整车MPDB试验中THOR假人损伤的研究*

刘 明，商 博，赵清江

（1.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆400039；2.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆400039；3.泛亚汽车技术中心有限公司，上海201201）

前言

为同时评估车辆在发生事故时对本车乘员的保护能力（耐撞性）和对对方碰撞车辆的伤害能力（攻击性），即对车辆的碰撞兼容性进行评估，Euro NCAP（European new car assessment program）在2020年新引入MPDB（mobile progressive deformable barrier）碰撞测试项目［1］。Euro NCAP采用了全新设计、生物逼真度更高的THOR（test device for human occupant restraint）50百分位假人来评估对驾驶员的保护性能。C⁃NCAP在2022年也将采用该测试方法，试验设置如图1所示。

图1 MPDB碰撞试验设置

1 MPDB试验特点与碰撞强度分析

1.1 MPDB碰撞车辆的加速度波形特点

通过对比同一款车型的50 km/h完全正面FWRB（full width rigid barrier）、64 km/h正面40%重叠率ODB（offset deformable barrier）试验和50 km/h正面50%重叠率MPDB碰撞试验的加速度曲线（图2）可以看出，MPDB工况中波形的回弹时刻大幅提前，在80 ms前即完成整个吸能过程，这与FWRB的波形变化很接近，而在ODB工况中整个吸能过程大约持续到120 ms；此外，由于MPDB壁障的整体刚度比ODB大［2-3］，但小于刚性壁障，造成碰撞前期MPDB工况中加速度上升较快，明显高于ODB但又小于FWRB。因此，对于MPDB工况的约束系统参数配置可以在参考FWRB的基础上进一步调整。

图2 某车型FWRB、ODB和MPDB工况车身x向加速度对比

1.2 MPDB碰撞强度与车辆质量的相关性分析

最大速度变化Δv和能量等效速度EES（energy equivalent speed）两个指标广泛用于评估车辆碰撞事故中车辆损坏和乘员损伤的严重程度。由于车辆前端结构设计的差异，即使在相同的Δv和EES时，碰撞车辆也表现出完全不同的加速度；由于乘员年龄、性别和身体状态，约束系统配置等也存在广泛的差异，这将造成在相同的Δv和EES时出现完全不同的乘员损伤［4］。基于这些原因，根据TSOI、Gabauer和Park等［5-7］，以及天合汽 车TRW［8］和 国 际 标 准 组 织ISO（international organization for standardization）［4］的研究，采用加速度强度指数ASI（acceleration severity index）、车辆加速度指数VPI（vehicle pulse index）和乘员载荷指标OLC（occupant load criterion）这3个与乘员损伤相关的碰撞强度指标对MPDB的碰撞强度进行分析。

1.2.1 加速度强度指数ASI

欧洲标准化委员会CEN（European committee for standardization）在标准EN1317中提出通过计算ASI指数，评估车辆和道路约束系统（如护栏）碰撞时的严重程度和对佩戴约束系统的乘员损伤影响。

1.2.2 车辆加速度指数VPI

VPI指数由ISO提出，用于评估碰撞加速度对佩戴约束系统的乘员损伤影响程度。VPI伤害指标通过使用单自由度的集中质量-弹簧模型来预测乘员的运动，原理如图3所示。

图3 车辆加速度指数VPI示意图

VPI的计算公式为

式中：M为乘员质量；y（t）为乘员位移；x（t）为车辆位移。车辆和乘员通过约束系统连接，定义函数P（t）表示两者间的受力，其中k为约束系统的刚度，s为约束系统的松弛量。质量为1 kg时，ISO推荐的k值为2 500 N/m，松弛量为0.03 m。对于不同的碰撞加速度，推荐使用设置固定的约束系统刚度k和松弛量来计算VPI。

1.2.3 乘员载荷指标OLC

OLC指标由TRW的Kübler博士等在2008年提出。通过对碰撞过程中，在安全带的作用下乘员的运动状态研究，认为在碰撞初始阶段，由于安全带对乘员的约束作用较小，乘员处于无约束的自由状态，并保持初始速度运动直到相对于车身的位移达到65 mm（图4中区域A1的面积）。此后，假设约束系统完全开始起作用，乘员以恒定的减速度运动直到相对于车身的位移达到235 mm（图4中区域A2的面积），该恒定减速度即为OLC值。OLC指标目前为Euro NCAP MPDB测试工况中的评价指标之一。

图4 OLC计算方法

根据9款实车MPDB碰撞试验采集的加速度信号（左侧B柱下位置），分别计算以上3种碰撞强度指标，并与车辆质量进行线性相关度分析，如图5所示。

图5 车辆质量与ASI、VPI和OLC指标的关系

由图5可见，随着碰撞车辆质量增大，3个指标呈现一致减小的趋势，即随着车辆质量增加，在碰撞事故中乘员损伤的风险降低。这与美国国家公路交通安全管理局（national highway traffic safety administration，NHTSA）在碰撞兼容性早期的研究中根据碰撞事故的死亡率分析报告系统（fatal accident reporting system，FARS）得出的结论一致［9］。中国汽车技术研究中心根据14次实车MPDB试验中THOR假人的损伤数据比较，大型车（试验质量>1 700 kg）的得分率相对高于小型车（试验质量<1 700 kg）［10］。得分率越高，表明对乘员的保护效果越好，乘员损伤的风险越低，这也与当前的分析结论一致。

