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基于台车仿真的Hybrid III 50th假人与THOR 50th假人伤害对比研究
2020-04-02 15:58:04· 来源：2019 SAECCE论文集
马健胜1,卜晓兵1,李英杰2,郑艳婷11.中国汽车技术研究中心有限公司2.北汽新能源汽车股份有限公司摘 要欧洲NCAP确定于2020年更改正面碰撞用假人，把目前广泛使用的
马健胜1,卜晓兵1,李英杰2,郑艳婷1
1.中国汽车技术研究中心有限公司
2.北汽新能源汽车股份有限公司
摘 要
欧洲NCAP确定于2020年更改正面碰撞用假人，把目前广泛使用的Hybrid III 50百分位假人更改为50百分位 的THOR假人。美国NCAP也计划在正面碰撞中使用THOR假人。THOR假人更接近真人的损伤机理，在未来的正面碰撞中，使用THOR假人是一种趋势。本文针对正面碰撞工况，首先通过LS-DYNA对首美Hybrid III 50百分位和THOR 50百分位假人进行了仿真对比分析，其中带有Hybrid III 50百分位假人的模型经过了台车试验验证，对比两种假人在相同的约束系统参数下的差异性，研究分析THOR假人的伤害机理，为后期THOR研究提供了参考。
引 言
00
由消费者发起的新车评价测试(NCAP, New Car Assessment Program)在世界各个国家和地区具有广泛的影响。NCAP设立的目标是鼓励汽车制造商超出法规规定的汽车最低安全标准，设计更高安全水平的汽车。目前世界各国法规 和NCAP评价体系，在正面100%重叠刚性壁障碰撞试验中， 广泛在前排驾驶人侧放置一个Hybrid III型50百分位男性假 人，此假人由美国通用汽车公司在1976年设计开发，至今应用已有四十多年的历史。随着43年来车辆安全系统的进步，以及试验车辆碰撞形式的改变、评价规则的改变，Hybrid III型假人的生物逼真度、伤害指标测量功能能否满足未 来汽车被动安全测试的需求值得讨论。
在2018年11月欧洲Euro NCAP公布的评价规则9. 0版 本中，Euro NCAP确定于2020年1月开始在正面碰撞驾驶 人侧使用THOR 50百分位假人，用来测试、评价驾驶人受伤情况。美国NCAP目前还未公布更换假人的时间。但是, 美国NCAP计划在90km/h时速下侧面偏置移动式可变形壁障试验(OMDB)中的驾驶人侧、副驾驶人侧，56km/h的 正面全宽刚性壁障试验中的驾驶人侧，用THOR 50百分位 男性假人替代Hybrid H 50百分位男性假人。
由此可见，在正面100%重叠碰撞试验中，假人采用生 物仿真度更高的THOR 50百分位男性假人逐渐成为各国 NCAP的发展趋势。在中国，C-NCAP对新车的评价体系会越来越严格，所以车辆星级开发技术要求也会越来越高。为了达到不断提高的汽车安全设计目标，车企需要尽早了解 NCAP评价规则即将发生的变化，以便能够尽早按照评分要求设计车辆。本文对THOR 50th假人的研究可以为车企开 发新车型提供参考。
THOR假人仿真度较高，与Hybrid III假人在外形、构造、传感器方面有很多不同，THOR假人拥有更多、更精确的传感器。因此两种假人在车辆评价方面也会不同。目前国内对THOR假人的研究和运用还比较少。
随着计算机计算能力和有限元假人可靠度的提升，使模 拟仿真成为约束系统开发必不可少的工具。本文在经过 50km/h台车试验验证的约束系统有限元模型基础上，不改变约束系统配置，将Hybrid III有限元假人更换为THOR有限元假人，尽量保证两种假人初始摆放姿态一致的情况下, 对比两个约束系统模型中假人运动姿态和相应各部位伤害曲线的异同，并依据Euro NCAP 2020版（V9.0）评价规则， 对两种假人各部位得分进行得分率对比，对车企在THOR假人评价规则下开发新车型具有实际意义。
两种假人主要结构差异
