劉玉云+岳鵬+鄭顥+歐陽俊+盧靜

摘 要：基于新的側(cè)面碰撞假人WorldSID與ES-2假人結(jié)構(gòu)上的不同，為進(jìn)一步研究兩種假人在性能上的差異，采用靜態(tài)沖擊的方法對(duì)兩種假人的肩部、胸部、腹部及盆骨的響應(yīng)特性進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，WorldSID假人整體上的剛度比ES-2假人的剛度低。主要體現(xiàn)在當(dāng)假人在y向承受相同的沖擊時(shí)，WorldSID假人受力更低，加速度更低，肋骨位移更大。在承受45°斜角沖擊時(shí)，WorldSID假人的胸部肋骨與ES-2假人胸部肋骨表現(xiàn)出明顯不同的特性，該工況下WorldSID假人肋骨位移比ES-2假人的肋骨位移小。

關(guān)鍵詞：側(cè)面碰撞；WorldSID；ES-2；靜態(tài)沖擊

中圖分類號(hào)：U461.91 文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.12

Abstract：Based on the structure differences between a new side impact dummy of WorldSID and ES-2， in order to further study the difference in performance between WorldSID and ES-2，the responses of the shoulder， thorax， abdomen and pelvis to static impact loading were compared for both dummies. The results show that the stiffness of the WorldSID dummy is lower than that of ES-2. Under the y-directional impact， the WorldSID exhibited lower force， lower acceleration and larger rib deflection. Under the 45° oblique impact， the rib deflection of the WorldSID dummy is lower than that of the ES-2 dummy.

Keywords：side impact； WorldSID； ES-2； static impact

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球發(fā)生的汽車事故中，側(cè)面碰撞約占30%，在全部的致人死亡或重傷的事故中，側(cè)碰約占35%。根據(jù)美國高速公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)（IIHS）統(tǒng)計(jì)，2012年美國發(fā)生致人死亡或重傷的交通事故中，側(cè)面碰撞占比約為26%。歐洲的道路安全統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在歐洲發(fā)生的致人死亡或重傷的交通事故中，側(cè)面碰撞占比約為25%[1]。

正是由于側(cè)面碰撞的高發(fā)生率和高致死率，對(duì)側(cè)面碰撞中的乘員保護(hù)進(jìn)行研究就顯得極為重要[2-3]。近年來，各國對(duì)汽車安全的重視程度越來越高，為了保證汽車的安全性能，制定了一系列的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，為了進(jìn)一步鼓勵(lì)汽車廠商研發(fā)更加安全可靠的汽車，最先由美國制定的新車評(píng)價(jià)體系（NCAP），對(duì)汽車安全提出了更高的要求。這一評(píng)價(jià)體系相繼在全球各個(gè)國家和地區(qū)得到推廣。我國也建立了自己的新車評(píng)價(jià)體系（C-NCAP），為我國汽車安全性能的提高起到了重要作用。

然而，盡管各個(gè)國家和地區(qū)建立了一系列嚴(yán)苛的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以保證車輛在發(fā)生事故時(shí)為乘員提供可靠的保護(hù)，但在這些嚴(yán)苛的檢驗(yàn)中，被廣泛用于側(cè)面碰撞的ES-2試驗(yàn)假人卻只有較低的生物仿真度。因此，迫切需要研發(fā)一種新的具有較高生物仿真度的假人，取代現(xiàn)有的試驗(yàn)假人，以提高測(cè)試工作的有效性，進(jìn)一步提高汽車的安全性能[4]。正是基于這種背景，在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的倡導(dǎo)下，研發(fā)出了新的側(cè)面碰撞假人WorldSID。相比于ES-2假人，WorldSID假人具有較高的生物仿真度，同時(shí)假人結(jié)構(gòu)也更接近真實(shí)的人體。

