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汽車碰撞假人開發(fā)背后的故事

2019-12-19 20:03:22·  來源：汽車安全與輕量化  作者：鄧功勛  
　
導(dǎo)讀：
幾個(gè)星期前上周青老師講的《汽車碰撞安全基礎(chǔ)（英文版）》課程中碰撞假人的那節(jié)課，周老師在課上給我們講了幾個(gè)碰撞假人研發(fā)中有趣的故事。本文我給大家分享一下這幾個(gè)故事，還有周老師組進(jìn)行過的假人研發(fā)。大家也可回溯本公眾號(hào)以前發(fā)布過的關(guān)于碰撞假人的文章，包括《混Ⅲ50百分位正面碰撞假人》及《混Ⅲ碰撞假人小歷史》。新一代碰撞假人 THOR 也將用于 2020 年的 EURO-NCAP 及中國(guó)的C-NCAP 2021 版測(cè)試中，有可能逐步取代已經(jīng)使用多年的 Hybrid Ⅲ 假人。
 
碰撞假人的歷史可追溯到 1949 年用于航空航天中的彈射座椅安全性研究的 Sierra Sam 假人。后來又有幾版改進(jìn)，但其生物逼真度及可靠性都比較差，通用汽車公司當(dāng)時(shí)壓根就看不上這些假人，于是腦袋一拍打算大干一場(chǎng)，自己開發(fā)假人。
第一個(gè)試驗(yàn)假人Sierra Sam（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
在 1971 年左右，通用開發(fā)出了 Hybrid I 假人，之所以取名叫 Hybrid，是因?yàn)橥ㄓ糜X得他們的假人是集大成者，融合前面所有假人的優(yōu)點(diǎn)。但是這個(gè) Hybrid I 老哥沒混多久，馬上就被長(zhǎng)江后浪推前浪給推走了。
 
在 1972年，通用推出了他們的第二代假人 Hybrid II。這位老哥出生第二年，就被 NHTSA 相中，用于美國(guó)汽車的正碰法規(guī) FMVSS 208 中，并一直服務(wù)到1997 年才退役，被下一代的 Hybrid III 接棒，可以說是混的相當(dāng)不錯(cuò)的“混”系列假人了。但是 Hybrid II 的頭頸胸部的剛度特性擬人化較差，通用汽車也意識(shí)到了這個(gè)缺點(diǎn)，于是繼續(xù)擼起袖子加油干。終于在 1976 年研發(fā)出了知名度最高的 Hybrid III 50 百分位假人。從這里我們可知，Hybrid III 的 50 百分位是40多年前的美國(guó)人的50百分位了，但老美這幾十年越來越胖，幾十年前的 50 百分位已經(jīng)不能很好的代表當(dāng)前美國(guó)的人群特征了。而胖子在交通事故中通常比瘦人更危險(xiǎn)，所以現(xiàn)在也越來越多的人研究胖子在碰撞中的損傷響應(yīng)情況。
Hybrid II 假人（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
不過Hybrid III 50 百分位假人在 Hybrid 系列中混的最好，不僅成為了世界各國(guó)碰撞試驗(yàn)室的主力軍，更是“結(jié)婚生子”，開創(chuàng)了一個(gè) Hybrid III 系列家族，可以說是光宗耀祖了。通用看到自己取得的光輝成就，很開心的公開了自己的假人開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，并且跟 NHTSA 一起制定了各類標(biāo)準(zhǔn)。不過需要注意的是， Hybrid III 家族系列的其他假人如 95 百分位男性、5 百分位女性、3歲兒童等假人，都是基于 Hybrid III 50 百分位縮放得到的，除了縮放假人的基本尺寸、質(zhì)量外，還縮放了其碰撞損傷閾值。為什么其他的假人都是拿Hybrid III 50 百分位縮放呢？主要是因?yàn)榧偃搜邪l(fā)是一件很困難的事，不同體型假人驗(yàn)證的尸體數(shù)據(jù)也較為有限，從零開始研發(fā)其他體型的假人需要較高的成本。
Hybrid III 家族（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
我們來看下這位 Hybrid III 老哥的“解剖學(xué)”特征。首先是頸部，頸部是典型的分段式三明治結(jié)構(gòu)，可更好的表征人類頸部結(jié)構(gòu)。Hybrid III頸部的前面在每一個(gè)分段內(nèi)都有個(gè)縫隙，將其往后掰時(shí)能明顯看到這個(gè)縫隙。之所以這樣設(shè)計(jì)，是因?yàn)槿祟愵i部后仰的允許范圍小于前向彎曲（所以仰天長(zhǎng)笑時(shí)脖子會(huì)比低頭大笑時(shí)要難受一點(diǎn)）。
Hybrid III 50百分位男性頸部，圖中紅圈為頸部前面的縫隙
汽車碰撞時(shí)，駕駛員的胸部比較容易受傷。我將試驗(yàn)室的 Hybrid III 老哥的胸部解剖后，親眼目睹了其內(nèi)部的器官（以下是血腥現(xiàn)場(chǎng)，哈哈哈~開玩笑）。Hybrid III的胸部有 6 組肋骨。不過正常來說，人類總共有 12 對(duì)肋骨，Hybrid III之所以采用 6 組肋骨，是因?yàn)榧偃俗鳛橐环N試驗(yàn)設(shè)備，除了要能反映人體的生物力學(xué)特性外，還得有足夠的魯棒性及可重復(fù)使用性，需要采用盡量簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，此外，在假人狹小的胸部空間內(nèi)，也需要減少肋骨大變形時(shí)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉的可能性，因此，工程師們就折中用了 6 根“肋骨”。
Hybrid III 假人胸部背面，圖中紅圈內(nèi)為肋骨鋼片的阻尼材料，綠圈為鋼片
根據(jù)尸體試驗(yàn)結(jié)果，人體胸部碰撞下典型的響應(yīng)力曲線具有“上升-下降-上升-平緩-下降”的特性。在外部壓縮載荷下，當(dāng)有幾根肋骨被壓斷后力會(huì)下降，進(jìn)一步壓縮使得如肺、心臟等軟組織器官開始抵抗外部載荷，響應(yīng)力會(huì)再次上升，隨后進(jìn)入一段平緩區(qū)，并最終下降。但是，為了保證假人的可重復(fù)使用性，不能出現(xiàn)“肋骨”骨折，這就很難產(chǎn)生中間一段的力的下降響應(yīng)。
此外，Hybrid III 假人是用于汽車前碰撞測(cè)試的，其脊柱結(jié)構(gòu)特性未經(jīng)足夠的生物力學(xué)試驗(yàn)標(biāo)定，如果用于脊柱垂向受載的工況（如航空航天中的座椅彈射），生物力學(xué)響應(yīng)和損傷參數(shù)的輸出不一定準(zhǔn)確。
 
