aPLI沖擊器動態標定方法研究

陳澎　楊康特

摘 要：隨著國內汽車安全領域的不斷發展，汽車行人保護的概念逐漸被消費者了解，并受到了越來越多的關注，一種新型的aPLI沖擊器開始參與試驗評估。該沖擊器與現有柔性腿型沖擊器有較大區別，標定方法及評價區間也有不同之處，更高精確度的標定能夠更好的反應沖擊器的真實狀況，但是國內使用該沖擊器的經驗不夠豐富，本文通過拆解介紹了aPLI沖擊器的結構，展示了其工作原理，并結合標準要求與試驗室環境得出了一套基于現有條件對aPLI沖擊器進行標定的實操方法，結合標定結果與參考標準確認試驗的有效性，通過多次標定進行數據分析，對一些試驗中的注意事項進行總結，為其他試驗室開展該沖擊器標定試驗提供參考。

關鍵詞：aPLI沖擊器 動態沖擊 標定方法

1 引言

汽車安全性能的測試往往依靠行人機械模型，假人機械的測試結果可以影響EEVC、GTR以及NCAP等安全法規的制定。主要的安全性能測試方法是使用部件測試，即用下肢沖擊器與實車碰撞來測量汽車的保護性能[1]。在我國現代化進程中，道路交通基礎設施建設以及相關法律法規的制定和實施未能及時同步匹配汽車保有量增長速度，加之以我國龐大的人口基數，使得人車混行道路大量存在，行人交通事故發生頻率同比發達國家居高不下[2]。統計分析發現，行人的下肢損傷占受傷總數的32.8%，具有較高風險[3]。

aPLI沖擊器常用于汽車對行人保護的相關試驗，相較于目前國內主流的Flex-PLI沖擊器，具有重新設計的膝部組件、肌肉、簡化以代表人體軀干的上半身部分，并針對內部電路進行升級，更加了豐富的評價內容也使得其內部構造更復雜，提升了日常維護難度，也對標定工作提出了新的要求。

在2021版C-NCAP管理規則[4]中對aPLI沖擊器的標定有了明確的要求，對標定試驗中的速度、溫度、撞擊位置等主要影響因素有了更高要求。本文介紹采用了高精度的專用試驗臺架，在滿足標定要求的條件下進行標定試驗。由于采用了專用懸掛系統，可以保證沖擊角度和撞擊位置的一致性，因此本文主要介紹針對標定技術要求內，不同影響因素對標定結果的影響情況。

研究標定方法前需要對沖擊器有比較完整的了解，首先將aPLI沖擊器進行拆解及介紹，對其主要傳感器布置位置有清晰的認識，并做好腿型保護措施。

2 aPLI沖擊器的介紹

2.1 整體介紹

aPLI沖擊器總重24.7kg±0.3kg，由皮膚（Skin）、肌肉（Moulded Flesh）、大腿（Femur）、小腿（Tibia）、膝部（Knee）、上體模塊（SUBP）等組成。其中上體模塊中布置有數據采集模塊等關鍵部件，用于采集腿型彎矩、位移、轉速、加速度等各項傳感器響應數值。

2.2 總成介紹

拆解的總成如圖1所示，膝關節總成上下可插入Femur和Tibia總成，每個總成沖擊的正反兩面用螺栓緊固及定位，發生沖擊測試時，Femur和Tibia總成上承受彎矩，發生彎曲變形，總成內部腿骨上的應變片響應實時信息，傳輸并記錄到數據采集系統中，在膝關節總成中內置3根拉線位移傳感器（ACL、MCL、PCL），用于模擬韌帶拉伸量，較好的實現了人體受到車輛撞擊時膝部韌帶變化的過程。

2.3 與柔性腿型Flex-PLI對比

aPLI沖擊器質量在Flex-PLI的基礎上進行優化，總體質量由Flex-PLI的13.2kg升級到aPLI的24.7kg，總長度由928mm增加到1096mm。其中Femur總成部分增加了上體配重模塊的固定套件，Femur腿骨傳感器寬度相對于Flex-PLI增加了22.5%，以抵抗更大強度的彎矩變形;Knee總成部分結構重新設計，與Flex-PLI相比，最大的改進有兩點：股骨髖與半月板的連接方式由平行六面體改進為橢圓形，避免側向碰撞時，韌帶伸長量突增的情況;韌帶布置方式更接近人體膝部，各韌帶伸長量的測試結果也更準確，韌帶延伸量傳感器由Flex-PLI的ACL、LCL、MCL、PCL平行及十字交叉布置方式轉變成aPLI的平行方式，并取消了LCL傳感器。

2.4 小結

因aPLI沖擊器相對于Flex-PLI沖擊器增加了近一倍的質量，相應的測試設備就需要提供更高的發射能量來保證腿型試驗的正常測試需求;因aPLI沖擊器重量分布不一致特點，試驗測試時需要腿型的非沖擊面與設備的發射推手有足夠的接觸支撐位置，以減小彎矩誤差;因aPLI沖擊器上體模塊有可旋轉結構特點，試驗時需要注意每次拔除固定卡銷，以免測試失效等。

3 動態沖擊試驗方法介紹

根據標準要求，aPLI沖擊器每使用20次需要重新標定，若超過一年未使用也應當重新標定方可投入使用。此外若有試驗傷害值超過對應CAC響應值時同樣需要標定再使用，若出現傳感器維修，更換腿型零件等工作后也同樣需要重新標定。

aPLI沖擊器的動態標定主要分為膝部中心位置沖擊和膝部向上120mm位置沖擊兩種，一次完整的動態標定應當包含這兩種沖擊的標定結果均滿足對應通道的Corridors限值。

