Q3假人头部标定试验影响因素探究

周鹏，胡经国

中汽研汽车检验中心(宁波)有限公司，浙江宁波 315336)

0 引言

汽车道路交通事故是造成儿童伤亡的主要因素之一。世界卫生组织在2008 年发布的《世界预防儿童伤害报告》显示：全世界每年大约有26 万名儿童因交通事故丧生，并且造成约1 000万名儿童受伤[1]。相较于欧美等发达国家，我国因交通事故死亡的儿童人数远远高于发达国家，所以我国应该重视儿童安全保护。儿童乘员汽车安全性研究中最重要的一个工具就是儿童假人，而Q系列的儿童假人是目前的新型假人，正在大范围地逐步推广使用。我国最新的2018年版C-NCAP中就规定了使用Q3儿童假人，用以考核乘员约束系统强度，涉及的指标主要有头部加速度、颈部力与力矩、胸部加速度、胸部压缩量等。对于Q3假人而言，在试验前需对其头部、颈部、胸部、腰椎、腹部进行标定试验。本文作者着重介绍了头部标定试验及其影响因素之间的关系。

Q3假人头部跌落试验有两个评价指标：头部合成加速度、侧向加速度。影响假人头部标定的因素主要有标定时间间隔、头部角度、跌落高度、温湿度等因素。本文作者通过对Q3假人头部的大量标定试验，对影响假人头部标定试验结果的因素做了较为全面的探究，总结了一些外部因素对标定影响的规律，为今后的假人头部标定试验、生物力学响应与损伤研究、试验假人坐姿研究等提供了参考。

1 标定方法

根据Q3儿童假人标定试验说明[2]进行头部标定试验，共有两种标定试验类型，分别为头部正面标定试验和侧面标定试验。

头部标定试验的准备和要求如下：

(1)待标定头部部件在测试前应在测试环境中至少保存4 h，测试实验室应控制环境温度为(20±2) ℃，相对湿度为(40±30)%。

(2)在头部加速度计安装块上按要求安装3个单轴加速度传感器。

(3)数据采集系统和所有仪器必须符合SAE J211(1995年3月版)的要求。根据SAE J211(1995年3月版)，所有数据通道应在A/D转换之前使用硬件滤波器进行滤波。

(4)对于Q3假人的头部跌落试验，需要支撑和释放机构以及厚度至少为50 mm的钢板，它将用作冲击表面。该板应类似于CFR 49第572部分Hybrid III头部跌落试验中描述的钢板，并且应具有相同的粗糙度和尺寸。

(5)试验前应保证皮肤和头盖骨材料清洁完好无破损，检查所有螺钉是否已正确拧紧。

头部正面标定试验步骤如下：

(1)将头部用专用铁丝框定位悬挂在头部标定台上。铁丝框上有一块钢片，可以使用磁铁将头部固定到位，同时可以在任何方向轻松调整头部。

(2)头部的Z轴应与水平面成28°±2°的角度，内侧-外侧轴(Y轴)应为水平，允许误差±1°。释放后，头部应该用前额撞击表面。头部的Z轴平行于颅骨帽平面，见图1。

(3)头部的最低点应在冲击面上方(130±1)mm处。

(4)松开头部，使其自由跌落。

(5)头部两次标定最短时间间隔不少于30 min。

图1 头部正面标定试验示意

头部正面标定试验结果性能要求如下：

(1)最大合成加速度峰值应在(95～125)g之间。

(2)Y方向的加速度应在(-10～10)g之间。

头部侧面标定试验的准备和要求与正面标定试验基本一致。

头部侧面标定试验如图2所示，其试验步骤如下：

(1)将头部用专用铁丝框定位悬挂在头部标定台上。铁丝框上有一块钢片，可以使用磁铁将头部固定到位，同时可以在任何方向轻松调整头部。

(2)定位头部，中间矢状平面与水平轴成35°±2°的角度，并且前后轴是水平的，允许偏差±1°。这对应于水平面和头基面之间的角度为55°±2°，当头部跌落时，应使假人头部一侧与冲击表面进行碰撞。

