WorldSID与ES-2假人肋骨结构对比

胡经国，周鹏

(中汽研汽车检验中心(宁波)有限公司，浙江宁波 315336)

0 引言

ES-2假人是现今应用最为广泛和普遍的侧面碰撞假人，而WorldSID假人作为仿真度更高，各项生物性能更加出色的侧碰假人，已经开始逐渐取代ES-2，成为侧碰假人中的“主力军”。两种假人在外形尺寸、内部构造、传感器、动态响应等方面都有较大差异，文中着重介绍两者胸部肋骨结构的差异，通过基本的外形尺寸结构、标定工况下的差异以及在相同标定试验中的胸部肋骨伤害比较来具体谈谈两种假人的不同。

1 两种假人的基本差异

在没有开发WorldSID假人之前，侧面碰撞假人有BioSID、ES-2、EuroSID-1、USDOT-SID等，且各国使用的侧面碰撞假人不同，所以为了统一、规范化侧面碰撞假人，国际标准化工作组(ISO)研究开发了WorldSID 50th男性假人。按照ISO生物力学评价等级(表1)，对各侧碰假人进行评价，得分如表2所示[1]，可以看出WorldSID假人的整体仿真度是最好的，得分为7.6分，评级达到了“好”，而现今使用最广泛的ES-2假人得分是4.6分，评级仅是“普通”。

表1 ISO生物力学评分等级

表2 各假人仿真度评价对比 单位：分

因ES-2假人是根据欧洲男性的平均身材研发的，而WorldSID假人是基于全世界男性的身材开发的，所以两者在外形尺寸上的差异也很大。从外形上来看，WorldSID假人肩部较窄，但是胸部、腹部和骨盆都比ES-2假人要宽，表3为两者侧面宽度对比，尺寸测量为从假人中心到一侧的距离[2]。从质量分布来看两种假人各部位的质量也有差别，具体可从表4[3-4]中看到，两种假人各部位的质量相差并不大，整体质量也是非常接近，其中各部位分类有较大区别的是胸部、腹部和骨盆，ES-2假人是3个部位独立分开的，而 WorldSID假人是将3个部位分成了上、下躯干，这主要是两种假人胸部肋骨结构不同造成的。

表3 WorldSID假人和ES-2假人侧面宽度对比单位：mm

表4 WorldSID假人和ES-2假人各部位质量对比

2 肋骨结构对比差异

2.1 基本的外形结构差异

WorldSID假人肋骨结构包括1根肩部肋骨、3根胸部肋骨、2根腹部肋骨组成整个躯干。6根肋骨的结构、组成以及样式都基本一致，但因安装位置的不同，在大小上有着差异。每根肋骨左右两侧对称，单侧的结构为一个内闭环和一个半开环构成，内闭环与脊柱相连，外开环一端与脊柱后部相连，另一端与另一侧的半开环通过肋骨连接板(相当于人体结构中的胸骨)相连接，用以模拟人类肋骨结构。肋骨连接板在x-y平面将同一高度的左右侧肋骨连接，在x-z平面上将肩部肋骨与3根胸部肋骨连接在一起。人类身体结构在腹部没有肋骨，而WorldSID假人采用与胸部肋骨相似的肋骨结构来替代腹部，另一块肋骨连接板将两根腹部肋骨连接起来，而不与胸部肋骨连接，区分了肩-胸结构与腹部结构，使两个结构间减少干涉，更好地模拟真人。 WorldSID假人胸部肋骨结构如图1所示。

图1 WorldSID胸部肋骨结构

ES-2假人的肩部、胸部和腹部是独立分开的，如图2所示。ES-2假人的手臂直接连接在锁骨上，这就使得假人的手臂可以绕着锁骨向前移动，而由于肩部锁骨采用特氟龙材料，并用一定力的弹力绳固定肩胛骨(在锁骨外侧4 mm处施加肩锁凸块并将其作用于与锁骨运动相同的平面时，所需的力应在27.5～32.5 N之间。为了设置弹性绳的张力， 弹性绳的长度应在弹性绳固定器上调整)，所以假人肩部可以进行侧向移动，肩部可安装肩部力传感器以便测量侧向撞击力。肋骨共有3根，分别是胸部上、中、下3根肋骨。3根肋骨完全一致，肋骨采用的是带有轴承系统的刚性肋骨，肋骨阻尼由独立的阻尼器产生，采用的传感器是电位移传感器测量胸部的变形[5]，在肋骨结构上还可加装加速度传感器，用于测量碰撞方向的加速度大小。3根肋骨与假人腰椎结构刚性连接，保证肋骨只能由弹簧阻尼结构带动侧向一个方向的位移。腹部是一泡沫结构，内置有前中后3处腹部力传感器，ES-2假人腹部的刚度完全取决于腹部泡沫的刚度，前中后3处腹部力传感器与腰椎相连，左右侧都可安装。而泡沫覆盖物是否可用，完全取决于假人腹部标定的结果。

