侯 松， 羅 昆， 謝 斌， 吳長(zhǎng)鵬

(東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司技術(shù)中心，廣州 510800)

前言

近年來(lái)，隨著我國(guó)汽車保有量不斷增加，道路交通環(huán)境也愈加復(fù)雜。 行人作為交通環(huán)境中的弱勢(shì)群體，其安全性一直備受關(guān)注。 在2011-2016 年的道路交通事故調(diào)查中，行人事故占交通事故總數(shù)的20%，行人死傷人數(shù)占總交通事故死傷人數(shù)的30%[1]。 在全球范圍內(nèi)行人下肢是人車事故中最常見(jiàn)的受傷部位[2]。 行人在人車事故中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、受傷位置與車輛前端保險(xiǎn)杠高度密切相關(guān)，低保險(xiǎn)杠車輛更易造成小腿脛骨和膝蓋受傷，而高保險(xiǎn)杠車輛更易造成大腿股骨骨折[3]。 現(xiàn)階段，對(duì)行人腿部的保護(hù)研究普遍采用Flex-PLI 柔性腿型，F(xiàn)lex-PLI 腿型股骨和脛骨采用多段可變形骨骼結(jié)構(gòu)，計(jì)及股骨和脛骨的彎曲，提升了對(duì)腿部和韌帶損傷的預(yù)測(cè)能力。 但是，柔性腿的局限性也逐漸顯現(xiàn)，比如未考慮到上體對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和損傷程度的影響，對(duì)于SUV 車型的高保險(xiǎn)杠車輛適用性較差[4]。Konosu 等[5]針對(duì)上述缺陷對(duì)現(xiàn)有柔性腿進(jìn)行改進(jìn)且開(kāi)發(fā)出 aPLI ( advanced pedestrian legform impactor)腿型，并經(jīng)過(guò)對(duì)魯棒性、生物逼真度和損傷預(yù)測(cè)能力的優(yōu)化，使其具有較高的損傷預(yù)測(cè)能力和適應(yīng)性。 但是，在車輛研發(fā)階段應(yīng)對(duì)aPLI 腿型碰撞安全的研究還面臨挑戰(zhàn)。 因此本文中借助aPLI 試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真對(duì)標(biāo)工作，保證aPLI 的仿真精度。 同時(shí)結(jié)合工程實(shí)際問(wèn)題，介紹能提升aPLI 腿型碰撞性能的思路。

1 21 版 C-NCAP aPLI 腿型試驗(yàn)

在對(duì)18 種不同高低保險(xiǎn)杠車輛的腿型碰撞研究中發(fā)現(xiàn)，以50th 男性人體模型(human body model，HBM)為基準(zhǔn)，柔性腿在高保險(xiǎn)杠車輛中的運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)差異較大，低估了大腿的損傷、高估了韌帶拉伸量；而在低保險(xiǎn)杠車輛中，高估了大腿彎矩[6]。 在碰撞過(guò)程中人的上體質(zhì)量對(duì)下肢損傷程度和運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)有顯著影響。 通過(guò)在柔性腿上端加入上體簡(jiǎn)化模塊(simplified upper body part，SUBP)后，腿型的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和損傷預(yù)測(cè)能力均有明顯改善[7]，并通過(guò)優(yōu)化質(zhì)量分布等衍生出現(xiàn)有的aPLI 腿型。

1.1 aPLI 腿型介紹

aPLI 腿型主體部分是由SUBP、大腿股骨、膝關(guān)節(jié)和小腿脛骨4 部分構(gòu)成。 SUBP 主要由氯丁橡膠為材料的皮膚和配重鋁塊組成，通過(guò)圓柱形的機(jī)械髖關(guān)節(jié)連接到下肢，股骨和脛骨均貼有應(yīng)變片用于測(cè)量彎矩，兩者由模擬韌帶的鋼纜繩和彈簧連接。腿型主體外圍由氯丁橡膠和橡膠片組成的皮膚包裹[8]。