動態沖擊的方法如圖2所示。

標定試驗前確認好各項工作已準備就緒，通過以11.1m/s±0.2m/s的發射速度發射導向滑車撞擊沖擊器，滑車前端固定有吸能蜂窩鋁，撞擊時頂部掛鉤裝置需要在規定時間內脫開，以減小懸掛裝置在測試過程中對沖擊器的影響，使其更接近于自由飛行狀態，位于上體模塊的數據采集系統在沖擊器自由飛行過程中記錄實時變化數據，最后沖擊器回落到保護裝置中。

4 基于標定結果對試驗方法的分析

撞擊結束后連接數據采集系統讀取DAS內記錄的各項傳感器信息，數據截取應從沖擊時刻開始，60ms時間內取得，并觀察傳感器曲線狀態，無異常曲線該數據才能視為有效。如圖3所示：

觀察數據，彎矩和伸長量取第一接觸時刻后的第一個波峰值為本次沖擊的試驗結果，通過比較標準要求的限值來判定本次標定的結果，若結果未通過則需要分析其原因，再次標定通過后可繼續投入使用。

由于試驗過程中操作手法的不同，在調整位置時難免出現誤差。同時受溫度影響，沖擊器的外層肌肉狀態直接影響標定結果[5]。為了保證標定試驗的一致性和結果的準確性，通過分析多次標定結果，本章針對標定過程中對標定結果有影響的因素進行分析，取沖擊速度、環境溫度、沖擊角度和沖擊高度設計正交試驗，找出試驗室所能提供的參數范圍內最關鍵的因子，在試驗中應當首要考慮并保障該因子的穩定性。

4.1 試驗中的參數控制

通過設計一個四因子三水平的正交實驗法，可比較全面的分析試驗中所涉及的參數對標定結果的影響，試驗的正交表和結果如圖4所示：

圖中括號內為試驗的實際值，速度和溫度由專用測量儀器測得，位置由激光位移傳感器測量，精度為0.1mm，角度由專用角度尺測量，精度為0.01°。其中第三組試驗使用高速攝像像素點測量以驗證測量的準確性。

通過計算正交試驗表中的結果，使用極差分析法進行分析，得出以上因子對4個Tibia通道，3個Femur通道和MCL通道的影響情況，計算出各極差值，對比得出影響最大的因子，具體數據如表1所示：

通過對比8個通道可以看出，速度（39km/h-41km/h）對于標定結果的影響比較大，在5個通道中取最主要影響，剩下的主要是位置的影響比較明顯。因此在進行試驗的過程中，務必保證沖擊速度的穩定性，其次確保沖擊高度的準確性，然后是溫度和角度，當試驗條件有限時，可在標準要求范圍內調整，保證試驗數據的準確性的同時，優化試驗方法。

4.2 試驗后的操作建議

試驗沖擊之后，aPLI沖擊器進入自由飛行姿態，此時具有較高的能量，若完全讓其自由吸收，則可能影響沖擊器使用壽命，甚至對沖擊器造成二次損傷，由于aPLI沖擊器質量增加近一倍，對回收裝置的要求也更高，平鋪緩沖墊的效果已經不夠理想，可采用墊空加高的方式增加緩沖距離來減小撞擊損傷，圖5所示為對比二次撞擊后反彈的通道響應數值：

通過上圖可明顯看到二次撞擊對通道輸出的影響，若不加裝足夠的緩沖物，則在二次撞擊時會出現一個較大的波峰，有時會超過第一次撞擊峰值，長期測試后會影響沖擊器的正常狀態及使用壽命。因此加裝合適的回收裝置對于保護沖擊器也有非常必要性。

5 結論

aPLI沖擊器的整體構造和質量分布相較上一種版本有較大的區別，新增的上體模塊和重新設計的膝部模塊傳感器更豐富也更復雜，常用12通道升級為18通道，傷害值采集能力提升明顯，但對應的注意事項也有較大變化。

本文通過將標準中的標定要求落實到試驗室實際操作中，提供了明確可實施的試驗參考，并且分析了標定過程中可能影響結果的幾項因素，通過標定結果可知：

在標定試驗過程中，應當優先保證沖擊速度的穩定性，其次應當保證沖擊位置的準確性，對于溫度和角度要求不如前兩者高，但是本文中涉及的試驗要素的各項測試是建立在當前試驗室所能提供的條件下進行的，角度和溫度并沒有偏離標準要求過多，不能完全平等各因素的影響值，但實際標定試驗參數通常不會超出本文的研究范圍，可以作為參考依據。

參考文獻：

[1]胡林，方勝勇，陳強.基于正交實驗的汽車一兩輪車碰撞事故再現的參數影響研究[J].汽車工程，2016，38（5）：567-573.

[2]唐吉思，姿態及體型對碰撞中行人下肢運動和損傷響應的影響研究[D]，清華大學，2017.

[3]CHEN H P，FU L X，ZHENG H Y.A comparative study between China and IHRA for the vehicle-pedestrain impact[N].SAE Technical Paper，No：2009-01-1205.

[4]中國汽車技術研究中心有限公司（天津），C-NCAP管理規則（2021版）[S/OL].

[5]李俊杰，汽車前風窗玻璃成人頭型沖擊器豎直沖擊法探究，[J]，全國性建材科技期刊——《玻璃》，2020，（344）5：24-29.