車輛安全性能中假人數據特性

郭樹文　李志　任繼偉

摘 要：經過多年的發展全球汽車行業發生了翻天覆地的變化，國內的汽車行業也伴隨著國內經濟的發展，經歷了從無到有，由弱到強的的新階段。國內汽車行業的發展和進步，不只簡單的是產量和銷量的增長，目前的車輛在性能和質量上也變得更可靠更安全。在國內強制標準和測評體系的推動下，車輛的安全性越來越受到消費者的關注，企業在車輛安全性的開發上要求更加全面細致。假人傷害評價各安全評價指標不只有其評價指標的方向性而且在特定的碰撞工況中有其固有的數據特性，經過對數據特性的總結的分析，掌握其各階段數據的特性和表現，能夠為車輛安全性能開發提供有效的指引。

關鍵詞：被動安全 正面碰撞 數據特性 安全法規

1 引言

中國汽車行業經過多年的發展，已由起步追趕階段邁入行業領先技術引領的全新階段。國內汽車市場已不再是追逐低價廝殺的殘酷車市。而是一個追求品質追求性能的多元化健康發展市場。目前中國市場已是多種類型車型全面發展，不僅有傳統的汽油車、還有純電動汽車、混合動力汽車、氫能汽車等，每種車型各有其優缺點，可供消費者進行更多的選擇。2020年，全國機動車交通事故達到211074起，事故造成死亡61703人，直接財產損失超過13億元。[1]因此不論是哪種汽車，汽車安全性一直備受消費者的關注，一直都是汽車企業和消費者關注的重點。

就車輛的安全性來說，主要分為主動安全性能和被動安全性能。車輛安全性主要考慮的就是車輛在發生危險時對車內乘員提供保護的能力。車輛對乘員的保護主要是從人體生物力學損傷進行相關的評價。碰撞測試假人的傷害評價，是通過采集假人的頭部、頸部、胸部和下肢四個身體部位的加速度、力、位移等傷害數據，然后將試驗數據代入各部位的損傷準則進行計算而得到。[2]

2 被動安全評價體系

2.1 體系概況

目前的車輛安全評價體系主要分為強標類及測評類兩大體系。強標是車輛上市銷售的基本條件，只有滿足相應國家的強標要求才能在其國內進行銷售。而測評類主要是甄別車輛對乘員進行安全性能保護的能力高低，以便消費者在選車購車時，能夠在眾多的汽車產品中分辨其保護性能的優劣，利于消費者在選車購車時進行恰當合適的選擇。

車輛碰撞安全形式分為多種類型，目前主要包括正碰、偏置碰、側碰、側柱碰、后碰等碰撞形式。通過在車輛上布置不同的假人，在碰撞過程中采集假人各部位的傷害情況，進行車輛安全性能評價。其中正碰及偏置碰主要測試車輛在發生正面撞擊情況下，車輛對車內乘員保護的情況。側碰及側柱碰主要測試車輛在發生側面撞擊的情況下對車內乘員的保護。后碰主要考量車輛在發生追尾碰撞的情況下，對車內乘員的保護狀況。

從國內車輛碰撞安全標準而言主要包括《GB 11551-2014 汽車正面碰撞的乘員保護》、《GB/T 20913-2007乘用車正面偏置碰撞的乘員保護》、《GBT 20913-2007乘用車正面偏置碰撞的乘員保護》、《GB/T 37337-2019汽車側面柱碰撞的乘員保護》、《GB 20072-2006 乘用車后碰撞燃油系統安全要求》。而國內測評體系目前主要是C-NCAP及C-IASI兩大車輛安全評價體系。

2.2 傷害指標概況

假人傷害評價是通過人體關鍵部位進行檢測的。評價的具體的每個部位的評價指標分別是：頭部為 a3ms、HIC；頸部為剪切力FX、張力FZ、伸張彎矩My；胸部為a3ms、Vc、胸位移、胸部壓縮量；大腿為大腿壓縮力、膝位移；小腿為小腿壓縮力、小腿脛骨指數。

假人每個部位傷害的評價指標是有方向性的，如圖1中假人頭部、胸部、骨盆加速度傳感器從假人后部指向前部為加速度傳感器X向正向，從左側指向右側為加速度傳感器Y向，從上指向下為加速度傳感器Z向。

其中頭部目前的研究主要針對面顱骨損傷，該部位損傷是由于面部與汽車的接觸沖擊引發的，包括頭皮損傷、顱骨骨折、硬膜外血腫和直達性挫傷。顱骨骨折又分為接觸部位骨折或由于碰撞力的傳遞而造成的遠隔接觸損傷骨折，如顱蓋骨折、顱底骨折或對沖性損傷[3]。

頸部運動包括屈曲、伸展、側屈、回轉四項基本運動及其組合。[4]頸部傷害指標評價方向如下圖2所示，頸部受到從前向后的剪切力FX為正，從假人右側指向左側剪切力FY為正方向，頸部受到軸向拉力FZ為正，從左側看假人頸部受到逆時針方向力矩MY為正，從頭頂向下看，頸部受到逆時針力矩MZ為正方向，從假人后部向前看頸部受到力矩MX逆時針為正。

