汽车碰撞试验假人仿生皮肤材料的冲击性能分析
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Xie Chi 1，2，Cai Peng2，Lin Daquan 2，3，Wang Yuanping 3
( 1. State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology，Chongqing 400039，China； 2.School of Manufacturing Engineering, Sichuan University，Chengdu，Sichuan 610065，China；
摘 要 ：汽车碰撞试验假人是汽车碰撞安全性能试验不可缺少的测试设备。仿生材料是制造试验假人的基本配件。仿 生皮肤作为试验假人的第一道防线，仿生皮肤的生物力学性能在碰撞试验时影响碰撞冲击能量的衰减、传递和沉积， 影响碰撞冲击响应加速度和冲击载荷的作用时间，导致假人体内外的传感器生物信号幅值、相位变化，直接影响碰撞 测试对人体损伤判定准确性。针对汽车碰撞试验假人仿生皮肤材料的特殊性提出特别采用冲击试验，采集冲击信息， 进行冲击波谱与冲击波传导阻抗分析，从而对汽车碰撞试验假人仿生皮肤材料结构的力学特性以及抗冲击强度的等效 性进行综合评定，为汽车碰撞试验假人仿生材料的设计、合成、制备提供理论依据，从而加快实现制造中国自己的汽 车碰撞试验假人的步伐。
2 冲击试验分析
2.1 冲击试验建立 仿生皮肤材料的力学性能在极大程度上决定
了材料在实际应用中的优劣性，由于在制备中固 化剂和填料的用量及后硫化时间的不同，会影响 仿生皮肤材料的力学性能。为了制备综合性能优 越的仿生皮肤，正确地理解和掌握这些因素的影 响规律，测试样品选用了配方和制备时间各有差 异 的 4 种 材 料（ 记 为 试 件 1、 试 件 2、 试 件 3 和 试件 4），以等体积进行测试，试件样品直径为 60 mm，厚度 15 mm。冲击试验原理如图 2 所示， 采用垂直冲击的方法。冲锤质量 150 g，冲锤工作 面与样品相距高度为 200 mm，释放冲击锤，以 v=6 m/s 的速度撞击冲击台（试件）。记录冲击波 峰值与传导波波谱进行分析。
第 1 卷 增刊 1 2102161 年 10 月
汽车工程学报 Chinese Journal of汽A车ut工om程o学tiv报e Engineering
Vol.1 No.z1 Oct. 2第0111 卷
汽车碰撞试验假人仿生皮肤材料的冲击性能分析
谢驰 1,2，蔡鹏 2，林大全 2,3，王远苹 3
（1．汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 400039； 2．四川大学 制造科学与工程学院，四川，成都 610065； 3．成都方拓仿真技术有限公司，四川，成都 610091)
x2
(t)
=
-
vp ~
sin
(~t)
+
vp
t
（2）
对式（2）求导得
x2l (t) = vp 61 - cos (~t)@ x2m (t) = vp ~1 sin a (~t)
（3） （4）
式中：~~==
mmm1m1+1+1mmm2m222kk
==
rxrx；,,vvp
p==
mm11m+m+11mm22vv00==
3.Chengdu Phantom Emulation Technology Co.，Ltd，Chengdu，Sichuan 610091，China)
Abstract： Car crash test dummy is a much indispensable test equipment for the crash performance test in the automotive collision safety. The biomimetic materials are the basic accessories for manufacturing test dummy. The bionic skin as the first line of the crash defense for the test dummy, the biomechanical properties of the biomimetic skin may be undergoing the test in the collision, such as the impact of the energy collision, energy transfer and energy deposition, and the affecting collision is the acceleration and shock load response. Duration of the impulse action, the sensors inside and outside the body maybe make the biological signal amplitude and phase change, and it may affect the accuracy of the damage on the human body for the impact crash tests. The bionic skin material for the dummy