商恩義，李月明，習(xí)波波，崔新康，張 毅

（浙江省汽車安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336，中國(guó)）

在歐洲新車評(píng)價(jià)規(guī)程（European New Car Assessment Program，Euro NCAP，E-NCAP）（2013 年 版）[1]中，將氣囊不穩(wěn)定接觸規(guī)定為修正項(xiàng)，并指出基于頭部加速度變化進(jìn)行判斷[2]：在假人頭部加速度曲線回歸過程中出現(xiàn)峰尖時(shí)，如果懷疑觸底造成，則在認(rèn)為觸底峰尖開始和結(jié)束之間插補(bǔ)光滑曲線，并測(cè)量出峰值持續(xù)時(shí)間和超出周邊曲線相對(duì)幅值。當(dāng)持續(xù)時(shí)間超過3 ms且相對(duì)幅值超過5g（g為重力加速度）以上時(shí)，可初步確認(rèn)氣囊觸底。商恩義[3]對(duì)該評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究，指出高速碰撞過程中假人頭部除了受到安全氣囊或方向盤、車內(nèi)飾等施加的外力，也會(huì)受到頸部約束，即有內(nèi)力。頭部發(fā)生氣囊不穩(wěn)定接觸是頭部所受外力發(fā)生突變，對(duì)其進(jìn)行判斷應(yīng)基于頭部外力作用加速度進(jìn)行，而不應(yīng)直接采用包含內(nèi)力作用結(jié)果的加速度。試驗(yàn)中，將采集假人頭部3個(gè)方向的加速度和上頸部3個(gè)方向的頸部力，因此，求解外力時(shí)，可依據(jù)d’Alembert原理進(jìn)行。計(jì)算過程中，頭部慣性力通過頭部質(zhì)量和頭部加速度計(jì)算，內(nèi)力為所采集上頸部力。將3個(gè)方向外力求解后進(jìn)行合成，而后再除以頭部質(zhì)量，便可求得頭部外力作用加速度[4]。

在中國(guó)新車評(píng)價(jià)程序（China New Car Assessment Program, C-NCAP）2021年版[5]中，將原正面40%重疊可變形壁障（offset deformable barrier，ODB）碰撞試驗(yàn)改為正面50%重疊移動(dòng)可變形壁障（mobile progressive deformable barrier，MPDB）碰撞試驗(yàn)，且駕駛員假人由Hybrid Ⅲ 50th假人更換為THOR 50th假人。另外，針對(duì)前排假人頭部，參照E-NCAP增加了 “氣囊不穩(wěn)定接觸”修正項(xiàng)，評(píng)價(jià)中引入了文獻(xiàn)[3]的研究結(jié)果，指出對(duì)正面碰撞中Hybrid III 50th假人頭部是否發(fā)生觸底的判斷采用頭部外力加速度；對(duì)MPDB試驗(yàn)中THOR 50th假人頭部是否發(fā)生觸底，鑒于THOR 50th假人頭頸部結(jié)構(gòu)與Hybrid III 50th假人頭頸部結(jié)構(gòu)不同，x向和y向沿用文獻(xiàn)[3]的計(jì)算方法，z向外力在原計(jì)算方法求得結(jié)果的基礎(chǔ)上再去除頸部前、后鋼索z向作用力。

鑒于頸部前、后鋼索對(duì)頭部運(yùn)動(dòng)的影響較復(fù)雜，很難通過在z向進(jìn)行簡(jiǎn)單加減實(shí)現(xiàn)排除，本文將通過對(duì)比分析THOR 50th假人和Hybrid Ⅲ 50th假人頭頸部結(jié)構(gòu)，分析THOR 50th假人頭頸部結(jié)構(gòu)的變化對(duì)計(jì)算頭部外力的影響；通過進(jìn)行模擬氣囊觸底試驗(yàn)，研究頸部鋼索的增加在氣囊觸底過程中的作用、面部力在氣囊觸底過程中的表現(xiàn)。通過上述研究，對(duì)THOR 50th假人頭部氣囊觸底的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行深入探討。

1 THOR 50th和Hybrid Ⅲ 50th假人頭頸部結(jié)構(gòu)

1.1 2種假人頭頸部結(jié)構(gòu)

Hybrid Ⅲ 50th 和THOR 50th的假人頭部和頸部結(jié)構(gòu)如圖1[6-7]所示。頭部和頸部之間通過連接軸相連，頭部加速度傳感器安裝在上頸部載荷傳感器上，而上頸部載荷傳感器位于連接軸上方。在碰撞過程中，Hybrid Ⅲ 50th假人頭部和頸部當(dāng)前結(jié)構(gòu)可確保頭部加速度傳感器和上頸部載荷傳感器所處坐標(biāo)系各坐標(biāo)方向始終一致，因此，通過頭部質(zhì)量、頭部加速度、上頸部載荷可以求得頭部所受外力和外力加速度。