Flex-PLI 和aPLI 腿型參數(shù)對(duì)比如圖1 所示。 與Flex-PLI 腿型相比，aPLI 腿型優(yōu)點(diǎn)在于:

圖1 Flex-PLI 和aPLI 腿型參數(shù)對(duì)比[9]

(1)考慮上體質(zhì)量的影響，使腿型適用性增強(qiáng)；

(2)采用最新人體仿生學(xué)設(shè)計(jì)，模擬人體下肢真實(shí)形狀和質(zhì)量分布；

(3)各損傷指標(biāo)的評(píng)估能力更接近 HBM 的損傷。

1.2 aPLI 腿型試驗(yàn)方法和評(píng)分規(guī)則

21 版 C-NCAP 要求，aPLI 腿型離地 25 mm，以40 km/h 的速度水平撞擊車輛前端保險(xiǎn)杠。 默認(rèn)車輛左右對(duì)稱，以Y＝0 為起始點(diǎn)，每間隔100 mm 選取一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，如圖2 所示。

評(píng)分規(guī)則:

(1)腿型試驗(yàn)總分為5.0，其中大腿和小腿彎矩各2.0 分，韌帶拉伸量1.0 分；

圖2 aPLI 腿型試驗(yàn)示意圖

(2)各試驗(yàn)點(diǎn)結(jié)合高性能閾值和低性能閾值采用線性插值的方法計(jì)算點(diǎn)數(shù)分；

(3)統(tǒng)計(jì)所有撞擊點(diǎn)得分，并計(jì)算得分率，試驗(yàn)最終得分等于總分?jǐn)?shù)乘以得分率[10]。

表1 為aPLI 腿型高低性能閾值。

表1 aPLI 腿型高低性能閾值

2 aPLI 腿型試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)標(biāo)

為把握aPLI 腿型仿真精度，對(duì)該車型的同平臺(tái)車型展開(kāi)試驗(yàn)， 并進(jìn)行仿真對(duì)標(biāo)。 試驗(yàn)采用Cellbond 公司的aPLI 物理腿，該腿型上端SUBP 部分有3 個(gè)加速度傳感器和3 個(gè)角傳感器，大腿有3個(gè)應(yīng)變片測(cè)量彎矩，膝關(guān)節(jié)有3 個(gè)位移傳感器、1 個(gè)加速度傳感器和1 個(gè)角傳感器，小腿有4 個(gè)應(yīng)變片測(cè)量彎矩。 按照aPLI 腿型試驗(yàn)的要求，對(duì)車輛的前端各試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行撞擊。

仿真基于LS-DYNA MPP930 版本，截取整車前半段有限元模型，模型后端截面約束6 自由度。 腿型采用Cellbond 公司開(kāi)發(fā)的同型號(hào)aPLI 有限元模型。 腿型與車輛前端接觸設(shè)置使用自動(dòng)面—面接觸，腿型定位等碰撞條件與試驗(yàn)一致，如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)與仿真aPLI 腿型定位

對(duì)標(biāo)前仿真與試驗(yàn)總體誤差為17.5%，不滿足10%的目標(biāo)精度要求。 通過(guò)調(diào)整關(guān)鍵部件接觸的摩擦因數(shù)、考慮發(fā)動(dòng)機(jī)罩沖壓硬化效應(yīng)等措施，使總體誤差縮小至8.3%，達(dá)到目標(biāo)精度要求。 具體對(duì)標(biāo)過(guò)程不詳細(xì)展開(kāi)。

圖4 為L(zhǎng)0 撞擊點(diǎn)對(duì)標(biāo)后仿真與試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)曲線對(duì)比。 其中大腿彎矩、小腿彎矩和韌帶拉伸量的誤差分別為9.0%、2.7%和18.0%，按照各項(xiàng)指標(biāo)的總分占比分配權(quán)重，得出仿真與試驗(yàn)的總體加權(quán)誤差為8.3%。

