基于Madymo的WorldSID与ES2假人性能比较①

李 丽， 朱西产， 马志雄

(同济大学，上海 201804)

0 引言

现有的汽车安全认证体系从总体上说分为两大类:即以欧标为代表的指定机构认定欧洲体系和以美标为代表的自我认证体系美国体系，美国的MVSS214侧面碰撞法规以及欧洲的ECE R95侧面碰撞法规，其他国家例如日本、中国、加拿大等国都参考这两大体系制定各自的法规[2].除了法规以外，由消费者组织发起的新车碰撞测试NCAP(New Car Assessment Program)对汽车的安全性能以星级的形式进行划分，NCAP的试验比法规更加的严格，影响较大的法规主要是美国的US－NCAP以及欧洲的Euro－NCAP，中国的C－NCAP主要参考欧洲的Euro－NCAP.这四种侧面碰撞测试采用了不同的实验速度、移动壁障、侧碰假人，用于评价伤害程度的评价指标也各不相同，见表1.

表1 不同侧碰试验方法的比较

面对这样复杂的情况，迫切需要统一侧面碰撞试验，统一侧面碰撞试验的第一步就是统一侧碰假人，目前使用的主流侧碰假人主要是US－SID和ES2假人，这两款假人是美国和欧洲根据自己国家居民的平均身材设计开发的，谁也无法取代谁，因此，1997年ISO组织启动了WorldSID项目，该项目工作组由来自世界各地的汽车厂商、政府机构、研发机构、试验机构以及假人和仪器设备生产厂商构成，该工作组主要分为三大区域:欧洲、亚太以及美洲.美国、日本和欧洲汽车工业直接通过他们的汽车组织OSRP，JAMA和ACEA进行注资.同时EEVC的SID－2000计划的研究成果及与IHRA生物力学和侧碰工作组的合作确保了WorldSID计划的顺利进行，至2007年整个WorldSID开发工作已经基本完成，见图1a.

目前以开发完成第16行的WorldSID假人只用于性能测试和研究，并未正式对外公开出售，因而国内没有任何企业或者组织购买到WorldSID假人，也无法获得WorldSID假人的试验数据.目前中国侧碰法规以及C－NCAP侧面碰撞试验中使用的都是ES2假人(图1b)，ES2假人的研究相对较为深入，所以本文以Madymo为基础，根据已有车型的台车侧碰模型，使用WorldSID和ES2假人进行两次仿真，通过仿真试验结果，比较WorldSID与ES2假人的差别，从而研究WorldSID假人.

图1 aWorldSID假人

图1 b ES2假人

1 外形尺寸

调用Madymo软件假人库中的ES2和World-SID假人，将WorldSID和ES2假人的模型重叠放置在同一座椅上，两者H点重合，采用相同的骨盆角度、手臂角度以及髋部角度，红色为WorldSID假人，绿色为ES2假人，从图2中可以看到，WorldSID假人的身材明显比ES2假人的小，两者肩关节相差较大，WorldSID的肩关节在ES2肩关节的后方25mm，下方35mm处，两者头部在高度上相差60mm[5]，坐姿上的差别主要是因为两个假人的身材尺寸不一样，ES2假人使用的是欧洲男性的平均身材，而WorldSID假人对全世界男性的身材进行了一个统计，由于亚洲人身材普遍比欧美男性矮小，所以WorldSID假人身材总体比ES2矮小，具体参数如表2所示.

图2 WorldSID与ES2假人的重叠图

表2 WorldSID假人与ES2假人尺寸对比

图3 WorldSID假人半臂

图4 WorldSID假人完整手臂内部结构

图5 WorldSID假人胸部肋骨结构分解

图6 ES2(左)与WorldSID(右)胸腹区域比较

2 内部结构比较

2.1 头 部

WorldSID假人和ES2假人的头部尺寸大体相似，都源自于HybridⅢ第50百分位男性假人的头部，WorldSID假人忽略的面部特征，没有耳朵、鼻子和嘴唇.

图7 ES2(左)与 WorldSID(右)腰椎对比[5]

图8 ES2(左)与WorldSID(右)骨盆对比

2.2 手臂与肩部

ES2假人的手臂采用半个手臂的结构，内部不包含任何的传感器，WorldSID假人的有两种规格的手臂可以选择，一种是与ES2假人相似的半臂结构(图3)，其截面形状为矩形，这样的设计改善了WorldSID假人手臂在测试中的稳定性，另外一种是与真人一致的完整的手臂(图4)，具有肘关节和腕关节，整个手臂可以在一定方位内转动，并且在肘部、腕部以及上下臂上都安装了传感器，可以获知碰撞中假人手臂的受力以及运动情况，两种规格的手臂可以根据试验的情况的不同进行选择.ES2假人的手臂直接连接在锁骨上，这就使得ES2假人的手臂可以绕着锁骨向前移动.WorldSID的肩部同胸部一样采取肋骨结构，其手臂连接在该肩部肋骨上，这种结构与SID－Ⅱs假人类似.