假人頭部加速度傳感器安裝在一個(gè)剛性平臺(tái)上，上頸部載荷傳感器處于頭部和頸部連接軸下方。假人頸部前、后各有一條鋼索，并分別跨過連接軸與頭部前后所安裝彈性載荷傳感器相連。另外，假人面部增加了正面載荷傳感器。

圖1 2種假人頭頸部結(jié)構(gòu)

1.2 2種假人頭頸部結(jié)構(gòu)對(duì)比

建立假人加速度和載荷坐標(biāo)系[8]：x向?yàn)榍昂蠓较?，y向?yàn)樽笥曳较颍瑉向?yàn)樯舷路较?。?duì)于頭部加速度方向，x向前為正；y向右為正；z向下為正。對(duì)于假人頸部載荷，F(xiàn)x為頭向后胸向前為正，F(xiàn)y為頭向左胸向右為正，F(xiàn)z為受拉為正。對(duì)于鋼索作用力，受拉為正。對(duì)于面部力，受壓為正。

與Hybrid Ⅲ 50th頭部和頸部結(jié)構(gòu)相比，THOR 50th假人上頸部載荷傳感器安裝位置由頭頸連接軸上方改到下方，該改動(dòng)使上頸部載荷測(cè)量更加合理，基于頸部載荷傳感器測(cè)量結(jié)果對(duì)頸部傷害所做評(píng)價(jià)更加嚴(yán)謹(jǐn)。但該改動(dòng)導(dǎo)致碰撞中頭部加速度傳感器與頸部載荷傳感器之間坐標(biāo)方向不再完全一致，理論上不應(yīng)再將頸部各方向載荷直接作為頭部受到的內(nèi)力使用。另外，雖然THOR 50th假人頸部前后鋼索與頭部?jī)蓚€(gè)z向固定的彈性載荷傳感器相連，但隨著頭部相對(duì)頸部前后轉(zhuǎn)動(dòng)，鋼索對(duì)頭部施加的約束并不是只沿頭部z向，而僅僅是采集了z向所受拉力。

2 THOR 50th假人頭部所受外力探討

2.1 THOR 50th假人頸部鋼索作用分析

以某車型在中國(guó)汽車技術(shù)中心天津試驗(yàn)室所做的MPDB試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，按照文獻(xiàn)[3]中方法計(jì)算THOR 50th假人頭部外力。綜合分析如圖2所示。

用Ff表示前鋼索作用力，用Fr表示后鋼索作用力。以后鋼索作用為基準(zhǔn)，用后鋼索力減去前鋼索力，即將前鋼索受拉轉(zhuǎn)換為后鋼索受壓，所得結(jié)果作為鋼索合力，用Fr-f表示。分析各變化對(duì)THOR 50th假人頭部外力計(jì)算的影響，以及鋼索作用與頭部運(yùn)動(dòng)關(guān)系[9-10]。分析中，將頭部x向外力起始時(shí)刻之前定義為頭部碰撞前，頭部y向外力歸零時(shí)刻（頭部y向幾乎不受鋼索作用影響）之后定義為頭部碰撞回彈過程，兩時(shí)刻之間為頭部碰撞過程。

由圖2a可知：鋼索作用主要發(fā)生在假人頭部回彈過程，且在MPDB試驗(yàn)中影響主要在x向和z向。由圖2b可知：鋼索的作用與頭部相對(duì)頸部運(yùn)動(dòng)相關(guān)，即與上頸部My緊密相關(guān)。圖2d表明：頭部與頸部傳感器坐標(biāo)系偏差對(duì)分析頭部所受外力影響較小。在頭部與氣囊碰撞過程中，頸部前后鋼索作用力也較小。只有在假人臀部快速回彈，頭部向前下方產(chǎn)生揮鞭運(yùn)動(dòng)[11]時(shí)，后鋼索回拉頭部作用才會(huì)明顯。

圖2 THOR 50th假人頭部外力、鋼索力及頸部My綜合分析圖

2.2 面部載荷作用分析

相對(duì)于Hybrid Ⅲ 50th假人，THOR 50th假人在面部5個(gè)位置增加了面部載荷傳感器，將其合力稱為面部力Fxm，在外力作用下，面部力Fxm應(yīng)與外力Fx相關(guān)，建立兩者比較關(guān)系如圖3所示。

圖3 外力Fx和面部力Fx m比較

圖3中，在頭部與氣囊碰撞過程中，兩條曲線同步性較好，只是因面部力Fxm僅僅為5個(gè)位置采集合成，而外力Fx反映整個(gè)頭部x向所受外力，面部力Fxm幅值偏低，但面部力曲線已能夠反映頭部正面受力情況。面部力Fxm歸零后外力Fx依然存在作用力，該階段力反映了假人頭部回彈過程中鋼索對(duì)假人頭部x向的作用。