當(dāng)前WorldSID假人已投放市場(chǎng)，各類檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)也開始對(duì)新的側(cè)碰WorldSID假人進(jìn)行評(píng)估，各大汽車研發(fā)機(jī)構(gòu)也迫切需要了解WorldSID假人與ES-2假人的差異，以及可能對(duì)新的汽車安全研發(fā)帶來的影響。因此，研究WorldSID假人與ES-2假人的差異以及它們?cè)趥?cè)面碰撞下的響應(yīng)，對(duì)于汽車安全性能的開發(fā)具有重要意義。國內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了相關(guān)的分析研究，比如同濟(jì)大學(xué)的李麗、朱西產(chǎn)等根據(jù)WorldSID假人的文獻(xiàn)資料，基于多剛體模型進(jìn)行了對(duì)比研究，分析了WorldSID假人與ES-2假人在物理構(gòu)造上的差異，并總結(jié)了這些差異可能帶來的影響[4]。中國汽車技術(shù)研究中心的劉磊等從假人的生物特性及損傷測(cè)量等試驗(yàn)評(píng)價(jià)的角度進(jìn)行了對(duì)比分析[5]。在國外，Iwata等對(duì)比分析了WorldSID假人和ES-2假人在側(cè)面柱碰撞試驗(yàn)中的響應(yīng)差異[6]。Kim等從生物仿真度的角度對(duì)WorldSID假人和ES-2假人進(jìn)行了深入的對(duì)比[7]。

雖然已有不少學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，但是對(duì)兩種假人各部位的損傷響應(yīng)差異的研究還比較少。由于WorldSID假人比ES-2假人具有更高的生物仿真度，WorldSID假人的損傷更接近真實(shí)的人體損傷情況，因此，研究兩種假人在受到?jīng)_擊時(shí)的響應(yīng)差異，對(duì)于研究更有效的側(cè)面碰撞約束系統(tǒng)有著重要的意義。

本文從關(guān)注損傷響應(yīng)的角度，基于WorldSID假人和ES-2假人有限元模型，采用靜態(tài)沖擊的方法，研究兩種假人在相同碰撞條件下的損傷響應(yīng)差異，為側(cè)面碰撞的保護(hù)提供參考。

1 假人結(jié)構(gòu)的對(duì)比

為了分析WorldSID假人與ES-2假人的側(cè)面碰撞響應(yīng)，首先需要了解兩種假人物理結(jié)構(gòu)上的差異。從圖 1可以看出兩種假人在外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)上存在明顯差異，WorldSID假人的肩部、胸部、腹部都采用不同的設(shè)計(jì)[6]。由表 1可知，WorldSID假人胸部、腹部及盆骨的尺寸比ES-2假人略大[4，6]。

2 分析方案

作為基礎(chǔ)對(duì)比研究，分析兩種假人在承受相同側(cè)面沖擊時(shí)的響應(yīng)，不考慮假人與車輛側(cè)面沖擊時(shí)相互作用的影響。利用整車或滑臺(tái)測(cè)試對(duì)假人進(jìn)行整體分析無法排除車身側(cè)面結(jié)構(gòu)或滑臺(tái)接觸面差異對(duì)假人的影響，也無法排除假人其它部位對(duì)分析部位的影響，所以選擇對(duì)假人的單個(gè)部位進(jìn)行對(duì)比，包括假人肩部、胸部、腹部、及盆骨的響應(yīng)。

基于上述分析目的，采用標(biāo)準(zhǔn)的沖擊標(biāo)定方法是可行的對(duì)比方法。標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)定方法是使用23.4 kg的標(biāo)準(zhǔn)擺錘以標(biāo)準(zhǔn)的速度沖擊假人的分析部位，分析該部位的響應(yīng)。

WorldSID假人的脊柱不能獨(dú)立支撐軀干[8]，為了更真實(shí)地模擬實(shí)際情況，保證環(huán)境參數(shù)的一致性，在仿真中，兩種假人都被擺放在WorldSID的標(biāo)準(zhǔn)座椅上，如圖 2所示。

