摩托车碰撞试验驾驶员人体模型——假人

 案例展示     |      2019-08-09

  摩托车碰撞试验驾驶员人体模型——假人团圆TechlicalLeclte 摩托车碰撞试验驾驶员人体模型——假人 王臻(国家摩托车质量监督检验中心) 摘要:假人,又称为人体物理模型,是碰撞试验最基本的用具,在碰撞试验中替代真 人,以便于技 术人员分析在碰撞瞬间的各项技术数据.随着《摩托车正面碰撞乘员防护试验方 法》标准的逐步推进, 摩托车碰撞假人的作用至关重要.本文就假人的发展历史,分类,作用,摩托车试验 碰撞假人,假人未 来的发展等内容进行介绍. 关键词:摩托车假人碰撞 《摩托车正面碰撞乘员防护试验方法》标准已完成标 准草案稿和意见征求工作,现进入到试验验证阶段.假人, 又称为人体物理模型,是碰撞试验最基本的用具.在碰撞 试验中替代真人,以便于技术人员分析在碰撞瞬间的各项 技术数据.由于要测量假人各个部位的加速度,载荷和变 形,因此,假人各部分的尺寸和质量与真人非常相近.用 于碰撞试验的假人要求的基本性能存1)尺寸,质量分布, 关节的活动,胸部等各部分在受到载荷时的变形特性应与 人体相似;2)应能对人体相对应的各部分的加速度,负 荷等参数进行测定;3)个体间的差异小,反复再现性好, 并且具有优良的耐久性. 假人的发展历史最早对碰撞假人进行研究的并非汽车业者,而是航 空工业者,他们利用假人对自动弹射座椅,降落伞等求生 设施进行评估.初期使用的是志愿者或动物实验,但随 着实验速度的提高,志愿者无法忍受,因此,美国空军 A1dersonResearchLab(ARL)及SierraEngineeringCo.的 SamuelAlderson 工程师设计出SierraSam假人(见图1) 代替志愿者.之后,Alderson 又根据第1 个假人制造出一 系列的VIP(veryimportantpeople)及Sierra 系列的假人, 通过改善原有的生物真实性及能代表男性与女性的尺寸, 将这些假人用于相关测试. 1971 年,通用汽车公司的工程师采用VIP 及Sierra 系列假人的部分设计,加上一些新的改善,使假人更经 得起耐久性测试,开发了混合I 型假人HybridI.在此 基础上通过对HybridI 的头部,颈部,肩部,脊柱和膝 部进行改进,同时增强测试仪器的配置,1972 年,通用 汽车公司又开发出混合型假人Hybrid,并在1973 的FMVSS208标准(乘员碰撞保护)中将Hybrid1I50th 假人作为评定汽车碰撞试验中乘员碰撞保护性能的标准 60 摩托车技术2011.O5 设施,并写入联邦法规.Hybrid型试验假人除了做为 测定FMVSS208 标准中人体伤害指标的试验假人外,在 FMVSS212 和FMVSS301 中也都有应用. 图1SierraSam假人 1976 年,通用汽车公司对Hybrid的颈部,胸部, 膝部等进行大量改进,开发出了更接近人体特性的混合 型假人Hybrid,可安装的数据采集通道多达100 个以上,大大超过了Hybrid1I.此外,其颈部,胸部 等地方的改进,使Hybrid假人测得的伤害指标值高 于Hybrid1I,从而对车辆的乘员保护性能提出了更高 的要求. 