SID-Ⅱs假人肩部加速度異常數(shù)據(jù)的研究

崔新康，商恩義,李月明,張毅,章健,張榮

(吉利汽車(chē)研究院(寧波)有限公司浙江省汽車(chē)安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 311228)

0 引言

當(dāng)前，在汽車(chē)被動(dòng)安全約束系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，每款車(chē)通常需要進(jìn)行幾十次的實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)[1-2]。試驗(yàn)中，通過(guò)假人身上各個(gè)部位的傳感器采集數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)乘員受到的傷害程度[3]。因此，對(duì)假人身上采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求較高。但事實(shí)上，試驗(yàn)中采集到的假人數(shù)據(jù)中經(jīng)常存在毛刺、尖峰、削峰、跳變、相位平移、疊加等異常現(xiàn)象[4-5]。其中，各假人中尤其以SID-IIs假人肩部加速度的異常問(wèn)題偏多，這些異常數(shù)據(jù)有時(shí)會(huì)影響假人傷害值的評(píng)價(jià)，對(duì)其產(chǎn)生的原因有必要進(jìn)行深入研究，以便及時(shí)解決。

1 SID-IIs假人肩部及胸部結(jié)構(gòu)

SID-IIs假人胸部結(jié)構(gòu)[6]如圖1所示。

圖1 SID-IIs假人胸部結(jié)構(gòu)

SID-IIs假人上軀干胸部結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為懸臂梁式結(jié)構(gòu)如圖2所示。胸椎可以簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)方形的剛體，肩部簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)方形的彈性薄板。肋骨一端固定胸椎上，另一端和手臂相連是自由端，肩部肋骨上下都有擋板，肋骨和擋板之間有活動(dòng)間隙。假人肋骨在移動(dòng)時(shí)受限于上下?lián)醢?肩部肋骨和胸椎之間也有活動(dòng)間隙，前后移動(dòng)受限于胸椎。

圖2 SID-IIs假人肩部及胸部簡(jiǎn)示圖

2 假人肩部加速度數(shù)據(jù)異常案例研究

某車(chē)型進(jìn)行IIHs側(cè)碰試驗(yàn)后，后排SID-IIs假人肩部Y/Z向加速度數(shù)據(jù)都出現(xiàn)了持續(xù)異常突變。異常突變主要集中在10～30 ms和在70～170 ms時(shí)段。數(shù)據(jù)幅值在40g左右，脈寬在5～10 ms,如圖3所示。把肩部、胸部(上中下)、腹部(上下)的Y向加速度放在一起比較時(shí)，只有肩部的Y向加速度70～170 ms時(shí)段有異常突變，如圖4所示。

圖3 側(cè)碰試驗(yàn)主駕后排假人肩部加速度

圖4 肩部、胸部、腹部加速度

在查看肩部、胸部(上中下)、腹部(上下)的位移，可以看到上面各個(gè)部位的位移走勢(shì)基本一致，在70～170 ms時(shí)段無(wú)異常突變，如圖5所示。說(shuō)明假人肩部肋骨在70～170 msY向沒(méi)有受到外力。把肩部、胸部(上中下)、腹部(上下)的加速度進(jìn)行積分，可以看到胸部(上中下)、腹部(上下)的速度曲線走勢(shì)基本一致，最大達(dá)到10 m/s。肩部加速度的積分曲線在12 ms偏離總體走勢(shì)，最大速度達(dá)到26.7 m/s。如圖6所示。說(shuō)明主駕后排SID-IIs假人肩部Y向加速度數(shù)據(jù)是異常數(shù)據(jù)。但是，這種異常是假人結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的真實(shí)體現(xiàn)，還是某種原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)異常暫時(shí)無(wú)法判斷。

