SID-Ⅱs假人肩部加速度异常数据的研究

崔新康，商恩义,李月明,张毅,章健,张荣

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

0 引言

当前，在汽车被动安全约束系统开发过程中，每款车通常需要进行几十次的实车碰撞试验[1-2]。试验中，通过假人身上各个部位的传感器采集数据来评价乘员受到的伤害程度[3]。因此，对假人身上采集数据的质量要求较高。但事实上，试验中采集到的假人数据中经常存在毛刺、尖峰、削峰、跳变、相位平移、叠加等异常现象[4-5]。其中，各假人中尤其以SID-IIs假人肩部加速度的异常问题偏多，这些异常数据有时会影响假人伤害值的评价，对其产生的原因有必要进行深入研究，以便及时解决。

1 SID-IIs假人肩部及胸部结构

SID-IIs假人胸部结构[6]如图1所示。

图1 SID-IIs假人胸部结构

SID-IIs假人上躯干胸部结构可以简化为悬臂梁式结构如图2所示。胸椎可以简化为一个长方形的刚体，肩部简化为一个长方形的弹性薄板。肋骨一端固定胸椎上，另一端和手臂相连是自由端，肩部肋骨上下都有挡板，肋骨和挡板之间有活动间隙。假人肋骨在移动时受限于上下挡板,肩部肋骨和胸椎之间也有活动间隙，前后移动受限于胸椎。

图2 SID-IIs假人肩部及胸部简示图

2 假人肩部加速度数据异常案例研究

某车型进行IIHs侧碰试验后，后排SID-IIs假人肩部Y/Z向加速度数据都出现了持续异常突变。异常突变主要集中在10～30 ms和在70～170 ms时段。数据幅值在40g左右，脉宽在5～10 ms,如图3所示。把肩部、胸部(上中下)、腹部(上下)的Y向加速度放在一起比较时，只有肩部的Y向加速度70～170 ms时段有异常突变，如图4所示。

图3 侧碰试验主驾后排假人肩部加速度

图4 肩部、胸部、腹部加速度

在查看肩部、胸部(上中下)、腹部(上下)的位移，可以看到上面各个部位的位移走势基本一致，在70～170 ms时段无异常突变，如图5所示。说明假人肩部肋骨在70～170 msY向没有受到外力。把肩部、胸部(上中下)、腹部(上下)的加速度进行积分，可以看到胸部(上中下)、腹部(上下)的速度曲线走势基本一致，最大达到10 m/s。肩部加速度的积分曲线在12 ms偏离总体走势，最大速度达到26.7 m/s。如图6所示。说明主驾后排SID-IIs假人肩部Y向加速度数据是异常数据。但是，这种异常是假人结构运动的真实体现，还是某种原因导致的数据异常暂时无法判断。

图5 侧碰试验主驾后排假人肩部位移

图6 侧碰试验主驾后排假人肩部/胸/腹加速度积分

2.1 异常因素分析

图7为异常因素分析图。

图7 异常因素分析图

试验前SID-IIs假人肩部加速度传感器用数采静态检测正常，试验后下载SID-IIs假人试验数据发现肩部加速度数据异常。为了检查是否是肩部加速度器损坏(传感器内部虚接或内部结构损坏)，把SID-IIs假人肩部加速度传感器固定在加速度检测设备上进行动态冲击试验检测，肩部加速度检测结果如图8所示，肩部X、Y、Z向加速度曲线一致，说明Y向加速度正常。

图8 试验后加速度检查曲线

为了消除传感器老化屏蔽层损坏、接头虚接等因素，把SID-IIs假人肩部加速度传感器更换为新型传感器，如图9所示。

图9 肩部加速度传感器

后续试验发现异常数据并未消除。可以排除传感器因素和假人部件损毁因素。

由于在多个车型的侧碰试验中均出现肩部加速度数据异常，每次试验时SID-IIs假人肩部加速度传感器LEMO头连接的数据采集系统的通道会不一样。如图10所示，由此可以排除车型差异和数采的因素。

图10 试验数采和假人通道连接

每次侧碰试验的温度都控制在20～22 ℃，如图11所示，温度偏差较小,因此也可以排除温湿度因素。

图11 试验前假人温度检查

通过上面分析，最终把排查重点放在了假人本身结构上。

2.2 数据分析

通过视频观察后排SID-IIs假人，在10～30 ms这段时间SID-IIs假人在惯性力的作用下假人向门护板移动倾斜。在30 ms时主驾后排SID-IIs假人手臂与门护板接触(图12)。

图12 假人手臂与门护板位置

在通过查看试验数据，安全带在10 ms左右点火(图13)开始预紧。安全带力在15 ms时达到了峰值2 164 N，15～30 ms安全带力逐步减小，安全带肩带力曲线具体如图14所示。安全带的预收紧过程如图15所示。

图13 安全带点火时间

图14 安全带肩带力曲线

图15 10～30 ms后排假人安全带预紧视频

一般情况下安全带预收紧时，胸部加速度会变大，例如：在正碰试验中在前排安全带预紧时HIII-50%假人产生的胸部加速度为1～5g。但是，主驾后排SID-IIs假人在10～30 ms肩部Y/Z向的加速度幅值竟然达到45g左右则明显异常。在10～30 ms这个时间段内唯一的外力来源就是安全带预紧力，安全带预紧时安全带快速收紧，胸部上边(肩部肋骨、胸部第一根肋骨)短时间受到较大的力。