01、本文中使用的有限元假人模型均为首美开发。其Hybrid III 50百分位男性假人与THOR 50百分位男性假人如图1所示。假人基本重量，尺寸对比：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使用更复杂、数量更多的传感器，如图2所示， THOR 50th假人在面部增加了压力传感器，头部增加了角速度传感器，分别用来评价假人面部的损伤和脑部的损伤，这是之前的假人不具备的测量功能。
胸部结构差异是两种假人主要的差别之一，Hybrid III 50th假人胸部的压缩量，使用胸部带小球的连杆测量（图 3）,连杆转动的角度再换算成假人的胸部压缩量。THOR 50th采用了更直接的传感器测量胸部压缩量，胸部采用4个红外线伸缩杆（图4）,杆两端的相对空间距离变化即为此 压缩杆上的胸部压缩量，根据各国评价指标换算成假人胸部压缩量。THOR假人由于采用4根伸缩杆，可以模拟假人胸部压缩的不均匀性，模拟胸腔的扭转变形行为。
约束系统模型建立与试验验证
02、2.1正面约束系统模型建立
本文以某SUV车型为研究对象，通过LS- DYNA软件建立该车的正面刚性壁障50km/h台车有限元约束系统模型, 如图5所示。分析正面100%重叠刚性壁障碰撞过程中， Hybrid III 50百分位假人和THOR 50百分位假人的伤害情况，两种假人所建立的约束系统边界条件和约束系统配置参数完全一致，详细对比考虑两种假人的各部位伤害。
搭建的正面约束系统主要由下列子系统组成：白车身、 气囊、安全带、假人、座椅、转向管柱、三踏板、地毯、保险杠、IP横梁等，模型中还包括其他非实际模块中的模型, 比如特殊存在于有限元模型中的参数系统文件和链接文件、 接触文件、工况控制文件和边界条件文件等内容。约束系统子系统之间主要是用rigid patch刚性片连接。
约束系统中的白车身，采用从整车耐撞性模型中提取从 A柱到B柱之间的模型，然后进行钢化，并将钢化的零件设置惯性信息。
假人首先采用Primer软件来调整位置与姿态，将假人按照机械运动关系摆放到H点位置并调整躯干和四肢的姿态，使两个假人位置和姿态初始状态一致。调整假人至H点后，假人和座椅泡沫会有穿透，本文采用LS-DYNA软件计算来消除假人与座椅之间的穿透，将计算结果的dynain文件导入座椅中，这样约束系统中的座椅模型发泡就具有了初始变形信息。
安全带建模使用Primer软件中的seatbelt模块：定义安全带路径；定义特殊位置属性如卷收器和滑环等，在本模型中还加有预紧器；安全带全部采用2D单元。
最后设置约束系统模型中各个子系统之间的接触，防止 计算过程中的穿透问题。
按照C-NCAP （2018版）正面100%重叠刚性壁障碰撞 试验规定，试验车辆100%重叠正面冲击固定刚性壁障，壁障上附以20mm厚胶合板。碰撞速度为50°+ km/h（试验速 度不低于50km/h）。试验车辆到达壁障的路线在横向任一方向偏离理论轨迹均不得超过150mm。在前排驾驶员人摆放的假人为Hybrid III型50百分位男性假人。在本文中提取摸底试验中整车碰撞正面100%重叠正面碰撞试验中B柱下端加速度传感器采集到的X向加速度，作为约束系统模拟中的边界条件加在钢化的白车身上，在有限元模型中使用 BOUNDARY PRESCRIBED MOTION关键字施加X向的边界条件。
2.2 Hybrid ID约束系统模型试验验证
其中，驾驶人侧带有首美Hybrid III 50th男性假人的台车有限元约束系统模型已经经过台车试验对标验证。驾驶人侧Hybrid III假人有限元模型动画与Hybrid III假人正面碰撞滑车试验录像不同时刻下假人姿态对比如图6所示。安全带肩带力、骨盆X向加速度、假人胸部X向加速度仿真与试验曲线对比分别如图7〜图9所示。由此可见，仿真与试验中假人的运动姿态，安全带肩带力、骨盆X向加速度、胸部X向加速度仿真与台车试验表现一致，验证了该带有Hybrid 假人台车有限元模型的有效性。
