侯延軍 韓鵬鵬 卜家賀 劉宏宇

中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司 天津市 300300

1 引言

在行人與車輛碰撞事故中，行人腿部是人車碰撞的第一接觸點(diǎn)，腿部損傷（下肢損傷、膝蓋損傷和大腿損傷）幾率高達(dá)69%[1]。因此，開展對(duì)行人腿部損傷的研究，有助于減少人車碰撞中行人腿部的損傷幾率，對(duì)提高汽車安全性、減小行人碰撞傷害有重要意義。

行人保護(hù)腿部沖擊器的開發(fā)是車輛行人保護(hù)性能開發(fā)的基礎(chǔ)，學(xué)者們對(duì)人車碰撞中腿部損傷機(jī)理進(jìn)行了大量研究，并開發(fā)出一系列適用于行人保護(hù)的腿型沖擊器[2]。日本汽車研究所（JARI）和日本汽車工業(yè)協(xié)會(huì)（JAMA）開發(fā)出生物仿真度更高的柔性腿型（Flex-PLI）[6]。但是該腿型未考慮人體上半身結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致Flex-PLI腿型對(duì)大腿損傷的評(píng)價(jià)不夠準(zhǔn)確，無法適用于高保險(xiǎn)杠車輛[3]。為提高腿型沖擊器的生物仿真度，學(xué)者們開發(fā)出一種新的腿型沖擊器（aPLI，advanced Pedestrian Legform Impactor）[4]，該 腿 型將被應(yīng)用于2022版Euro NCAP。

課題以四款車型為例，分別建立aPLI腿型和Flex-PLI腿型仿真碰撞模型，進(jìn)行行人保護(hù)碰撞分析，對(duì)比兩腿型碰撞結(jié)果的差異；面向aPLI腿型，對(duì)車型前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步優(yōu)化，為后續(xù)行人保護(hù)腿碰性能開發(fā)提供優(yōu)化方向。

2 aPLI腿型與行人保護(hù)有限元模型

2.1 aPLI腿型介紹

aPLI腿型由脛骨、股骨、膝蓋、骨盆和肌肉/皮膚五部分組成。與Flex-PLI腿型相比，aPLI腿型最大的特點(diǎn)在于增加上體配重模塊。上體配重模塊的加入，使得aPLI腿型碰撞中股骨運(yùn)動(dòng)更加貼近真實(shí)事故，腿部損傷評(píng)價(jià)更加準(zhǔn)確，適用范圍更廣，同時(shí)適用于高保險(xiǎn)杠和低保險(xiǎn)杠車輛。

除上體配重模塊外，aPLI腿型下肢結(jié)構(gòu)在Flex-PLI腿型基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。其中，最大改進(jìn)點(diǎn)在于下肢結(jié)構(gòu)中骨骼、肌肉質(zhì)量占比的變化和膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。aPLI和Flex-PLI腿型各部位質(zhì)量對(duì)比如表1所示。

表1 aPLI與Flex-PLI腿型質(zhì)量

aPLI腿型中共布置12個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，其中，股骨3個(gè)、脛骨4個(gè)應(yīng)變測(cè)量傳感器用于測(cè)量大腿和小腿彎矩，膝關(guān)節(jié)3個(gè)位移傳感器用于測(cè)量膝部韌帶伸長量。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，aPLI與Flex-PLI腿型中7個(gè)應(yīng)變測(cè)量傳感器位置完全相同。

2.2 行人保護(hù)有限元模型的建立

選取四款車型，涵蓋中級(jí)SUV、緊湊型SUV、轎車和微型電動(dòng)車，對(duì)每款車型L0點(diǎn)（Y0位置）進(jìn)行腿碰分析。aPLI腿型下端距地面高度25mm，F(xiàn)lex-PLI腿型下端距地面高度75mm，碰撞速度11.11m/s。對(duì)腿碰影響較大的車型空間參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 車型空間參數(shù)

3 aPLI與Flex-PLI腿碰結(jié)果對(duì)比

aPLI和Flex-PLI腿型下，四款車型L0點(diǎn)仿真碰撞結(jié)果分別如表3和表4所示。

表3 aPLI腿型碰撞結(jié)果

表4 Flex-PLI腿型碰撞結(jié)果

Flex-PLI腿型下，四款車型L0點(diǎn)腿碰結(jié)果均滿足ECE R127法規(guī)的要求，而aPLI腿型碰撞中，四款車型大部分指標(biāo)呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，僅車型D可滿足ECE R127法規(guī)的要求，其余三款車型MCL和PCL均超標(biāo)，車型B小腿彎矩M2和車型C小腿彎矩M1、M2超標(biāo)。

以Flex-PLI腿型碰撞結(jié)果中各指標(biāo)值為基礎(chǔ)，考察aPLI腿碰結(jié)果相對(duì)Flex-PLI腿碰結(jié)果的變化率，如圖1所示。對(duì)比結(jié)果表明，aPLI腿碰結(jié)果中小腿彎矩M1和M2較Flex-PLI腿型有明顯增長，而M3和M4略有降低；aPLI腿碰結(jié)果中膝部韌帶伸長量均有所增長，其中MCL和PCL增幅較大，平均增幅超過100%，ACL平均增幅47%，對(duì)結(jié)果影響較小。

