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汽车碰撞假人开发背后的故事

2019-12-19 20:03:22·  来源：汽车安全与轻量化  作者：邓功勋  
　
导读：
几个星期前上周青老师讲的《汽车碰撞安全基础（英文版）》课程中碰撞假人的那节课，周老师在课上给我们讲了几个碰撞假人研发中有趣的故事。本文我给大家分享一下这几个故事，还有周老师组进行过的假人研发。大家也可回溯本公众号以前发布过的关于碰撞假人的文章，包括《混Ⅲ50百分位正面碰撞假人》及《混Ⅲ碰撞假人小历史》。新一代碰撞假人 THOR 也将用于 2020 年的 EURO-NCAP 及中国的C-NCAP 2021 版测试中，有可能逐步取代已经使用多年的 Hybrid Ⅲ 假人。
 
碰撞假人的历史可追溯到 1949 年用于航空航天中的弹射座椅安全性研究的 Sierra Sam 假人。后来又有几版改进，但其生物逼真度及可靠性都比较差，通用汽车公司当时压根就看不上这些假人，于是脑袋一拍打算大干一场，自己开发假人。
第一个试验假人Sierra Sam（图片来源于网络）
在 1971 年左右，通用开发出了 Hybrid I 假人，之所以取名叫 Hybrid，是因为通用觉得他们的假人是集大成者，融合前面所有假人的优点。但是这个 Hybrid I 老哥没混多久，马上就被长江后浪推前浪给推走了。
 
在 1972年，通用推出了他们的第二代假人 Hybrid II。这位老哥出生第二年，就被 NHTSA 相中，用于美国汽车的正碰法规 FMVSS 208 中，并一直服务到1997 年才退役，被下一代的 Hybrid III 接棒，可以说是混的相当不错的“混”系列假人了。但是 Hybrid II 的头颈胸部的刚度特性拟人化较差，通用汽车也意识到了这个缺点，于是继续撸起袖子加油干。终于在 1976 年研发出了知名度最高的 Hybrid III 50 百分位假人。从这里我们可知，Hybrid III 的 50 百分位是40多年前的美国人的50百分位了，但老美这几十年越来越胖，几十年前的 50 百分位已经不能很好的代表当前美国的人群特征了。而胖子在交通事故中通常比瘦人更危险，所以现在也越来越多的人研究胖子在碰撞中的损伤响应情况。
Hybrid II 假人（图片来源于网络）
不过Hybrid III 50 百分位假人在 Hybrid 系列中混的最好，不仅成为了世界各国碰撞试验室的主力军，更是“结婚生子”，开创了一个 Hybrid III 系列家族，可以说是光宗耀祖了。通用看到自己取得的光辉成就，很开心的公开了自己的假人开发经验，并且跟 NHTSA 一起制定了各类标准。不过需要注意的是， 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岁儿童等假人，都是基于 Hybrid III 50 百分位缩放得到的，除了缩放假人的基本尺寸、质量外，还缩放了其碰撞损伤阈值。为什么其他的假人都是拿Hybrid III 50 百分位缩放呢？主要是因为假人研发是一件很困难的事，不同体型假人验证的尸体数据也较为有限，从零开始研发其他体型的假人需要较高的成本。
Hybrid III 家族（图片来源于网络）
我们来看下这位 Hybrid III 老哥的“解剖学”特征。首先是颈部，颈部是典型的分段式三明治结构，可更好的表征人类颈部结构。Hybrid III颈部的前面在每一个分段内都有个缝隙，将其往后掰时能明显看到这个缝隙。之所以这样设计，是因为人类颈部后仰的允许范围小于前向弯曲（所以仰天长笑时脖子会比低头大笑时要难受一点）。
Hybrid III 50百分位男性颈部，图中红圈为颈部前面的缝隙
汽车碰撞时，驾驶员的胸部比较容易受伤。我将试验室的 Hybrid III 老哥的胸部解剖后，亲眼目睹了其内部的器官（以下是血腥现场，哈哈哈~开玩笑）。Hybrid III的胸部有 6 组肋骨。不过正常来说，人类总共有 12 对肋骨，Hybrid III之所以采用 6 组肋骨，是因为假人作为一种试验设备，除了要能反映人体的生物力学特性外，还得有足够的鲁棒性及可重复使用性，需要采用尽量简单的结构，此外，在假人狭小的胸部空间内，也需要减少肋骨大变形时产生运动干涉的可能性，因此，工程师们就折中用了 6 根“肋骨”。
Hybrid III 假人胸部背面，图中红圈内为肋骨钢片的阻尼材料，绿圈为钢片
根据尸体试验结果，人体胸部碰撞下典型的响应力曲线具有“上升-下降-上升-平缓-下降”的特性。在外部压缩载荷下，当有几根肋骨被压断后力会下降，进一步压缩使得如肺、心脏等软组织器官开始抵抗外部载荷，响应力会再次上升，随后进入一段平缓区，并最终下降。但是，为了保证假人的可重复使用性，不能出现“肋骨”骨折，这就很难产生中间一段的力的下降响应。
此外，Hybrid III 假人是用于汽车前碰撞测试的，其脊柱结构特性未经足够的生物力学试验标定，如果用于脊柱垂向受载的工况（如航空航天中的座椅弹射），生物力学响应和损伤参数的输出不一定准确。
 