从20 世纪80 年代起Hybrid及Hybrid11I 型假人就 月25El,美国修改了49CFRPart572,在其中新增加了关于Hybrid 的部分,并在FMVSS208 标准中规定从1986 年1O 23El起至1991 月31日止,汽车碰撞试验可以随意 选择使用Hyb 删假人或Hybrid假人,而自1991 日起,Hybrid将取代Hyb瑚做为验证车辆是否 符合FMVSS208 性能要求的唯一试验假人,后来由于考 虑到一些实际操作因素,决定将取代日期推迟至1997 欧洲法规,日本法规等也都采用Hybrid11I型假人为 标准假人,这种假人在生物的仿真度,测试的重复性及耐 久性上都有较大突破,并对伤害的判断有简单而量化的方 式,这些都是Hybrid型假人至今能让业界所广泛使用 的原因. 然而HVbrid型假人是只针对50%美国男性身材设 计的并只用于正撞测试,随着更多安全防护设施(如安全 气囊等)的推出,乘员受伤的方式也随之改变,其受冲击 方向也不会单从正面而来,50%男性HybridIII 型假人无 法满足所有需要,所以一系列的Hybrid 家族假人就相继 开发出来(见图2),美国交通安全管理局(NHTSA)开 发了一种新的假人,名字叫THOR(见图3).除了美国之外, 日本在1952 年也开发了他们的第1 个假人(见图4),近 年来更加强了对行人假人的研究,如图5 所示的日本本田 汽车公司所研制的Polar 假人.在欧洲有专为小孩设计的 P.series 及Q—series 假人,还有具有很像真人脊椎的后撞 假人(见图6)和先进的侧撞假人EuroSID1I(见图7)等. 另外国际问的合作也在积极的开展,如WorldSID 假人就 是在国际合作中所开发出来的. 图2Hybrid 假人家族 图3THOR 假人 碰撞假人的分类按人体类型分,假人可分为成年假人和儿童假人.成 :一.i.l 日本第1个假人 本田公司的Polar假人 后撞假人年假人按体型大小又分为中等身材男性假人,小身材女性 假人和大身材男性假人.在汽车碰撞试验中最常用到的是 中等身材假人,其代表欧美第50 百分位男性成年人的平 均身材.为了在设计中考虑不同的人体体型,又按照欧美 人体分布的两端极限,分别开发了小身材和大身材假人. 小身材女性假人代表欧美第5 百分位女性成年人的体型; 大身材男性假人代表欧美第95 百分位男性成年人的体型. 儿童假人的身高,体重是指定年龄组儿童的平均身高和体 重,而不考虑性别.碰撞试验用假人主要规格见表1. 2011.05 摩托车技术61 圜圈Technicai}lllr 8d4f4g 正视图 7c 8a 8b 8c8e 规格体重,kg坐高,mlTl Hybrid50%78.15884 HVbrid1115%49.98790 Hybrid95%101.3l935 个月婴儿7.9044212 个月婴儿970475 18 个月婴儿l1.2O505 岁儿童假人21.46650SID(侧面碰撞假人)89.80765 BioSID(仿线 按碰撞试验的类型分,假人又可分为正面碰撞假人和 侧面碰撞假人.现在允许作为商品出售的侧面碰撞假人有 个:SID,EuroSID和BioSID.这3 个假人都是按第50 百分位成年男性的身材开发的,SID 是美国侧面碰撞试验 法规指定的试验假人,EuroSID 是欧洲,日本等国家的侧 面碰撞试验法规指定的试验假人. 假人的作用62 摩托车技术2011.05 假人参加碰撞试验主要是为了检测在碰撞时驾驶者 及乘客的情况,因此,在试验中假人的几个重要的身体部 位是试验测量的主要目标. a)头部:假人的头部是铝制骨架,橡胶作为皮肉 将其覆盖,里面安装了3 个加速度传感器,用来在碰撞中 测试头部受到的加速度和冲击力. b)颈部:测量装置主要测量的是在碰撞中脖子受到 冲击力的大小,受力后脖子前后弯曲和左右移动的幅度. c)双臂:假人的双臂没有设置任何传感器,因此会 在碰撞中不受约束的随意摆动.