THOR假人胸部IR-TRACC传感器响应特性研究

段丙旭　张长江　张斌　仲衍慧　徐刚

摘 要：本文对THOR与Hybrid III假人胸部响应特性进行分析，基于THOR假人胸部标定程序，对比THOR与Hybrid III假人在相同摆锤速度工况下的胸部响应，表明THOR假人的胸部IR-TRACC传感器较Hybrid III假人胸部传感器响应更灵敏和更迅速，且THOR假人的胸部IR-TRACC传感器受力的作用位置的影响更加明显。选取某SUV车型进行THOR与Hybrid III假人的滑台比对试验，THOR假人胸部位移量要大于Hybrid III假人，且THOR假人胸部位移响应时刻早于Hybrid III假人，表明THOR假人胸部IRTRACC传感器较Hybrid III假人胸部响应更灵敏更迅速。

关键词：THOR假人;Hybrid III假人;胸部响应;IR-TRACC传感器

1 前言

新一代假人THOR除具有与真人一样的外形外，内部还设计了复杂的脊柱、肋骨和先进的合成肌肉。最重要的是，其全身布满了各种各样的传感器，用于测试各部位的碰撞响应数据。THOR假人在结构上发生重大变化，能定量地、精确地测试出人体某部位所受冲击载荷的大小，从而更能准确表征交通事故中乘员伤害情况[1-4]，为汽车碰撞试验研究提供了更科学的依据。Euro NCAP 将于2020年推出的MPDB测试项目中将THOR假人的伤害指标纳入乘员保护评价体系，U.S.NCAP也规划了完全重叠正碰和OMDB测试项目将THOR假人的伤害指标纳入乘员保护评价体系，可见THOR假人损伤指标将逐步成为各国新车评价规程中评价汽车碰撞安全性的重要指标，其应用范围将逐步扩大。

THOR假人性能较Hybrid III假人有大幅度提升，结构更加复杂，生物仿真度更高。THOR假人脊柱与Hybrid III假人刚性脊柱相比有一段橡胶结构，更符合真实的人体结构，胸部肋骨并非类似于Hybrid III假人垂直于脊柱的结构而是胸部肋骨垂直向下，与真实的人体结构相对应，并且胸部有4个3D IR-TRACC（InfraRed Telescoping Rod for Assessment of Chest Compression）传感器，分别位于THOR假人左上胸部、右上胸部、左下胸部、右下胸部位置，用于测量假人各个部位肋骨的变形量，而Hybrid III假人在胸部仅有一根位移传感器，在碰撞试验中仅能测量胸部单一位置的压缩量。设计THOR假人的胸腔（胸部肋骨）目的在于模仿人体特征，相较于Hybrid III型假人，THOR假人不仅在结构设计方面具有较大改进，而且在动态测试条件下生物保真性也有了极大的改进。

关于碰撞假人的胸部响应特性，国内外很多学者进行了相关研究，NHTSA（National Highway Traffic Safety Administration）的Stephen A. Ridella等通过有限元仿真方法分析THOR假人与Hybrid III假人在翻滚工况下的响应变化[5-7]。IIHS（The Insurance Institute for Highway Safety）的Mueller Becky C通过试验的方法研究了在小偏置重叠试验中Hybrid III与THOR两个碰撞假人的乘员伤害风险[8]。卓鹏通过试验和仿真手段研究了安全带与气囊的参数设计对Hybrid III假人胸部变形量的影响[9]。商恩义等研究座椅坐垫后端刚度对正面偏置碰撞试验中Hybrid III假人假人胸部性能的影响[10]，彭路等通过仿真分析方法研究了整车约束系统及安全带的佩戴位置对Hybrid III假人胸部压缩量的影响[11]。针对THOR假人的胸部响应特性研究较少，本文主要研究碰撞试验中THOR与Hybrid III假人因结构差异引起的假人胸部响应特性差异，对两种假人胸部响应特性进行对比分析。

2 THOR假人胸部位移计算

THOR假人胸部装有4个3D IR-TRACC传感器，每一个3D IR-TRACC传感器具备1个线性伸缩量测量部分，和2个旋转电位器测量Y和Z方向的角度。4个胸部3D IR-TRACC传感器具有相似的设计，左右位置和上下位置是镜像结构，如图1所示。设计成镜像的原因是假人胸腹腔的空间有限，并确保3D IR-TRACC传感器有足够的运动范围并且避免机械接触。