图9 ES2(左)与WorldSID(右)运动时序图

2.3 胸 部

WorldSID假人的胸部由三根胸部肋骨组成，肋骨的结构对比ES2假人发生了很大的改变，WorldSID的肋骨采取内圈和外圈两层结构，内圈上连接有阻尼材料(图5)，ES2假人的肋骨只有一圈，采用的是带有轴承系统的刚性肋骨，肋骨能够在轴承方向上移动，ES2肋骨阻尼是由独立的阻尼器产生的.WorldSID的肋骨采用镍钛诺合金，该合金属于记忆合金，具有耐磨损、抗腐蚀、高阻尼和超弹性等优点，远远优于ES2假人的刚性肋骨.在位移传感器方面，ES2假人使用电位仪传感器测量胸部变形，而WorldSID假人使用更为先进的红外线位移传感器.WorldSID假人取消了ES2假人的背 板结构，其背部是平整的[1].

图10 肩部力对比

2.4 腹 部

如图6所示，ES2假人的腹部为一泡沫结构，内置传感器，能够测量前、中、后三处腹部力，ES2假人腹部的刚度完全取决于腹部泡沫的刚度.WorldSID假人的腹部由两根肋骨组成，与胸部肋骨结构一致，只是腹部肋骨内圈上的阻尼材料更厚，因此WorldSID腹部刚度由腹部肋骨决定，由于腹部肋骨上的传感器只有红外线位移传感器和加速度传感器，因而WorldSID腹部只测量腹部三向加速度和位移，不再测量腹部力.

2.5 腰 椎

腰椎连接了假人的上下躯干，它直接影响假人的整体运动状态.ES2的腰椎是一个圆柱形的橡胶结构，中间含一钢丝绳，该钢丝绳对腰椎橡胶增加一个很小预应力.WorldSID的腰椎结构相对比较复杂，材料同样采用橡胶材料，外形为类似马蹄，下部外侧与骨盆连接，中间与脊椎连接，在其下部的中间有橡胶支柱，该支柱能在该刚性平板上移动，这样的结构使得在脊椎变形时，两橡胶支柱能够在平板上自由的移动[5]，如图7.

2.6 骨 盆

在骨盆结构上两个假人都具有一个非常坚硬的骶骨块，骶骨块的两侧连接塑性额骨翼，在前部有耻骨力传感器.ES2假人的耻骨力传感器直接与塑性额骨翼相连接，而WorldSID的则通过橡胶缓冲块与塑性额骨翼连接，如图8.

图11 肋骨变形量对比

图12 肋骨加速度对比

3 生物仿真度

汽车乘员保护设计是否有效取决于汽车工程师通过假人预测人类伤害的能力.而假人的生物仿真度就是用于检验假人是否能够很好的模拟人类在事故中的运动、响应以及力的传递等特性.ISO技术报告9790(ISO/TR9790)使用33个试验对目前使用的侧碰假人(包括 SID，ES，ES2，BioSID，WordSID)进行假人的生物仿真度的评估.这33个试验主要有针对头部、颈部、肩部、胸部、腹部和骨盆6个区域的台车测试、跌落测试以及摆锤测试.并根据式1对总体得分进行计算，总分为10分，表3为ISO生物力学评价等级分类[6].

式中:B为总体得分，Bi为身体6个区域相应的得分，Ui为身体每个区域相应的权重因子，i为身体不同区域下标，1为头部，2为颈部，3为肩部，4为胸部，5为腹部，6为骨盆.

表3 ISO生物力学评分尺度

WorldSID和ES2假人的得分如表4，从表4中可以看到WorldSID假人各个部位的生物仿真性能都比ES2假人高，总得分ES2为4.6分，生物仿真性能为普通，而WorldSID得分为7.6分，生物仿真性能为好，可见新一代的侧碰假人WorldSID在生物仿真度上得到了很大的提升.

表4 侧面碰撞假人的生物仿真性比较表

4 仿真对比

本文的研究内容利用Madymo软件建立数学仿真模型来完成.侧碰台车数学仿真模型在文献[7]中已经得到验证，为了便于研究假人的性能特性，删除了原有模型中的侧气囊，其余试验条件不做调整，原模型使用ES2假人，经过一轮运算之后，调用Madymo软件假人库中的WorldSID放入模型中替代ES2假人，进行一轮仿真.仿真结果如图9.

4.1 肩 部

由上面的叙述中可知，WorldSID与ES2的肩部结构完全不同，导致肩部受力产生的响应也不一致.从仿真过程图9中可以发现，由于ES2的手臂与其锁骨相连接，手臂在碰撞过程中会发生旋转并向前方移动，而WorldSID假人的手臂与肩部肋骨固连，在碰撞中始终位于假人躯干与车门内饰板之间，所以从响应曲线图10中可以看到，ES2假人肩部分力Fx远远大于WorldSID的肩部分力Fx，而ES2假人的肩部分力Fy和Fz由于假人手臂发生移动后不再受力而迅速趋于零[8]，而WorldSID的肩部分力Fy和Fz受力持续时间更长.