同時(shí)對(duì)試驗(yàn)與仿真的腿型運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)采用時(shí)序圖的方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程的響應(yīng)對(duì)比， 見(jiàn)圖5(外側(cè)深色表示仿真，內(nèi)側(cè)淺色表示試驗(yàn))。 可以看出，試驗(yàn)和仿真中的aPLI 腿型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)基本一致，因此可以認(rèn)為兩者運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)基本一致。

綜上，aPLI 腿型的仿真與試驗(yàn)總體誤差在10%以內(nèi)，運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)一致性高。

圖5 aPLI 腿型試驗(yàn)與仿真時(shí)序圖對(duì)比

3 某車型aPLI 腿型仿真結(jié)果分析

該車型屬于高保險(xiǎn)杠車輛，車輛前端結(jié)構(gòu)除保險(xiǎn)杠前端裝有泡沫吸能材料外，發(fā)動(dòng)機(jī)罩前端和副保險(xiǎn)杠前端均沒(méi)有對(duì)應(yīng)腿型的支撐結(jié)構(gòu)。 按照以往的工程經(jīng)驗(yàn)，由于前端結(jié)構(gòu)剛度差異較大，車輛現(xiàn)有狀態(tài)可能會(huì)導(dǎo)致aPLI 的韌帶拉伸量、大腿下部和小腿上部的彎矩超標(biāo)。

根據(jù) C-NCAP 的腿部試驗(yàn)要求，aPLI 腿型以40 km/h速度撞擊該車前端保險(xiǎn)杠，并統(tǒng)計(jì)各撞擊點(diǎn)韌帶拉伸量、大腿彎矩和小腿彎矩，用于評(píng)價(jià)該車型對(duì)aPLI 腿型的損傷程度，結(jié)果如表2 所示。

由表2 可知，該車型aPLI 腿型得分2.18，得分率僅有43.6%，除兩端的撞擊點(diǎn)(L±6、L-6.5)外，其余位置的失分均較嚴(yán)重。 而失分指標(biāo)主要體現(xiàn)在內(nèi)側(cè)副韌帶(MCL)拉伸量和大腿下部與小腿上部的彎矩，仿真結(jié)果印證了前面的推測(cè)。 在行人保護(hù)腿型碰撞中，車輛前端結(jié)構(gòu)對(duì)腿部損傷的影響較為明顯，腿部受力主要來(lái)自車輛發(fā)動(dòng)機(jī)罩前端、保險(xiǎn)杠和副保險(xiǎn)杠[11]。 而現(xiàn)有前端結(jié)構(gòu)中，發(fā)動(dòng)機(jī)罩前端和副保險(xiǎn)杠前端剛度較小，腿型以40 km/h速度所產(chǎn)生的碰撞能量主要集中在保險(xiǎn)杠吸能塊上，使aPLI 腿型受力不均、能量耗散不合理，由此導(dǎo)致對(duì)應(yīng)保險(xiǎn)杠區(qū)域的大腿下部和小腿上部彎矩超標(biāo)。

因此，應(yīng)對(duì)aPLI 腿型的基本策略是匹配好車輛前端剛度分布，尤其是保險(xiǎn)杠和副保險(xiǎn)杠。 主要有兩個(gè)方向:一是將上端發(fā)動(dòng)機(jī)罩和下端副保險(xiǎn)杠的布置向車輛前方調(diào)整；二是直接在保險(xiǎn)杠上端加一個(gè)支撐件，副保險(xiǎn)杠前端加泡沫吸能材料。

方向一雖能將車輛前端剛度匹配適當(dāng)，但此類變更涉及到造型和其他相關(guān)部件的調(diào)整，在當(dāng)前開(kāi)發(fā)階段造型修改難度極大、變更非常多，不適合作為主要的改進(jìn)方向。 在腿部保護(hù)中泡沫吸能材料能較好地吸收碰撞能量，緩沖腿部沖擊，從而降低車輛前端對(duì)腿部的損傷程度[12]。 同時(shí)，對(duì)于有前保險(xiǎn)杠擾流板的SUV 通過(guò)增加副保險(xiǎn)杠位置的前伸量可降低下肢損傷[13]。 方向二只須在現(xiàn)有數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上新增泡沫材料、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)件等，即能將前端剛度匹配適當(dāng)。 因此，在做好成本管控的條件下，可將方向二作為改進(jìn)對(duì)策的方向。