以THOR假人左侧上胸部（简称“左上”）3D IR-TRACC计算算法说明，在计算算法中，左上IR-TRACC的坐标系如图2和图3所示。下标“s”表示脊柱坐标系（称为坐标系S），Zs平行于脊椎长轴。下标“t”代表IR-TRACC坐标系（称为坐标系T），其中Zt与Zs电位计轴对齐。下面列出了图2和图3中的符号：Os，Xs，Ys，Zs 为 脊柱坐标系;Ot，Xt，Yt，Zt 為IR-TRACC坐标系。

在3D IR-TRACC偏转计算中，需要传感器的两个枢轴点之间的绝对距离OtA和脊柱坐标系的绝对旋转角度θy和θz。但是，IR-TRACC和两个旋转电位器只能提供差分测量（相对位置变化）。为了计算绝对距离OtA和绝对旋转θy和θz，设计零位置夹具来记录三个传感器读数的输出，零位置定义为“T”坐标系与“S”坐标系平行。

零位置夹具中的绝对距离OtA是D0，表示当IR-TRACC安装在ATD中而没有施加任何负载时的距离，对于Humanetics的校准夹具，D0为141.9mm。IR-TRACC安装在零位夹具上，记录其输出电压，并可以进行线性化运算转换为工程单位R0。R是在工程单位下，任一给定的IR-TRACC位置（线性伸缩部分的输出值，然后通过乘以灵敏度转换为工程单位）。在任何给定点的OtA值可以通过r=D0+（R-R0）来计算。同时，记录零位夹具中的电位计输出，通过给定位置的输出中减去零位置输出来计算任何给定位置处的绝对旋转。

要计算IR-TRACC的两个枢轴点的绝对旋转和长度，计算方法如下：

要计算IR-TRACC的两个枢轴点的绝对旋转和长度，计算方法如下：

3 THOR与Hybrid Ⅲ假人胸部标定响应

3.1 THOR假人胸部标定

THOR假人上胸部标定为一顿性冲击假人上肋骨IR-TRACC传感器中心位置，摆锤质量为23.36kg，摆锤直径为152.4mm，摆锤撞击速度为4.3m/s，性能指标包括通过位于THOR假人胸部的3D IR-TRACC传感器测量上胸部在脊柱局部坐标系下的合成位移量，通过位于摆锤中间位置的加速度传感器测量假人作用于摆锤的反作用力，如图4所示。

首先移除假人外套，检查假人肋骨、外套是否破损，将假人放置在温度为21℃湿度为35%的环境中至少4小时，将下胸部脊柱的关节调整为“慵懒”位置，将颈部倾角调整为“自然”角度，将手臂和肩部关节调整到1G-2G状态。其次将THOR假人放置在水平面（±0.5°）上，四肢水平向前平行于假人中垂面，将假人手臂用夹具支撑，调整假人骨盆角度使倾角传感器X轴方向上0±0.5°，Y轴方向上15±1°，调整THOR假人胸部使位于T6位置的倾角传感器X轴方向上0±0.5°，Y轴方向上-4±1°。调整标定台高度使摆锤中心与上胸部两IR-TRACC中心对齐。最后，给THOR假人穿上外套并拉紧拉链，同时调整肩部使肩部缓冲垫边缘与THOR假人肩部标记位置对齐。升高摆锤至速度为4.3m/s高度，连接各个通道需要采集的数据线，设置好数采，释放摆锤。

3.2 Hybrid III假人胸部标定

Hybrid III与THOR假人胸部标定摆锤一致，但是摆锤速度要求不一致，THOR假人要求摆锤速度为4.30m/s，Hybrid III假人要求摆锤速度为6.71m/s，过高的速度代表更大的能量输入，使用6.71m/s速度标定THOR假人可能损坏假人，同时为了使对比试验与实车碰撞试验工况相近，标定比对试验中对假人胸部进行速度为4.3m/s摆锤撞击试验，使用试验摆锤定位假人胸部，调整平台的高低确保撞击瞬间，试验摆锤的纵向中心线与Hybrid III假人中心O点的垂直线重合，如图5所示。

3.3 假人胸部标定响应

分别对THOR和Hybrid III假人胸部进行速度为4.3m/s摆锤冲击试验，对THOR假人胸部撞击位置为上肋骨IR-TRACC传感器中心位置，对Hybrid III假人胸部撞击位置为中心标准位置，分别采集THOR和Hybrid III假人胸部位移传感器变化响应，采样时间为110ms，采样频率为10000Hz，采集到THOR假人胸部IR-TRACC传感器数据，运用公式（14）计算THOR假人的胸部x向的位移变化结果如图5所示。

