Q3儿童假人颈部标定影响因子的分析与研究

刘东春，陈 洋，王 旭，任继伟

(中汽研汽车检验中心(天津)有限公司 天津300300)

0 引 言

假人标定试验是保证汽车假人生物力学性能的主要措施，用以保持良好的响应，确保试验数据的可靠性。根据中国新车评价规程(C-NCAP)2018 版规定，在正面100%刚性壁障试验中，使用Q3 儿童假人考察后排儿童约束系统。本文以Q3 儿童假人为研究对象，重点研究其颈部标定试验，分析试验的影响因子，运用试验设计(DOE)方法，实施合理的试验方案，得到一定的试验数据；然后通过曲面响应优化法，找出标定试验多输入多输出的非线性对应关系，采用多元二次回归方程来拟合众多影响因子与输出值之间的函数关系，寻找最优参数，以提高标定试验试验的成功率，减少人力、物力、财力的资源浪费。

1 标定试验

1.1 Q3假人颈部结构

如图1 所示，Q3 假人颈部本体是由橡胶和金属材质用模具浇注成圆柱体型，上表面内嵌螺纹套，用来连接颈部力传感器或者替代块；颈部中心内部是钢丝线缆组件，下端用螺母固定在橡胶圆柱。

随着碰撞试验损伤以及时间的推移，假人颈部材质会变化，其动态响应也在发生变化，为了检查假人颈部良好的生物力学性能，就需要定期进行标定。

图1 Q3假人颈部结构Fig.1 Neck structure of Q3 Dummy

1.2 Q3假人颈部标定

目前，Q3 假人颈部标定方法是按照Humantics假人公司提供的手册进行。具体方法为：在温度18～22 ℃，湿度10%～70%的环境条件下，将Q3 儿童假人颈部安装在摆臂上，摆臂上升至一定的高度，然后释放摆臂，以一定的速度撞击蜂窝铝，通过采集碰撞过程中的数据，来评判假人颈部的生物力学性能，如图2 所示。

图2 Q3假人颈部标定试验Fig.2 Neck calibration test of Q3 Dummy

Q3 假人颈部在标定时需要进行正面碰撞、侧面碰撞两种类型，共需要进行颈部弯曲、左侧、右侧3 次试验。3 次试验的评价指标及范围是一致的，如表1 所示。

表1 Q3假人颈部标定评价指标Tab.1 Neck calibration evaluating index test of Q3 Dummy

由于Q3 假人颈部正面碰撞和侧面碰撞标定试验，评价指标要求一样，限于篇幅本文以假人颈部弯曲试验作为试验对象进行研究。

1.3 试验设计

选取摆锤碰撞速度、蜂窝铝孔数、温度和时间间隔4 个参数(表2)，研究其对颈部标定的影响。

表2 影响因素水平表Tab.2 Factor-level table

1.4 试验结果

本文参照正交设计表 L9(34)进行试验设计，共进行9 次试验，试验结果如表3 所示。

表3 正交试验结果Tab.3 Orthogonal test results

2 Q3假人颈部标定评价指标影响因素分析

2.1 颈部减速度的影响因素分析

在上述进行的9 次正交试验，由表3 试验结果可以计算得到各因数对假人颈部在10、20、30 ms 时减速度影响的均值主效应图如图3—图5 所示。

图3 10 ms颈部减速度主效应图Fig.3 The main effect chart of neck velocity decrease at 10 ms

图4 20 ms颈部减速度主效应图Fig.4 The main effect chart of neck velocity decrease at 20 ms

图5 30 ms颈部减速度主效应图Tab.5 The main effect chart of neck velocity decrease at 30 ms

从图3—图5 均值主效应图可知，各因子对颈部减速度的影响重要程度依次为蜂窝铝孔数、摆锤碰撞速度、温度、时间间隔。其中，温度和时间间隔两个因素影响较小，可以认为这两个因素对颈部减速度的影响并不明显。

10、20 以及30 ms 3 个时刻，代表摆锤逐渐压溃蜂窝铝的过程，接触面从蜂窝铝表面由上到下逐渐接触和颈部减速度逐渐增加的过程。为进一步考察，蜂窝铝孔数和摆锤速度对这3 个时刻的影响，将其中一个因素作为定值，另一个因素作为变量进行研究。

