商恩义 周大永 李月明 张毅

（浙江吉利汽车研究院有限公司，浙江省汽车安全技术研究重点实验室，杭州 311228）

主题词：汽车被动安全 Q3假人 胸部加速度 胸部结构

1 前言

当前，东盟新车评价规程（New Car Assessment Program for Southeast Asian Countries，ASEAN NCAP）[1]针对其指定的正面偏置碰撞试验规定，通过儿童约束系统（儿童座椅）在后排座椅上安装Q3 假人。试验后，对儿童头部、颈部和胸部的伤害进行评价。ASEAN NCAP针对假人胸部的评价指标为累积3 ms合成加速度不超过50g（g为重力加速度），则该部位满分，若不小于66g，则该部位零分。随着ASEAN NCAP 试验在国内的陆续开展，越来越多的碰撞试验室数据采集人员反映，在正面偏置碰撞试验中，Q3 胸部加速度曲线经常出现异常尖峰，但通过排查传感器、采集系统等相关仪器、计量器具，又可确认数据真实有效，因此，只能将该尖峰参与评价，而异常尖峰参与评价后常导致胸部失分。事实上，Q3假人置于儿童座椅上，通过背式安全带固定，碰撞中向前运动不会与外部发生接触，背式安全带的作用是平顺的，加速度不会产生异常尖峰，对于由此导致的评价失分，开发人员往往不能接受。基于此，有必要对Q3假人胸部加速度曲线产生异常尖峰的原因进行深入研究。

2 胸部加速度曲线异常状态

建立假人坐标系：x向为前后方向，向前为正；y向为左右方向，向右为正；z向为上下方向，向下为正[2]。

某车型进行了ASEAN NCAP 正面偏置碰撞试验T01。试验后，Q3 假人胸部加速度曲线如图1 所示，曲线上存在明显尖峰。

图1a 中，胸部合成加速度最大值达到87g，其累积3 ms 合成加速度达到66.6g，根据ASEAN NCAP 评价规则，得分为0 分，而其原因为第104 ms 的加速度尖峰。分析图1b，可以确认合成加速度的异常尖峰主要来源于胸部x向加速度ax。

图1 Q3假人胸部加速度曲线

3 胸部加速度异常尖峰原因研究

3.1 车身加速度影响确认

碰撞过程中，假人运动加速度信号受车身碰撞信号影响较大，首先确认车身信号是否存在影响。ax与车身右B柱下部x向加速度的对比如图2所示，在第95 ms和第104 ms 前后，Q3 假人出现了2 个尖峰，而此时车身B柱下部x向加速度曲线比较平缓，且很快处于归零状态。因此，可以确认Q3 假人胸部加速度异常尖峰与车身加速度变化无关。

图2 Q3假人胸部与车身右B柱下部x向加速度对比

3.2 假人运动过程分析

分析T01 试验中Q3 假人的运动过程，截取第80～120 ms 部分录像如图3 所示。图3 清晰地反映出在Q3假人向前运动过程中，假人胸部只受背式安全带约束，头部与胸部均未与外界发生任何瞬间接触。图3d直观地反映出下颌接触了胸部，图3f 与图3d 对比则反映出头部以下颌与胸部接触点为支点发生了转动。但下颌与胸部碰撞，及头部的转动是否会导致ax产生尖峰，则需要进一步研究。

图3 Q3假人运动姿态（录像截屏）

3.3 假人胸部和头部相对关系研究

向前下方推压Q3假人头部，如图4所示，确认假人下颌与胸部的接触位置及其内部和外部结构。图4a显示，假人下颌与胸部的接触位置在假人胸部上端边沿处。图4b 中，Q3 假人胸部上端边沿由硬尼龙材料的Y型支架固定在硬尼龙材料板上，外套由较厚的马夹组成，为阶梯结构，受压后应具有弹性[3]。因此，初步确认碰撞过程中可能出现的情况为：下颌撞击到胸部，沿胸部上端皮肤下压，随着碰撞的进行，头部以下颌接触点为支点向前翻转，最终导致下颌尖部从马夹上端滑下Y型支架，下滑过程中，导致ax产生尖峰。

3.4 准静态试验研究

为了确认Q3 假人胸部具有弹性，及下颌撞击会产生明显反应，对Q3假人进行准静态试验。

图4 假人下颌与胸部的相对关系

3.4.1 按压试验

如图5所示，对Q3假人胸部进行快速下压、快速释放的按压试验，采集到的ax曲线如图6所示。图6中，ax曲线存在明显的因冲压产生的振荡，表明胸部具有较高弹性。

图5 胸部冲压试验

图6 胸部按压试验ax曲线

3.4.2 前压头部试验

快速向前下方推压Q3 假人头部，下颌与胸部发生接触后立即释放。试验中采集头部和胸部的x向和z向加速度，如图7所示。假人头部x向和z向加速度分别用axh和azh表示，采集到的加速度曲线如图8 所示。图8中，4条曲线变化同步，azh与ax在幅值上具有明显的关联性，即碰撞过程中主要为头部的z向撞击胸部x向。随着按压释放，加速度曲线均产生回弹震荡现象，该结果表明试验中Q3 假人下颌撞到胸部，撞击过程中胸部ax曲线产生冲击。