大腿傷害指標評價方向如下圖3所示，大腿受軸向拉力FZ受到為正，受到軸向壓縮FZ為負。

小腿脛骨壓縮力通過小腿力傳感器直接采集；脛骨指數由小腿力傳感器采集到的力載荷和力矩載荷計算得到。指標主要反映垂直于小腿骨方向的受力以及作用于小腿上、下部位的彎曲力矩導致小腿骨、腳踝等受到傷害的情況。[5]小腿傷害評價指標方向如下圖4所示，小腿受軸向拉力FZ為正，受軸向壓縮FZ為負，小腿下部受到從左側指向右側的力FY為正，小腿下部受到由后指向前的力FX為正；小腿下部從左側看受到順時針方向的力矩MY為正，小腿下部從后看受到順時針方向力矩MX為正。小腿上部受到從前向后的力FX為正，小腿上部從右側看受到從右指向左側的力FY為正；小腿上部從左側看受到逆時針力矩MY為正，小腿上部從后看受到逆時針力矩MX為正。

3 假人傷害指標特點

假人傷害的評價指標是存在方向性的，首先從法規來看，如下圖5為《GB 11551-2014 汽車正面碰撞的乘員保護》中的要求，技術要求中明確：頸部對Y軸的彎矩在伸張方向應不大于57N·m，而且在測評體系中如下圖6也明確考核頸部彎矩MY伸張方向；因此在檢測中需注意檢測值的方向性，反向的結果會得到完全不同的結論；在標準中要求頸部伸張拉力FZ不超過相應限值，也即頸部軸向考核拉伸方向的受力，對軸向壓縮受力不進行考核；而對頸部剪切力FX在正向和負向均進行考核。

大腿評價指標考核大腿壓縮力FZ，即只考核大腿所受壓縮力不考核拉伸受力情況，小腿也是考核壓縮力

由于假人各部位的生理特性，各部位承受不同方向傷害的能力是有非常大的區別的。頸部能承受向前高強度彎曲，而后向彎曲卻很容易導致頸部傷害，因此頸部主要考核向后彎曲情況。另外頸部由于能夠承受較高的壓縮力，而不能承受較高的軸向拉伸，因此主要考核頸部軸向拉伸力。

而且頸部傷害主要考核枕骨髁處頸部力及彎矩傷害程度，由于傳感器采集的數據距離枕骨髁旋轉中心有0.01778m的距離，因此實際彎矩需要用：MOCY=MY-FX*（O.D），從彎矩計算公司可以看出采集到的數據FX剪切力也會影響MOCY 的結果，如果把FX的方向顛倒了，會使彎矩計算錯誤，得出錯誤的評價指標。

對典型汽車正面碰撞試驗進行分析，假人傷害有一定的規律性。

在發生碰撞后，假人相對車內飾向前運動，如下圖7中所示頭部與氣囊接觸前頸部所受剪切力FX為負值；在頭部與氣囊接觸前，頭部加速度主要由頸部剪切力引起，因此二者有明顯的線性關系；在頭部與氣囊接觸后，剪切力FX與頭部加速度aX不再具有單一線性關系；在頭部與氣囊接觸后，氣囊給頭向后的力，頸部剪切力FX由負值轉為正值。

在頭部與氣囊接觸前，如下圖8所示頭部相對胸部做圓周旋轉運動，因此頭部受到頸部向心力作用，主要由頸部FZ提供，在此階段頸部FZ主要為正值。在頭部與氣囊接觸前，頭部Z向加速度由頸部拉力FZ引起，因此二者有線性關系，與氣囊接觸后不再具有單一線性關系。在頭部與氣囊接觸后，頸部拉力增大，主要由于氣囊對頭部的上拉導致。

在安全帶起作用后，頭部與氣囊接觸之前，如下圖9所示頸部MY為負值。在頭部與氣囊接觸后，由于假人下巴先與氣囊接觸，因此導致假人頸部有接近胸部的趨勢，因此彎矩逐漸由負轉為正值。由于頸部彎矩MOCY =MY-FX*（O.D），因此MY及FX方向正確性直接影響頸部彎矩的結果。

大腿與小腿力只考核軸向壓縮力，即受力為負值階段。小腿脛骨指數主要受到小腿壓縮力和小腿彎矩的影響，通過理論分析得出，壓縮力和彎矩都受到前圍侵入量和假人前移 量的影響。[6]小腿受力最大值階段，如下圖10所示出現在小腿踩實前圍地板階段。大腿力在小腿踩實前圍地板階段，壓縮力逐漸開始增大。小腿未踩實之前，大腿受力為軸向拉力。

4 總結

經過以上分析可以發現，在車輛安全性能的評價指標中假人各項評價指標是有方向性和數據特性的。只有正確的采集假人傷害數據才能保證數據結果的準確和可靠，為企業開發和車輛安全性能評價提供有效數據支撐。

正確認識和理解假人關鍵部位的數據特性，理解假人不同部位數據之間的關聯性以及在不同階段的數據表現，方便對假人的受力進行有效的分析。

參考文獻：

[1]秦世昊，翟登旺，王江武等. 基于大數據的車輛駕駛行為安全性研究，2022.

[2]劉東春，王凱，張長江.汽車正面角度碰撞試驗方法對比分析研究，汽車與配件，2021.

[3]胡經國，朱曉勇，丁冉冉等.碰撞假人頭部性能指標 HIC36 及 HIC15 的區別研究，汽車零部件，2022，06-28。

[4]丁冉冉，胡經國，朱曉勇等.碰撞假人頸部評價研究，2020.

[5]張俊南，余海龍.移動漸進變形壁障碰撞試驗中駕駛員小腿傷害研究，2023.

[6]鈕嘉穎，黃穎，郭剛等.基于MPDB工況下駕駛員側假人傷害值優化研究，2021.