下，保证一经释放头部应立即落向表面平整、刚性支撑的水平表面，其光洁度应在0.2~2.0 µm范围内；
（6）同一头部两次连续试验时间间隔不应少于3 小时。

4.1.3 试验结果及试验结果分析
假人头部标定的分析参数主要是头部合成加速度和横向加速度。

假人头部撞击性试验合成加速度曲线，如图2所示。

这样的结果是满足要求的。

图2 头部合成加速度曲线
Fig.2 Head resultant acceleration curve.
合成加速度出现偏高或偏低主要有以下下的原因：（1）头部皮肤损坏；（2）假人内部的线路出现故障。

这些问题可以通过更换假人头部皮肤、修理出现问题的线路等措施解决。

横向加速度出现偏高或者偏低主要有以下原因：①假人Y轴不水平；②在开始头部撞
击试验前，头部没有绝对静止；③假人内部的线路出现故障。

这些问题可以用过调整Y轴水平、保证头部绝对静止时才释放假人头部、修理出现问题的线路等措施解决。

4.2 假人的颈部标定试验
假人颈部实验主要有弯曲性实验和伸展性实验，因这两个实验的操作步骤、实验要求等基本相同，分析参数及其影响参数也基本相同，操作中主要不同是：头-颈部总成的安装方向相反，故在本文中仅对弯曲性实验进行研究与论述。

4.2.1 颈部标定试验要求
（1）弯曲性试验中，头和颈部不能与任何物体接触；
（2）摆与蜂窝材料接触时，摆上加速度计中心点的速度应为（6.89～7.13）m/s 之间；
（3）摆的加速度－时间历程曲线应满足的要求，且曲线在（34～42）ms时达到5g，如表1 所示。

表1弯曲性试验对摆速度的要求
Tab.1 Bending test on swing speed requirements
时间（ms）负加速度（g）
10 22.5～27.5
20 17.6～22.6
30 12.5～18.5
＞30 ＜29
（4）零时刻后（57～64）ms 时，平面D（通过头颅基座的水平面）应转动（64～78）°，并于（113～128）ms之间首次回弹至0°；
（5）枕骨骨节处的力矩M 的最大值应出现在（47～58）ms 之间，大于88.1Nm，小于108.4Nm；力矩-时间曲线在（97～107）ms之间首次回到零度。

（6）两次试验之间的间隔不少于30分钟。

4.2.2 颈部标定试验步骤
（1）试验前，至少将头-颈部总成放置在温度为（20.6～22.2）℃，相对湿度为（10～70）%的试验环境中4个小时。

（2）在完成假人头颅标定后，将头部标定用传感器拆下，装上假人颈部，装上上部颈部支架，拧紧固定螺栓，将颈部拉索上螺母的紧固力矩调整为（1.36±0.27）Nm。

（3）将头-颈部总成安装在刚性摆上，使头的中心对称面竖直，且与纵向轴线的运动平面重合；在弯曲性和伸展性两个试验中，头-颈部总成的安装方向相反。

（4）释放摆锤，使之自由落下。

4.2.3试验结果及试验结果分析
假人颈部弯曲标定试验分析参数主要有：摆加速度、D 平面转动角度、枕骨骨节处力矩等。

影响摆加速度过高的因素主要有：（1）蜂窝材料的硬度不够；（2）假人内部的线路出现故障。

这些问题可以通过增加蜂窝材料硬度、修理出现故障的线路等措施解决。

影响摆加速度过低的因素主要有：①蜂窝材料的硬度过高；②假人内部的线路故障。

这
些问题可以通过降低蜂窝材料硬度、修理出现问题的线路等措施解决。

影响D平面转动角度过高的因素主要有：（1）传感器故障；（2）颈部总成硬度过低；（3）假人内部线路故障；（4）颈部拉索螺母上紧固力矩不正确。

这些问题可以用过更换故障传感器、更换颈部总成、修理出现问题的线路、确保颈部拉索螺母上的紧固力矩在（1.36±0.27）Nm 之内等措施解决。

影响D 平面转动角度过低的因素主要有：①传感器故障；②颈部总成硬度过高；③假人内部的线路出现故障。

这些问题可以通过更换故障传感器、更换颈部总成、修理出现问题的线路等措施解决。

影响枕骨骨节处力矩过大的因素主要有：（1）传感器故障；（2）颈部总成硬度过高；（3）假人内部线路故障；（4）颈部倾斜块过硬。

这些问题可以通过重新标定传感器、更换颈部总成、修理出现问题的线路、更换颈部倾斜块等措施解决。

影响枕骨骨节处力矩过小的因素主要有：①传感器故障；②颈部总成硬度过低；③假人内部线路故障；④颈部倾斜块过软。

这些问题可以通过重新标定传感器、更换颈部总成、修理出现问题的线路、更换颈部倾斜块等措施解决。

5 结论
法规的强制执行和市场的需求，使得汽车制造企业不得不进行汽车碰撞试验。

为了提高实验数据的准确性及可用性，在碰撞试验之前，对实验假人的标定试验必不可少。

本文阐述的HybridⅢ50%男性假人标定实验的实验要求、标定步骤，通过标定可以保证试验结果的准确性，并可使假人能够尽可能的模拟碰撞时真人的受伤情况，因而具有一定的实用价值，对影响试验结果因素的分析可以用来指导假人的标定试验的结果分析。

参考文献
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