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基于臺車仿真的Hybrid III 50th假人與THOR 50th假人傷害對比研究

2020-04-02 15:58:04·  來源：2019 SAECCE論文集  
　
馬健勝1,卜曉兵1,李英杰2,鄭艷婷11.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司2.北汽新能源汽車股份有限公司摘 要歐洲NCAP確定于2020年更改正面碰撞用假人，把目前廣泛使用的
馬健勝1,卜曉兵1,李英杰2,鄭艷婷1
1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司
2.北汽新能源汽車股份有限公司
 
摘 要
歐洲NCAP確定于2020年更改正面碰撞用假人，把目前廣泛使用的Hybrid III 50百分位假人更改為50百分位 的THOR假人。美國NCAP也計劃在正面碰撞中使用THOR假人。THOR假人更接近真人的損傷機理，在未來的正面碰撞中，使用THOR假人是一種趨勢。本文針對正面碰撞工況，首先通過LS-DYNA對首美Hybrid III 50百分位和THOR 50百分位假人進行了仿真對比分析，其中帶有Hybrid III 50百分位假人的模型經(jīng)過了臺車試驗驗證，對比兩種假人在相同的約束系統(tǒng)參數(shù)下的差異性，研究分析THOR假人的傷害機理，為后期THOR研究提供了參考。
引 言
00
由消費者發(fā)起的新車評價測試(NCAP, New Car Assessment Program)在世界各個國家和地區(qū)具有廣泛的影響。NCAP設(shè)立的目標是鼓勵汽車制造商超出法規(guī)規(guī)定的汽車最低安全標準，設(shè)計更高安全水平的汽車。目前世界各國法規(guī) 和NCAP評價體系，在正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗中， 廣泛在前排駕駛?cè)藗?cè)放置一個Hybrid III型50百分位男性假 人，此假人由美國通用汽車公司在1976年設(shè)計開發(fā)，至今應(yīng)用已有四十多年的歷史。隨著43年來車輛安全系統(tǒng)的進步，以及試驗車輛碰撞形式的改變、評價規(guī)則的改變，Hybrid III型假人的生物逼真度、傷害指標測量功能能否滿足未 來汽車被動安全測試的需求值得討論。
在2018年11月歐洲Euro NCAP公布的評價規(guī)則9. 0版 本中，Euro NCAP確定于2020年1月開始在正面碰撞駕駛 人側(cè)使用THOR 50百分位假人，用來測試、評價駕駛?cè)耸軅闆r。美國NCAP目前還未公布更換假人的時間。但是, 美國NCAP計劃在90km/h時速下側(cè)面偏置移動式可變形壁障試驗(OMDB)中的駕駛?cè)藗?cè)、副駕駛?cè)藗?cè)，56km/h的 正面全寬剛性壁障試驗中的駕駛?cè)藗?cè)，用THOR 50百分位 男性假人替代Hybrid H 50百分位男性假人。
由此可見，在正面100%重疊碰撞試驗中，假人采用生 物仿真度更高的THOR 50百分位男性假人逐漸成為各國 NCAP的發(fā)展趨勢。在中國，C-NCAP對新車的評價體系會越來越嚴格，所以車輛星級開發(fā)技術(shù)要求也會越來越高。為了達到不斷提高的汽車安全設(shè)計目標，車企需要盡早了解 NCAP評價規(guī)則即將發(fā)生的變化，以便能夠盡早按照評分要求設(shè)計車輛。本文對THOR 50th假人的研究可以為車企開 發(fā)新車型提供參考。
THOR假人仿真度較高，與Hybrid III假人在外形、構(gòu)造、傳感器方面有很多不同，THOR假人擁有更多、更精確的傳感器。因此兩種假人在車輛評價方面也會不同。目前國內(nèi)對THOR假人的研究和運用還比較少。
隨著計算機計算能力和有限元假人可靠度的提升，使模 擬仿真成為約束系統(tǒng)開發(fā)必不可少的工具。本文在經(jīng)過 50km/h臺車試驗驗證的約束系統(tǒng)有限元模型基礎(chǔ)上，不改變約束系統(tǒng)配置，將Hybrid III有限元假人更換為THOR有限元假人，盡量保證兩種假人初始擺放姿態(tài)一致的情況下, 對比兩個約束系統(tǒng)模型中假人運動姿態(tài)和相應(yīng)各部位傷害曲線的異同，并依據(jù)Euro NCAP 2020版（V9.0）評價規(guī)則， 對兩種假人各部位得分進行得分率對比，對車企在THOR假人評價規(guī)則下開發(fā)新車型具有實際意義。
 