在54 ms肩部位移达到最大值15.2 mm，如图16所示,此时假人上躯干开始反弹。在假人上躯干反弹的过程中70～110 ms时段肩部加速度Y/Z出现突变，在Z向峰值明显大于Y向，同时Y向曲线相位比Z向曲线相位偏后，说明在这段时间肩部受力主要方向为Z向。在130～159 ms时段肩部加速度Y/Z再次出现突变，这段时间Y向和Z向的相位出现偏差越来越大，Y向曲线相位比Z向曲线相位偏差达到6 ms，具体如图17所示。通过视频观察后排SID-IIs假人，在70～170 ms这段时间SID-IIs假人手臂与门护板一直未脱离(图18)，安全带力在0附近。所以，在假人上躯干处于反弹的过程中，肩部肋骨Z向的力来源于手臂。

(4)教学方法的选择：作为职业院校的老师在主观上并不排除教学改革，也积极学习先进的教学理念、各种信息化教学手段，竭力摆脱传统教学方法的束缚。但是，实际教学中，只有少部分学生主动参与教学，课堂上无法开展教学互动，有的学生拒绝参与课堂学习，学生的消极反应影响了老师的教学热情，为了完成任务，很多老师不得不又回到以讲授为主的授课方式，这主要由于他们没有找到适应中职学生的教学方式。尽管中职学生存在学习意愿弱、学习习惯较差等问题，他们善于通过动手实践来学习各种技能，该课程的教学时应充分设计动手环节，让学生在完成实际任务的过程中达到预期的教学目标。

图16 SID-IIs假人肩部位移

图17 SID-IIs假人肩部加速度

图18 70～170 ms后排假人安全带预紧视频

2.3 异常数据原因分析

根据SID-IIs假人肩部肋骨结构，在肩部肋骨和胸椎连接在X、Z都是一个悬臂梁结构。受力时端部会产生较大位移，加速度安装块就安装在悬臂梁结构的端部。加速度传感器记录的就是假人肋骨端部的运动情况。

在10～30 ms这个时间段内唯一的外力来源就是安全带预紧力，安全带预紧力峰值达2 164 N。安全带预紧时，安全带在快速收紧的过程中，胸部上边受到的力最大。主要集中在肩部肋骨、胸部第一根肋骨。肩部安全带预收紧，安全带会下压肩部肋骨，安全带施力点在肩部肋骨端部附近。端部肋骨瞬间受力产生较大位移，下移动时会受阻于挡板和胸椎，肋骨会和挡板产生撞击，同时由于肋骨是一个弹性体，在撞到下挡板时会向上撞击上挡板，在上下挡板之间振荡，幅度和强度越来越小。肋骨撞击挡板时会产生高加速度。

在70～170 ms时间段，假人上躯干处于反弹的过程中，肩部未完全和车门护板脱离。在这个过程中手臂和车门护板撞击及手臂在自身重力下抖动造成肩部肋骨和上下挡板撞击。导致肩部产生高加速度。

2.4 试验验证

用手握住假人手臂端部，上下/前后晃动手臂撞击上下挡板，同时小幅转动假人手臂。通过数据采集系统假人肩部加速度曲线。查看试验曲线能否复现试验异常数据。数据采集系统触发后，上下晃动SID-IIs假人手臂5次，共采集了10 s的数据，从试验采集到的数据中，可以看到5个杂波数据，幅值达到40g，如图19所示。

图19 SID-IIs肩部加速度曲线

由于实车碰撞过程在300 ms左右，为了更好地分析数据，把每一个杂波时间轴放大到毫秒级。试验放大第一个杂波会发现肩部加速度Z、X向出现试验中类似的异常数据，Z向幅值大约为38g，X向幅值大约为42g，脉宽在5 ms左右,具体如图20所示。

图20 第一个杂波放大曲线

放大第二个杂波会发现肩部加速度Z、Y向出现试验中类似的异常数据，Z向幅值大约为38g,Y向幅值大约为39 g，脉宽在5 ms左右，具体如图21所示。

图21 第二个杂波放大曲线

放大第三个杂波会发现肩部加速度Z、Y向出现试验中类似的异常数据，Z向幅值大约为38g，X向幅值大约为37g，脉宽在5 ms左右,具体如图22所示。

图22 第三个杂波放大曲线

放大第四个杂波会发现肩部加速度Z、X向出现试验中类似的异常数据，Z向幅值大约为38g，X向幅值大约为30g，脉宽在3 ms左右,具体如图23所示。

图23 第四个杂波放大曲线

放大第五个杂波会发现肩部加速度Z、X向出现试验中类似的异常数据，Z向幅值大约为38g，X向幅值大约为42g，脉宽在5 ms左右,具体如图24所示。

图24 第五个杂波放大曲线

通过观察可以发现，每次撞击Z向的幅值都在38g左右，X向和Y向幅值相对Z向小一点，曲线的走势和脉宽和案例试验中的异常曲线基本符合，验证了之前的分析结果，试验中的SID-IIs肩部加速度异常数据是由于肋骨撞击。

3 结束语

文中通过对试验数据和试验视频进行分析和试验验证，研究了SID-IIs假人肩部加速度曲线异常原因，指出肩部加速度曲线异常的原因是由于试验过程中假人肩部肋骨撞击上下挡板/胸椎产生的。这个是由假人结构本身决定的。假人结构目前无法改变。因此，异常数据无法根除，但是，通过研究可以了解到SID-II假人的缺陷，推动假人公司进一步完善假人结构。

假人数据之间是相互关联的，在进行安全开发分析数据前，需要对数据进行关联分析印证一下，确保了数据的可靠性。可以避免试验中出现的异常数据误导安全开发。