參考WroldSID假人的標(biāo)定速度，選擇3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s的速度作為分析速度，根據(jù)整車試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，3～6 m/s的速度區(qū)間能適應(yīng)大部分整車試驗(yàn)中車身側(cè)面的侵入速度。

在胸部肋骨位移響應(yīng)分析中，考慮到在實(shí)際應(yīng)用中，氣囊展開時(shí)會(huì)將手臂移開，因此分析中沒有考慮手臂對(duì)假人胸部的影響。為了模擬整車中氣囊從左后方向作用于假人的效果，增加左后45°斜角的沖擊對(duì)比。分析見表 2。

3 結(jié)果分析

3.1 肩部受力

在假人肩部受力分析中，手臂受到?jīng)_擊時(shí)會(huì)擠壓假人胸部的第一根肋骨，對(duì)胸部第一根肋骨的影響很關(guān)鍵，因此，在肩部受力分析時(shí)，選擇肩部受力及胸部上肋骨的位移量Du作對(duì)比，分析兩種假人的差異。

假人在不同速度沖擊下的左肩y向受力Fy如圖3所示。結(jié)果顯示，在相同的沖擊速度下，WorldSID假人的肩部受力低于ES-2假人的肩部受力，沖擊速度越高差別越明顯。造成這種結(jié)果的原因可能是由于WorldSID假人的胸部剛度比ES-2假人低。

由圖 4可知，WorldSID假人肩部在不同速度的沖擊下x向基本不受力，但ES-2假人肩部的x向受力Fx隨沖擊速度的增加而明顯增加。造成這種差異的原因在于兩種假人具有不同的肩部結(jié)構(gòu)。如圖 5和圖 6所示[8-9]，WorldSID假人的肩部結(jié)構(gòu)前后對(duì)稱，在受到y(tǒng)向沖擊時(shí)，容易保持穩(wěn)定，ES-2假人弧形的肩部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致假人在受到y(tǒng)向沖擊時(shí)不穩(wěn)定，容易向假人前方滑動(dòng)，導(dǎo)致肩部x向受力增加。

圖 7是假人胸部上肋骨位移圖，從圖中可以看出WorldSID假人的上肋骨位移Du要明顯高于ES-2假人的上肋骨位移。結(jié)合肩部受力分析，造成這一結(jié)果的原因可能是WorldSID假人的肩部較ES-2手臂軟，在受到相同的沖擊時(shí)，肩部的變形較大，手臂對(duì)下端肋骨的擠壓增加。同時(shí)，ES-2假人的肩部在受到y(tǒng)向沖擊時(shí)，肩部有向前移動(dòng)的趨勢(shì)，帶動(dòng)手臂向前運(yùn)動(dòng)， 導(dǎo)致手臂對(duì)肋骨的擠壓減小。

3.2 胸部位移

對(duì)兩種假人的胸部肋骨進(jìn)行靜態(tài)沖擊，上、中、下肋骨位移Du、Dm、Dl如圖 8、圖 9和圖 10所示。

仿真結(jié)果表明，在相同的沖擊下，WorldSID假人的肋骨位移整體都高于ES-2假人的肋骨位移，速度越高差別越明顯。造成這一區(qū)別的原因可能是WorldSID假人的胸部肋骨結(jié)構(gòu)剛度較ES-2假人的胸部肋骨結(jié)構(gòu)剛度低。

