段丙旭　張長江　張斌　仲衍慧　徐剛

摘 要：本文對THOR與Hybrid III假人胸部響應(yīng)特性進行分析，基于THOR假人胸部標(biāo)定程序，對比THOR與Hybrid III假人在相同擺錘速度工況下的胸部響應(yīng)，表明THOR假人的胸部IR-TRACC傳感器較Hybrid III假人胸部傳感器響應(yīng)更靈敏和更迅速，且THOR假人的胸部IR-TRACC傳感器受力的作用位置的影響更加明顯。選取某SUV車型進行THOR與Hybrid III假人的滑臺比對試驗，THOR假人胸部位移量要大于Hybrid III假人，且THOR假人胸部位移響應(yīng)時刻早于Hybrid III假人，表明THOR假人胸部IRTRACC傳感器較Hybrid III假人胸部響應(yīng)更靈敏更迅速。

關(guān)鍵詞：THOR假人;Hybrid III假人;胸部響應(yīng);IR-TRACC傳感器

1 前言

新一代假人THOR除具有與真人一樣的外形外，內(nèi)部還設(shè)計了復(fù)雜的脊柱、肋骨和先進的合成肌肉。最重要的是，其全身布滿了各種各樣的傳感器，用于測試各部位的碰撞響應(yīng)數(shù)據(jù)。THOR假人在結(jié)構(gòu)上發(fā)生重大變化，能定量地、精確地測試出人體某部位所受沖擊載荷的大小，從而更能準(zhǔn)確表征交通事故中乘員傷害情況[1-4]，為汽車碰撞試驗研究提供了更科學(xué)的依據(jù)。Euro NCAP 將于2020年推出的MPDB測試項目中將THOR假人的傷害指標(biāo)納入乘員保護評價體系，U.S.NCAP也規(guī)劃了完全重疊正碰和OMDB測試項目將THOR假人的傷害指標(biāo)納入乘員保護評價體系，可見THOR假人損傷指標(biāo)將逐步成為各國新車評價規(guī)程中評價汽車碰撞安全性的重要指標(biāo)，其應(yīng)用范圍將逐步擴大。

THOR假人性能較Hybrid III假人有大幅度提升，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，生物仿真度更高。THOR假人脊柱與Hybrid III假人剛性脊柱相比有一段橡膠結(jié)構(gòu)，更符合真實的人體結(jié)構(gòu)，胸部肋骨并非類似于Hybrid III假人垂直于脊柱的結(jié)構(gòu)而是胸部肋骨垂直向下，與真實的人體結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，并且胸部有4個3D IR-TRACC（InfraRed Telescoping Rod for Assessment of Chest Compression）傳感器，分別位于THOR假人左上胸部、右上胸部、左下胸部、右下胸部位置，用于測量假人各個部位肋骨的變形量，而Hybrid III假人在胸部僅有一根位移傳感器，在碰撞試驗中僅能測量胸部單一位置的壓縮量。設(shè)計THOR假人的胸腔（胸部肋骨）目的在于模仿人體特征，相較于Hybrid III型假人，THOR假人不僅在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面具有較大改進，而且在動態(tài)測試條件下生物保真性也有了極大的改進。

關(guān)于碰撞假人的胸部響應(yīng)特性，國內(nèi)外很多學(xué)者進行了相關(guān)研究，NHTSA（National Highway Traffic Safety Administration）的Stephen A. Ridella等通過有限元仿真方法分析THOR假人與Hybrid III假人在翻滾工況下的響應(yīng)變化[5-7]。IIHS（The Insurance Institute for Highway Safety）的Mueller Becky C通過試驗的方法研究了在小偏置重疊試驗中Hybrid III與THOR兩個碰撞假人的乘員傷害風(fēng)險[8]。卓鵬通過試驗和仿真手段研究了安全帶與氣囊的參數(shù)設(shè)計對Hybrid III假人胸部變形量的影響[9]。商恩義等研究座椅坐墊后端剛度對正面偏置碰撞試驗中Hybrid III假人假人胸部性能的影響[10]，彭路等通過仿真分析方法研究了整車約束系統(tǒng)及安全帶的佩戴位置對Hybrid III假人胸部壓縮量的影響[11]。針對THOR假人的胸部響應(yīng)特性研究較少，本文主要研究碰撞試驗中THOR與Hybrid III假人因結(jié)構(gòu)差異引起的假人胸部響應(yīng)特性差異，對兩種假人胸部響應(yīng)特性進行對比分析。