圖5 側(cè)碰試驗(yàn)主駕后排假人肩部位移

圖6 側(cè)碰試驗(yàn)主駕后排假人肩部/胸/腹加速度積分

2.1 異常因素分析

圖7為異常因素分析圖。

圖7 異常因素分析圖

試驗(yàn)前SID-IIs假人肩部加速度傳感器用數(shù)采靜態(tài)檢測(cè)正常，試驗(yàn)后下載SID-IIs假人試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)肩部加速度數(shù)據(jù)異常。為了檢查是否是肩部加速度器損壞(傳感器內(nèi)部虛接或內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞)，把SID-IIs假人肩部加速度傳感器固定在加速度檢測(cè)設(shè)備上進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)檢測(cè)，肩部加速度檢測(cè)結(jié)果如圖8所示，肩部X、Y、Z向加速度曲線一致，說(shuō)明Y向加速度正常。

圖8 試驗(yàn)后加速度檢查曲線

為了消除傳感器老化屏蔽層損壞、接頭虛接等因素，把SID-IIs假人肩部加速度傳感器更換為新型傳感器，如圖9所示。

圖9 肩部加速度傳感器

后續(xù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)并未消除?？梢耘懦齻鞲衅饕蛩睾图偃瞬考p毀因素。

由于在多個(gè)車(chē)型的側(cè)碰試驗(yàn)中均出現(xiàn)肩部加速度數(shù)據(jù)異常，每次試驗(yàn)時(shí)SID-IIs假人肩部加速度傳感器LEMO頭連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通道會(huì)不一樣。如圖10所示，由此可以排除車(chē)型差異和數(shù)采的因素。

圖10 試驗(yàn)數(shù)采和假人通道連接

每次側(cè)碰試驗(yàn)的溫度都控制在20～22 ℃，如圖11所示，溫度偏差較小,因此也可以排除溫濕度因素。

圖11 試驗(yàn)前假人溫度檢查

通過(guò)上面分析，最終把排查重點(diǎn)放在了假人本身結(jié)構(gòu)上。

2.2 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)視頻觀察后排SID-IIs假人，在10～30 ms這段時(shí)間SID-IIs假人在慣性力的作用下假人向門(mén)護(hù)板移動(dòng)傾斜。在30 ms時(shí)主駕后排SID-IIs假人手臂與門(mén)護(hù)板接觸(圖12)。

圖12 假人手臂與門(mén)護(hù)板位置

在通過(guò)查看試驗(yàn)數(shù)據(jù)，安全帶在10 ms左右點(diǎn)火(圖13)開(kāi)始預(yù)緊。安全帶力在15 ms時(shí)達(dá)到了峰值2 164 N，15～30 ms安全帶力逐步減小，安全帶肩帶力曲線具體如圖14所示。安全帶的預(yù)收緊過(guò)程如圖15所示。

圖13 安全帶點(diǎn)火時(shí)間

圖14 安全帶肩帶力曲線

圖15 10～30 ms后排假人安全帶預(yù)緊視頻

一般情況下安全帶預(yù)收緊時(shí)，胸部加速度會(huì)變大，例如：在正碰試驗(yàn)中在前排安全帶預(yù)緊時(shí)HIII-50%假人產(chǎn)生的胸部加速度為1～5g。但是，主駕后排SID-IIs假人在10～30 ms肩部Y/Z向的加速度幅值竟然達(dá)到45g左右則明顯異常。在10～30 ms這個(gè)時(shí)間段內(nèi)唯一的外力來(lái)源就是安全帶預(yù)緊力，安全帶預(yù)緊時(shí)安全帶快速收緊，胸部上邊(肩部肋骨、胸部第一根肋骨)短時(shí)間受到較大的力。