表2 某車型aPLI 腿型仿真結(jié)果

4 改進(jìn)方案設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證

4.1 方案一

①在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上，上端沿Y向新增橫立柱加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)罩前端剛度，用于支撐大腿；

②副保險(xiǎn)杠前端新增泡沫吸能材料EPP30，增強(qiáng)下端剛度，用于支撐小腿，如圖6 所示。

圖6 方案一改進(jìn)說(shuō)明

方案一仿真結(jié)果如表3 所示。 在發(fā)動(dòng)機(jī)罩前端增加結(jié)構(gòu)件、副保險(xiǎn)杠前端增設(shè)泡沫吸能材料，以增加發(fā)動(dòng)機(jī)罩和副保險(xiǎn)杠前端的剛度，使其與保險(xiǎn)杠區(qū)域剛度進(jìn)行匹配，aPLI 腿型的最終得分由2.18 提升至3.29，增幅51%。

從表3 看出，改進(jìn)前得分較差的MCL 伸長(zhǎng)量和大腿下部彎矩都有明顯的改善，滿足甚至優(yōu)于高性能閾值。 小腿上部彎矩雖有改善，但大部分撞擊點(diǎn)的最大彎矩仍大于275 N·m(高性能閾值)，小腿彎矩得分較差，致使方案一的最終得分仍未達(dá)標(biāo)。

小腿上部彎矩得分差主要有兩個(gè)原因:一是保險(xiǎn)杠的泡沫吸能材料剛度過(guò)大，與新增的副保險(xiǎn)杠泡沫吸能材料的剛度匹配不當(dāng)；二是通過(guò)觀察仿真動(dòng)畫發(fā)現(xiàn)，新增的副保險(xiǎn)杠泡沫吸能材料剛度不足，小腿在撞擊過(guò)程中副保險(xiǎn)杠吸能塊產(chǎn)生了向下偏轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，使其未能對(duì)小腿產(chǎn)生有效的支撐，導(dǎo)致小腿上部彎矩仍然較大。 這與文獻(xiàn)[14]中關(guān)于保險(xiǎn)杠泡沫吸能材料的剛度對(duì)行人腿部損傷有較大影響的論斷一致。

因此，又提出方案二，其改進(jìn)思路是通過(guò)弱化保險(xiǎn)杠泡沫吸能材料的剛度，加強(qiáng)副保險(xiǎn)杠泡沫吸能材料的剛度，進(jìn)一步匹配前端結(jié)構(gòu)剛度，以改善小腿上部彎矩。

4.2 方案二

①在方案一的基礎(chǔ)上，保險(xiǎn)杠泡沫吸能材料由EPP30 改為EPP45，以減小其剛度；

表3 方案一仿真結(jié)果

②修改副保險(xiǎn)杠吸能塊的結(jié)構(gòu)，防止方案一出現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，泡沫吸能材料由EPP30 改為剛度較大的EPP20，如圖7 所示。

圖7 方案二改進(jìn)說(shuō)明

方案二aPLI 腿型損傷統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。 在方案一基礎(chǔ)上，方案二通過(guò)調(diào)整主副保險(xiǎn)杠吸能塊的剛度，希望能夠改善車輛前端剛度分布。 從結(jié)果來(lái)看，aPLI腿型最終得分雖然有所提升，且韌帶拉伸量和大腿彎矩均有改善，但各撞擊點(diǎn)得分卻出現(xiàn)了“兩極分化”的現(xiàn)象，L0～L-2、L-4 得分提高明顯，L±5 得分仍然較低，而L±6、L-6.5 相對(duì)方案一得分甚至有所惡化。

