曹立波，張 愷，呂 鑫，顏凌波，盛 文

(1.湖南大學，汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082； 2.湖南賽孚汽車科技有限公司，長沙 410082)

2016049

混合Ⅲ型第50百分位假人頭部跌落試驗影響因素探究*

曹立波1，張 愷1，呂 鑫1，顏凌波1，盛 文2

(1.湖南大學，汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082； 2.湖南賽孚汽車科技有限公司，長沙 410082)

假人頭部標定試驗結(jié)果對保證汽車碰撞測試過程中假人頭部響應(yīng)的可信性有重要影響。使用控制變量法研究了頭蓋緊固力矩、頭部Y軸偏角、頭部質(zhì)量、剛性表面偏角和滑石粉等因素對標定結(jié)果的影響。結(jié)果表明：頭蓋緊固旋轉(zhuǎn)力矩對于頭部標定結(jié)果影響較??；而合成加速度會隨著頭部質(zhì)量的降低呈現(xiàn)增加的趨勢；在頭皮與頭骨之間擦拭滑石粉會使合成加速度峰值降低約4%。標定試驗結(jié)果對頭部Y軸偏角和剛性平面偏角兩個因素較為敏感，因此需要采用更精確的測量儀器來使這兩個角度接近標稱值。

假人頭部；標定試驗；影響因素

前言

汽車碰撞試驗是評價汽車安全性的重要方法，汽車碰撞測試用假人作為測試工具在碰撞試驗過程中至關(guān)重要。汽車碰撞假人是根據(jù)人體生物力學研究成果而設(shè)計的模擬人體結(jié)構(gòu)與力學特性的機械裝置，是評估乘員在碰撞時遭受傷害風險的重要工具[1]。目前，在世界范圍內(nèi)，混合III型第50百分位假人是應(yīng)用最為廣泛的汽車正面碰撞測試假人。通過安裝在假人身體各部位的傳感器，研究人員可以獲得相應(yīng)的響應(yīng)參數(shù)，這些數(shù)據(jù)可用來評估假人在碰撞試驗過程中各部位的損傷風險，為研究人員改進車身結(jié)構(gòu)、優(yōu)化約束系統(tǒng)提供參考[2]。為保證在碰撞試驗中假人響應(yīng)的可信度，中國新車評價規(guī)程(C-NCAP)中規(guī)定每兩次碰撞試驗后，應(yīng)對假人進行重新標定[3]。文獻[4]中的統(tǒng)計研究表明，胸部、頭部、四肢和頸部是交通事故中乘員最易受傷的部位，因而對這些部位的生物力學逼真度提出了較高的要求。對于混合III型第50百分位男性假人而言，在試驗前需要對假人的頭部、頸部、胸部和膝部等部位進行標定試驗。本文中著重介紹了假人頭部跌落試驗與標定因素之間的關(guān)系。

假人頭部跌落試驗有3個評價指標：頭部質(zhì)心合成加速度、側(cè)向加速度和單峰峰值偏差。其中頭部質(zhì)心合成加速度是計算HIC頭部損傷指數(shù)的重要參數(shù)[5]。影響假人頭部動力學響應(yīng)的主要因素有頭部皮膚的力學特性、前額的幾何特性和頭部質(zhì)量等[6]。在具體的試驗操作過程中，標定結(jié)果除與頭皮和頭骨等內(nèi)部因素有關(guān)之外，溫度、濕度和角度等外部因素對標定結(jié)果也有影響。本文中通過大量的標定試驗，對影響假人頭部標定試驗結(jié)果的因素做了較為全面的研究，總結(jié)出外部因素對頭部標定結(jié)果的影響規(guī)律，為今后的假人頭部標定試驗提供參考。

1 試驗方法

圖1 假人頭部跌落試驗示意圖

圖2 假人頭部試驗調(diào)試圖

參考SAE J2856中的頭部跌落試驗[7]的要求設(shè)計了本文中的試驗方法，其具體設(shè)置示意圖和實物圖分別如圖1和圖2所示。假人頭部按圖1所示方式懸掛，假人頭部中央對稱面垂直，此時，調(diào)整假人頭部懸掛線索，使假人額頭最低點在假人鼻子最低點的下方12.7mm處，如圖2所示。每組試驗開始前將假人頭部總成放置在溫度為21.3～23.2℃之間、濕度為59%～69%的環(huán)境中4h以上，并在此環(huán)境中進行試驗。試驗前將假人頭部的碰撞表面用酒精擦洗干凈。準備完成后，將頭部總成從376mm的高處自由跌落到剛性平面上。同一頭部兩次連續(xù)標定時間間隔不得少于3h。