2 MPDB试验中THOR假人损伤的特点与影响因素分析

2.1 THOR假人损伤的特点

根据试验中THOR假人得分统计的各部位得分比例如图6所示。其中胸腹部的得分最低，其次为小腿。通过对胸腹损伤值的进一步分析，发现腹部得分为满分，胸部压缩量大，尤其是右上胸部位移传感器位置的压缩量大，是造成胸腹部得分低的关键原因。这与THOR假人胸部和整个上躯干全新的设计［11-12］以及安全带的佩戴位置有关（图7）。相对目前在碰撞试验中广泛使用的Hybrid III 50百分位男性假人，THOR 50百分位假人的生物仿真度更高，其胸部刚度接近人体但小于Hybrid III 50百分位假人［13］，造成在相同条件下，THOR假人的胸部压缩量明显大于Hybrid III假人［14］。因此，研究影响胸部压缩量的关键车辆参数，如碰撞强度和约束系统配置等，可以有效提高约束系统和车辆结构的匹配效果，减小假人损伤。

图6 MPDB试验中THOR假人各部分得分比例

图7 THOR与Hybrid III假人胸部结构比较

2.2 THOR假人伤害的影响因素

试验中THOR假人的主要损伤集中在胸部和小腿，基于现有试验参数和结果，本文中主要研究碰撞强度和安全带限力对胸部和小腿损伤的影响。胸部损伤指标选用右上位置胸部压缩量，而小腿的损伤指标选择轴向压缩力和小腿损伤指数TI（tibia index）作为分析对象。由于OLC指标与试验车质量的线性相关性相对最好，因此选用OLC指标分析和假人损伤值的相关性。安全带的限力水平根据试验中上肩部安全带力传感器采集的数据确定，在本次研究的试验车型中，两个车型配置的安全带无限力，这两个车型的假人损伤数据不在研究范围内。

表1为根据OLC指标、安全带限力、胸部压缩量和小腿损伤结果计算的线性相关系数。由表1可知，OLC指标与小腿损伤呈现显著的正相关关系（相关系数>0.81），与右上位置的胸部压缩量也表现较为明显的正相关关系（相关系数=0.69）。因此减小OLC指标，有利于减小胸部压缩量和小腿损伤。安全带的限力水平和THOR假人的胸部压缩量存在显著的线性相关性（相关系数=0.91），随着安全带限力水平的提高，胸部压缩量增大。这与泛亚汽车技术中心对MPDB工况中THOR假人胸部损伤研究的结论一致，安全带限力等级是影响胸部压缩量的关键因素［15］。而安全带限力与小腿轴向压缩力的相关性相对胸部较低，与小腿损伤TI指数的相关性不明显。

表1 OLC指标、安全带限力、假人胸部和小腿损伤之间的相关性

3 减小THOR假人损伤的对策分析

基于以上分析，胸部压缩量是影响THOR假人损伤的关键，OLC指标和安全带的限力等级均对胸部压缩量有影响。OLC指标主要通过车辆开发前期结构方面的不断优化来改进，安全带的限力等级作为约束系统的参数，则须基于车辆的OLC指标进行匹配优化。由于胸部压缩量对安全带限力等级的敏感程度更高，因此确定合适的安全带限力等级是约束系统配置的关键。

根据OLC指标，安全带限力等级对THOR假人右上位置胸部压缩量的影响拟合三维关系如图8所示。由图8可见：当OLC指标较低时，较低的安全带限力等级造成的胸部压缩量较小；当OLC指标较高时，则要通过多轮的优化确定合适的安全带限力等级。

图8 OLC指标和安全带限力等级对胸部压缩量的影响

由于安全带的限力水平和THOR假人的胸部压缩量存在显著的线性相关性，所以基于试验数据拟合，可得到两者的相关性公式，如图9所示。通过该公式，可以近似获得限力等级对应的胸部压缩量。根据Euro NCAP评价规程，不同的胸部压缩量对应不同的胸部得分。因此可以通过设定的假人胸部得分目标确定胸部压缩量目标，再通过该公式转换，可近似确定所需的安全带限力等级。Euro NCAP中THOR假人胸腹部的分数为4分，对应的胸部压缩量限值为35 mm。以得分3分为目标，转换后对应的胸部压缩量为41.25 mm，通过公式近似确定的安全带限力等级为2.70 kN。由于目前企业中使用的安全带限力相邻两个等级之间的差值通常为0.5 kN，因此确定的安全带限力等级为2.5~3.0 kN。

图9 安全带限力等级和THOR假人右上胸部压缩量的相关性

4 结论

通过对MPDB试验数据研究得到如下结论。

（1）在MPDB试验中，对于不同的碰撞强度评价指标，碰撞强度与碰撞车辆的质量成负相关关系，即随着车辆质量增加，碰撞事故中乘员损伤的风险降低。

（2）在MPDB试验中，THOR假人的损伤主要集中在胸部，尤其是右上位置的胸部压缩量。

（3）安全带的限力等级和碰撞强度对THOR假人的胸部压缩量均有影响，安全带的限力等级是影响的关键因素。随着限力的提高，胸部压缩量增大。因此，为提高THOR假人的得分，建议尽可能降低碰撞强度，安全带限力等级为2.5~3.0 kN。