在54 ms肩部位移達(dá)到最大值15.2 mm，如圖16所示,此時(shí)假人上軀干開(kāi)始反彈。在假人上軀干反彈的過(guò)程中70～110 ms時(shí)段肩部加速度Y/Z出現(xiàn)突變，在Z向峰值明顯大于Y向，同時(shí)Y向曲線相位比Z向曲線相位偏后，說(shuō)明在這段時(shí)間肩部受力主要方向?yàn)閆向。在130～159 ms時(shí)段肩部加速度Y/Z再次出現(xiàn)突變，這段時(shí)間Y向和Z向的相位出現(xiàn)偏差越來(lái)越大，Y向曲線相位比Z向曲線相位偏差達(dá)到6 ms，具體如圖17所示。通過(guò)視頻觀察后排SID-IIs假人，在70～170 ms這段時(shí)間SID-IIs假人手臂與門(mén)護(hù)板一直未脫離(圖18)，安全帶力在0附近。所以，在假人上軀干處于反彈的過(guò)程中，肩部肋骨Z向的力來(lái)源于手臂。

(4)教學(xué)方法的選擇：作為職業(yè)院校的老師在主觀上并不排除教學(xué)改革，也積極學(xué)習(xí)先進(jìn)的教學(xué)理念、各種信息化教學(xué)手段，竭力擺脫傳統(tǒng)教學(xué)方法的束縛。但是，實(shí)際教學(xué)中，只有少部分學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)，課堂上無(wú)法開(kāi)展教學(xué)互動(dòng)，有的學(xué)生拒絕參與課堂學(xué)習(xí)，學(xué)生的消極反應(yīng)影響了老師的教學(xué)熱情，為了完成任務(wù)，很多老師不得不又回到以講授為主的授課方式，這主要由于他們沒(méi)有找到適應(yīng)中職學(xué)生的教學(xué)方式。盡管中職學(xué)生存在學(xué)習(xí)意愿弱、學(xué)習(xí)習(xí)慣較差等問(wèn)題，他們善于通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐來(lái)學(xué)習(xí)各種技能，該課程的教學(xué)時(shí)應(yīng)充分設(shè)計(jì)動(dòng)手環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在完成實(shí)際任務(wù)的過(guò)程中達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。

圖16 SID-IIs假人肩部位移

圖17 SID-IIs假人肩部加速度

圖18 70～170 ms后排假人安全帶預(yù)緊視頻

2.3 異常數(shù)據(jù)原因分析

根據(jù)SID-IIs假人肩部肋骨結(jié)構(gòu)，在肩部肋骨和胸椎連接在X、Z都是一個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)。受力時(shí)端部會(huì)產(chǎn)生較大位移，加速度安裝塊就安裝在懸臂梁結(jié)構(gòu)的端部。加速度傳感器記錄的就是假人肋骨端部的運(yùn)動(dòng)情況。

在10～30 ms這個(gè)時(shí)間段內(nèi)唯一的外力來(lái)源就是安全帶預(yù)緊力，安全帶預(yù)緊力峰值達(dá)2 164 N。安全帶預(yù)緊時(shí)，安全帶在快速收緊的過(guò)程中，胸部上邊受到的力最大。主要集中在肩部肋骨、胸部第一根肋骨。肩部安全帶預(yù)收緊，安全帶會(huì)下壓肩部肋骨，安全帶施力點(diǎn)在肩部肋骨端部附近。端部肋骨瞬間受力產(chǎn)生較大位移，下移動(dòng)時(shí)會(huì)受阻于擋板和胸椎，肋骨會(huì)和擋板產(chǎn)生撞擊，同時(shí)由于肋骨是一個(gè)彈性體，在撞到下?lián)醢鍟r(shí)會(huì)向上撞擊上擋板，在上下?lián)醢逯g振蕩，幅度和強(qiáng)度越來(lái)越小。肋骨撞擊擋板時(shí)會(huì)產(chǎn)生高加速度。

在70～170 ms時(shí)間段，假人上軀干處于反彈的過(guò)程中，肩部未完全和車(chē)門(mén)護(hù)板脫離。在這個(gè)過(guò)程中手臂和車(chē)門(mén)護(hù)板撞擊及手臂在自身重力下抖動(dòng)造成肩部肋骨和上下?lián)醢遄矒?。?dǎo)致肩部產(chǎn)生高加速度。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