2.1.1 不同摆锤碰撞速度对颈部减速度的影响

选择标定试验序号第2、第5、第8 3 次试验，对应的摆锤速度分别为3.7、3.9、4.1 m/s，而3 次试验的蜂窝铝孔数为定值9，试验结果如图6 所示。

图6 不同摆锤碰撞速度对假人颈部减速度影响Fig.6 Effect of different pendulum impact velocity on neck velocity decrease

图6 中，10、20、30 ms 时刻处的3 条短竖线分别表示颈部减速度在该时刻处的数值区间，超出相应区间，意味着标定试验失败。图6 中的3 条颈部减速度曲线在前30 ms 都是接近直线，同时这3 个时刻的数值也都在规定的范围内，但有略微差异，且与摆锤速度呈正相关。这是因为随着摆锤碰撞速度的增加，会使碰撞整体能量增加，在压溃相同蜂窝铝的进程中，碰撞时的加速度也会增加，导致颈部的减速度值在10、20、30 ms 3 个时刻数值相应增加，但是增加量并不很大，这也与试验条件设置有关。

在蜂窝铝相同的情况下，摆锤碰撞速度小范围地变化，不会对颈部减速度在10、20、30 ms 时刻的数值造成严重影响；相反在后续的标定过程中，如果颈部减速度在3个时刻点有略微超出范围，可以通过微调摆锤碰撞速度，使其满足要求，前提是微调后摆锤碰撞速度须在规定的范围内即3.8～4.0 m/s。

2.1.2 不同蜂窝铝孔数对颈部减速度的影响

选择试验序号第4、第5、第6 三次试验，对应的蜂窝铝孔数分别为7、9、11，而3 次试验的摆锤碰撞速度为3.9 m/s，试验结果如图7 所示。

图7 不同蜂窝铝孔数对假人颈部减速度影响Fig.7 Effect of different holes of honeycomb material on neck velocity decrease

图7 中，10、20、30 ms 时刻处的3 条短竖直线也是规定的颈部减速度区间范围。图7 中的3 条颈部减速度曲线在前30 ms 虽然也都接近直线，但是有着明显的分层；蜂窝铝孔数越多颈部减速度在10、20、30 ms 的数值也越大，而且蜂窝铝孔数为11 的曲线在30 ms 时刻的数值几乎超出要求的范围。

这是因为蜂窝铝孔数增多，导致吸能区域整体变硬，碰撞刚度变大，碰撞时的加速度急剧增加，导致颈部减速度也随着快速增加，最终反映在10、20、30 ms 的数值变大。可见，蜂窝铝的软硬对假人颈部减速度的影响是非常显著的。

2.2 头部D-P转角的影响因素分析

在进行的9 次正交试验中，由表3 计算得到各因数对头部D-P 转角影响的均值主效应图如图8 所示。

由图8 所示，9 次正交试验结果头部D-P 转角均值分析可知，4 个因素对D-P 转角的影响重要程度依次为蜂窝铝孔数、摆锤速度、时间间隔、温度。其中，温度和时间间隔的极差均小于0.5，可以认为它们的影响不明显；而摆锤速度和蜂窝铝孔数对头部D-P转角的影响比较显著。为进一步考察两者对头部D-P转角不同的影响，可将一个因素作为定值，关注另一个因素变化时的观察曲线试验。

2.2.1 摆锤碰撞速度对D-P 转角的影响

选择试验序号第2、第5、第8 3 次试验，对应的摆锤速度分别为3.7、3.9、4.1 m/s 的，3 次试验的蜂窝铝孔数均为9，假人头部D-P 试验结果如图9 所示。

图9 不同摆锤碰撞速度对假人头部D-P转角影响Fig.9 Effect of different pendulum impact velocity on DP angle

如图9 所示，3 条曲线走势大体相同，只是假人头部D-P 转角峰值发生时刻的前后小区间时间段，出现明显偏差，并且在该时间段内，随着摆锤碰撞速度的提高，假人头部D-P 转角峰值也随着变大，两者呈正相关。

随着摆锤碰撞速度的提高，使得碰撞能量增加，在碰撞过程中，假人头部甩动幅度也会随着变大，即D-P 转角增加。在后续标定工作中，假人头部D-P 转角峰值小范围超出，也是可以通过调整摆锤碰撞速度进行修改。