(3)头部的最低点应在冲击面上方(130±1)mm处。

(4)松开头部，使其自由跌落。

(5)头部两次标定最短时间间隔不少于30 min。

头部侧面标定试验结果性能要求如下：

(1)最大合成头部加速度峰值应在(100～130)g之间。

(2)X方向的加速度应在(-20～20)g之间。

侧面标定试验分为左右侧，所以需要左右侧各做一次试验，标定方法相同，只是方向相反。

图2 头部侧面标定试验示意

使用头部标定试验台和相关测试设备对Q3假人按试验步骤进行头部标定试验，分别进行正面和左右侧面的跌落试验，共计3次。用数据采集系统采集头部三向加速度数值，并将3个方向的加速度数据用CFC1000滤波过滤产生相应曲线，以此确定头部合成加速度。其中头部正面标定试验如图3(a)所示，头部侧面(左侧)标定试验如图3(b)所示。

图3 假人头部标定试验

2 标定试验结果以及影响因素分析

2.1 试验结果

头部正面和侧面的标定试验结果分别如图4(a)(b)(c)所示。

图4 头部正面和侧面的标定试验结果

2.2 影响头部标定试验的因素

因为头部标定有正面试验和侧面(左、右)试验，侧面标定试验中左侧和右侧相一致，所以文中只考虑头部左侧标定试验。在分析影响因素时，以正面标定试验为主，而侧面标定试验用以验证结论。

2.2.1 标定时间间隔

按照假人标定要求，头部连续标定的时间间隔不得少于30 min。此次试验在同一环境下，采用相同标定程序，对同一头部进行连续正面标定试验，设定标定试验间隔分别为5、10、20、30、40 min进行5次试验，试验结果如图5所示。

图5 正面标定不同间隔试验结果

可以看到：曲线随时间间隔整体的增加，斜率逐渐变小。所以可以得到的结论就是头部合成加速度随着连续标定时间间隔的延长而逐渐减小，趋于平缓。这主要是因为制作皮肤的材料是由肖氏A硬度(Shore scleroscope hardness，HS)为40～50的聚氯乙烯制作完成[3]，而聚氯乙烯材料具有典型的黏性特性，在连续撞击的过程中，撞击部位的皮肤一直处于硬化的状态，应力来不及释放，进而使缓冲能力下降，推高合成加速度[4]。所以要保证同一头部的连续标定要有一定的时间间隔，按假人手册要求为30 min以上，即为合理。

2.2.2 头部角度

按标定要求，做头部正面跌落试验时，头部的Z轴应与水平面成28°±2°的角度，内侧-外侧轴(即Y轴与水平面)应为水平，误差±1°。采用控制变量法，为探究头部的Z轴与水平面所成角度对试验结果的影响，在同一试验环境下，对同一头部分别调整Z轴与水平面成0°、15°、29°、45°、60°、75°、90°进行试验，而内侧-外侧轴保持水平，其试验结果如图6所示。

图6 正面标定不同头部角度试验结果

可以看出：试验生成的合成加速度呈先减小后增大的趋势。因为试验要求的角度是28°±2°，而试验结果表明29°时合成加速度处于最小点，所以可以得出的结论是：在规定的头部试验角度减小或者增大时都会导致试验结果合成加速度变大。其中就文中涉及试验而言，根据曲线斜率得出小于10°或者大于67°都有可能超过规定合成加速度上限值。造成这个试验结果原因主要是因为Q3假人头部是一个不规则的曲面，随着角度的调整，头部碰撞点不同，而且角度调整是在线性条件下，但是碰撞点位置改变不呈线性，所以得出了该曲线。图7就是此次试验在不同角度下的碰撞点位置。

图7 不同角度下的碰撞点位置

Y向加速度范围作为标定指标，主要是考虑进行头部标定试验时假人头部和水平刚性平面接触时关于ZX平面的受力是否对称，即Y向上正负加速度是否足够小。一般理想状态下只要标定试验操作正确，Y向加速度范围都满足标定性能要求[5]。但是实际试验时总会有误差出现，所以为探究Y轴与水平面所成角度对试验结果的影响，在同一试验环境下，对同一头部分别调整Y轴与水平面所成角度为-5°、0°、1°、3°、5°进行试验，而Z轴与水平面成29°保持不变。得到的试验结果如图8(a)、(b)所示。