图2 ES-2结构

2.2 标定工况的不同

两种假人在标定试验中都需要标定肩部、胸部和腹部，且标定所需的环境一样，但是相同部位在标定方法上有着一定的差异。

首先，肩部和腹部标定都是将假人整体放置到标定台上，然后用23.4 kg的摆锤以一定的速度撞击假人相应标定部位得出标定结果，但是两者所用的标定台不同， WorldSID假人标定时是坐在一个刚性座椅上，座椅底座和靠背都覆盖有2 mm厚的特氟龙板，呈现一个固定的姿态；而ES-2假人是坐在水平刚性平面上，没有背部支撑，在假人和平面之间放置两张2 mm厚的特氟龙板。

其次，胸部标定时，ES-2假人是将肋骨拆下，每根进行单独标定，用7.78 kg的重物分别在815 mm、204 mm、459 mm的高度下落，撞击到肋骨可压缩侧，使肋骨的位移量分别在46～51 mm、23.5～27.5 mm、36～40 mm之间。而WorldSID假人胸部是整体标定，用23.4 kg的摆锤撞击假人胸部肋骨，在4.2～4.4 m/s的速度下，得出3根胸部肋骨的位移量。

最后，两种假人本身结构不同，安装的传感器不同，所以标定采集到的数据以及各部位的要求都不同。具体的两种假人肩部、胸部和腹部的标定指标如表5所示。

表5 WorldSID假人和ES2假人标定项目对比

2.3 相同标定试验下两者伤害的比较

由于在实际的侧面碰撞试验中很难做到在同样的试验工况下，分别用WorldSID和ES-2两种假人进行试验，所以为了能够更好地对比两者的耐冲击伤害，在WorldSID假人标定用刚性座椅上，采用同样的方法对WorldSID和ES-2两种假人的左侧进行肩部、胸部和腹部的标定试验。

从肩部标定指标看，两者的速度要求是一样的，所以冲击摆锤是从一样的高度下落，ES-2假人要求的撞击加速度在7.5～10.5g之间，根据摆锤质量换算成撞击力为1.72～2.41 kN，而WorldSID假人要求的撞击力在2.6～3.3 kN，这就意味着ES-2的肩部相较于WorldSID更“软”。实际试验分别将两种假人采用同样方法，以4.3 m/s的速度进行标定，得到WorldSID假人受到肩部撞击力为2.69 kN，而ES-2假人肩部受到的撞击加速度为9.02g，也就是2.1 kN，这也就验证了ES-2假人相较于WorldSID假人肩部y向受力更小，相对较“软”。

使用相同摆锤、相同速度对假人的胸部左侧肋骨进行标定(标定时手臂拆掉，直接撞击胸部肋骨)，得到的肋骨位移曲线如图3所示，由图可以看出WorldSID假人的肋骨变形量要略大一些。为了进一步验证两种假人的胸部刚度，采用不同的速度去标定胸部，得到的结论是：在相同条件下分别标定WorldSID和ES-2两种假人的胸部，前者的胸部位移量更大，且标定速度越高越明显。所以可以得出WorldSID假人的胸部肋骨较“软”。

图3 胸部肋骨位移曲线

在相同条件下对腹部进行标定，因为ES-2假人装的是腹部力传感器，而WorldSID假人的腹部是跟胸部相似的两根肋骨结构，考核的是肋骨位移指标，无法将两种假人的腹部伤害指标进行直接比较，所以只能通过撞击的摆锤力来进行判断。用4.3 m/s的速度分别撞击两者腹部，得到ES-2假人的摆锤撞击力为5.1 kN，WorldSID假人的撞击力为2.9 kN，可以得出ES-2假人的腹部刚度明显大于WorldSID假人。

3 结束语

文中比较了ES-2和WorldSID两种假人的基本差异，包括生物力学评级、身材尺寸、质量等，从肋骨结构入手，对比两种假人的肋骨外形结构、标定工况以及标定试验下的伤害程度，得出两种假人的肩部、胸部、腹部结构完全不同；标定方法和考核指标也有较大差异；通过标定试验，发现WorldSID相较于ES-2假人肩部刚性更大、胸部和腹部更“软”。

通过上述分析，对WorldSID和ES-2这两种假人的基本结构，尤其是肩部、胸部和腹部都有了一定的了解，这还为实车碰撞中两种假人的真实响应提供了参考。