TNO-10假人軀干力學(xué)性能的研究

楊青　顏凌波　劉鑫光　傅燦

摘 要：TNO-10假人主要用于安全帶動(dòng)態(tài)測(cè)試試驗(yàn)，假人軀干的力學(xué)性能會(huì)直接影響安全帶動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果。本文介紹了兩種TNO-10假人軀干力學(xué)性能研究的方法，通過(guò)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)研究了皮膚硬度不同和骨架不同的假人軀干的力學(xué)性能，為深入研究假人軀干對(duì)安全帶試驗(yàn)的影響提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：TNO-10假人;軀干;力學(xué)性能;扭轉(zhuǎn);彎曲

中圖分類(lèi)號(hào)：U467.14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

TNO-10假人是主要用于考察汽車(chē)安全帶在碰撞中性能的加載工具。通過(guò)獲得在臺(tái)車(chē)試驗(yàn)中假人胸部位移量和臀部位移量來(lái)評(píng)價(jià)安全帶在事故中對(duì)乘員的保護(hù)效果。目前，我國(guó)汽車(chē)安全行業(yè)所使用的TNO-10假人由于使用年限、試驗(yàn)次數(shù)、生產(chǎn)廠家等不同，造成假人狀態(tài)產(chǎn)生了較大差異，從而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果有較大差異，目前行業(yè)內(nèi)主要使用的幾種假人之間的胸部位移試驗(yàn)結(jié)果差異最大可以達(dá)到100多毫米，行業(yè)內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果一致性情況并不樂(lè)觀。面臨的主要有假人皮膚老化和內(nèi)部骨架損壞而不易察覺(jué)的問(wèn)題，而針對(duì)這兩種情況對(duì)假人力學(xué)性能的影響，國(guó)內(nèi)外并沒(méi)有提出合適的方法進(jìn)行研究。2018年9月，我國(guó)車(chē)身分標(biāo)委成立了專(zhuān)門(mén)工作組開(kāi)始制定《汽車(chē)安全帶試驗(yàn)用假人》的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。分析安全帶動(dòng)態(tài)試驗(yàn)要求可知，假人胸部位移量和臀部位移量都與其軀干有直接關(guān)系，假人軀干的物理性能會(huì)直接影響試驗(yàn)結(jié)果。針對(duì)TNO-10假人軀干的力學(xué)性能，本文提出兩種測(cè)試方法進(jìn)行研究——扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)。

1 假人簡(jiǎn)介

TNO-10假人是汽車(chē)碰撞模擬試驗(yàn)中安全帶動(dòng)態(tài)測(cè)試及其研發(fā)試驗(yàn)的加載裝置，為適用配重，設(shè)計(jì)中去除了前臂，并僅有一只小腿，其主要有頭、頸、軀干、大腿和小腿5個(gè)部分構(gòu)成，如圖1所示。假人內(nèi)部骨架主要用金屬材料制成，包裹于骨架之上皮膚主要是由聚氨酯材料制成。根據(jù)GB/T14166-2013標(biāo)準(zhǔn)，該假人可作為試驗(yàn)用測(cè)試裝備使用。GB/T14166-2013是在基于歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)第16項(xiàng)法規(guī)（ECE016）重新起草的GB/T14166-2003的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，因此其關(guān)于假人的要求與ECE R16法規(guī)中關(guān)于假人的要求基本一致。

2 假人軀干力學(xué)性能試驗(yàn)分析

目前，在汽車(chē)上主要使用的是三點(diǎn)式安全帶，由于其自身結(jié)構(gòu)的原因，在安全帶動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，假人軀干會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和彎曲變形。如圖2所示，是車(chē)載高速攝像機(jī)在不同時(shí)刻記錄的臺(tái)車(chē)試驗(yàn)中假人姿態(tài)變化的情況，從圖中可以看出：在臺(tái)車(chē)試驗(yàn)過(guò)程中，假人軀干確實(shí)存在扭轉(zhuǎn)和彎曲變形。在試驗(yàn)過(guò)程中，這兩種變形應(yīng)該是同時(shí)存在的。

根據(jù)上述現(xiàn)象，可以將假人軀干的變形動(dòng)作完全分解成扭轉(zhuǎn)和彎曲，通過(guò)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)假人軀干的力學(xué)性能。本文設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)TNO-10假人軀干試驗(yàn)裝置（如圖3），進(jìn)行假人軀干力學(xué)性能的研究。