由图6结果可得，在相同的摆锤冲击速度下，THOR假人胸部IR-TRACC傳感器的左上、右上、左下、右下x向的位移分别为46.4mm、46.0mm、25.1mm和24.9mm，对应的响应时刻分别为23.2ms、23.3ms、34.0ms、35.4ms，可以看出THOR假人左上胸部和右上胸部x向位移基本一致，左下胸部和右下胸部x向位移基本相同，这是由于THOR假人的左胸部和右胸部IR-TRACC传感器为镜像结构，且摆锤冲击THOR假人上胸部肋骨中心位置，从而导致THOR假人上胸部位移量大于下胸部位移，且上胸部位移量的峰值时刻早于下胸部位移量的峰值时刻，说明上胸部的IR-TRACC传感器响应更迅速，表明THOR假人的胸部IR-TRACC传感器对力的作用位置更灵敏。在相同摆锤相同速度冲击力作用下，Hybrid III假人胸部位移为38.7mm，对应的响应时刻为23.9ms，THOR假人上胸部IR-TRACC传感器位移量大于Hybrid III假人胸部位移传感器位移量，说明THOR假人的IR-TRACC传感器较Hybrid III假人胸部位移传感器更灵敏。

4 基于台车试验的假人胸部响应

4.1 试验评价方法

对比THOR与Hybrid III假人在台车试验工况下的响应，首先明确对比试验评价方法，本课题使用NCAP试验中THOR与Hybrid III假人胸部伤害高低限值归一化后的数据进行比较[12，13]，THOR与Hybrid III假人胸部伤害高低限值如表1所示。

归一化采用线性差值计算，最终对比两个假人在相同试验工况下的失分率，线性差值按照公式（17）计算。

假人的失分率反映假人的损伤风险，对于THOR假人，胸部伤害低性能限值为60mm，高性能限值为35mm;对于Hybrid III假人，胸部伤害低性能限值为42mm，高性能限值为22mm。

4.2 台车试验矩阵

THOR与Hybrid III假人滑台对比试验选用某SUV车型，该车型配置完全相同，进行两次背对背对比试验，如图7所示。该车型均配置有主副驾气囊，预紧安全带，试验矩阵如表2所示。

4.3 假人定位

前排座椅调整应使其位于行程的中间位置并确认座椅滑轨系统已处于完全锁止，座椅高度调整至最低位置，座椅靠背应调节到使HPM装置躯干倾角调节到从铅垂面向后倾斜 25°角的位置，头枕高度调整至最高位置。转向盘调整对于水平方向可调节的转向盘，应调节到可调范围的中间位置。对于垂直方向可调节的转向盘，应调节到可调范围的中间位置，转向盘应处于自由状态。安全带固定点调整至中间位置。

为使对比试验更加严谨，在假人定位的过程中，优先保证THOR与Hybrid III假人的H点对齐，然后调整THOR与Hybrid III假人的头顶角，使头顶角在0±1°范围内。图8为THOR与Hybrid III假人在台车上的测点数据，包括头部质心、肩部旋转中心、假人H点、膝盖旋转中心、足跟点。从图8中可以看出，THOR假人头部质心相对于Hybrid III假人更偏上、偏后，这是因为THOR假人颈部较Hybrid III假人更长，THOR假人颈部与躯干的夹角较Hybrid III假人更大。THOR假人的膝盖旋转中心较Hybrid III假人膝盖旋转中心更靠近车辆的内饰，这是因为THOR假人大腿长度较Hybrid III假人长，在碰撞过程中，THOR假人大腿要比Hybrid III假人大腿更先接近内饰，故在设计膝部气囊时，应考虑THOR假人与Hybrid III假人大腿结构差异。

4.4 假人胸部响应

分别将THOR和Hybrid III假人位于某SUV车型的主驾和副驾位置进行滑台碰撞试验，两次滑台试验加速度波形分别如图9所示。由图9可得，两次SUV车型的滑台加速度波形一致性较好，两个波形的峰值分别为41.0g和41.3g，相对误差为0.7%，误差非常小，可认为两次同一车型滑台试验条件相同，假人伤害也是在同一试验条件下获得，外界因素影响较小，可对比性强。

分别采集两次滑台试验的主驾和副驾假人安全带肩带力传感器数据，采样时间为0到200mms，采样频率为10000Hz，肩带力变化曲线如图10所示，由图可得两次滑台试验主驾和副驾位置肩带力曲线变化趋势基本一致，其峰值力分别为5.31kN，5.67KkN，5.31kN和5.67kN，峰值力相差不大，可以认为两次滑台试验的安全带作用效果一致。