2 THOR假人胸部位移計算

THOR假人胸部裝有4個3D IR-TRACC傳感器，每一個3D IR-TRACC傳感器具備1個線性伸縮量測量部分，和2個旋轉(zhuǎn)電位器測量Y和Z方向的角度。4個胸部3D IR-TRACC傳感器具有相似的設(shè)計，左右位置和上下位置是鏡像結(jié)構(gòu)，如圖1所示。設(shè)計成鏡像的原因是假人胸腹腔的空間有限，并確保3D IR-TRACC傳感器有足夠的運動范圍并且避免機械接觸。

以THOR假人左側(cè)上胸部（簡稱“左上”）3D IR-TRACC計算算法說明，在計算算法中，左上IR-TRACC的坐標(biāo)系如圖2和圖3所示。下標(biāo)“s”表示脊柱坐標(biāo)系（稱為坐標(biāo)系S），Zs平行于脊椎長軸。下標(biāo)“t”代表IR-TRACC坐標(biāo)系（稱為坐標(biāo)系T），其中Zt與Zs電位計軸對齊。下面列出了圖2和圖3中的符號：Os，Xs，Ys，Zs 為 脊柱坐標(biāo)系;Ot，Xt，Yt，Zt 為IR-TRACC坐標(biāo)系。

在3D IR-TRACC偏轉(zhuǎn)計算中，需要傳感器的兩個樞軸點之間的絕對距離OtA和脊柱坐標(biāo)系的絕對旋轉(zhuǎn)角度θy和θz。但是，IR-TRACC和兩個旋轉(zhuǎn)電位器只能提供差分測量（相對位置變化）。為了計算絕對距離OtA和絕對旋轉(zhuǎn)θy和θz，設(shè)計零位置夾具來記錄三個傳感器讀數(shù)的輸出，零位置定義為“T”坐標(biāo)系與“S”坐標(biāo)系平行。

零位置夾具中的絕對距離OtA是D0，表示當(dāng)IR-TRACC安裝在ATD中而沒有施加任何負載時的距離，對于Humanetics的校準(zhǔn)夾具，D0為141.9mm。IR-TRACC安裝在零位夾具上，記錄其輸出電壓，并可以進行線性化運算轉(zhuǎn)換為工程單位R0。R是在工程單位下，任一給定的IR-TRACC位置（線性伸縮部分的輸出值，然后通過乘以靈敏度轉(zhuǎn)換為工程單位）。在任何給定點的OtA值可以通過r=D0+（R-R0）來計算。同時，記錄零位夾具中的電位計輸出，通過給定位置的輸出中減去零位置輸出來計算任何給定位置處的絕對旋轉(zhuǎn)。

要計算IR-TRACC的兩個樞軸點的絕對旋轉(zhuǎn)和長度，計算方法如下：

要計算IR-TRACC的兩個樞軸點的絕對旋轉(zhuǎn)和長度，計算方法如下：

3 THOR與Hybrid Ⅲ假人胸部標(biāo)定響應(yīng)

3.1 THOR假人胸部標(biāo)定

THOR假人上胸部標(biāo)定為一頓性沖擊假人上肋骨IR-TRACC傳感器中心位置，擺錘質(zhì)量為23.36kg，擺錘直徑為152.4mm，擺錘撞擊速度為4.3m/s，性能指標(biāo)包括通過位于THOR假人胸部的3D IR-TRACC傳感器測量上胸部在脊柱局部坐標(biāo)系下的合成位移量，通過位于擺錘中間位置的加速度傳感器測量假人作用于擺錘的反作用力，如圖4所示。