3.3 胸部肋骨的補(bǔ)充分析

為了對(duì)比兩種假人胸部肋骨在斜角沖擊下的表現(xiàn)，增加左斜后方45°角的沖擊分析，如圖 11所示。

由于篇幅有限，只列出第二肋骨（中肋骨）不同速度下的位移變化，如圖 12所示。由圖可知，ES-2假人的肋骨位移明顯高于WorldSID假人的胸部位移，且WorldSID假人的肋骨位移保持在較低水平。造成這種差異的原因在于兩者不同的胸部肋骨結(jié)構(gòu)（圖 1），ES-2假人在受到?jīng)_擊時(shí)肋骨形狀不變，但WorldSID假人的環(huán)形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致在受到斜向沖擊時(shí)，肋骨環(huán)形結(jié)構(gòu)被壓成橢圓且容易繞脊柱轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，WorldSID假人的肋骨位移低于ES-2假人，且明顯低于y向沖擊的肋骨位移（圖 9、圖 12）。

3.4 腹部受力

對(duì)兩種假人的腹部進(jìn)行靜態(tài)沖擊，由于兩種假人胸部的評(píng)價(jià)指標(biāo)不同，在對(duì)比分析中，為保證兩者的一致性，提取兩種假人都有且位置相近的力Fl和加速度al作對(duì)比。分別選取兩者的腰椎力， WorldSID T12的加速度，ES-2脊柱下端的加速度。仿真結(jié)果如圖 13和圖 14所示。

圖 13中，ES-2假人的加速度上升斜率較World-SID假人的大，說明WorldSID假人腹部區(qū)域的剛度較ES-2假人的腹部剛度低。圖 14中，假人的腰椎力在低速?zèng)_擊時(shí)，WorldSID假人的y向剪切力大于ES-2假人。這種現(xiàn)象可能是由兩種假人的腹部結(jié)構(gòu)差異造成，WorldSID假人上軀干相對(duì)盆骨運(yùn)動(dòng)更靈活。

如圖 15所示，側(cè)面沖擊腹部時(shí)，WorldSID假人的盆骨基本不在沖擊范圍內(nèi)，沖擊假人腹部，腹部與盆骨的相對(duì)運(yùn)動(dòng)劇烈，腰椎受力較大。但ES-2假人的盆骨一部分位于腹部沖擊區(qū)域內(nèi)，造成在腹部沖擊時(shí)，ES-2假人的盆骨伴隨腹部整體移動(dòng)，假人的上軀干與盆骨的y向相對(duì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度減弱，受力較低。這一點(diǎn)從腹部沖擊分析中，兩種假人的盆骨加速度ap變化可以得到驗(yàn)證，如圖 16所示。在腹部沖擊分析中，WorldSID假人盆骨加速度要明顯低于ES-2假人的盆骨加速度。

3.5 盆骨受力

分別對(duì)兩種假人的盆骨進(jìn)行靜態(tài)沖擊，仿真結(jié)果如圖 17和圖 18所示。在相同速度沖擊下，WorldSID假人恥骨力Fi及盆骨加速度ap均低于ES-2假人。這表明在側(cè)面沖擊下，WorldSID假人表現(xiàn)出的盆骨整體剛度低于ES-2假人， WorldSID假人的損傷也會(huì)低于ES-2假人。

4 結(jié)論

采用靜態(tài)沖擊的方法，對(duì)WorldSID與ES-2兩種側(cè)面碰撞假人的特性進(jìn)行了對(duì)比分析，通過對(duì)比假人的肩部、胸部、腹部及盆骨的受力、位移及加速度變化，得出以下結(jié)論。

（1）WorldSID假人整體剛度較ES-2假人的剛度低，具體表現(xiàn)在承受相同沖擊時(shí)，受力降低，變形增加。

（2）相比ES-2假人，WorldSID假人的肩部在受到側(cè)面沖擊時(shí)，更容易保持穩(wěn)定，但也更容易對(duì)上肋骨造成擠壓。

（3）WorldSID假人與ES-2假人在承受45°斜角沖擊時(shí)表現(xiàn)出明顯不同的特性，WorldSID假人肋骨容易發(fā)生偏轉(zhuǎn)，肋骨位移有明顯的降低。

參考文獻(xiàn)（References）：

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