本文在经过正碰50km/h台车试验验证的有限元模型基础上，将首美Hybrid III 50TH更换为首美THOR 50TH假人。在不改变约束系统配置、保证两种假人摆放姿态基本一致的情况下，对比研究两种假人的运动姿态表现与各部位伤害曲线趋势、对比在Euro NCAP 2020评价规则下得分的差异。
两种假人伤害对比
03、3.1 头部部位
THOR 50th假人在面部有压力传感器与角速度传感器, 分别用来评价假人面部的损伤和脑部的损伤，这是之前的假 人没有的测量功能。 根据Euro NCAP 2020规则，仅对两种假人都有的头部加速度传感器曲线进行对比。
图10分别为两个假人头部合成加速度曲线对比，加速度曲线，可以计算得出：
Hybrid III 50TH：头部伤害指数(HIC15) =390
3ms合成加速度值=56. 3g
THOR 50TH：头部伤害指数(HIC15) =425
3ms合成加速度值=56. 6g
可以看到，两种假人合成加速度曲线峰值、峰值时刻基 本吻合。两者头部伤害指数HIC和3ms合成加速度值基本相同。
THOR假人特有的头部角速度传感器可以测量假人头部的旋转，用头部传感器测量的三个方向的角速度评价假人脑部伤害。欧洲NCAP 2020版评价规则并不会对假人脑部伤害指标进行考察。但是早在NHTSA 2017年发布的征求意见要求里，美国NCAP推荐增加对THOR假人的脑部伤害评价，用头部三个方向的角速度计算脑部伤害。
3.2颈部部位
按照欧洲NCAP 2020版，颈部部位评分的评分项有: 剪切力Fx，张力Fz，伸张弯矩My。图11 ~图13分别为两种假人颈部的上端传感器的X、Z方向的力和伸张弯矩。
Hybrid III假人颈部的剪切力Fx和张力Fz是通过累计曲线来评价的，用限值曲线来评价，是限制对时间的函数。经过调整，计算出点对时间的图，每个点均对应各自的高低性能限，通过线性插值可计算出各个点相应的分数，取其中的最低得分作为该部位得分。评分规则规定了相应的限值图和评分界限。Hybrid III假人颈部的伸张弯矩Fz得分由高低 限值计算，模拟伸张弯矩最高为41. lN・m,小于高性能值 42N • m,伸张弯矩为满分。Hybrid III假人颈部部位评分都为满分。
THOR假人颈部的剪切力Fx，张力Fz，伸张弯矩My均 由对应的高低限值计算得到。在该有限元结果中，THOR假人颈部剪切力最高0.29kN,张力最高1.2kN,伸张弯矩My最高5.8N • m,均小于THOR假人对应的高性能值, THOR假人颈部得分为满分。
颈部部位两种假人的张力Fz曲线峰值和峰值时刻比较一致，其他方向差别较大。
3.3胸腹部位
图14、图15分别为Hybrid III假人和THOR假人的胸部压缩量曲线。 按照欧洲NCAP 2020年版胸部部位评分规则，Hybrid III假人胸部部位评价指标包括胸部压缩变形量和黏性指数(VC)。评分规则规定了相应指标的低性能值和高性能值, 处于之间的测量值分别采用线性插值的方法计算分数。Hybrid III假人的胸部压缩量的测量为测量带有小球的连杆转动角度，然后通过该连杆转动的角度转换成胸部压缩量的方法得到的。Hybrid III假人没有腹部压缩量测量功能，评分规则也不对Hybrid III腹部压缩变形量进行考察。
THOR假人的胸部压缩量取胸部四根红外线伸缩杆变形的最大值作为其胸部压缩量。
由此得到：Hybrid III 50TH胸部压缩量为30. 1mm,黏性指数VC为0.218m/s。
THOR 50TH胸部压缩量为46. 6mm0 THOR假人腹部压 缩量为60. 8mm （图16）
3.4大腿部位
图17为两种假人的大腿压缩力和膝盖滑动位移曲线对比。