将采集的THOR假人胸部IR-TRACC传感器数据，运用公式（14）、（15）、（16）计算出THOR假人的胸部x向以及x、y、z三向合成的位移变化量，并于同位置Hybrid III假人胸部位移变化曲线进行对比，如图11、12、13、14所示，其对应位移量的变化值见表3。

由图可得，THOR假人胸部四个IR-TRACC传感器的位移变化曲线差异较大，这是由于THOR假人IR-TRACC传感器受安全带不均匀力作用的结果。同为主驾位置时，THOR假人右上胸部x向位移量为50.2mm，响应时刻为67.4ms，大于Hybrid III假人胸部位移量33.5mm，Hybrid III假人胸部响应时刻为82ms，且THOR假人右胸部位移响应时刻早于Hybrid III假人胸部。同为副驾位置时，THOR假人左上胸部x向位移量为38.1mm，响应时刻为72.4ms，大于Hybrid III假人胸部位移量27.2mm，Hybrid III假人胸部响应时刻为78.4ms，且THOR假人左胸部位移响应时刻早于Hybrid III假人胸部，在同样安全带配置情况下，THOR假人胸部位移变化量要大于Hybrid III假人胸部位移变化量，表明THOR假人胸部IR-TRACC传感器较Hybrid III假人胸部位移响应更灵敏更迅速。当THOR假人位于主驾位置时，右侧胸部位移变化量均大于左侧胸部位移变化量，当THOR假人位于副驾位置时，左侧胸部位移变化量均大于右侧胸部位移变化量，说明主驾位置安全带作用力偏向于THOR右胸部IR-TRACC传感器，副驾位置安全带作用力偏向于THOR左胸部IR-TRACC传感器，表明THOR假人的胸部IR-TRACC传感器受力的作用位置的影响更加明显。且THOR主驾假人的最大胸部位移量大于副驾假人，而Hybrid III假人位于主副驾位置兩次胸部位移变化相差较小，表明THOR假人的胸部IR-TRACC传感器对力的作用位置响应更加灵敏（表3）。

根据两次滑台试验中THOR和Hybrid III假人胸部位移变化量运用公式（17）计算假人的胸部失分率，如图15所示。由图可得，THOR假人的胸部最大失分是在驾驶员位置，Hybrid III假人最大失分也是在驾驶员位置，表明驾驶员位置受损伤风险要高于乘员位置;对于SUV车型的驾驶员和乘员位置THOR假人的失分率要大于Hybrid III假人，相同工况下，THOR假人胸位移量较Hybrid III假人大，这要求在从车辆的设计过程中要充分考虑约束系统尤其是安全带对假人胸压的影响，在安全带限力等级与驾驶员身体约束之间找到最优点。

5 结论

本文对THOR与HybridIII假人胸部响应特性进行分析，首先介绍了THOR假人胸部IR-TRACC传感器的计算方法，基于THOR假人胸部标定程序，对比THOR与Hybrid III假人在相同摆锤速度工况下的胸部响应，选取某SUV车型进行THOR与Hybrid III假人的滑台比对试验，得到假人的胸部胸部响应，得出以下结论。

（1）基于THOR假人胸部标定程序，对比THOR与Hybrid III假人在相同摆锤相同速度工况下的胸部响应特性，表明THOR假人的胸部IR-TRACC传感器较Hybrid III假人胸部传感器响应更灵敏和更迅速，且THOR假人的胸部IR-TRACC传感器受力的作用位置的影响更加明显。

（2）选取某SUV车型进行THOR与Hybrid III假人的比对试验，在同样安全带配置情况下，THOR假人胸部位移变化量要大于Hybrid III假人胸部位移变化量，且THOR假人胸部位移响应时刻早于Hybrid III假人胸部，表明THOR假人胸部IR-TRACC传感器较Hybrid III假人胸部位移响应更灵敏更迅速。当THOR假人分别位于主驾和副驾位置时，THOR假人左侧和右侧胸部位移变化量相差较大，表明THOR假人的胸部IR-TRACC传感器对力的作用位置响应更加灵敏。

（3）根据两次滑台试验的假人的胸部位移量采用归一化分析方法进行失分率分析，结果表明相同碰撞工况下THOR假人的失分率要大于Hybrid III假人，THOR假人的胸部损伤风险更大，对于THOR和Hybrid III假人，主驾位置的失分率要大于副驾位置。

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