car crash test was made in the special use of the special nature of the impact test, the information acquisition of the impact, the shock wave transmission spectrum and impedance analysis. Therefore, the structure and mechanical properties of biomimetic skin material were approached in the comprehensive assessment for the equivalence impact strength in the dummy car crash test. The design of biomimetic materials in synthesis and preparation can provide a theoretical basis to speed up China's dummy crash test development. Key words：car crash；test dummy；biomimetic skin；crash property
幅值 (m/s2) 200
输入 1.1
[2.33569e+000,-2.73249e+001]
150
100
50
0
(s) 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 2.20 2.40 2.60 2.80 3.00 3.20 3.40 3.60
幅值 (m/s2)
输入 1.2
[2.33569e+000,-2.79140e+001]
收稿日期：2011-08-30
万方数据
增刊 1
谢驰 等：汽车碰撞试验假人仿生皮肤材料的冲击性能分析
127
“汽车碰撞安全性能试验”是人们最关注的 汽车试验项目之一。随着我国乘用车产销量的快速 增长，汽车的安全性也越来越受到广大消费者的重 视。汽车碰撞试验假人（汽车安全假人）是汽车碰 撞安全性能试验不可缺少的基本测试设备，从假人 上获得的数据可以预测实际碰撞中乘客受伤的风险 程度。试验假人模拟越真实，测试结果就越准确。 了解车辆本身、安全系统和乘客在碰撞中受到的影 响，才可不断提升产品的安全性能。因此，要推行 中国新车安全评价规程 (C-NCAP) 就必须要有中 国自己的汽车碰撞测试用的试验假人 。 [1-2]
关键词：汽车碰撞；试验假人；仿生皮肤；冲击性能
中图分类号：TH140.7
文献标志码：A
DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2011.z1.022
Impact Performance Analysis of Car Crash Test for Dummy Bionic Skin Material
冲击响应引起的系统振动能够很快消失，但它引 起的最大应力（或位移）却可能使系统损坏 。 [3-5]
冲击动力学过程是一系列随时间变化的动态过程，
建立简化的冲击模型如图 1 所示： m1 以一定的初
始速度撞向 m2 ，汽车碰撞试验时模拟人皮肤简化
成弹性元件 k 。设弹性材料的刚度系数为 k ， m1 的
800
600 400
200
0 (s)
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
aaxx rr
,；,
a, x 反映冲击时正波峰值和脉宽；vp 为冲击时的最
大速度的 1/2。在冲击锤质量、冲击速度一定时，
脉宽与弹性材料的刚度系数k 有关，因此通过测试
万方数据
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汽车工程学报
第1 卷
冲击波形，采集冲击信息，进行冲击波谱与冲击 波传导阻抗分析，从而对汽车碰撞试验假人仿生 皮肤材料结构的力学特性以及抗冲击强度的等效 性进行综合评定。
汽车碰撞试验假人是按照相似性原理制造， 实现外部形态的相似性、材料组织等效、内部结 构仿真的一个身体里装满各种感应器的人体模型。 汽车碰撞实验假人的“皮肤”是一种仿生皮肤肌肉 复合材料，作为汽车碰撞试验假人的第一道防线， 其材料的弹性、硬度和反弹性能等力学特性将直接 影响汽车碰撞试验冲击能量的衰减、传递和沉积。 仿生材料的反弹性能和损伤因子将影响碰撞冲击 响应的加速度和冲击载荷的作用时间，使假人体 内的传感器所获取信号幅值的变化和相位滞后， 影响汽车碰撞试验对人体损伤程度判定的科学性 和准确性。由于汽车碰撞试验假人仿生皮肤材料 的特殊性，仿生材料的硬度、强度、弹性模量等力 学参数采用单一的邵氏硬度指标表征，沿用塑料 橡胶非金属固体材料力学性能测试的方法已不能 全面评定仿生材料的力学特性，对汽车碰撞试验 假人的“皮肤”材料要求既能抵抗碰撞冲击的损伤， 又要能把冲击波信息传递到埋设在内部的传感器。 针对汽车碰撞试验假人仿生皮肤材料的特殊性， 采用冲击试验方法，采集冲击信息，进行冲击波 谱与冲击波传导阻抗分析，从而对汽车碰撞试验 假人仿生皮肤材料结构的力学特性以及抗冲击强 度的等效性进行综合评定，对汽车碰撞试验模拟 人仿生皮肤材料的设计、合成、制备提供数据分 析和理论依据具有十分重要的指导作用。