欧洲NCAP中对Hybrid III假人和THOR假人大腿部位评分考察项和大腿压缩力和膝盖滑动位移。大腿压缩力是通过累积曲线来评价的，是限制对时间的函数。针对每个点的高性能值与低性能值，线性插值计算出每个点的得分，取其中最低分作为该部位得分。在大腿以及膝部评价规则的限值上，两种假人相同。如图17所示，Hybrid III 50TH与THOR 50TH两种假人的曲线比较一致。大腿压缩力都为满分（小 于高性能限值3.8kN）。Hybrid III膝盖滑动位移* 6.8mm, THOR假人膝盖滑动位移为5. 7mm。
3. 5小腿部位
图18分别为Hybrid HI 50TH与THOR 50TH两种假人的小腿伤害曲线对比。分别为左小腿上传感器、左小腿下传感器、右小腿上传感器、右小腿下传感器的Z方向的轴向压缩力曲线对比和相应的胫骨指数Ti曲线对比。
欧洲NCAP（2020年版）中对Hybrid III假人和THOR 假人小腿部位评分的考察项有：胫骨指数（Ti）和小腿轴向压缩力。两种假人在小腿评分上的高低限值相同。处于高低限值之间的测量值分别采用线性插值计算相应得分。由图18可见，在小腿伤害曲线上，两种假人差别较大。
3. 6 欧洲NCAP 2020得分率对比
在欧洲NCAP 2020版（V9.0）中，同时规定了驾驶人侧THOR 50th假人与副驾驶人侧Hybrid III 50th假人各部位的评分项，以及各部位用来计算评价得分的高性能限值与低 性能限值。
假设在同一版评价规则中，假人各部位伤害高低限值所 规定的相同百分位假人对应的伤害等级相同，则可以认为在欧洲NCAP 2020版所规定的THOR 50th高低限值与Hybrid III 50th规定的高低限值所对应的伤害等级是等同的。在此评价规则下，计算Hybrid III假人与THOR假人各对应部位的得分率柱状图。
由图19可见，THOR假人与Hybrid III假人在头，颈, 大腿部位均为满分，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。小腿部位的得分率计算模拟结果两种假人差异较大。
假人运动姿态动画对比
04、本约束系统模型中，Hybrid III 50百分位假人与THOR 50百分位假人不同时刻的动画对比见图20,可见两种假人的运动姿态表现一致性较高。Hybrid III假人45ms头部开始与气囊接触，THOR假人50ms头部开始与气囊接触。
结 论
05、首先介绍了 THOR 50th假人、Hybrid III 50th在结构和传感器方面的差异。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，搭建某车型约束系统有限元模型。其中驾驶人侧带有Hybrid III 50百分位假人的约束系统模型，经过了正碰台车试验对标验证。假人运动姿态和各部位伤害值与滑车试验表现一致，首先验证了该有限元模型的有效性。
在经过50km/h正碰台车试验验证的约束系统模型基础 上，把模型中的Hybrid III 50th有限元假人替换为THOR 50th有限元假人。对比两种假人在相同约束系统参数下的有限元模型，比较两种假人的运动姿态。并依据欧洲NCAP 2020年版评价规则，比较了在同样约束系统配置下，两种假人对应部位的伤害值得分百分比。
研究表明：在该车型约束系统在不改变约束系统参数的 情况下，Hybrid III 50th假人与THOR 50th假人在头部合成加速度、颈部部位张力Fz、左右大腿压缩力Fz、左右膝盖滑动位移量曲线上峰值和峰值时刻基本一致。在颈部剪切力Fx， 颈部弯矩My，小腿部位伤害曲线上两种假人表现差异较大。按照欧洲NCAP (2020)评价规则，两种假人头、 颈、大腿部位均为满分。膝盖滑移量，Hybrid III得分率略低。两种假人胸部结构不同，THOR假人胸部压缩量得分率比Hybrid III低。结果可为在现有车型Hybrid III假人试验数 据基础上，评估该车型在THOR 50th下的得分提供参考。
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