對每個因素進行研究時，隨機選取3個全新制備的頭部皮膚作為研究樣本，這些頭部皮膚在國內(nèi)某假人制造公司生產(chǎn)的20個頭部皮膚內(nèi)隨機選取，其編號范圍為110161～110180。在某一因素的試驗中采用過的頭皮不能再參加下個因素的試驗，以避免對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。除質(zhì)量差異采用一次輕質(zhì)頭骨之外，其余所有試驗均采用標準頭骨和后蓋。每個因素選取的試驗參數(shù)如表1所示。

表1 試驗參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 頭蓋緊固旋轉(zhuǎn)力矩

SAE J2856標準規(guī)定的頭蓋緊固旋轉(zhuǎn)力矩值為18N·m，為了探究后蓋與頭骨連接緊固度甚至在晃動狀態(tài)對頭部跌落試驗結(jié)果的影響，采用2，10和18N·m的3種頭蓋緊固旋轉(zhuǎn)力矩共進行9次試驗，其中2N·m的緊固旋轉(zhuǎn)力矩的調(diào)節(jié)見圖3。

圖3 頭蓋緊固旋轉(zhuǎn)力矩試驗調(diào)節(jié)

試驗得到的合成加速度和側(cè)向加速度峰值如圖4和圖5所示。

圖4 合成加速度-頭蓋緊固旋轉(zhuǎn)力矩關(guān)系曲線

圖5 側(cè)向加速度-頭蓋緊固旋轉(zhuǎn)力矩關(guān)系曲線

隨著頭蓋緊固旋轉(zhuǎn)力矩的減小，在跌落碰撞過程中，后蓋出現(xiàn)晃動，帶動整個頭部出現(xiàn)震顫，使側(cè)向加速度呈現(xiàn)增加的趨勢，進而在側(cè)向加速度的影響下，合成加速度升高。總體而言，頭蓋緊固旋轉(zhuǎn)力矩的變化對于標定結(jié)果的影響比較微弱，但是在試驗過程中由于頭蓋緊固螺栓過松，后蓋可能會產(chǎn)生晃動，進而對頭骨與后蓋的連接部位造成一定的損害，因而在標定試驗進行之前要保證頭蓋緊固旋轉(zhuǎn)力矩達到18N·m的要求。

2.2 頭部Y軸偏角

頭部Y軸偏角，即頭部YZ平面與剛性平面的夾角(如圖6所示)，標準中允許誤差為±1°。由于在標定試驗時常常使用氣泡型水平儀測量頭部Y軸與剛性平面的水平度，這樣會產(chǎn)生較大的誤差，導致角度偏離允許范圍，因此選取-4°，0°，1°，2°和4°共5個值進行15次試驗，對兩側(cè)的角度偏轉(zhuǎn)影響進行探究。其中1°，2°和4°的允許誤差為(0，0.4°)，0°的允許誤差為(-0.4°，0.4°)，-4°的允許誤差為(-0.4°，0)。在本組試驗中選用的頭皮編號分別為110161，110180和110178。

圖6 頭部Y軸偏角的調(diào)節(jié)

圖7 合成加速度-頭部Y軸角度關(guān)系曲線

圖8 側(cè)向加速度-頭部Y軸角度關(guān)系曲線

試驗得到的Y軸角度合成加速度和側(cè)向加速度如圖7和圖8所示。由圖可見：隨著Y軸與剛性平面的角度增加，合成加速度峰值先增大后減小，而側(cè)向加速度峰值逐漸增大；在角度為0°和1°時，合成加速度峰值、側(cè)向加速度峰值和波形均符合標準要求；而角度增加到2°時，側(cè)向加速度的波形出現(xiàn)異常，由正常的振蕩狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛忻黠@波峰的微振蕩狀態(tài)；在-4°時，側(cè)向加速度的值超出范圍，達到了22g，波形變?yōu)閱畏宸钦袷帬顟B(tài)。