实际上对胳膊的保护是十 分重要的,但目前还没有一个很好的测试指标和衡量标准. d)胸部:1)正面冲击:Hybrid拥有同比例尺寸 的金属肋骨,用来测试在受到正面撞击时胸腔受到的冲击 力以及在冲击下胸腔变形的幅度.2)侧面撞击:EuroSID 根肋骨上装载了3种不同的传感器,用来测试在侧 面撞击时胸腔被压缩的幅度和速度. e)腹部:腹部里装备了1 个可以测试撞击力度的传 感器,用来测试多大的撞击力会造成腹部的伤害. f)骨盆:在腰部装了1 个传感器,以记录碰撞中多 大的力会造成关节脱臼及骨盆破碎. g)大腿:这一测试的区域包括骨盆,大腿和膝部. 装在大腿内的传感器负责收集受到正面冲击时的数据和记 录受到伤害的区域及程度.在较为严重的撞击下股骨遭到 撕裂及脱臼的情况,则用一种特制的传感器专门测量驾驶 员膝部受到的冲击力度. h)小腿:小腿中的传感器负责测量假人小腿在遭到 多大力度撞击后会发生骨折,弯曲等情况,同时还测试膝 盖与小腿骨,脚踝骨与小腿骨之间连接部分受伤的几率. i)脚部:测量在正面撞击中驾驶员脚部受伤的几率. 驾驶员脚步受伤的几率取决于放脚的踏板附近的变形幅度 和向车内压缩的距离. 正碰试验假人——50%Hybrjd假人模型大部分是由金属与塑料制作的,其胸腔是钢 制的,肩胛骨是铝制的,盆骨是塑料的.假人的皮肤不仅 要有弹性,还要跟真人一样有一定的承受力.一个假人由 近400 个部件,大约60 个传感器组成. 在正面碰撞试验中应用最多的Hybrid型第50 百分 位男性假人的头部为铸铝材料,皮肤为可拆卸的乙烯橡胶, 颈部由分段橡胶以及中空铝架构组成,可准确模拟头部的 弯曲及延伸.胸腔由高强钢材以及聚合体减振材料组成, 可真实反映人体胸部的挠曲特性.颈部与胸部的角度可由 个支架进行调节,支架内装有6向传感器,肩胛骨与锁 骨内部的传感器可测量安全带的压力.由橡胶制成的腰脊 柱可模仿人的坐姿,内部装有3 向压力测试单元,骨盆由 乙烯泡沫制成,球形连接的关节可以模拟碰撞时所起到的 减振作用.大腿骨,胫骨可以预测骨折的发生,并可测量 韧带所受的拉力.脚及脚踝可以测量关节的活动范围. 摩托车碰撞试验假人摩托车碰撞试验假人的选择必须考虑全面的数据和 因素的分析.这包括:假人的准确度,碰撞响应保真度, 响应的多方向性,重复性和再现性,假人与摩托车和头盔的兼容性,文件的可用性,结构的可重复性,耐久性以及 可修复性等.研究表明,50%Hybrid/I/型男性假人可以作 为摩托车驾驶员人体的碰撞模型,50%Hybrid111 假人模 型的各刚体名称及质量参数见表2.但是,摩托车与汽车 在碰撞过程中,相关的无约束和驾驶员的接触位置,巨大 的偏航,车辆的摇摆运动以及碰撞体的多样性,方向性和 速度等是完全不同的.Hybrid假人用于汽车碰撞时,是 在变量的相对狭小范围内,当其用于摩托车碰撞时需要对 其进行修改. 表250%Hybrid假人模型的各刚体名称及质量参数 刚体号刚体名称质量,刚体号刚体名称质量, 下躯干l6.9617右下臂1.7l0 腹部0.640l8左手0.600 下腰部I.I1Ol9右手0.600 上腰部1.11020左大腿5.690 上躯干11.5321右大腿5.690 肋骨1.20022左膝1.710 下颈部托架0.01O23右膝1.710 下颈部传感器O.0l024左上颈骨1.31O 颈部1.22025右上颈骨1310 lO 点头平面0.01O26 左中颈骨2.120 l1 头4.40027 右中颈骨2.12O l2 左锁骨2.03028 左下颈骨0.7l0 13 右锁骨2.03029 右下颈骨0710 l4 左上臂2.06030 左脚1.490 15 右上臂2.0603l 右脚1.490 16 左下臂1.71O32 胸骨0.300 a)摩托车假人基本特点 摩托车碰撞试验用假人为改良的50%Hybrid型假 人,具有可坐的/可站的结构,可允许跨骑在常规摩托车 上.