首先移除假人外套，檢查假人肋骨、外套是否破損，將假人放置在溫度為21℃濕度為35%的環(huán)境中至少4小時，將下胸部脊柱的關(guān)節(jié)調(diào)整為“慵懶”位置，將頸部傾角調(diào)整為“自然”角度，將手臂和肩部關(guān)節(jié)調(diào)整到1G-2G狀態(tài)。其次將THOR假人放置在水平面（±0.5°）上，四肢水平向前平行于假人中垂面，將假人手臂用夾具支撐，調(diào)整假人骨盆角度使傾角傳感器X軸方向上0±0.5°，Y軸方向上15±1°，調(diào)整THOR假人胸部使位于T6位置的傾角傳感器X軸方向上0±0.5°，Y軸方向上-4±1°。調(diào)整標(biāo)定臺高度使擺錘中心與上胸部兩IR-TRACC中心對齊。最后，給THOR假人穿上外套并拉緊拉鏈，同時調(diào)整肩部使肩部緩沖墊邊緣與THOR假人肩部標(biāo)記位置對齊。升高擺錘至速度為4.3m/s高度，連接各個通道需要采集的數(shù)據(jù)線，設(shè)置好數(shù)采，釋放擺錘。

3.2 Hybrid III假人胸部標(biāo)定

Hybrid III與THOR假人胸部標(biāo)定擺錘一致，但是擺錘速度要求不一致，THOR假人要求擺錘速度為4.30m/s，Hybrid III假人要求擺錘速度為6.71m/s，過高的速度代表更大的能量輸入，使用6.71m/s速度標(biāo)定THOR假人可能損壞假人，同時為了使對比試驗與實車碰撞試驗工況相近，標(biāo)定比對試驗中對假人胸部進行速度為4.3m/s擺錘撞擊試驗，使用試驗擺錘定位假人胸部，調(diào)整平臺的高低確保撞擊瞬間，試驗擺錘的縱向中心線與Hybrid III假人中心O點的垂直線重合，如圖5所示。

3.3 假人胸部標(biāo)定響應(yīng)

分別對THOR和Hybrid III假人胸部進行速度為4.3m/s擺錘沖擊試驗，對THOR假人胸部撞擊位置為上肋骨IR-TRACC傳感器中心位置，對Hybrid III假人胸部撞擊位置為中心標(biāo)準(zhǔn)位置，分別采集THOR和Hybrid III假人胸部位移傳感器變化響應(yīng)，采樣時間為110ms，采樣頻率為10000Hz，采集到THOR假人胸部IR-TRACC傳感器數(shù)據(jù)，運用公式（14）計算THOR假人的胸部x向的位移變化結(jié)果如圖5所示。

由圖6結(jié)果可得，在相同的擺錘沖擊速度下，THOR假人胸部IR-TRACC傳感器的左上、右上、左下、右下x向的位移分別為46.4mm、46.0mm、25.1mm和24.9mm，對應(yīng)的響應(yīng)時刻分別為23.2ms、23.3ms、34.0ms、35.4ms，可以看出THOR假人左上胸部和右上胸部x向位移基本一致，左下胸部和右下胸部x向位移基本相同，這是由于THOR假人的左胸部和右胸部IR-TRACC傳感器為鏡像結(jié)構(gòu)，且擺錘沖擊THOR假人上胸部肋骨中心位置，從而導(dǎo)致THOR假人上胸部位移量大于下胸部位移，且上胸部位移量的峰值時刻早于下胸部位移量的峰值時刻，說明上胸部的IR-TRACC傳感器響應(yīng)更迅速，表明THOR假人的胸部IR-TRACC傳感器對力的作用位置更靈敏。在相同擺錘相同速度沖擊力作用下，Hybrid III假人胸部位移為38.7mm，對應(yīng)的響應(yīng)時刻為23.9ms，THOR假人上胸部IR-TRACC傳感器位移量大于Hybrid III假人胸部位移傳感器位移量，說明THOR假人的IR-TRACC傳感器較Hybrid III假人胸部位移傳感器更靈敏。

4 基于臺車試驗的假人胸部響應(yīng)

4.1 試驗評價方法

對比THOR與Hybrid III假人在臺車試驗工況下的響應(yīng)，首先明確對比試驗評價方法，本課題使用NCAP試驗中THOR與Hybrid III假人胸部傷害高低限值歸一化后的數(shù)據(jù)進行比較[12，13]，THOR與Hybrid III假人胸部傷害高低限值如表1所示。

歸一化采用線性差值計算，最終對比兩個假人在相同試驗工況下的失分率，線性差值按照公式（17）計算。

假人的失分率反映假人的損傷風(fēng)險，對于THOR假人，胸部傷害低性能限值為60mm，高性能限值為35mm;對于Hybrid III假人，胸部傷害低性能限值為42mm，高性能限值為22mm。