( 1. State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology，Chongqing 400039，China； 2.School of Manufacturing Engineering, Sichuan University，Chengdu，Sichuan 610065，China；
摘 要 ：汽车碰撞试验假人是汽车碰撞安全性能试验不可缺少的测试设备。仿生材料是制造试验假人的基本配件。仿 生皮肤作为试验假人的第一道防线，仿生皮肤的生物力学性能在碰撞试验时影响碰撞冲击能量的衰减、传递和沉积， 影响碰撞冲击响应加速度和冲击载荷的作用时间，导致假人体内外的传感器生物信号幅值、相位变化，直接影响碰撞 测试对人体损伤判定准确性。针对汽车碰撞试验假人仿生皮肤材料的特殊性提出特别采用冲击试验，采集冲击信息， 进行冲击波谱与冲击波传导阻抗分析，从而对汽车碰撞试验假人仿生皮肤材料结构的力学特性以及抗冲击强度的等效 性进行综合评定，为汽车碰撞试验假人仿生材料的设计、合成、制备提供理论依据，从而加快实现制造中国自己的汽 车碰撞试验假人的步伐。
2 冲击试验分析
2.1 冲击试验建立 仿生皮肤材料的力学性能在极大程度上决定
了材料在实际应用中的优劣性，由于在制备中固 化剂和填料的用量及后硫化时间的不同，会影响 仿生皮肤材料的力学性能。为了制备综合性能优 越的仿生皮肤，正确地理解和掌握这些因素的影 响规律，测试样品选用了配方和制备时间各有差 异 的 4 种 材 料（ 记 为 试 件 1、 试 件 2、 试 件 3 和 试件 4），以等体积进行测试，试件样品直径为 60 mm，厚度 15 mm。冲击试验原理如图 2 所示， 采用垂直冲击的方法。冲锤质量 150 g，冲锤工作 面与样品相距高度为 200 mm，释放冲击锤，以 v=6 m/s 的速度撞击冲击台（试件）。记录冲击波 峰值与传导波波谱进行分析。
第 1 卷 增刊 1 2102161 年 10 月
汽车工程学报 Chinese Journal of汽A车ut工om程o学tiv报e Engineering
Vol.1 No.z1 Oct. 2第0111 卷
汽车碰撞试验假人仿生皮肤材料的冲击性能分析
谢驰 1,2，蔡鹏 2，林大全 2,3，王远苹 3
（1．汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 400039； 2．四川大学 制造科学与工程学院，四川，成都 610065； 3．成都方拓仿真技术有限公司，四川，成都 610091)
x2
(t)
=
-
vp ~
sin
(~t)
+
vp
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（2）
对式（2）求导得
x2l (t) = vp 61 - cos (~t)@ x2m (t) = vp ~1 sin a (~t)
（3） （4）
式中：~~==
mmm1m1+1+1mmm2m222kk
==
rxrx；,,vvp
p==
mm11m+m+11mm22vv00==
3.Chengdu Phantom Emulation Technology Co.，Ltd，Chengdu，Sichuan 610091，China)
Abstract： Car crash test dummy is a much indispensable test equipment for the crash performance test in the automotive collision safety. The biomimetic materials are the basic accessories for manufacturing test dummy. The bionic skin as the first line of the crash defense for the test dummy, the biomechanical properties of the biomimetic skin may be undergoing the test in the collision, such as the impact of the energy collision, energy transfer and energy deposition, and the affecting collision is the acceleration and shock load response. Duration of the impulse action, the sensors inside and outside the body maybe make the biological signal amplitude and phase change, and it may affect the accuracy of the damage on the human body for the impact crash tests. The bionic skin material for the dummy car crash test was made in the special use of the special nature of the impact