图8 Y轴偏角与头部加速度关系

由图8可见：在-5°～5°范围内随Y轴与刚性平面夹角的增大，合成加速度峰值先增大后减小，Y轴侧向加速度增大；在角度为0°和1°时，合成加速度峰值和侧向加速度峰值都处于符合要求状态；而角度增大到3°时，侧向加速度明显变大，波形出现异常，由正常的平稳波动出现单峰振荡，在-5°和5°时侧向加速度更大，分别达到-16.74g和15.82g，超出了限值，波形变为单峰非振荡状态。

当Y轴角度在规定范围内时，前额与刚性平面发生碰撞，由于碰撞平面较小，在碰撞时刻头部会出现晃动，因而Y轴的加速度会出现振荡的状态，数值较小；随着Y轴与刚性平面角度的增大，碰撞平面会向颞骨偏移，加速度在Y轴上的分量也会增加，因而会出现Y轴加速度增大且波形呈单峰非振荡的情况。当Y轴偏角超过3°时，侧向加速度峰值依然变大，但是由于波形出现了变化，导致了合成加速度的减小。通过试验可知，在Y轴偏角允许的±1°内时，由于标定过程的试验误差也会使头部加速度出现异常的状态，所以在标定过程中要严格按照试验步骤进行，Y轴向要尽可能接近0°来避免和减小误差。

2.2.3 跌落高度

标定时头部最低点距离刚性冲击面(130±1)mm。此组试验将头部高度分别调整为120、125、130、135、140 mm，进行5次试验，试验结果如图9所示。

图9 正面标定不同头部高度试验结果

可以看出：随头部跌落高度的升高，合成加速度逐渐增大，且曲线的斜率变大，说明试验高度越高，对试验结果的影响就越大，这与前文提到的头部皮肤材料有关。跌落高度对于试验结果有一定的影响，从此次试验结果看，高度在上下10 mm之间的浮动还是在合成加速度的上下限值之间，且基本呈线性变化。

2.2.4 温度

标定试验要求实验室应控制环境温度为(20±2)℃，相对湿度为(40±30)%。因湿度要求在10%～70%，范围较大，所以文中不探究湿度的影响。设置低温15.3 ℃、常温21.2 ℃、高温32.4 ℃三次试验，分别探究不同环境温度对头部标定结果的影响。图10是这组试验的结果。

可以看出：头部合成加速度随标定环境温度升高而减小。在低温15.3 ℃和高温32.4 ℃时合成加速度都接近临界值，因为低温环境下会使头部皮肤硬化，所以头部跌落时会导致合成加速度变大，而高温环境刚好与之相反，皮肤变软吸能效果变好，合成加速度变小。另外，头部长时间在低温环境下会使皮肤变硬，柔软性能明显下降，试验时必然会导致皮肤破裂；而长时间在高温环境下时，皮肤变软，会加速皮肤老化，大大缩短假人使用寿命[6]。因此假人无论是试验还是保存都应在18～22 ℃的环境温度下。

图10 不同温度下的试验结果

2.3 在头部侧面标定试验上的验证

头部侧面标定试验按上文正面标定试验的探究方法进行试验，即在标定试验间隔、头部角度、跌落高度和温度条件下分别进行试验，对其结果进行分析验证，最终得到的结论是：Q3头部侧面标定试验在不同影响因素条件下的实验结论与正面标定试验结论基本一致，所以侧面标定试验验证正面标定试验的结论是成立的。

3 结论

文中针对标定试验间隔、头部角度、跌落高度、温度4个因素分别对头部标定结果的影响进行探究试验。

根据试验结果分析可得：连续标定时间间隔缩短会导致合成加速度增大，其合成加速度数值会随着标定间隔的延长而逐渐减小，趋于平缓，对结果影响较大，所以在标定中要保证标准规定的时间间隔(至少30 min)；规定的头部正向角度(Z轴与水平面夹角)减小或者增大都会导致试验结果合成加速度变大，侧向角度(Y轴与水平面夹角)增大或者减小也会导致合成加速度突变，Y向加速度变大，对标定结果影响较大，所以在试验中一定要准确调整好两个角度，使其在规定值上；跌落高度增加使头部合成加速度变大，且高度越高影响越大；头部合成加速度随标定环境温度升高而减小，对结果影响较大，且高低温环境对于头部皮肤都有较大的损伤。