标准Hybrid型假人大腿不能相对骨盆进行足够的 旋转,但是在摩托车的碰撞中假人大腿是可以发生大范围 运动的. b)假人的头部和头部皮肤 由于标准的Hybrid型假人头部没有提供头盔的保 持力座(在下颚处)或者后钢盔座,所以必须对头部皮肤 进行扩展.头部皮肤的构成应当包括基本的Hybrid头 部皮肤和提供头盔兼容的可扩展部分.头部皮肤和可扩展 部分的几何构型如图8 所示,1 是下颌和可以配戴头盔的颈部扩展.下颌和颈部皮肤扩展的质量应该分别为(0.270.05)kg 和(0.15 0.05)kg.对于Hybrid头颈皮肤的修改应当通过适当 的粘贴剂进行粘贴,例如氰基丙烯酸酯胶粘剂. 摩托车假人头部头部,头部皮肤,头部皮肤扩展,头部加速器安装架, 头部加速器和电缆,以及颈部加载单元和电缆的全部装配 体的质量应当为(5.350.1)kg. 2011.05 摩托车技术63 llj5:i 阳1_ce}1niGjl~;t,. c)颈部 摩托车上的座位和安全气囊与汽车是完全不同的,摩 托车安全气囊展开时,头部相对于躯体会有更大的俯仰角 度,会对颈部产生严重的伤害.所以摩托车假人颈部(见 图9)明显区别于普通的Hybrid假人的颈部.颈部,头 部附加钉,围兜仿真器,以及锯齿型下颈部安装架的上半 部分的全部装配体的质量应当为(1.55O.1)kg. d)颈部覆盖物 最大的俯仰位置 滑块向前 摩托车假人颈部垂直的位置 向后弯曲 个新的颈部设计,需要引进1个新的颈部覆盖物. 颈部覆盖物起到改善展开安全气囊以及假人颈部和下颌两 个区域之间的影响作用.颈部护罩从假人的下颌开始,以 便覆盖颈部扩展部分.在中间长度处新的颈部连接设计, 需要一个可以调节的覆盖物.同样,由于新的颈部可以仿 真一个高度扩展的体态,在下颌下的空洞一定要覆盖.由 于这个原因,新的覆盖物设计可以通过拉链直接连接人体 碰撞模型头部皮肤的下颌扩展部分.拉链的一边一直贴在 这个下颌的扩展部分,另一边永久缝合在覆盖物上. e)下颈部安装架 当安装摩托车假人颈部时,下颈部安装架应当安装在 5.25.的扩展位置.不需要对标准Hybrid型假人进行额 外的修改. 64 摩托车技术2011.O5 f)胸椎 可以使用标准的HybridIlI 胸椎或者胸椎代替物.如 果使用胸椎代替物,这个胸椎代替物应当与标准的Hybrid 胸腔一样,保持相同的内部几何构造和高度,不妨碍肩 部的运动,提供胸骨在径向平面内至少75mm的偏斜(相 对于脊椎箱前表面垂直测量),横向宽度不超过125nn, 并根据HybridITI 上躯体规格产生同样的质量和质心. g)腰脊柱 必须对Hybrid型假人的腰脊柱进行改进,以便提 供假人在摩托车上垂直就坐的状态. h)腹部填充物 可以使用基本的Hybrid1II 型假人腹部填充物,也可 以用一个易碎的固体腹部填充物替代.这个替代的填充物 质量为(533)g. i)骨盆 摩托车假人的骨盆是可坐,可站的.这个骨盆应当与 标准Hyb 咖型假人的骨盆有相同的接口几何构型和外 部尺寸,但不干涉腿的运动. 手是覆盖硅外壳材料的可变形铝线结构,用来提供现实的就坐位置和假人对手把的力特性.它们被设计环绕在 手柄上,在碰撞期间按现实的方式保持假人在合适的位置, 并且在碰撞之后允许在内部负载下进行手部的释放. k)胳膊和肘衬套 除了在肘部衬套上进行刻痕标记以及使用可抓握的 摩托车假人手之外,摩托车假人手臂与Hybrid相同. 