Hybrid III 假人最為明顯的局限性還是其只能用于正面碰撞。因?yàn)?Hybrid III 假人只是一種測(cè)量設(shè)備，任何測(cè)量設(shè)備都有其適用范圍。因此，自從通用汽車公開了其假人研究經(jīng)驗(yàn)后，各大企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)紛紛加入假人研發(fā)的隊(duì)伍，開始研發(fā)適用于其他碰撞工況如側(cè)碰、追尾等工況的碰撞假人。
 
歐洲在上世紀(jì) 80 年代開發(fā)他們的 Euro-SID 側(cè)碰假人，同時(shí)美國(guó)也開發(fā)出了他們的 SID 側(cè)碰假人。那么問題來了，兩款測(cè)碰假人往往會(huì)導(dǎo)致同一款車測(cè)出的結(jié)果會(huì)有差異，但是各自都覺得自己的假人才是最好的。在不斷的“我早就看你不順眼了”的干架過程中，又出現(xiàn)了一款新的側(cè)碰假人叫 WorldSID，這名字聽上去就有種一統(tǒng)江湖的霸氣。
各類側(cè)碰假人
各類后碰假人
此外，還研發(fā)出了適用于追尾碰撞的后碰假人、適用于兒童的 Q 假人、用于行人碰撞的站姿假人等。站姿假人與坐姿假人最大的區(qū)別就是其為站姿，但是最主要的問題也是其沒法站立，因?yàn)榧偃瞬幌袢梭w一樣有大腦控制其站立，因此并不能夠像服裝店里的模特一樣“頂天立地”。
假人站不?。。ㄓ捎诩偃藢?shí)在太重，因此用兒童假人模擬）
由于站姿假人站立困難，因此現(xiàn)在多用頭部、髖部、下肢等模塊進(jìn)行汽車行人安全碰撞試驗(yàn)。歐洲提高車輛安全委員會(huì)(EEVC)十多年前推薦采用的行人下肢模塊的膝關(guān)節(jié)只有兩個(gè)自由度，只規(guī)定了膝關(guān)節(jié)的側(cè)向彎曲和相對(duì)位移兩個(gè)方向的力學(xué)特性，沒有考慮其前后方向的自然彎曲和小腿和大腿之間前后方向的相對(duì)位移，對(duì)側(cè)面碰撞以外的方向和行人步行姿態(tài)等復(fù)雜工況并不直接適用，也沒有考慮下肢模塊接觸保險(xiǎn)杠以后可能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，周青老師團(tuán)隊(duì)十多年前曾研發(fā)出了行人四自由度膝關(guān)節(jié)下肢模塊，以實(shí)現(xiàn)在多個(gè)碰撞方向上能更好的再現(xiàn)實(shí)際人車碰撞中的復(fù)雜工況，更真實(shí)的表征行人下肢模塊與保險(xiǎn)杠變形交互作用時(shí)的響應(yīng)。
行人四自由度膝關(guān)節(jié)下肢模塊
由于實(shí)際碰撞事故工況復(fù)雜，且座椅安全帶對(duì)人體的加載本身就是非對(duì)稱的，實(shí)際道路交通事故中人體所經(jīng)受的載荷也多為斜向碰撞，但目前的正面假人胸部結(jié)構(gòu)只在正面碰撞下進(jìn)行了標(biāo)定，側(cè)面碰撞假人胸部結(jié)構(gòu)只在側(cè)面碰撞下進(jìn)行了標(biāo)定，且很難呈現(xiàn)安全帶對(duì)胸部產(chǎn)生的局部侵入變形。為此，周青老師團(tuán)隊(duì)在十多年前便提出并研制出了一種可用于多方向碰撞工況的假人胸部結(jié)構(gòu)。該假人胸部結(jié)構(gòu)除了能夠同時(shí)用于正碰、側(cè)碰、斜碰工況外，還能再現(xiàn)安全帶對(duì)胸部的局部侵入變形響應(yīng)。未來自動(dòng)駕駛車輛中乘員的朝向可能更加多樣，對(duì)斜向碰撞的保護(hù)的需求或許增加呢。
 