兩種假人主要結(jié)構(gòu)差異
 
01、本文中使用的有限元假人模型均為首美開發(fā)。其Hybrid III 50百分位男性假人與THOR 50百分位男性假人如圖1所示。假人基本重量，尺寸對比：THOR 50百分位男性假人重量76.7kg,坐高90. 7cm0 Hybrid III百分位男性假人重量 77.7kg,坐高 88. 4cm。
 
THOR使用更復(fù)雜、數(shù)量更多的傳感器，如圖2所示， THOR 50th假人在面部增加了壓力傳感器，頭部增加了角速度傳感器，分別用來評價假人面部的損傷和腦部的損傷，這是之前的假人不具備的測量功能。
 
胸部結(jié)構(gòu)差異是兩種假人主要的差別之一，Hybrid III 50th假人胸部的壓縮量，使用胸部帶小球的連桿測量（圖 3）,連桿轉(zhuǎn)動的角度再換算成假人的胸部壓縮量。THOR 50th采用了更直接的傳感器測量胸部壓縮量，胸部采用4個紅外線伸縮桿（圖4）,桿兩端的相對空間距離變化即為此 壓縮桿上的胸部壓縮量，根據(jù)各國評價指標換算成假人胸部壓縮量。THOR假人由于采用4根伸縮桿，可以模擬假人胸部壓縮的不均勻性，模擬胸腔的扭轉(zhuǎn)變形行為。
 
 
約束系統(tǒng)模型建立與試驗驗證
 
02、2.1正面約束系統(tǒng)模型建立
 
本文以某SUV車型為研究對象，通過LS- DYNA軟件建立該車的正面剛性壁障50km/h臺車有限元約束系統(tǒng)模型, 如圖5所示。分析正面100%重疊剛性壁障碰撞過程中， Hybrid III 50百分位假人和THOR 50百分位假人的傷害情況，兩種假人所建立的約束系統(tǒng)邊界條件和約束系統(tǒng)配置參數(shù)完全一致，詳細對比考慮兩種假人的各部位傷害。
 
搭建的正面約束系統(tǒng)主要由下列子系統(tǒng)組成：白車身、 氣囊、安全帶、假人、座椅、轉(zhuǎn)向管柱、三踏板、地毯、保險杠、IP橫梁等，模型中還包括其他非實際模塊中的模型, 比如特殊存在于有限元模型中的參數(shù)系統(tǒng)文件和鏈接文件、 接觸文件、工況控制文件和邊界條件文件等內(nèi)容。約束系統(tǒng)子系統(tǒng)之間主要是用rigid patch剛性片連接。
 
約束系統(tǒng)中的白車身，采用從整車耐撞性模型中提取從 A柱到B柱之間的模型，然后進行鋼化，并將鋼化的零件設(shè)置慣性信息。
 
假人首先采用Primer軟件來調(diào)整位置與姿態(tài)，將假人按照機械運動關(guān)系擺放到H點位置并調(diào)整軀干和四肢的姿態(tài)，使兩個假人位置和姿態(tài)初始狀態(tài)一致。調(diào)整假人至H點后，假人和座椅泡沫會有穿透，本文采用LS-DYNA軟件計算來消除假人與座椅之間的穿透，將計算結(jié)果的dynain文件導(dǎo)入座椅中，這樣約束系統(tǒng)中的座椅模型發(fā)泡就具有了初始變形信息。
 