图13 ES2腹部力

图14 WorldSID腹部加速度

4.2 胸 部

如图11所示，WorldSID假人和ES2假人在胸部三根肋骨的变形量在曲线趋势上相差并不大，WorldSID最大变形量相对于ES2假人的略小一些，WorldSID胸部变形量峰值出现的时间相对ES2假人的更早一些，这主要与WorldSID假人与ES2假人采用不同的位移传感器有关，相对而言，WorldSID假人的红外线传感器精度更高.胸部肋骨加速度方面(图12)，WorldSID假人的上肋骨加速度峰值远远大于ES2假人的，中肋骨加速度则WorldSID假人的相对较小，下肋骨加速度两者的峰值相差并不多，从运动时序图9中可以发现，在35ms左右车门内饰板撞击WorldSID假人手臂并连同手臂撞击假人胸部肋骨，之后由于假人整体受到车门内饰板的带动而向车门内饰板运动方向移动，使得假人胸部肋骨受力减少，加速度也相对逐渐减小，而ES2假人的胸部始终在内饰板的带动下运动，80ms为ES2假人与车门内饰板分离的时刻，所以这时为胸部肋骨加速度峰值时刻.无论是胸部肋骨的变形量还是加速度，我们发现World-SID假人曲线相对于ES2假人的更早趋于零，振荡幅度小，这主要与WorldSID假人采用的内圈肋骨上附着着的阻尼材料有关.

图15 骨盆加速度对比

图16 耻骨结合力对比

4.3 腹 部

对于腹部区域，WorldSID假人腹部采用与胸部一样的肋骨结构，所以记录腹部运动的运动参数为肋骨变形量与加速度，而ES2假人为力传感器，记录腹部力曲线.本文使用ES2假人的腹部力(图13)和WorldSID假人的腹部肋骨加速度(图14)与做比较.WorldSID假人的腹部加速度峰值出现的时刻略早于ES2假人腹部力峰值出现的时刻，主要是因为车门内饰板与WorldSID假人的接触时刻早于ES2假人.

4.4 骨 盆

由于WorldSID假人的骨盆质量相对于ES2的更大，所以在一定撞击力的情况下，WorldSID产生的骨盆加速度峰值相对于ES2的更小(图15).

如图16耻骨结合力在趋势上相似，峰值也相差不大，只是在在峰值发生的时刻略有些差别，这与整体的假人的运动趋势有关.

5 结论

(1)本文在充分研究了WorldSID假人资料的前提下，对WorldSID假人相对于ES2假人在外形、结构上的更改做出了叙述，变动最大的是假人的整体尺寸以及假人的胸部、腹部和骨盆的内部结构，这样的变动使得WorldSID假人在生物仿真度试验中获得了7.6分，这是目前现有侧碰假人中得分最高的;

(2)为了了解WorldSID假人结构上的变动对假人性能的影响，本文采用Madymo软件库中的自带WorldSID与ES2假人在相同的座椅、车门内饰板以及运动曲线的情况下进行仿真运算，分析肩部、胸部，腹部和骨盆伤害曲线的差异并寻找原因.WorldSID假人手臂在整个碰撞过程中始终位于车门内饰板与假人躯干之间，使得假人整体的运动过程不同于ES2假人，此外因为假人身材尺寸的不同，假人各个部位与车门内饰板对应接触区域也有所不同，因为车门内饰板不同区域的刚度曲线不同，这直接导致接触力不同，继而影响假人运动.

[1]李发宗，李传志.汽车侧面碰撞假人应用分析[J].天津汽车，2007，5:8.

[2]朱海涛，李向荣，王凯.中美侧面碰撞标准中假人性能的比较[J].汽车工程师，2009(6).

[3]Scherer R，Cesari D，Uchimura T，et al.Design and Evaluation of the WorldSID Prototype Dummy[C].2001.

[4]Rhule H，Moorhouse K，Donnelly B，et al.Comparison of WorldSID and ES－2re Biofidelity Using an Updated Biofidelity Ranking System[C].2009.

[5]Louden A.Dynamic Side Impact Testing with the 50th Percentile Male WorldSID Compared to the ES－2RE[C].2009.

[6]Cesari D，Compigne S，Scherer R，et al.WorldSID Prototype Dummy Biomechanical Responses[J].Stapp car crash journal.2001，45:285.

[7]马志雄.轿车台车试验方法及侧面约束系统数学仿真技术研究[D].武汉:武汉理工大学汽车工程学院，2008.

[8]Stahlschmidt S，Gromer A，Walz M，et al.WorldSID 50th vs.ES －2.A Comparison Based on Simulations[C].2010.

[9]Belcher T，Newland C.Assessment of Occupant Protection Systems in Vehicle－To－Pole Lateral Impact Using ES－2 and WorldSID[C].2007.