从水的动荡程度和生物生长环境来看，鲕粒形成的环境应为潮间带到潮下带[17]。从鲕粒近圆状的形态判断，其沉积环境的稳定程度较高。但是生物成因的鲕层并没有一直延续下去，富藻层越来越薄，以至于难以分辨，导致微生物消亡的具体环境因素的变化有待研究。

图7 前压头部

图8 头部与胸部加速度对比

3.5 假人头部与颈部的运动关联性研究

在正面偏置碰撞试验中，对于Q3假人，通常要采集头部3个方向的加速度以及颈部与头部相连位置3个方向的力。相关研究表明[4]，对于此种结构，在头部与外部没有发生接触的情况下，头部加速度由颈部约束作用产生。在头部与外部（包含假人身体）发生碰撞的情况下，正面碰撞中y向所受外力较小不予考虑，则头部x向和z向所受到的外力Fxo、Fzo分别为[4]：

式中，m=2.54 kg为Q3假人头部质量；Fx为颈部x向剪切力；Fz为颈部z向张力。

利用Fxo、Fzo可以分析假人下颌与胸部的碰撞过程，确认胸部ax异常尖峰的产生与下颌撞击之间的关系。

3.5.1 头部外力求解

T01 试验中，Q3 假人头部x向和z向加速度曲线如图9所示，颈部x向剪切力和z向张力曲线如图10所示，依据式（1）和式（2）求得头部所受外力，如图11所示。

图9 头部加速度曲线

图11中，Fxo和Fzo曲线在变化过程均为负值，表明x向外力由前向后，z向外力由下向上，即假人头部所受外力来自于头部前下方。在约第100 ms前，2个力同步下降，表明此时作用合力方向与x轴和z轴夹角均成45°左右。在约第100 ms 发生突变之后，Fxo开始增大，Fzo突变下降后近似水平，表明此时作用合力方向向垂直于面部方向发展。整个碰撞过程中，Fxo和Fzo最大值均达到1 kN左右。

图10 颈部力

图11 头部外力曲线

3.5.2 头部外力与胸部x向加速度对应分析

将ax与Fxo和Fzo基于时域绘于同一图中，如图12所示。依据假人ax曲线为负和az曲线为正，以及ax和az幅值大小关系，推导出胸部受力Fx和Fz曲线的方向及大小关系如图13 所示。综合图3d、3f、图4b 和图13，分析图12 中曲线产生尖峰的原因为：约第80 ms 时，下颌尖部与胸部接触，接触点为胸部上端边沿，Fxo和Fzo开始产生，ax开始产生波动，胸腔上端受压后发生弹性变形；约第95 ms 时，伴随头部转动，下颌尖部从胸部皮肤向胸腔上沿滑入，胸部产生回弹震荡，伴随下颌尖部下滑至Y型支架上端并被支撑，头部质心以下颌接触点为支点向前继续转动挤压，促使Fxo和Fzo增速加快；约第102 ms时，对比图3d 和图3f，伴随头部转动，面部与胸部前端面夹角减小，下颌尖部突然失去Y型支架支撑滑入胸部上腔，该失稳过程导致Fxo和Fzo瞬间泄荷，ax产生尖峰，随后随着下颌前端被支架托住，头部正面向胸部后下方翻转挤压，Fxo和ax继续增大，Fzo近似不变。

图12 ax与头部外力基于时域的比较

图13 假人头部和胸部受力示意

通过上述分析，可以确认胸部加速度曲线中的突变是下颌撞击胸部过程中发生的下颌尖部从皮肤滑到Y型支架及从该支架滑入胸腔上部产生的2 次冲击所至。

4 Q3假人与Q6假人对比分析

Q6假人在试验中从未发生过胸部加速度产生异常尖峰的问题，拆解Q6 假人胸部上端结构如图14 所示。从图14b 中可以看出，Q6 假人胸部上端结构与Q3 假人胸部上端结构相近，也是由硬尼龙构成的Y型框架。但与Q3假人不同的是，Q6假人胸部上端并未直接覆盖马夹，而是存在如图14a所示的能够覆盖颈部和胸部的部件，该结构有效避免了下颌与胸部发生碰撞后滑入胸部上端产生冲击的可能性。

图14 Q6假人胸部结构

与Q6假人结构对比分析，可以进一步确认Q3假人胸部结构存在不足，在某些试验中，可能造成试验数据无法真实反映碰撞过程中Q3 假人胸部伤害情况，进而造成评价发生误判。

5 结束语

本文通过静压试验研究及对某次正面偏置碰撞试验中Q3假人胸部数据与头部、颈部数据的综合分析，指出Q3 假人胸部上沿阶梯式结构存在设计缺陷，在碰撞过程中会造成假人下颌尖部与胸部发生相对滑动，对胸部造成2 次冲击，导致胸部加速度曲线产生异常尖峰，因此，在针对当前Q3假人胸部进行评价时，建议对加速度曲线上的异常部分进行忽略处理。从长远角度考虑，建议Q3假人胸部上端结构参照Q6假人结构进行完善。