C-NCAP中THOR 50th假人头部气囊触底评价方法探讨

商恩义，李月明，习波波，崔新康，张 毅

（浙江省汽车安全技术研究重点实验室，吉利汽车研究院（宁波）有限公司，宁波 315336，中国）

在欧洲新车评价规程（European New Car Assessment Program，Euro NCAP，E-NCAP）（2013 年 版）[1]中，将气囊不稳定接触规定为修正项，并指出基于头部加速度变化进行判断[2]：在假人头部加速度曲线回归过程中出现峰尖时，如果怀疑触底造成，则在认为触底峰尖开始和结束之间插补光滑曲线，并测量出峰值持续时间和超出周边曲线相对幅值。当持续时间超过3 ms且相对幅值超过5g（g为重力加速度）以上时，可初步确认气囊触底。商恩义[3]对该评价方法进行了研究，指出高速碰撞过程中假人头部除了受到安全气囊或方向盘、车内饰等施加的外力，也会受到颈部约束，即有内力。头部发生气囊不稳定接触是头部所受外力发生突变，对其进行判断应基于头部外力作用加速度进行，而不应直接采用包含内力作用结果的加速度。试验中，将采集假人头部3个方向的加速度和上颈部3个方向的颈部力，因此，求解外力时，可依据d’Alembert原理进行。计算过程中，头部惯性力通过头部质量和头部加速度计算，内力为所采集上颈部力。将3个方向外力求解后进行合成，而后再除以头部质量，便可求得头部外力作用加速度[4]。

在中国新车评价程序（China New Car Assessment Program, C-NCAP）2021年版[5]中，将原正面40%重叠可变形壁障（offset deformable barrier，ODB）碰撞试验改为正面50%重叠移动可变形壁障（mobile progressive deformable barrier，MPDB）碰撞试验，且驾驶员假人由Hybrid Ⅲ 50th假人更换为THOR 50th假人。另外，针对前排假人头部，参照E-NCAP增加了 “气囊不稳定接触”修正项，评价中引入了文献[3]的研究结果，指出对正面碰撞中Hybrid III 50th假人头部是否发生触底的判断采用头部外力加速度；对MPDB试验中THOR 50th假人头部是否发生触底，鉴于THOR 50th假人头颈部结构与Hybrid III 50th假人头颈部结构不同，x向和y向沿用文献[3]的计算方法，z向外力在原计算方法求得结果的基础上再去除颈部前、后钢索z向作用力。

鉴于颈部前、后钢索对头部运动的影响较复杂，很难通过在z向进行简单加减实现排除，本文将通过对比分析THOR 50th假人和Hybrid Ⅲ 50th假人头颈部结构，分析THOR 50th假人头颈部结构的变化对计算头部外力的影响；通过进行模拟气囊触底试验，研究颈部钢索的增加在气囊触底过程中的作用、面部力在气囊触底过程中的表现。通过上述研究，对THOR 50th假人头部气囊触底的评价方法进行深入探讨。

1 THOR 50th和Hybrid Ⅲ 50th假人头颈部结构

1.1 2种假人头颈部结构

Hybrid Ⅲ 50th 和THOR 50th的假人头部和颈部结构如图1[6-7]所示。头部和颈部之间通过连接轴相连，头部加速度传感器安装在上颈部载荷传感器上，而上颈部载荷传感器位于连接轴上方。在碰撞过程中，Hybrid Ⅲ 50th假人头部和颈部当前结构可确保头部加速度传感器和上颈部载荷传感器所处坐标系各坐标方向始终一致，因此，通过头部质量、头部加速度、上颈部载荷可以求得头部所受外力和外力加速度。

假人头部加速度传感器安装在一个刚性平台上，上颈部载荷传感器处于头部和颈部连接轴下方。假人颈部前、后各有一条钢索，并分别跨过连接轴与头部前后所安装弹性载荷传感器相连。另外，假人面部增加了正面载荷传感器。

图1 2种假人头颈部结构

1.2 2种假人头颈部结构对比

建立假人加速度和载荷坐标系[8]：x向为前后方向，y向为左右方向，z向为上下方向。对于头部加速度方向，x向前为正；y向右为正；z向下为正。对于假人颈部载荷，Fx为头向后胸向前为正，Fy为头向左胸向右为正，Fz为受拉为正。对于钢索作用力，受拉为正。对于面部力，受压为正。

与Hybrid Ⅲ 50th头部和颈部结构相比，THOR 50th假人上颈部载荷传感器安装位置由头颈连接轴上方改到下方，该改动使上颈部载荷测量更加合理，基于颈部载荷传感器测量结果对颈部伤害所做评价更加严谨。但该改动导致碰撞中头部加速度传感器与颈部载荷传感器之间坐标方向不再完全一致，理论上不应再将颈部各方向载荷直接作为头部受到的内力使用。另外，虽然THOR 50th假人颈部前后钢索与头部两个z向固定的弹性载荷传感器相连，但随着头部相对颈部前后转动，钢索对头部施加的约束并不是只沿头部z向，而仅仅是采集了z向所受拉力。