圖1 aPLI腿碰指標(biāo)變化率

車型D在aPLI腿型下行人保護(hù)腿碰性能最好，原因在于其上支撐和下支撐結(jié)構(gòu)均能起到有效支撐作用。下支撐高度僅205mm，遠(yuǎn)低于其他三款車型，較低的下支撐高度與良好的下支撐結(jié)構(gòu)使得aPLI腿型下肢入侵量?jī)H發(fā)生小幅度增長，小腿彎矩滿足要求。

車型A下支撐高度最大，在Flex-PLI腿碰過程中，由于缺少上體結(jié)構(gòu)，腿型上端在20ms時(shí)刻已經(jīng)反彈（如圖2所示），腿型呈現(xiàn)下傾姿態(tài)，與真實(shí)碰撞不符；aPLI腿型增加上體配重模塊后，能夠有效模擬人體髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，腿型運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)與真實(shí)事故更接近。車型A的問題在于下支撐不足，導(dǎo)致小腿彎曲變形嚴(yán)重，膝部韌帶伸長量顯著增大。

圖2 車型A腿碰結(jié)果

另外兩款車型中，車型B前保險(xiǎn)杠泡沫結(jié)構(gòu)導(dǎo)致防撞梁吸能空間未得到充分利用（如圖3所示），膝部韌帶伸長量和小腿彎矩均大幅增長。

圖3 車型B腿碰結(jié)果

車型C為轎車，上支撐高度嚴(yán)重不足，無法支撐aPLI腿型中上體模塊運(yùn)動(dòng)（如圖4所示），導(dǎo)致各項(xiàng)指標(biāo)增大。

圖4 車型C腿碰結(jié)果

較Flex-PLI腿型，aPLI腿型在碰撞中的特點(diǎn)為：一，aPLI腿型沖擊能量增大，導(dǎo)致腿型入侵量增大，其中腿型上端受上體配重模塊影響，入侵量增大幅度尤為明顯；二，受膝部韌帶幾何布置影響，aPLI腿碰結(jié)果中ACL、PCL、MCL呈現(xiàn)依次增大的變化規(guī)律；三，aPLI腿型回彈時(shí)間延后。

4 aPLI腿型開發(fā)優(yōu)化

本節(jié)針對(duì)aPLI腿型碰撞開發(fā)，從下支撐、吸能空間和上支撐三方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為后續(xù)aPLI腿型下行人保護(hù)性能開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

4.1 下支撐

針對(duì)車型A下支撐不足的問題，分別就下支撐高度和強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化分析。下支撐高度分別降至300mm（方案一）和270mm（方案二）；通過下支撐厚度變化模擬強(qiáng)度變化，下支撐厚度由2.5mm提升至3.5mm（方案三）和4.5mm（方案四）。優(yōu)化結(jié)果如表5所示。

表5 車型A優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化結(jié)果表明，隨著下支撐高度的降低，腿碰各項(xiàng)指標(biāo)（小腿彎矩，膝部韌帶伸長量）均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，優(yōu)化后可滿足ECE R127法規(guī)要求；隨著下支撐厚度的增大，膝部韌帶伸長量逐漸減小，但小腿彎矩呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，相比之下，降低下支撐高度的優(yōu)化效果更好。

4.2 吸能空間

去除車型B前保險(xiǎn)杠泡沫結(jié)構(gòu)，aPLI腿碰優(yōu)化結(jié)果如表6所示。結(jié)果表明，防撞梁吸能空間增大后，腿碰各項(xiàng)指標(biāo)顯著減小。

表6 車型B優(yōu)化結(jié)果

4.3 上支撐

針對(duì)車型C上支撐不足的問題，對(duì)車型C上支撐高度進(jìn)行優(yōu)化分析。優(yōu)化結(jié)果如表7所示，方案一中發(fā)動(dòng)機(jī)罩向上抬升50mm，方案二在方案一的基礎(chǔ)上將發(fā)動(dòng)機(jī)罩向前移動(dòng)30mm。

表7 車型C優(yōu)化結(jié)果

結(jié)果表明，增大上支撐高度可以有效降低小腿彎矩和膝部韌帶伸長量；上支撐X向位置向前移動(dòng)后，上支撐提前介入碰撞運(yùn)動(dòng)，腿碰結(jié)果中內(nèi)側(cè)副韌帶伸長量MCL降低。

5 結(jié)語

本文以四款車型為例，對(duì)aPLI腿型和Flex-PLI腿型在L0點(diǎn)位置碰撞結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析和優(yōu)化研究，得到結(jié)論如下：

（1）aPLI腿型增加上體配重模塊后，仿真結(jié)果中股骨運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)與真實(shí)碰撞更加接近，生物仿真度更高；

（2）與Flex-PLI腿型相比，aPLI腿碰結(jié)果中大部分指標(biāo)呈現(xiàn)出增大的變化趨勢(shì)。相同指標(biāo)下，aPLI腿型對(duì)車型前端結(jié)構(gòu)要求更高，主要體現(xiàn)在下支撐高度、防撞梁吸能空間和上支撐高度三個(gè)方面；

（3）本文對(duì)三款車型前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步優(yōu)化分析，優(yōu)化結(jié)果表明，較低的下支撐高度、更大的吸能空間以及適當(dāng)?shù)纳现胃叨扔兄赼PLI腿型下行人保護(hù)性能開發(fā)。