1)大腿骨 HybridIII 型假人的金属腿骨是刚性的,不易碎的, 这些用于摩托车碰撞是不合适的,因为:1)它们是设计 用于不同目的和碰撞情况.汽车驾驶员受限于膝盖和躯体 安全带,因此Hybrid腿骨主要用于应对膝盖的前部碰 撞.而摩托车驾驶员受限制小,腿部暴露在外,膝盖,小 腿和大腿都可能受到多种碰撞,碰撞体通常是刚性的.2) 金属的腿骨不易骨折,可能失真人体碰撞模型的动作,导 致测试的结果不准确,低估骨折的潜在可能性.使用骨头 不同,在头部,肩部和踝部碰撞轨迹上差别也很大. 摩托车假人应安装脆弱的大腿骨,它的质量,规格应 该和HVbrid腿骨剩余构件的使用相兼容,并满足接口 和尺寸要求,其质量为(8510)g.此外,脆弱的大腿 骨材料和设计应在轴向沿最短易碎长度方向保持不变. m)腿部保持电缆 脆弱的腿骨应当和腿部保持电缆安装在一起,用来阻 止当腿骨骨折时假人腿部的遗失.对于脆弱腿骨的全部电 缆的质量不宜超过200g,电缆安装至少有5mm 的间隙. n)膝盖组件 膝盖组件的质量为(1.000.05)kg. O)小腿构成 小腿和脚的质量应当为(5.290.2)kg. P)胫骨 胫骨安装在踝关节上.满足接口和尺寸要求,其质量 为(12010)g.材料和设计应当在轴向沿最短的易碎长 度方向保持恒定. q)小腿皮肤 摩托车假人小腿皮肤用来提供脆弱腿骨的安装和移 除,并能适合脆弱膝盖组件的安装.标准的Hybrid腿 部皮肤是不可行的,但质量,规格可与标准的Hvbrid 腿部皮肤相一致.因此摩托车假人小腿皮肤应包括一个垂 直排列的后表面拉链和从腿部可移除的皮肤,并符合脆弱 膝盖的结构,其质量为(1.050.10)kg. r)完成的摩托车假人 当完全装配好后,假人的质量为(75.841.64)kg. 假人未来的发展目前大部分的实车测试与安全评估工作由假人来承 担,所以Hybrid 假人才会发展出一整个家族的成员,改 善某些部位的设计后会使其更具有生物保真度.碰撞假人 较昂贵,对一个全新的假人的设计制造需要很长时间,通 常的改进措施就是对现有的标准假人进行改进或对某些部 位重新设计.THOR.LX(见图10)就是对小腿进行全新 设计,使用于标准的Hybrid型假人. 利用电脑模拟人的运动及反应已有所应用.美国第 图10THOR—LX(NHTSA,2008) 技术安全系统公司(FirstTechnologySafetySystems,FTSS)已设计出模拟Hybrid型假人的模型.有些研究 人员就直接研究真人模型,如日本丰田汽车公司所研发的 {{e}团圆 THUMS(TotalHumanModelforSafety)就是一个直接模 拟线). 使用虚拟假人最大的目的就是能在虚拟环境中从事 图11 丰田公司虚拟假人(THUMS) 车辆安全评估及测试,事先预知测试结果以避免试验的失 真,既可节省实车测试成本,又能达到安全评估效果. 虚拟假人是假人发展的一个大突破,但是由于人体的 复杂性,现行的虚拟假人仍有一定的局限性,相信在不久 的将来虚拟假人会取代实体假人的一部分工作. 结束语相对于目前较为成熟的汽车碰撞测试研究,摩托车的 碰撞测试研究还在起步,探索阶段.如同我国汽车碰撞法 规的发展轨迹,对于我国摩托车碰撞乘员防护的测试研究 也将从正面垂直碰撞开始,而暂不考虑正面角度碰撞和侧 面碰撞等碰撞类型.因此摩托车碰撞假人在考虑适用性和 经济性的基础上,会尽可能的简化,从而有利于标准的推 动和行业技术的进步.田 (收稿日期2011-02 一l5) 2011.05 摩托车技术65

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