2 THOR 50th假人头部所受外力探讨

2.1 THOR 50th假人颈部钢索作用分析

以某车型在中国汽车技术中心天津试验室所做的MPDB试验结果为基础，按照文献[3]中方法计算THOR 50th假人头部外力。综合分析如图2所示。

用Ff表示前钢索作用力，用Fr表示后钢索作用力。以后钢索作用为基准，用后钢索力减去前钢索力，即将前钢索受拉转换为后钢索受压，所得结果作为钢索合力，用Fr-f表示。分析各变化对THOR 50th假人头部外力计算的影响，以及钢索作用与头部运动关系[9-10]。分析中，将头部x向外力起始时刻之前定义为头部碰撞前，头部y向外力归零时刻（头部y向几乎不受钢索作用影响）之后定义为头部碰撞回弹过程，两时刻之间为头部碰撞过程。

由图2a可知：钢索作用主要发生在假人头部回弹过程，且在MPDB试验中影响主要在x向和z向。由图2b可知：钢索的作用与头部相对颈部运动相关，即与上颈部My紧密相关。图2d表明：头部与颈部传感器坐标系偏差对分析头部所受外力影响较小。在头部与气囊碰撞过程中，颈部前后钢索作用力也较小。只有在假人臀部快速回弹，头部向前下方产生挥鞭运动[11]时，后钢索回拉头部作用才会明显。

图2 THOR 50th假人头部外力、钢索力及颈部My综合分析图

2.2 面部载荷作用分析

相对于Hybrid Ⅲ 50th假人，THOR 50th假人在面部5个位置增加了面部载荷传感器，将其合力称为面部力Fxm，在外力作用下，面部力Fxm应与外力Fx相关，建立两者比较关系如图3所示。

图3 外力Fx和面部力Fx m比较

图3中，在头部与气囊碰撞过程中，两条曲线同步性较好，只是因面部力Fxm仅仅为5个位置采集合成，而外力Fx反映整个头部x向所受外力，面部力Fxm幅值偏低，但面部力曲线已能够反映头部正面受力情况。面部力Fxm归零后外力Fx依然存在作用力，该阶段力反映了假人头部回弹过程中钢索对假人头部x向的作用。

2.3 颈部钢索作用对头部外力加速度的影响

判断气囊触底是通过头部外力加速度进行，因此，需要分析钢索作用对头部与气囊碰撞过程中所产生的外力加速度的影响，影响过大应排除。将头部采集加速度的合成加速度用arh表示，由颈部内力转换来的加速度用arn表示，通过arh和arn计算得到的外力加速度用ar表示，将前后钢索z向拉力转换而来的前后钢索加速度分别用azf和azr表示，建立ar与azf和azr比较关系如图4所示。

图4b表明：头部外力加速度产生突变可排除钢索作用。

3 试验研究

钢索作用和坐标系差异，在安全气囊正常作用下，对THOR 50th头部外力计算影响较小，但在气囊触底情况下，其影响需要进行模拟研究。在THOR 50th面部标定试验[12]中，将完整的假人摆放在平台上，用13 kg的摆锤冲击假人面部，该实验易操作；因此，确定在此试验工况基础上，本文作者进行了不同速度下的冲击试验模拟气囊触底。

3.1 低速摆锤冲击

在假人面部粘贴一个吹起的气球，升高摆锤使其以约1.25 m/s的速度冲击气球，用摆锤撞击气球模拟气囊发生触底。模拟试验碰撞0时刻状态如图5所示。模拟试验后，建立假人头部x向和z向外力与前钢索力比较关系如图6所示。假人面部力曲线Fxm如图7所示。

图5中，假人头部受到冲击后将发生后仰运动，因此，头部主要为x向和z向受力，钢索只有前钢索施加拉力。

图4 a r与 az f和az r比较

图6中，在63 ～ 70 ms时，外力曲线发生突变，此时，气囊被击穿，头部发生触底。头部触底时间短促，前钢索力并没有发生明显反映，只有头部发生后仰后，前钢索对头部才产生明显回拉作用，且该作用主要发生在z向。图7中，气囊触底时，面部合力Fxm也发生瞬间剧烈振荡，且后续曲线不再平滑。

图5 面部冲击试验初始状态

图6 低速摆锤冲击假人头部x向和z向外力与前钢索力F f

3.2 高速摆锤冲击

为了验证模拟试验结果的必然性，将气球更换成支撑强度更高的气袋，并使摆锤以1.86 m/s速度再次进行冲击试验。

试验后，建立假人头部x向和z向外力与前钢索力比较关系如图8所示。图8中，假人头部外力与前钢索力间关系与低速模拟试验结果基本相同。

图8 高速摆锤冲击假人头部x向和z向外力与前钢索力

图9 高速摆锤冲击假人面部Fx m

假人面部力曲线Fxm如图9所示。图9中，气囊触底时，面部力曲线也发生瞬间剧烈振荡，且因摆锤端面与假人面部接触不稳定后续曲线波动强度高。

4 结 论

通过对THOR 50th假人头部、颈部和钢索试验数据的综合分析以及通过摆锤透过气球撞击假人头部进行气囊触底模拟试验研究，得出结论：

假人头部坐标系和颈部坐标系在试验中的差异可忽略，计算头部外力时依然可以采用头部质量乘以头部加速度减去颈部力的计算方法；

假人颈部前后钢索在头部与安全气囊碰撞过程中作用较小，在发生气囊触底时也不会发生急剧反应，分析THOR 50th假人头部z向外力时可不作处理；

面部力完全反映头部与安全气囊接触过程，有突变必定发生气囊触底，是评价气囊触底的最佳条件，只是当前无法量化评价指标，后续研究应关注；

为了保证评价尽可能客观、严谨，作者建议：2021版C-NCAP在评价气囊触底时应通过头部外力加速度和面部力相结合方式进行。

参考文献 (References)

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