安全帶建模使用Primer軟件中的seatbelt模塊：定義安全帶路徑；定義特殊位置屬性如卷收器和滑環(huán)等，在本模型中還加有預(yù)緊器；安全帶全部采用2D單元。
最后設(shè)置約束系統(tǒng)模型中各個子系統(tǒng)之間的接觸，防止 計算過程中的穿透問題。
 
按照C-NCAP （2018版）正面100%重疊剛性壁障碰撞 試驗規(guī)定，試驗車輛100%重疊正面沖擊固定剛性壁障，壁障上附以20mm厚膠合板。碰撞速度為50°+ km/h（試驗速 度不低于50km/h）。試驗車輛到達壁障的路線在橫向任一方向偏離理論軌跡均不得超過150mm。在前排駕駛員人擺放的假人為Hybrid III型50百分位男性假人。在本文中提取摸底試驗中整車碰撞正面100%重疊正面碰撞試驗中B柱下端加速度傳感器采集到的X向加速度，作為約束系統(tǒng)模擬中的邊界條件加在鋼化的白車身上，在有限元模型中使用 BOUNDARY PRESCRIBED MOTION關(guān)鍵字施加X向的邊界條件。
 
2.2 Hybrid ID約束系統(tǒng)模型試驗驗證
 
其中，駕駛?cè)藗?cè)帶有首美Hybrid III 50th男性假人的臺車有限元約束系統(tǒng)模型已經(jīng)經(jīng)過臺車試驗對標驗證。駕駛?cè)藗?cè)Hybrid III假人有限元模型動畫與Hybrid III假人正面碰撞滑車試驗錄像不同時刻下假人姿態(tài)對比如圖6所示。安全帶肩帶力、骨盆X向加速度、假人胸部X向加速度仿真與試驗曲線對比分別如圖7?圖9所示。由此可見，仿真與試驗中假人的運動姿態(tài)，安全帶肩帶力、骨盆X向加速度、胸部X向加速度仿真與臺車試驗表現(xiàn)一致，驗證了該帶有Hybrid 假人臺車有限元模型的有效性。
 
本文在經(jīng)過正碰50km/h臺車試驗驗證的有限元模型基礎(chǔ)上，將首美Hybrid III 50TH更換為首美THOR 50TH假人。在不改變約束系統(tǒng)配置、保證兩種假人擺放姿態(tài)基本一致的情況下，對比研究兩種假人的運動姿態(tài)表現(xiàn)與各部位傷害曲線趨勢、對比在Euro NCAP 2020評價規(guī)則下得分的差異。
 
 
 
兩種假人傷害對比
 
03、3.1 頭部部位
THOR 50th假人在面部有壓力傳感器與角速度傳感器, 分別用來評價假人面部的損傷和腦部的損傷，這是之前的假 人沒有的測量功能。 根據(jù)Euro NCAP 2020規(guī)則，僅對兩種假人都有的頭部加速度傳感器曲線進行對比。
圖10分別為兩個假人頭部合成加速度曲線對比，加速度曲線，可以計算得出：
Hybrid III 50TH：頭部傷害指數(shù)(HIC15) =390
3ms合成加速度值=56. 3g
THOR 50TH：頭部傷害指數(shù)(HIC15) =425
3ms合成加速度值=56. 6g
 
可以看到，兩種假人合成加速度曲線峰值、峰值時刻基 本吻合。兩者頭部傷害指數(shù)HIC和3ms合成加速度值基本相同。
THOR假人特有的頭部角速度傳感器可以測量假人頭部的旋轉(zhuǎn)，用頭部傳感器測量的三個方向的角速度評價假人腦部傷害。歐洲NCAP 2020版評價規(guī)則并不會對假人腦部傷害指標進行考察。但是早在NHTSA 2017年發(fā)布的征求意見要求里，美國NCAP推薦增加對THOR假人的腦部傷害評價，用頭部三個方向的角速度計算腦部傷害。
 