具有多方向生物力學(xué)逼真特性的碰撞假人胸部
幾十年來，碰撞試驗(yàn)假人仍在不斷的研發(fā)中。美國(guó)很早就意識(shí)到了 Hybrid III 假人的不足，因此上世紀(jì) 80 年代左右，NHTSA 就開始推動(dòng)下一代全新碰撞假人 THOR（Test Device for Human Occupant Restraint）的研究。周青老師入職清華前，在美國(guó)工作期間也曾參與了第一代 THOR 假人的開發(fā)。THOR 假人為了彌補(bǔ) Hybrid III 假人的缺點(diǎn)，做了大量的改進(jìn)，其生物逼真度更高，可測(cè)量的損傷參數(shù)也更多。也正因?yàn)槠涔δ艿奶岣呤沟闷浣Y(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，研發(fā)早期時(shí)經(jīng)常一撞就壞， THOR 假人開發(fā)歷時(shí) 20 多年，現(xiàn)在終于開始使用了。不過 THOR 假人雖然好用，但是其成本也是非常高的，據(jù)說一個(gè) THOR 假人要 1000 萬元人民幣左右，是其他假人價(jià)格的 10 倍，每每想到這，作者的內(nèi)心就是自己同樣活了 20 多歲，身價(jià)還不如一個(gè)假人.
 
THOR 假人與 Hybrid III 有很多區(qū)別。以胸部為例，首先是胸部肋骨鋼片的半徑從上往下越來越大，不像 Hybrid III 所有肋骨幾乎都一樣大，其次就是胸部肋骨更像真人一樣是一種由后往前的傾斜狀。
THOR 假人及人體肋骨比較
在碰撞假人的研發(fā)過程中，我們發(fā)現(xiàn)歐美等西方國(guó)家占主導(dǎo)地位，其他國(guó)家大部分都在吃瓜。同時(shí)碰撞假人的設(shè)計(jì)都是針對(duì)西方人體的尺寸，西方的 50 百分位可能就是中國(guó)的 60或者 70 百分位了。為了進(jìn)一步提高中國(guó)汽車的安全性能，應(yīng)盡快研發(fā)具有中國(guó)體征和生物力學(xué)特性的碰撞假人，期待我國(guó)碰撞假人早日研發(fā)成功以提升中國(guó)在汽車安全領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力和標(biāo)準(zhǔn)話語權(quán)。
 
致謝：
感謝周青老師修改本文！
 
參考文獻(xiàn)：
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[2] 周青, 杜匯良, 邁克爾·奎德, 等. 用于人體碰撞保護(hù)試驗(yàn)的四自由度假人膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu): 中國(guó), 200610011609.4 [P]. 2008-04-07.
[3] Lai Xinghua, Wang Yongning, Zhou Qing, Lin Zhe, Culiere Pierre. Development of a finite element Pam-Crash model of Hybrid III anthropomorphic test device with high fidelity. The 22nd International Conference on the Enhanced Safety Vehicles (ESV), Washington DC 2011, United States.
[4] 賴興華, 徐辰, 馬春生, 周青, 張金換. 具有多方向生物力學(xué)逼真特性的碰撞假人胸部集總參數(shù)建模. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 2014;(6):750-755.
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