4.2 臺車試驗矩陣

THOR與Hybrid III假人滑臺對比試驗選用某SUV車型，該車型配置完全相同，進行兩次背對背對比試驗，如圖7所示。該車型均配置有主副駕氣囊，預(yù)緊安全帶，試驗矩陣如表2所示。

4.3 假人定位

前排座椅調(diào)整應(yīng)使其位于行程的中間位置并確認(rèn)座椅滑軌系統(tǒng)已處于完全鎖止，座椅高度調(diào)整至最低位置，座椅靠背應(yīng)調(diào)節(jié)到使HPM裝置軀干傾角調(diào)節(jié)到從鉛垂面向后傾斜 25°角的位置，頭枕高度調(diào)整至最高位置。轉(zhuǎn)向盤調(diào)整對于水平方向可調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)向盤，應(yīng)調(diào)節(jié)到可調(diào)范圍的中間位置。對于垂直方向可調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)向盤，應(yīng)調(diào)節(jié)到可調(diào)范圍的中間位置，轉(zhuǎn)向盤應(yīng)處于自由狀態(tài)。安全帶固定點調(diào)整至中間位置。

為使對比試驗更加嚴(yán)謹(jǐn)，在假人定位的過程中，優(yōu)先保證THOR與Hybrid III假人的H點對齊，然后調(diào)整THOR與Hybrid III假人的頭頂角，使頭頂角在0±1°范圍內(nèi)。圖8為THOR與Hybrid III假人在臺車上的測點數(shù)據(jù)，包括頭部質(zhì)心、肩部旋轉(zhuǎn)中心、假人H點、膝蓋旋轉(zhuǎn)中心、足跟點。從圖8中可以看出，THOR假人頭部質(zhì)心相對于Hybrid III假人更偏上、偏后，這是因為THOR假人頸部較Hybrid III假人更長，THOR假人頸部與軀干的夾角較Hybrid III假人更大。THOR假人的膝蓋旋轉(zhuǎn)中心較Hybrid III假人膝蓋旋轉(zhuǎn)中心更靠近車輛的內(nèi)飾，這是因為THOR假人大腿長度較Hybrid III假人長，在碰撞過程中，THOR假人大腿要比Hybrid III假人大腿更先接近內(nèi)飾，故在設(shè)計膝部氣囊時，應(yīng)考慮THOR假人與Hybrid III假人大腿結(jié)構(gòu)差異。

4.4 假人胸部響應(yīng)

分別將THOR和Hybrid III假人位于某SUV車型的主駕和副駕位置進行滑臺碰撞試驗，兩次滑臺試驗加速度波形分別如圖9所示。由圖9可得，兩次SUV車型的滑臺加速度波形一致性較好，兩個波形的峰值分別為41.0g和41.3g，相對誤差為0.7%，誤差非常小，可認(rèn)為兩次同一車型滑臺試驗條件相同，假人傷害也是在同一試驗條件下獲得，外界因素影響較小，可對比性強。

分別采集兩次滑臺試驗的主駕和副駕假人安全帶肩帶力傳感器數(shù)據(jù)，采樣時間為0到200mms，采樣頻率為10000Hz，肩帶力變化曲線如圖10所示，由圖可得兩次滑臺試驗主駕和副駕位置肩帶力曲線變化趨勢基本一致，其峰值力分別為5.31kN，5.67KkN，5.31kN和5.67kN，峰值力相差不大，可以認(rèn)為兩次滑臺試驗的安全帶作用效果一致。

將采集的THOR假人胸部IR-TRACC傳感器數(shù)據(jù)，運用公式（14）、（15）、（16）計算出THOR假人的胸部x向以及x、y、z三向合成的位移變化量，并于同位置Hybrid III假人胸部位移變化曲線進行對比，如圖11、12、13、14所示，其對應(yīng)位移量的變化值見表3。