test, the information acquisition of the impact, the shock wave transmission spectrum and impedance analysis. Therefore, the structure and mechanical properties of biomimetic skin material were approached in the comprehensive assessment for the equivalence impact strength in the dummy car crash test. The design of biomimetic materials in synthesis and preparation can provide a theoretical basis to speed up China's dummy crash test development. Key words：car crash；test dummy；biomimetic skin；crash property
幅值 (m/s2) 200
输入 1.1
[2.33569e+000,-2.73249e+001]
150
100
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(s) 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 2.20 2.40 2.60 2.80 3.00 3.20 3.40 3.60
幅值 (m/s2)
输入 1.2
[2.33569e+000,-2.79140e+001]
收稿日期：2011-08-30
万方数据
增刊 1
谢驰 等：汽车碰撞试验假人仿生皮肤材料的冲击性能分析
127
“汽车碰撞安全性能试验”是人们最关注的 汽车试验项目之一。随着我国乘用车产销量的快速 增长，汽车的安全性也越来越受到广大消费者的重 视。汽车碰撞试验假人（汽车安全假人）是汽车碰 撞安全性能试验不可缺少的基本测试设备，从假人 上获得的数据可以预测实际碰撞中乘客受伤的风险 程度。试验假人模拟越真实，测试结果就越准确。 了解车辆本身、安全系统和乘客在碰撞中受到的影 响，才可不断提升产品的安全性能。因此，要推行 中国新车安全评价规程 (C-NCAP) 就必须要有中 国自己的汽车碰撞测试用的试验假人 。 [1-2]
关键词：汽车碰撞；试验假人；仿生皮肤；冲击性能
中图分类号：TH140.7
文献标志码：A
DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2011.z1.022
Impact Performance Analysis of Car Crash Test for Dummy Bionic Skin Material
冲击响应引起的系统振动能够很快消失，但它引 起的最大应力（或位移）却可能使系统损坏 。 [3-5]
冲击动力学过程是一系列随时间变化的动态过程，
建立简化的冲击模型如图 1 所示： m1 以一定的初
始速度撞向 m2 ，汽车碰撞试验时模拟人皮肤简化
成弹性元件 k 。设弹性材料的刚度系数为 k ， m1 的
800
600 400
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1.50
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aaxx rr
,；,
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大速度的 1/2。在冲击锤质量、冲击速度一定时，
脉宽与弹性材料的刚度系数k 有关，因此通过测试
万方数据
128
汽车工程学报
第1 卷
冲击波形，采集冲击信息，进行冲击波谱与冲击 波传导阻抗分析，从而对汽车碰撞试验假人仿生 皮肤材料结构的力学特性以及抗冲击强度的等效 性进行综合评定。
汽车碰撞试验假人是按照相似性原理制造， 实现外部形态的相似性、材料组织等效、内部结 构仿真的一个身体里装满各种感应器的人体模型。 汽车碰撞实验假人的“皮肤”是一种仿生皮肤肌肉 复合材料，作为汽车碰撞试验假人的第一道防线， 其材料的弹性、硬度和反弹性能等力学特性将直接 影响汽车碰撞试验冲击能量的衰减、传递和沉积。 仿生材料的反弹性能和损伤因子将影响碰撞冲击 响应的加速度和冲击载荷的作用时间，使假人体 内的传感器所获取信号幅值的变化和相位滞后， 影响汽车碰撞试验对人体损伤程度判定的科学性 和准确性。由于汽车碰撞试验假人仿生皮肤材料 的特殊性，仿生材料的硬度、强度、弹性模量等力 学参数采用单一的邵氏硬度指标表征，沿用塑料 橡胶非金属固体材料力学性能测试的方法已不能 全面评定仿生材料的力学特性，对汽车碰撞试验 假人的“皮肤”材料要求既能抵抗碰撞冲击的损伤， 又要能把冲击波信息传递到埋设在内部的传感器。 针对汽车碰撞试验假人仿生皮肤材料的特殊性， 采用冲击试验方法，采集冲击信息，进行冲击波 谱与冲击波传导阻抗分析，从而对汽车碰撞试验 假人仿生皮肤材料结构的力学特性以及抗冲击强 度的等效性进行综合评定，对汽车碰撞试验模拟 人仿生皮肤材料的设计、合成、制备提供数据分 析和理论依据具有十分重要的指导作用。