用手握住假人手臂端部，上下/前后晃動(dòng)手臂撞擊上下?lián)醢?，同時(shí)小幅轉(zhuǎn)動(dòng)假人手臂。通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)假人肩部加速度曲線。查看試驗(yàn)曲線能否復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)異常數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)觸發(fā)后，上下晃動(dòng)SID-IIs假人手臂5次，共采集了10 s的數(shù)據(jù)，從試驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)中，可以看到5個(gè)雜波數(shù)據(jù)，幅值達(dá)到40g，如圖19所示。

圖19 SID-IIs肩部加速度曲線

由于實(shí)車(chē)碰撞過(guò)程在300 ms左右，為了更好地分析數(shù)據(jù)，把每一個(gè)雜波時(shí)間軸放大到毫秒級(jí)。試驗(yàn)放大第一個(gè)雜波會(huì)發(fā)現(xiàn)肩部加速度Z、X向出現(xiàn)試驗(yàn)中類(lèi)似的異常數(shù)據(jù)，Z向幅值大約為38g，X向幅值大約為42g，脈寬在5 ms左右,具體如圖20所示。

圖20 第一個(gè)雜波放大曲線

放大第二個(gè)雜波會(huì)發(fā)現(xiàn)肩部加速度Z、Y向出現(xiàn)試驗(yàn)中類(lèi)似的異常數(shù)據(jù)，Z向幅值大約為38g,Y向幅值大約為39 g，脈寬在5 ms左右，具體如圖21所示。

圖21 第二個(gè)雜波放大曲線

放大第三個(gè)雜波會(huì)發(fā)現(xiàn)肩部加速度Z、Y向出現(xiàn)試驗(yàn)中類(lèi)似的異常數(shù)據(jù)，Z向幅值大約為38g，X向幅值大約為37g，脈寬在5 ms左右,具體如圖22所示。

圖22 第三個(gè)雜波放大曲線

放大第四個(gè)雜波會(huì)發(fā)現(xiàn)肩部加速度Z、X向出現(xiàn)試驗(yàn)中類(lèi)似的異常數(shù)據(jù)，Z向幅值大約為38g，X向幅值大約為30g，脈寬在3 ms左右,具體如圖23所示。

圖23 第四個(gè)雜波放大曲線

放大第五個(gè)雜波會(huì)發(fā)現(xiàn)肩部加速度Z、X向出現(xiàn)試驗(yàn)中類(lèi)似的異常數(shù)據(jù)，Z向幅值大約為38g，X向幅值大約為42g，脈寬在5 ms左右,具體如圖24所示。

圖24 第五個(gè)雜波放大曲線

通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，每次撞擊Z向的幅值都在38g左右，X向和Y向幅值相對(duì)Z向小一點(diǎn)，曲線的走勢(shì)和脈寬和案例試驗(yàn)中的異常曲線基本符合，驗(yàn)證了之前的分析結(jié)果，試驗(yàn)中的SID-IIs肩部加速度異常數(shù)據(jù)是由于肋骨撞擊。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)視頻進(jìn)行分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，研究了SID-IIs假人肩部加速度曲線異常原因，指出肩部加速度曲線異常的原因是由于試驗(yàn)過(guò)程中假人肩部肋骨撞擊上下?lián)醢?胸椎產(chǎn)生的。這個(gè)是由假人結(jié)構(gòu)本身決定的。假人結(jié)構(gòu)目前無(wú)法改變。因此，異常數(shù)據(jù)無(wú)法根除，但是，通過(guò)研究可以了解到SID-II假人的缺陷，推動(dòng)假人公司進(jìn)一步完善假人結(jié)構(gòu)。

假人數(shù)據(jù)之間是相互關(guān)聯(lián)的，在進(jìn)行安全開(kāi)發(fā)分析數(shù)據(jù)前，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析印證一下，確保了數(shù)據(jù)的可靠性。可以避免試驗(yàn)中出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)誤導(dǎo)安全開(kāi)發(fā)。