Hybrid III 假人最为明显的局限性还是其只能用于正面碰撞。因为 Hybrid III 假人只是一种测量设备，任何测量设备都有其适用范围。因此，自从通用汽车公开了其假人研究经验后，各大企业及研究机构纷纷加入假人研发的队伍，开始研发适用于其他碰撞工况如侧碰、追尾等工况的碰撞假人。
 
欧洲在上世纪 80 年代开发他们的 Euro-SID 侧碰假人，同时美国也开发出了他们的 SID 侧碰假人。那么问题来了，两款测碰假人往往会导致同一款车测出的结果会有差异，但是各自都觉得自己的假人才是最好的。在不断的“我早就看你不顺眼了”的干架过程中，又出现了一款新的侧碰假人叫 WorldSID，这名字听上去就有种一统江湖的霸气。
各类侧碰假人
各类后碰假人
此外，还研发出了适用于追尾碰撞的后碰假人、适用于儿童的 Q 假人、用于行人碰撞的站姿假人等。站姿假人与坐姿假人最大的区别就是其为站姿，但是最主要的问题也是其没法站立，因为假人不像人体一样有大脑控制其站立，因此并不能够像服装店里的模特一样“顶天立地”。
假人站不住！（由于假人实在太重，因此用儿童假人模拟）
由于站姿假人站立困难，因此现在多用头部、髋部、下肢等模块进行汽车行人安全碰撞试验。欧洲提高车辆安全委员会(EEVC)十多年前推荐采用的行人下肢模块的膝关节只有两个自由度，只规定了膝关节的侧向弯曲和相对位移两个方向的力学特性，没有考虑其前后方向的自然弯曲和小腿和大腿之间前后方向的相对位移，对侧面碰撞以外的方向和行人步行姿态等复杂工况并不直接适用，也没有考虑下肢模块接触保险杠以后可能产生的转动。因此，周青老师团队十多年前曾研发出了行人四自由度膝关节下肢模块，以实现在多个碰撞方向上能更好的再现实际人车碰撞中的复杂工况，更真实的表征行人下肢模块与保险杠变形交互作用时的响应。
行人四自由度膝关节下肢模块
由于实际碰撞事故工况复杂，且座椅安全带对人体的加载本身就是非对称的，实际道路交通事故中人体所经受的载荷也多为斜向碰撞，但目前的正面假人胸部结构只在正面碰撞下进行了标定，侧面碰撞假人胸部结构只在侧面碰撞下进行了标定，且很难呈现安全带对胸部产生的局部侵入变形。为此，周青老师团队在十多年前便提出并研制出了一种可用于多方向碰撞工况的假人胸部结构。该假人胸部结构除了能够同时用于正碰、侧碰、斜碰工况外，还能再现安全带对胸部的局部侵入变形响应。未来自动驾驶车辆中乘员的朝向可能更加多样，对斜向碰撞的保护的需求或许增加呢。
 
具有多方向生物力学逼真特性的碰撞假人胸部
几十年来，碰撞试验假人仍在不断的研发中。美国很早就意识到了 Hybrid III 假人的不足，因此上世纪 80 年代左右，NHTSA 就开始推动下一代全新碰撞假人 THOR（Test Device for Human Occupant Restraint）的研究。周青老师入职清华前，在美国工作期间也曾参与了第一代 THOR 假人的开发。THOR 假人为了弥补 Hybrid III 假人的缺点，做了大量的改进，其生物逼真度更高，可测量的损伤参数也更多。也正因为其功能的提高使得其结构变得更加复杂，研发早期时经常一撞就坏， THOR 假人开发历时 20 多年，现在终于开始使用了。不过 THOR 假人虽然好用，但是其成本也是非常高的，据说一个 THOR 假人要 1000 万元人民币左右，是其他假人价格的 10 倍，每每想到这，作者的内心就是自己同样活了 20 多岁，身价还不如一个假人.
 
THOR 假人与 Hybrid III 有很多区别。以胸部为例，首先是胸部肋骨钢片的半径从上往下越来越大，不像 Hybrid III 所有肋骨几乎都一样大，其次就是胸部肋骨更像真人一样是一种由后往前的倾斜状。
THOR 假人及人体肋骨比较
在碰撞假人的研发过程中，我们发现欧美等西方国家占主导地位，其他国家大部分都在吃瓜。同时碰撞假人的设计都是针对西方人体的尺寸，西方的 50 百分位可能就是中国的 60或者 70 百分位了。为了进一步提高中国汽车的安全性能，应尽快研发具有中国体征和生物力学特性的碰撞假人，期待我国碰撞假人早日研发成功以提升中国在汽车安全领域的国际竞争力和标准话语权。
 
致谢：
感谢周青老师修改本文！
 
参考文献：
[1] HUANG J , NIE B B , ZENG L , et al. Development of a Legform Impactor with 4-DOF Knee-Joint for Pedestrian Safety Assessment in Omni-direction Impacts[J]. SAE Paper 2011-01-0085.
[2] 周青, 杜汇良, 迈克尔·奎德, 等. 用于人体碰撞保护试验的四自由度假人膝关节机构: 中国, 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] 赖兴华, 徐辰, 马春生, 周青, 张金换. 具有多方向生物力学逼真特性的碰撞假人胸部集总参数建模. 清华大学学报(自然科学版) 2014;(6):750-755.
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