由圖可得，THOR假人胸部四個IR-TRACC傳感器的位移變化曲線差異較大，這是由于THOR假人IR-TRACC傳感器受安全帶不均勻力作用的結(jié)果。同為主駕位置時，THOR假人右上胸部x向位移量為50.2mm，響應(yīng)時刻為67.4ms，大于Hybrid III假人胸部位移量33.5mm，Hybrid III假人胸部響應(yīng)時刻為82ms，且THOR假人右胸部位移響應(yīng)時刻早于Hybrid III假人胸部。同為副駕位置時，THOR假人左上胸部x向位移量為38.1mm，響應(yīng)時刻為72.4ms，大于Hybrid III假人胸部位移量27.2mm，Hybrid III假人胸部響應(yīng)時刻為78.4ms，且THOR假人左胸部位移響應(yīng)時刻早于Hybrid III假人胸部，在同樣安全帶配置情況下，THOR假人胸部位移變化量要大于Hybrid III假人胸部位移變化量，表明THOR假人胸部IR-TRACC傳感器較Hybrid III假人胸部位移響應(yīng)更靈敏更迅速。當(dāng)THOR假人位于主駕位置時，右側(cè)胸部位移變化量均大于左側(cè)胸部位移變化量，當(dāng)THOR假人位于副駕位置時，左側(cè)胸部位移變化量均大于右側(cè)胸部位移變化量，說明主駕位置安全帶作用力偏向于THOR右胸部IR-TRACC傳感器，副駕位置安全帶作用力偏向于THOR左胸部IR-TRACC傳感器，表明THOR假人的胸部IR-TRACC傳感器受力的作用位置的影響更加明顯。且THOR主駕假人的最大胸部位移量大于副駕假人，而Hybrid III假人位于主副駕位置兩次胸部位移變化相差較小，表明THOR假人的胸部IR-TRACC傳感器對力的作用位置響應(yīng)更加靈敏（表3）。

根據(jù)兩次滑臺試驗中THOR和Hybrid III假人胸部位移變化量運用公式（17）計算假人的胸部失分率，如圖15所示。由圖可得，THOR假人的胸部最大失分是在駕駛員位置，Hybrid III假人最大失分也是在駕駛員位置，表明駕駛員位置受損傷風(fēng)險要高于乘員位置;對于SUV車型的駕駛員和乘員位置THOR假人的失分率要大于Hybrid III假人，相同工況下，THOR假人胸位移量較Hybrid III假人大，這要求在從車輛的設(shè)計過程中要充分考慮約束系統(tǒng)尤其是安全帶對假人胸壓的影響，在安全帶限力等級與駕駛員身體約束之間找到最優(yōu)點。

5 結(jié)論

本文對THOR與HybridIII假人胸部響應(yīng)特性進行分析，首先介紹了THOR假人胸部IR-TRACC傳感器的計算方法，基于THOR假人胸部標(biāo)定程序，對比THOR與Hybrid III假人在相同擺錘速度工況下的胸部響應(yīng)，選取某SUV車型進行THOR與Hybrid III假人的滑臺比對試驗，得到假人的胸部胸部響應(yīng)，得出以下結(jié)論。

（1）基于THOR假人胸部標(biāo)定程序，對比THOR與Hybrid III假人在相同擺錘相同速度工況下的胸部響應(yīng)特性，表明THOR假人的胸部IR-TRACC傳感器較Hybrid III假人胸部傳感器響應(yīng)更靈敏和更迅速，且THOR假人的胸部IR-TRACC傳感器受力的作用位置的影響更加明顯。

（2）選取某SUV車型進行THOR與Hybrid III假人的比對試驗，在同樣安全帶配置情況下，THOR假人胸部位移變化量要大于Hybrid III假人胸部位移變化量，且THOR假人胸部位移響應(yīng)時刻早于Hybrid III假人胸部，表明THOR假人胸部IR-TRACC傳感器較Hybrid III假人胸部位移響應(yīng)更靈敏更迅速。當(dāng)THOR假人分別位于主駕和副駕位置時，THOR假人左側(cè)和右側(cè)胸部位移變化量相差較大，表明THOR假人的胸部IR-TRACC傳感器對力的作用位置響應(yīng)更加靈敏。

（3）根據(jù)兩次滑臺試驗的假人的胸部位移量采用歸一化分析方法進行失分率分析，結(jié)果表明相同碰撞工況下THOR假人的失分率要大于Hybrid III假人，THOR假人的胸部損傷風(fēng)險更大，對于THOR和Hybrid III假人，主駕位置的失分率要大于副駕位置。

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