温度偏差对第50百分位假人胸部压缩变形量的影响研究

商恩义 周大永 崔新康 曹盈

（浙江吉利汽车研究院有限公司，浙江省汽车安全技术研究重点实验室，杭州 311228）

主题词：被动安全 50th假人 胸部压缩变形量 温度偏差

1 前言

目前，乘用车约束系统开发过程的正面碰撞试验中，Hybrid Ⅲ50th假人胸部压缩变形量的测量结果通常受温度偏差、假人坐姿一致性、安全带佩戴位置一致性等因素的影响，其中温度偏差对测量结果的影响比较突出，是研究人员关注的重点。为此，有研究人员在确保假人摆放姿态等基本试验条件一致的情况下，以22 ℃为基础，通过适当改变温度进行了大量重复性台车试验，通过统计分析不同试验之间胸部压缩变形量的偏差，得到温度变化对假人胸部压缩变形量的影响约为1.5～2.0 mm/℃的结论。但事实上，当前预紧限力式安全带产品的力值稳定范围普遍为0.5 kN，即使保证假人坐姿、安全带佩戴位置完全一致，重复试验的试验条件也不具有一致性，所以通过分析重复试验结果的离散性来推导温度对假人胸部压缩变形量的影响不够严谨。基于上述原因，本文利用正面碰撞假人胸部刚度概念，分析温度差异对50th假人胸部压缩变形量的影响。

2 Hyprid Ⅲ50th假人胸部刚度

2.1 假人胸部结构

Hybrid Ⅲ50th假人胸部由肋骨组件和皮肤构成，其中，肋骨组件如图1所示[1]，是由6根C型肋骨（C型钢板和阻尼材料粘合而成）构成的弹性框架结构，肋骨前端通过短钢板相连接，后端固定在胸椎上，肋骨组件“穿上”皮肤后构成假人胸部，假人胸部具有一定刚度，在受力过程中会发生弹性变形。

2.2 假人胸部刚度

相关研究表明[2-3]，在标准试验条件下，在碰撞初期假人平动时，其胸部压缩变形量d的时间曲线与肩带力FB的时间曲线之间存在关系系数k，k基本稳定在200 kN/m。用Fd表示导致假人胸部产生变形的力，某试验中，令Fd=kd，将Fd时间曲线与FB时间曲线进行比较，结果如图2所示。由图2可知，在假人前扑，安全带肩带力由0上升至安全带开始限力阶段，两曲线近似平行，且在限力后稳定值相近。如果排除胸部压缩变形量延时的影响，可认为安全带力上升阶段两曲线近似重合，因此，称k为假人胸部刚度。每次试验中，k可以通过肩带力与胸部压缩变形量比较得到，鉴于胸部结构具有稳定性，在相同的环境温度等试验条件下，k相对稳定。

图1 Hybrid Ⅲ50th假人胸部结构

图2 某试验中Fd时间曲线与FB时间曲线

假人胸部刚度虽然相对稳定，但肋骨结构中包含的阻尼材料受温度影响较大，因此，温度变化对胸部压缩变形量造成的影响实质上是温度变化改变了假人胸部刚度k所致。研究温度变化对假人胸部压缩变形量的影响可通过研究温度变化对假人胸部刚度的影响来进行。

3 温度偏差对假人胸部压缩变形量的影响研究

在不同温度条件下进行碰撞试验，利用Fd时间曲线和FB时间曲线推导出胸部刚度k，并通过多次试验结果建立温度与刚度的关系式，进而推导出指定安全带力和试验温度下温度对假人胸部变形量的影响。

3.1 试验方案制定

实车碰撞试验成本较高，故通过台车试验进行研究。约束系统开发所进行的正面碰撞台车试验中，台车的加速度曲线通常采用50 km/h实车正面碰撞试验中车身B柱底部x向加速度曲线，考虑到本次研究需要进行的台车试验次数较多，为了在达到测试效果的同时避免对假人造成过度伤害，降低碰撞强度，采用某次30 km/h正面碰撞试验车身B柱底部位置x向加速度曲线。

为了减少试验次数，试验时在驾驶员侧和乘员侧分别放置假人，并通过可移动的空调分别对2个假人身体附近吹风，调节假人局部环境温度。另外，为保证试验所用假人胸部满足试验要求，试验前分别对2个假人的胸部进行了低速标定[4]。为了保证试验条件与正式试验条件尽可能接近，按照C-NCAP管理规则[5]规定的正面碰撞试验要求调节座椅、摆放假人和佩戴安全带。正式试验中，要求假人在试验温度下放置4 h，以保证胸腔温度、肋骨上阻尼材料的温度与环境温度一致，利用置入假人胸腔内的热电偶测量胸腔温度。假人坐姿和温度测量方式如图3所示。