3.2頸部部位
 
按照歐洲NCAP 2020版，頸部部位評分的評分項有: 剪切力Fx，張力Fz，伸張彎矩My。圖11 ~圖13分別為兩種假人頸部的上端傳感器的X、Z方向的力和伸張彎矩。
Hybrid III假人頸部的剪切力Fx和張力Fz是通過累計曲線來評價的，用限值曲線來評價，是限制對時間的函數(shù)。經(jīng)過調(diào)整，計算出點對時間的圖，每個點均對應(yīng)各自的高低性能限，通過線性插值可計算出各個點相應(yīng)的分數(shù)，取其中的最低得分作為該部位得分。評分規(guī)則規(guī)定了相應(yīng)的限值圖和評分界限。Hybrid III假人頸部的伸張彎矩Fz得分由高低 限值計算，模擬伸張彎矩最高為41. lN?m,小于高性能值 42N • m,伸張彎矩為滿分。Hybrid III假人頸部部位評分都為滿分。
THOR假人頸部的剪切力Fx，張力Fz，伸張彎矩My均 由對應(yīng)的高低限值計算得到。在該有限元結(jié)果中，THOR假人頸部剪切力最高0.29kN,張力最高1.2kN,伸張彎矩My最高5.8N • m,均小于THOR假人對應(yīng)的高性能值, THOR假人頸部得分為滿分。
 
頸部部位兩種假人的張力Fz曲線峰值和峰值時刻比較一致，其他方向差別較大。
 
 
3.3胸腹部位
圖14、圖15分別為Hybrid III假人和THOR假人的胸部壓縮量曲線。 按照歐洲NCAP 2020年版胸部部位評分規(guī)則，Hybrid III假人胸部部位評價指標包括胸部壓縮變形量和黏性指數(shù)(VC)。評分規(guī)則規(guī)定了相應(yīng)指標的低性能值和高性能值, 處于之間的測量值分別采用線性插值的方法計算分數(shù)。Hybrid III假人的胸部壓縮量的測量為測量帶有小球的連桿轉(zhuǎn)動角度，然后通過該連桿轉(zhuǎn)動的角度轉(zhuǎn)換成胸部壓縮量的方法得到的。Hybrid III假人沒有腹部壓縮量測量功能，評分規(guī)則也不對Hybrid III腹部壓縮變形量進行考察。
 
THOR假人的胸部壓縮量取胸部四根紅外線伸縮桿變形的最大值作為其胸部壓縮量。
由此得到：Hybrid III 50TH胸部壓縮量為30. 1mm,黏性指數(shù)VC為0.218m/s。
THOR 50TH胸部壓縮量為46. 6mm0 THOR假人腹部壓 縮量為60. 8mm （圖16）
 
3.4大腿部位
圖17為兩種假人的大腿壓縮力和膝蓋滑動位移曲線對比。
 
歐洲NCAP中對Hybrid III假人和THOR假人大腿部位評分考察項和大腿壓縮力和膝蓋滑動位移。大腿壓縮力是通過累積曲線來評價的，是限制對時間的函數(shù)。針對每個點的高性能值與低性能值，線性插值計算出每個點的得分，取其中最低分作為該部位得分。在大腿以及膝部評價規(guī)則的限值上，兩種假人相同。如圖17所示，Hybrid III 50TH與THOR 50TH兩種假人的曲線比較一致。大腿壓縮力都為滿分（小 于高性能限值3.8kN）。Hybrid III膝蓋滑動位移* 6.8mm, THOR假人膝蓋滑動位移為5. 7mm。
 
3. 5小腿部位
 
圖18分別為Hybrid HI 50TH與THOR 50TH兩種假人的小腿傷害曲線對比。分別為左小腿上傳感器、左小腿下傳感器、右小腿上傳感器、右小腿下傳感器的Z方向的軸向壓縮力曲線對比和相應(yīng)的脛骨指數(shù)Ti曲線對比。
 