2.1 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

考慮到臺(tái)車(chē)試驗(yàn)中假人軀干一次試驗(yàn)只會(huì)產(chǎn)生一個(gè)方向扭轉(zhuǎn)的情況，同時(shí)避免軀干殘余應(yīng)力對(duì)試驗(yàn)的影響，我們采用了半周期間隔1 h順時(shí)針和逆時(shí)針交替扭轉(zhuǎn)的方式。具體試驗(yàn)過(guò)程如下：如圖3（a）所示，將TNO-10假人軀干固定安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，啟動(dòng)電機(jī)后，使軀干先沿逆時(shí)針?lè)较蛑辽倥まD(zhuǎn)到25°，然后反向扭轉(zhuǎn)恢復(fù)到0°，記錄這半周期T/2扭轉(zhuǎn)過(guò)程中的扭矩——角度曲線(xiàn);等待1 h后，再將軀干沿順時(shí)針至少扭轉(zhuǎn)到-25°，然后反向扭轉(zhuǎn)恢復(fù)到0°，再次記錄這半周期T/2扭轉(zhuǎn)過(guò)程中的扭矩——角度曲線(xiàn)。以下規(guī)定：逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)角度為正，對(duì)應(yīng)剛度為正剛度;順時(shí)針扭轉(zhuǎn)角度為負(fù)，對(duì)應(yīng)剛度為反剛度。

根據(jù)GB14166-2013要求，假人皮膚采用聚氨酯材料制成，硬度為邵氏A 50-60[1]。我們分別對(duì)幾種硬度不同的軀干進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，研究其在扭轉(zhuǎn)變形中的力學(xué)特性，如圖4所示。

表1是對(duì)硬度不同的軀干多次扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)所得。結(jié)合圖4中的試驗(yàn)曲線(xiàn)，可以明顯看出：假人軀干的力學(xué)特性與剛度成正相關(guān)，硬度越大，扭轉(zhuǎn)剛度也越大。說(shuō)明可以用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)來(lái)研究假人軀干硬度發(fā)生變化后的力學(xué)性能。

2.2 彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了研究TNO-10假人軀干骨架損壞對(duì)其力學(xué)性能的影響，我們用三個(gè)不同的骨架，一個(gè)鏈條斷裂，一個(gè)肋骨斷裂和一個(gè)完好的骨架，采用相同的材料配比，按照相同的工藝制作了三個(gè)硬度基本相同的軀干。對(duì)這3個(gè)軀干進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，如圖5所示，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：骨架是否損壞對(duì)軀干力學(xué)性能的影響在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中表現(xiàn)得不是太明顯。根據(jù)臺(tái)車(chē)試驗(yàn)假人姿態(tài)變化的分析，安全帶動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中假人軀干還存在彎曲變形，因此，我們可以對(duì)這三個(gè)軀干進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)，研究其力學(xué)性能的差異。彎曲試驗(yàn)的具體過(guò)程為：如圖3（b）所示，將假人軀干固定在試驗(yàn)臺(tái)上，啟動(dòng)電動(dòng)推桿后，軀干向上至少?gòu)澢?5°，然后反向恢復(fù)到水平位置（0°），記錄試驗(yàn)過(guò)程中力——角度曲線(xiàn)。對(duì)這三個(gè)骨架不同軀干的彎曲試驗(yàn)曲線(xiàn)如圖7所示。

從圖7中可以看出，骨架完好的軀干彎曲剛度要明顯大于骨架損壞的軀干剛度。對(duì)比圖6中扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)曲線(xiàn)，可以明顯看出，彎曲試驗(yàn)對(duì)骨架不同的三個(gè)軀干的力學(xué)性能所表現(xiàn)的差異比扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)更明顯，更有利于區(qū)分假人骨架是否失效的情況。

3 結(jié)論

本文首先簡(jiǎn)要分析了現(xiàn)在行業(yè)中所用TNO-10假人的狀態(tài)存在差異，然后分析TNO-10假人臺(tái)車(chē)試驗(yàn)中軀干姿態(tài)產(chǎn)生的變化，提出采用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)來(lái)研究假人軀干的力學(xué)性能。根據(jù)試驗(yàn)思路，開(kāi)發(fā)了一套試驗(yàn)裝置，對(duì)不同硬度和不同骨架的假人軀干進(jìn)行了研究。通過(guò)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，軀干硬度不同，其力學(xué)性能不同;利用彎曲試驗(yàn)，可以更明顯的區(qū)分假人軀干骨架是否損壞失效。通過(guò)對(duì)假人軀干力學(xué)性能的研究，可以為假人皮膚老化或骨架損壞對(duì)安全帶動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果的影響提供參考依據(jù)，有利于提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性。

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