當Y軸角度在規(guī)定范圍內(nèi)時，前額與剛性平面發(fā)生碰撞。由于碰撞平面較小，在碰撞時刻頭部會出現(xiàn)晃動，因而Y軸的加速度會出現(xiàn)振蕩的狀態(tài)，數(shù)值較小。隨著Y軸與剛性平面角度的增大，碰撞平面會向顳骨偏移，加速度在Y軸上的分量也會增加，因而會出現(xiàn)Y軸加速度增大且波形呈單峰非振蕩的情況。由于側(cè)向加速度的增大，合成加速度也呈增大的趨勢。在角度超過2°時，側(cè)向加速度的數(shù)值雖然在增大，但是波形發(fā)生了變化，對合成加速度產(chǎn)生了相反的影響，造成了合成加速度的減小。通過試驗可知，即使Y軸角度偏差在標準所允許的±1°范圍內(nèi)時，頭部加速度峰值也會產(chǎn)生較大的波動。因而在標定過程中，須使用更加精確的電子水平儀來保證該角度盡可能接近0°。

2.3 試驗間隔

圖9 合成加速度連續(xù)測試結(jié)果

同一頭皮兩次標定試驗之間應(yīng)該保證至少3h的間隔，本次試驗將同一頭皮兩次碰撞的間隔時間縮短到了30min。使用編號為110169，110170和110171的頭皮進行9次試驗，試驗結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖10 側(cè)向加速度連續(xù)測試結(jié)果

上述結(jié)果表明，連續(xù)撞擊過程中加速度的變化只出現(xiàn)在數(shù)值上，波形保持不變。這主要是因為用于制作皮膚的聚乙烯基材料具有典型的黏彈特性[8]，在連續(xù)撞擊的過程中，撞擊部位的皮膚一直處于硬化的狀態(tài)，應(yīng)力來不及釋放，進而使緩沖能力下降，推高合成加速度和側(cè)向加速度。因而要保證同一頭皮的兩次標定有一定的時間間隔。

2.4 頭質(zhì)量差異

頭部跌落試驗中頭部的質(zhì)量標準差為4.54±0.05kg，由于頭皮質(zhì)量差異等原因可能造成在某些標定時頭部質(zhì)量比標準值輕，為了模擬極端輕質(zhì)工況，將頭骨兩側(cè)的配重塊取下來進行試驗。本組試驗采用的3個頭皮編號分別為110162，110163和110167。輕質(zhì)頭骨(去除配重塊，如圖11所示)安裝3個不同頭皮后，頭部總成質(zhì)量的均值為4 171.6g。重頭骨(含配重塊，如圖12所示)頭部總成質(zhì)量的均值為4 499.6g。試驗結(jié)果如圖13和圖14所示。

圖11 去除配重塊的頭部

圖12 未去除配重塊的頭部

圖13 不同頭部質(zhì)量的合成加速度

圖14 不同頭部質(zhì)量的側(cè)向加速度

由圖可見：頭部質(zhì)量減輕328g，合成加速度峰值上升1g～4g，而側(cè)向加速度峰值上升0～5g；加速度的波形未出現(xiàn)異常波動，單峰峰值偏差均在標準范圍之內(nèi)。

由文獻[4]中的研究可知，隨著頭部質(zhì)量的降低，合成加速度可能會呈現(xiàn)減小的規(guī)律，該結(jié)論與本文中試驗結(jié)果不符，但由于此次假人頭骨質(zhì)量僅降低了300g左右，降低幅度非常小，因此需要進行更進一步的分析來驗證該結(jié)論。由于質(zhì)量降低對于質(zhì)心在Y軸和X軸方向上的變化影響很小，因此頭部質(zhì)量的變化對于側(cè)向加速度影響較小。

2.5 剛性表面角度

頭部撞擊的剛性表面角度的允許誤差為±0.5°。由于地面和剛性表面的平整度等原因，該角度存在著誤差，為探究該角度對標定結(jié)果的影響，選用編號為110174，110175和110176的3個頭皮在剛性表面角度分別為0°，1°和4°時進行了9次試驗。其中1°和4°的允許誤差為(0，+0.2°)，0°的允許誤差為(-0.2°，+0.2°)。結(jié)果如圖15和圖16所示。

圖15 不同剛性表面角度的合成加速度

圖16 不同剛性表面角度的側(cè)向加速度

由圖15可以看出，隨著剛性平面角度的增大，合成加速度基本呈減小的趨勢。而圖16則展示出隨著剛性平面角度的增大側(cè)向加速度逐漸增大，且角度為4°時，側(cè)向加速度的波形異常，波峰明顯呈現(xiàn)輕微振蕩。