2.3 頸部鋼索作用對(duì)頭部外力加速度的影響

判斷氣囊觸底是通過頭部外力加速度進(jìn)行，因此，需要分析鋼索作用對(duì)頭部與氣囊碰撞過程中所產(chǎn)生的外力加速度的影響，影響過大應(yīng)排除。將頭部采集加速度的合成加速度用arh表示，由頸部?jī)?nèi)力轉(zhuǎn)換來的加速度用arn表示，通過arh和arn計(jì)算得到的外力加速度用ar表示，將前后鋼索z向拉力轉(zhuǎn)換而來的前后鋼索加速度分別用azf和azr表示，建立ar與azf和azr比較關(guān)系如圖4所示。

圖4b表明：頭部外力加速度產(chǎn)生突變可排除鋼索作用。

3 試驗(yàn)研究

鋼索作用和坐標(biāo)系差異，在安全氣囊正常作用下，對(duì)THOR 50th頭部外力計(jì)算影響較小，但在氣囊觸底情況下，其影響需要進(jìn)行模擬研究。在THOR 50th面部標(biāo)定試驗(yàn)[12]中，將完整的假人擺放在平臺(tái)上，用13 kg的擺錘沖擊假人面部，該實(shí)驗(yàn)易操作；因此，確定在此試驗(yàn)工況基礎(chǔ)上，本文作者進(jìn)行了不同速度下的沖擊試驗(yàn)?zāi)M氣囊觸底。

3.1 低速擺錘沖擊

在假人面部粘貼一個(gè)吹起的氣球，升高擺錘使其以約1.25 m/s的速度沖擊氣球，用擺錘撞擊氣球模擬氣囊發(fā)生觸底。模擬試驗(yàn)碰撞0時(shí)刻狀態(tài)如圖5所示。模擬試驗(yàn)后，建立假人頭部x向和z向外力與前鋼索力比較關(guān)系如圖6所示。假人面部力曲線Fxm如圖7所示。

圖5中，假人頭部受到?jīng)_擊后將發(fā)生后仰運(yùn)動(dòng)，因此，頭部主要為x向和z向受力，鋼索只有前鋼索施加拉力。

圖4 a r與 az f和az r比較

圖6中，在63 ～ 70 ms時(shí)，外力曲線發(fā)生突變，此時(shí)，氣囊被擊穿，頭部發(fā)生觸底。頭部觸底時(shí)間短促，前鋼索力并沒有發(fā)生明顯反映，只有頭部發(fā)生后仰后，前鋼索對(duì)頭部才產(chǎn)生明顯回拉作用，且該作用主要發(fā)生在z向。圖7中，氣囊觸底時(shí)，面部合力Fxm也發(fā)生瞬間劇烈振蕩，且后續(xù)曲線不再平滑。

圖5 面部沖擊試驗(yàn)初始狀態(tài)

圖6 低速擺錘沖擊假人頭部x向和z向外力與前鋼索力F f

3.2 高速擺錘沖擊

為了驗(yàn)證模擬試驗(yàn)結(jié)果的必然性，將氣球更換成支撐強(qiáng)度更高的氣袋，并使擺錘以1.86 m/s速度再次進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

試驗(yàn)后，建立假人頭部x向和z向外力與前鋼索力比較關(guān)系如圖8所示。圖8中，假人頭部外力與前鋼索力間關(guān)系與低速模擬試驗(yàn)結(jié)果基本相同。

圖8 高速擺錘沖擊假人頭部x向和z向外力與前鋼索力

圖9 高速擺錘沖擊假人面部Fx m

假人面部力曲線Fxm如圖9所示。圖9中，氣囊觸底時(shí)，面部力曲線也發(fā)生瞬間劇烈振蕩，且因擺錘端面與假人面部接觸不穩(wěn)定后續(xù)曲線波動(dòng)強(qiáng)度高。

4 結(jié) 論

通過對(duì)THOR 50th假人頭部、頸部和鋼索試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析以及通過擺錘透過氣球撞擊假人頭部進(jìn)行氣囊觸底模擬試驗(yàn)研究，得出結(jié)論：

假人頭部坐標(biāo)系和頸部坐標(biāo)系在試驗(yàn)中的差異可忽略，計(jì)算頭部外力時(shí)依然可以采用頭部質(zhì)量乘以頭部加速度減去頸部力的計(jì)算方法；

假人頸部前后鋼索在頭部與安全氣囊碰撞過程中作用較小，在發(fā)生氣囊觸底時(shí)也不會(huì)發(fā)生急劇反應(yīng)，分析THOR 50th假人頭部z向外力時(shí)可不作處理；

面部力完全反映頭部與安全氣囊接觸過程，有突變必定發(fā)生氣囊觸底，是評(píng)價(jià)氣囊觸底的最佳條件，只是當(dāng)前無法量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，后續(xù)研究應(yīng)關(guān)注；

為了保證評(píng)價(jià)盡可能客觀、嚴(yán)謹(jǐn)，作者建議：2021版C-NCAP在評(píng)價(jià)氣囊觸底時(shí)應(yīng)通過頭部外力加速度和面部力相結(jié)合方式進(jìn)行。

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