2.2.2 蜂窝铝孔数对假人头部D-P 转角的影响

为更直观显示蜂窝铝孔数对假人头部D-P 转角的影响，选择蜂窝铝孔数为7、9、11 的3 次试验，摆锤碰撞速度为3.9 m/s。

如图10 所示，3 条曲线整体均有着明显的偏差，随着蜂窝铝孔数的增多，假人头部D-P 转角曲线上升的趋势也变快，转角峰值到达的时刻明显提前，峰值也随之变大。这是由于随着蜂窝铝孔数的增多，相同碰撞能量的情况下，由于碰撞吸能区整体刚度变大，碰撞时假人头部甩动的幅度急剧增加，使得D-P转角快速到达峰值，并且峰值变大。

2.3 颈部转矩My的影响因素分析

在进行的9 次正交试验中，图表3 计算得到各因数对假人颈部转矩My 的影响均值主效应图如图11所示。

4 个因素对其影响的优先级为摆锤速度、蜂窝铝孔数、时间间隔、温度。温度和时间间隔对颈部转矩My 的影响非常小，极差均不超过0.05，可视为不显著影响因素；摆锤碰撞速度和蜂窝孔数的极差均大于1.0，视为显著影响因素。为进一步考察两个显著影响因素对假人颈部转矩My 不同的影响，可将一个因素作为定值，关注另一个因素变化时的观察曲线试验。

图10 不同蜂窝铝孔数对假人头部D-P转角的影响Fig.10 Effect of different holes of honeycomb material on D-P angle

图11 颈部转矩My主效应图Tab.11 Main effect chart of neck moment(My)

2.3.1 摆锤碰撞速度对假人颈部转矩My 的影响

选择标定试验序号第2、第5、第8 3 次试验，对应的摆锤速度分别为3.7、3.9、4.1 m/s，3 次试验的蜂窝铝孔数均为9，假人颈部My 试验结果如图12 所示。

图12 不同摆锤碰撞速度对假人转矩My的影响Fig.12 Effect of different pendulum impact velocity on neck moment(My)

摆锤碰撞速度对假人转矩My 的影响和对假人头部D-P 转角的影响非常类似。在不同的摆锤碰撞速度下，假人转矩My 的3 条曲线大体趋势走向非常接近，只是在转矩My 达到峰值的小区间的时间段有明显的差异，摆锤碰撞速度越大，假人颈部转矩My也越大。随着摆锤碰撞速度的增加，碰撞整体能量增加，致使假人颈部绕y 轴的甩动幅度增加，转矩My数值也增加。

2.3.2 蜂窝铝孔数对假人颈部转矩My 的影响

选择试验序号第4、第5、第6 3 次试验，对应的摆锤速度分别为3.7、3.9、4.1 m/s，3 次试验的蜂窝铝孔数均为9，假人颈部My 试验结果如图13 所示。

图13 不同蜂窝铝孔数对假人颈部转矩My的影响Fig.13 Effect of different holes of honeycomb material on neck moment(My)

不同的蜂窝铝孔数，假人颈部转矩My 的3 条曲线有着明显的差异。随着蜂窝铝孔数增多，假人颈部转矩My 的峰值变大，并且到达峰值的时间缩短；孔数越多，转矩My 曲线出现两个邻近波峰的现象越明显。蜂窝铝孔数对假人颈部转矩My 的整体情况影响与对假人头部转角D-P 的影响效果非常类似。

3 结 论

本文首先对Q3 假人的颈部结构和颈部标定评价指标进行介绍，然后对4 个影响因素三水平设计出正交试验表L9来确定各影响因素对假人颈部评价指标的重要程度。通过正交试验分析得到，蜂窝铝孔数和摆锤碰撞速度为显著影响因素，温度和时间间隔为非显著影响因素；然后对2 个显著影响因素对假人颈部标定的每个评价指标单独进行研究，分析其影响机理，指导后续的标定工作。

蜂窝铝孔数增多，碰撞吸能区域整体刚度变大，碰撞时的加速度增加，因而会使得假人颈部减速度在10、20、30 ms 时刻的数值明显增大，使假人头部转角D-P 峰值显著增加，同样会使假人颈部转矩My 峰值变大，并且各指标达到峰值的时刻均提前。

摆锤碰撞速度增加，碰撞整体能量变大，假人颈部减速度在10、20、30 ms 时刻的数值有增加趋势，但变化并不特别显著，假人头部转角D-P 峰值增加，假人颈部转矩My 峰值变大，但是各指标达到峰值的时刻变化并不明显。