由于剛性平面發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)，頭部與其接觸面會向顳骨發(fā)生偏移，因而側(cè)向加速度會出現(xiàn)數(shù)值增大和波形變化的現(xiàn)象，而合成加速度的變化是碰撞表面變化和側(cè)向加速度兩者影響疊加的結(jié)果。從數(shù)據(jù)圖上可知，標定結(jié)果對該角度變化敏感，因而在標定試驗之前必須保證該角度在標準要求范圍內(nèi)。

2.6 滑石粉

隨機選取編號為110173，110177和110168的3個同質(zhì)頭皮進行使用滑石粉和未使用滑石粉的對比試驗。進行擦涂滑石粉的試驗時，將頭皮內(nèi)壁均勻涂抹滑石粉。試驗完畢后，用酒精將頭皮和頭骨上的滑石粉擦拭干凈，在試驗環(huán)境中放置至少4h，再進行未使用滑石粉的對比試驗，試驗結(jié)果如圖17和圖18所示。

圖17 滑石粉對合成加速度的影響

圖18 滑石粉對側(cè)向加速度的影響

由圖17可見，同一頭皮在頭皮與頭骨之間涂抹滑石粉時的合成加速度峰值比未涂抹滑石粉時小10g左右，合成加速度曲線基本沒有差異。圖18展示出相同頭皮涂抹滑石粉時的側(cè)向加速度比未涂抹滑石粉時增大1g左右，側(cè)向加速度曲線為正常的振蕩波形。

合成加速度在涂抹滑石粉之后減小是由于頭皮的受力方式發(fā)生變化，頭皮與頭骨之間的摩擦力減小，同時頭皮材料更易在頭骨表面發(fā)生變形和移動。同樣由于頭皮與頭骨之間更容易發(fā)生滑動，在Y軸方向上的震顫增強，最終導致側(cè)向加速度增加。因此在進行頭部皮膚的標定試驗時，盡量不要在頭皮與頭骨之間擦拭滑石粉。

3 結(jié)論

本文中針對頭蓋緊固旋轉(zhuǎn)力矩、頭部Y軸角度、碰撞間隔、頭部質(zhì)量差異、剛性平面角度和滑石粉6個因素分別對頭部標定結(jié)果的影響進行試驗。

根據(jù)試驗結(jié)果分析可得，頭蓋緊固旋轉(zhuǎn)力矩對頭部標定結(jié)果影響較小。碰撞間隔的縮短會造成合成加速度的升高，影響較大，在標定中需要保證標準中規(guī)定的間隔時間。在頭皮與頭骨之間涂抹滑石粉會使合成加速度峰值降低約4%，因而盡量不要在試驗中使用滑石粉。頭部Y軸角度和剛性平面角度兩個因素對標定結(jié)果的影響較大。因此，在標定過程中要采用更準確的測量儀器來準確調(diào)校上述兩個角度，使其更接近中間值。而隨著頭部質(zhì)量的降低，合成加速度會呈現(xiàn)增加的趨勢；但由于本文中假人頭骨質(zhì)量降低幅度較小，因此需要進行更進一步的分析來驗證該結(jié)論。

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An Investigation into the Influence Factors of the Head DropTest for the 50th Percentile Hybrid III Dummy

Cao Libo1, Zhang Kai1, Lü Xin1, Yan Lingbo1& Sheng Wen2

1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082;2.HunanSAFAutomobileTechnologyCo.,Ltd.,Changsha410082

The results of dummy head calibration test have a significant effect on ensuring the credibility of dummy’s head response in collision test. Control variate method is used to study the effects of the fastening torque of skull cap, the Y-axis angle of head, the mass of head, the angle of rigid surface and the use of talcum powder on calibration results. The results show that the fastening torque of skull cap has only a minor effect on test results. With the reduction of head mass, the resultant acceleration tends to increase. Putting talcum powder on between skull and head skin leads to a 5% reduction of the peak resultant acceleration. The results of calibration test are more sensitive to the Y-axis angle of head and the angle of rigid surface. Therefore, it is essential to adopt more accurate instrument to ensure the values of these two angles close to their normal ones.

dummy head; calibration test; influence factors

*國家自然科學基金(11172099)和湖南大學汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室開放基金(31575005)資助。

原稿收到日期為2014年9月23日，修改稿收到日期為2014年12月23日。