從損傷指標(biāo)來(lái)看，小腿彎矩最大值從方案一的上部轉(zhuǎn)移到了方案二的中部。 方案二增大副保險(xiǎn)杠吸能塊剛度，使腿型整體得分提升，表明方案的有效性。 另一方面，同時(shí)注意到L-5～L-6.5 的小腿彎矩過(guò)大，說(shuō)明副保險(xiǎn)杠吸能材料在該區(qū)域的剛度偏大。這意味著，各撞擊區(qū)域的小腿彎矩對(duì)方案二的敏感程度不同，須根據(jù)各區(qū)域損傷指標(biāo)有針對(duì)性地進(jìn)行改善。

通過(guò)查看仿真動(dòng)畫，發(fā)現(xiàn)副保險(xiǎn)杠吸能結(jié)構(gòu)變更后能有效防止方案一出現(xiàn)的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)小腿部位起到了良好的支撐作用。 在L-5 ～L-6.5 區(qū)域，由于副保險(xiǎn)杠比保險(xiǎn)杠的吸能塊剛度大，且二者X向坐標(biāo)相近，腿型在撞擊過(guò)程中主要受力點(diǎn)向下端轉(zhuǎn)移，致使該區(qū)域的小腿彎矩增大，再次說(shuō)明該區(qū)域的剛度匹配不合理。

以上分析說(shuō)明兩個(gè)問(wèn)題:一是匹配車輛前端剛度(尤其是主副保險(xiǎn)杠吸能塊的剛度)可以降低腿部損傷；二是局部區(qū)域的剛度須進(jìn)一步匹配。 因此，再提出方案三，其思路是將局部惡化區(qū)域的剛度重新調(diào)整，使其能和上端剛度匹配。

4.3 方案三

根據(jù)方案二的結(jié)果分析，將副保險(xiǎn)杠吸能塊局部剛度適當(dāng)弱化:在副保險(xiǎn)杠吸能塊Y＝300～650 mm之間根據(jù)損傷指標(biāo)，分別開(kāi)設(shè)不同厚度的緩沖槽。既保證對(duì)小腿的支撐，又可以降低局部剛度， 改善小腿彎矩。

表4 方案二仿真結(jié)果

圖8 方案三改進(jìn)說(shuō)明(以Y＝500 mm 截面為例)

方案三的腿型損傷結(jié)果如表5 所示。 方案三針對(duì)方案二中惡化區(qū)域的下端剛度進(jìn)行局部調(diào)整，使其能夠與上端剛度匹配，從而達(dá)到降低腿部損傷、提升整體得分的目的。 結(jié)果表明，各撞擊點(diǎn)的損傷指標(biāo)分布較合理，方案二中小腿彎矩較差的位置L±5、L±6 在方案三中均得到明顯改善。 本輪方案的aPLI腿型的最終得分為4.11，達(dá)成開(kāi)發(fā)目標(biāo)。

表5 方案三仿真結(jié)果

根據(jù)改進(jìn)策略設(shè)計(jì)出3 個(gè)改進(jìn)方案，分別通過(guò)增設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)罩前橫梁、新增副保險(xiǎn)杠吸能塊、調(diào)整主副吸能塊的結(jié)構(gòu)和材料，對(duì)車輛前端剛度進(jìn)行逐步改進(jìn)，如表6 所示。 仿真結(jié)果表明，aPLI 腿型得分由2.18 提高到4.11，總體提升88%。

表6 改進(jìn)方案匯總

5 結(jié)論

針對(duì)某車型21 版C-NCAP 行人保護(hù)新增的aPLI 腿型得分率較低的難題，通過(guò)同平臺(tái)車型的試驗(yàn)對(duì)標(biāo)研究，提升了aPLI 腿型仿真精度。 結(jié)合aPLI腿型損傷機(jī)理，通過(guò)增設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)罩前橫梁、新增副保險(xiǎn)杠泡沫吸能塊、調(diào)整主副保險(xiǎn)杠吸能塊的結(jié)構(gòu)和材料等措施，使車輛前端剛度得到合理分配，顯著改善了該車型的行人保護(hù)性能。