歐洲NCAP（2020年版）中對Hybrid III假人和THOR 假人小腿部位評分的考察項有：脛骨指數(shù)（Ti）和小腿軸向壓縮力。兩種假人在小腿評分上的高低限值相同。處于高低限值之間的測量值分別采用線性插值計算相應(yīng)得分。由圖18可見，在小腿傷害曲線上，兩種假人差別較大。
 
3. 6 歐洲NCAP 2020得分率對比
 
在歐洲NCAP 2020版（V9.0）中，同時規(guī)定了駕駛?cè)藗?cè)THOR 50th假人與副駕駛?cè)藗?cè)Hybrid III 50th假人各部位的評分項，以及各部位用來計算評價得分的高性能限值與低 性能限值。
假設(shè)在同一版評價規(guī)則中，假人各部位傷害高低限值所 規(guī)定的相同百分位假人對應(yīng)的傷害等級相同，則可以認為在歐洲NCAP 2020版所規(guī)定的THOR 50th高低限值與Hybrid III 50th規(guī)定的高低限值所對應(yīng)的傷害等級是等同的。在此評價規(guī)則下，計算Hybrid III假人與THOR假人各對應(yīng)部位的得分率柱狀圖。
 
 
 
由圖19可見，THOR假人與Hybrid III假人在頭，頸, 大腿部位均為滿分，胸部得分率THOR假人比Hybrid III假人略低；膝部滑移量，Hybrid III假人得分略低。小腿部位的得分率計算模擬結(jié)果兩種假人差異較大。
假人運動姿態(tài)動畫對比
 
04、本約束系統(tǒng)模型中，Hybrid III 50百分位假人與THOR 50百分位假人不同時刻的動畫對比見圖20,可見兩種假人的運動姿態(tài)表現(xiàn)一致性較高。Hybrid III假人45ms頭部開始與氣囊接觸，THOR假人50ms頭部開始與氣囊接觸。
 
結(jié) 論
 
05、首先介紹了 THOR 50th假人、Hybrid III 50th在結(jié)構(gòu)和傳感器方面的差異。然后，利用Hypermesh, LS-DYNA,及首美的THOR 50百分位男性假人、Hybrid III 50百分位男性有限元模型等工具，搭建某車型約束系統(tǒng)有限元模型。其中駕駛?cè)藗?cè)帶有Hybrid III 50百分位假人的約束系統(tǒng)模型，經(jīng)過了正碰臺車試驗對標驗證。假人運動姿態(tài)和各部位傷害值與滑車試驗表現(xiàn)一致，首先驗證了該有限元模型的有效性。
 
在經(jīng)過50km/h正碰臺車試驗驗證的約束系統(tǒng)模型基礎(chǔ) 上，把模型中的Hybrid III 50th有限元假人替換為THOR 50th有限元假人。對比兩種假人在相同約束系統(tǒng)參數(shù)下的有限元模型，比較兩種假人的運動姿態(tài)。并依據(jù)歐洲NCAP 2020年版評價規(guī)則，比較了在同樣約束系統(tǒng)配置下，兩種假人對應(yīng)部位的傷害值得分百分比。
 
研究表明：在該車型約束系統(tǒng)在不改變約束系統(tǒng)參數(shù)的 情況下，Hybrid III 50th假人與THOR 50th假人在頭部合成加速度、頸部部位張力Fz、左右大腿壓縮力Fz、左右膝蓋滑動位移量曲線上峰值和峰值時刻基本一致。在頸部剪切力Fx， 頸部彎矩My，小腿部位傷害曲線上兩種假人表現(xiàn)差異較大。按照歐洲NCAP (2020)評價規(guī)則，兩種假人頭、 頸、大腿部位均為滿分。膝蓋滑移量，Hybrid III得分率略低。兩種假人胸部結(jié)構(gòu)不同，THOR假人胸部壓縮量得分率比Hybrid III低。結(jié)果可為在現(xiàn)有車型Hybrid III假人試驗數(shù) 據(jù)基礎(chǔ)上，評估該車型在THOR 50th下的得分提供參考。
 
 
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