图3 台车试验中假人坐姿和温度测量方式

3.2 试验方案可行性分析

首次台车试验后，取k=200 kN/m，分别计算出驾驶员侧假人和乘员侧假人的Fd，并分别将Fd时间曲线与FB时间曲线进行比较，结果如图4所示。

图4中，2条曲线上升过程近似平行，安全带开始限力后，FB和Fd取值接近，即此试验中k的取值合适，该结果符合文献[2]的研究结论。需要指出的是，驾驶员位置的安全带限力等级为4 kN，乘员侧的安全带限力等级为3.5 kN，但两侧k的取值相同，该结果表明，0.5 kN的安全带力的变化对假人胸部刚度没有影响。即，在重复试验中，安全带肩带力0.5 kN以内的偏差会影响胸部压缩变形量，但不影响假人胸部刚度。因此，可以确认通过刚度研究温度偏差对假人胸部压缩变形量的影响，可排除重复试验中安全带肩带力一致性差异的影响，研究方案可行。

图4 Fd时间曲线与FB时间曲线台车试验结果

3.3 试验结果分析

根据前述试验方法及条件进行了7次台车试验，试验结果如表1所示，假人胸部刚度分布及其与温度间的线性关系如图5所示。

表1 台车试验结果

图5 假人胸部刚度分布及其与温度的线性关系

由图5可以看出，在温度约为22 ℃时，假人胸部刚度基本维持在200～205 kN/m，这与文献[2]的研究结果基本吻合。另外，当温度在21～26 ℃区间变化时，刚度变化无规律。只有当温度差值达10 ℃左右时，才表现出温度越高刚度越低。该结果表明，当温度为22 ℃左右时，在各种试验条件产生的差异影响下，温度对胸部刚度的影响不明显。即，温度在小范围内变化时进行温度对胸部压缩变形量的影响研究不准确。

进一步分析刚度分布特性，图5中，温度越高，分布的胸部刚度与趋势线越接近，线性关系越稳定。另外，驾驶员侧假人趋势线与乘员侧假人趋势线非常接近，因此可以认为在20～35 ℃范围内，假人胸部刚度与温度之间存在稳定的线性变化规律。

为了使假人胸部刚度与温度的线性关系通用，应推导出温度与胸部刚度之间的关系式。为了保证推导结果的通用性，如图6所示，将2个假人试验结果合并，拟合出胸部刚度k与温度t之间的关系式：

图6 假人胸部刚度与温度的关系

3.4 温度影响分析

当前，基于安全考虑，各乘用车上配置的限力式安全带在限力后肩带力通常为3.5 kN、4 kN和4.5 kN，另外，法规中试验温度范围要求是20～22 ℃，因此，依据式（1），进一步研究此条件下温度对假人胸部压缩变形量的影响。

不同肩带力、不同温度下由式（1）计算得到的刚度kv以及进一步计算得到的胸部压缩变形量dv、温度每增加1 ℃时胸部变形量产生的差值Δd如表2所示。

表2 温度偏差对胸部变形量产生的影响

由表2可知，在3.5～4.5 kN的作用下，20～22 ℃范围内，温度变化的影响约为0.7 mm/℃。

另外，0.5 ℃左右温度偏差产生的影响仅为0.35 mm，对C-NCAP评价的影响可以忽略，故此时试验可以考虑进行。

3.5 研究结果的应用探讨

根据C-NCAP管理规则，在20～22 ℃范围内所进行的正面碰撞试验均有效。因此，为了评估重复试验中胸部压缩变形量可能产生的偏差，可以考虑在每次试验后，依据式（1）求出假人胸部压缩变形量在规定温度范围内的上、下偏差，将试验结果以测量结果加公差的形式进行表示。

例如，在试验温度为21.5 ℃，安全带肩带力为4.5 kN的条件下由式（1）求得k=211 kN/m，d=21.3 mm。结合表2，当t=20 ℃时，d=20.3 mm，则下偏差为-1.0 mm，当t=22 ℃时，d=21.7 mm，则上偏差为+0.4 mm，最终试验结果可标记为，其中A为试验测得假人胸部压缩变形量。

需要强调的是，假人胸部刚度k是基于假人平动状态阶段确定的，故此时给出的公差也是此阶段胸部压缩变形量受温度偏差影响可能产生的偏差。当碰撞后期假人上半身发生前扑时，假人胸部刚度会略有改变。

4 结束语

本文通过加速台车试验研究了温度偏差对50th假人胸部压缩变形量的影响，指出在正面碰撞试验中，假人胸部刚度与温度之间存在稳定的线性关系，并推导出在3.5～4.5 kN的作用下，温度在20～22 ℃之间变化时，温度对胸部压缩变形量的影响约为0.7 mm/℃，试验时温度与目标温度有0.5 ℃左右的偏差可以忽略。