先進行人保護腿型aPLI應用與車輛開發應對

陳琳 劉宏達 余承成 樓植楊 張慧云

摘 ?要：aPLI腿型較目前在用的柔性腿型Flex-PLI更接近于人體模型，生物仿真性有較大的提高，能夠更好地對高、低保險杠車輛-行人大腿的傷害風險進行全面評估。但各項傷害指標較Flex-PLI均有大幅提高，針對NCAP評價測試得分難度較大，對車輛的造型設計、前端布置方式和結構優化提出了更高要求。本文分析介紹了下腿型發展歷程、aPLI腿型的傷害特征、與Flex-PLI腿型的對比及車型開發應對策略。

關鍵詞：aPLI;Flex-PLI;下腿型;行人保護;NCAP

中圖分類號：U462.3 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1005-2550（2021）03-0008-06

Application And Vehicle Development of Pedestrian Protection Advanced Pedestrian Legform Impactor （aPLI）

CHEN Lin， LIU Hong-da， YU Cheng-cheng， ?LOU Zhi-yang， ZAHNG Hui-yun

（ Xiangyang Da An Automobile Test Center Corporation Limited， Xiangyang 441004， China ）

Abstract： The aPLI legform is closer to the human body model than the currently used flexible legform （Flex-PLI） ， and the biosimulation performance has been greatly improved， enabling a better comprehensive assessment of thigh injury of high and low bumper vehicles. However， the injury indexes are significantly improved compared with Flex-PLI， and it is more difficult to score in NCAP， and higher requirements are placed on the vehicle's styling design， front-end layout and structural optimization. This article analyzes and introduces the development process of the lower legform， the injury characteristics of the aPLI legform comparison and the strategy for vehicle development.

陳 ? 琳

畢業于吉林大學，獲碩士學位，畢業后至今一直在國家汽車質量監督檢驗中心（襄陽）從事被動安全測試，現任高級工程師，主要研究方向：汽車碰撞安全技術，安全氣囊匹配開發，行人保護試驗技術。已發表多篇論文。

1 ? ?行人下肢損傷機理

車輛與行人發生碰撞時下肢損傷是由碰撞力在下肢的傳遞造成的。主要損傷形式有：骨盆損傷、大腿損傷（股骨骨折）、小腿骨折（脛骨骨折、腓骨骨折）及膝關節損傷（包括股骨骨節骨折、脛骨骨節骨折、髕骨骨折及膝關節韌帶撕裂），如圖1（a）、（b）、（c）、（d）所示[1-3]。

1.1 ? 脛骨、股骨、腓骨損傷

車輛從側面撞擊行人下肢時會使脛骨、腓骨發生彎曲，外側產生壓應力，內側相對位置產生拉應力，隨著碰撞力的傳遞，當應力超過耐受限度時脛骨、腓骨就會發生骨折。股骨骨折主要是與發動機罩前緣碰撞導致，原理與脛骨骨折相同。

1.2 ? 膝關節損傷

研究表明膝關節損傷主要是由剪切力和彎矩共同作用導致的，主要損傷形式為膝部韌帶斷裂以及連接膝部韌帶的脛骨、股骨骨折。碰撞發生時，由于股骨慣性，膝關節面發生剪切錯位，并由此導致膝關節韌帶拉伸和股骨內側髁與脛骨髁間隆起擠壓，當內側副韌帶（MCL -Medial Collateral Ligament）超過其抗拉強度時首先發生斷裂，如圖1所示。隨著碰撞過程持續深入，前交叉韌帶伸長量（ACL- Anterior Cruciate Ligament）及后交叉韌帶（PCL-Posterior Cruciate Ligamen）超過其抗拉強度時也發生斷裂。

2 ? ?下腿型發展歷程（EEVC-PLI→Flex-PLI→aPLI）

下腿型發展經歷了由初代EEVC剛性腿型到目前廣泛采用的柔性腿型Flex-PLI再到近期開發的aPLI（advanced Pedestrian Legform Impactor）腿型，如圖2所示。C-NCAP、E-NCAP即將使用aPLI腿型進行下肢碰撞損傷評價測試，aPLI腿型生物仿真度越來越逼近假人模型、測量指標越來越齊全、適應車型越來越廣[4-5]。

2.1 ? ?EEVC-PLI

1998年，EEVC WG17工作組采用TRL（Tran -sport Research Laboratory）剛性腿型沖擊器及上腿型沖擊器進行行人下肢碰撞評價。TRL剛性腿型僅測量脛骨加速度、膝部位移和彎曲角三個指標，結構見圖3（a）、（b）：

2.2 ? ?Flex-PLI

由于TRL剛性腿型生物仿真性、試驗重復性不夠理想，2000年以后JARI 和日本汽車工業協會JAMA開始了關于柔性腿型Flex-PLI的研究。柔性腿型開發歷經多個版本目前在用的為GTR版，相比TRL剛性腿型Flex-PLI腿型加入更多傳感器，增加韌帶損傷和股骨損傷的模擬，具有更好的生物逼真性，可靠性及適用性也得到進一步提高。

目前ECE-R127、E-NCAP、C-NCAP均采用柔性腿型Flex-PLI結合上腿沖擊器進行下肢測試評價。Flex-PLI腿型傷害數據采集標配12通道，即3個股骨彎矩：Femur bending moment- T1、T2、T3，3個韌帶伸長量：ACL、PCL、MCL和4個脛骨彎矩： Tibia bending moment-T1、T2、T3、T4及1個膝蓋底部加速度傳感器，見圖4：

2.3 ? aPLI

由于Flex-PLI缺少模擬上肢運動的模塊，不能充分再現下肢的損傷情況。ISO組織研發了aPLI腿型，在aPLI腿型中增加代表上肢運動的模塊，以此來提高生物仿真度，aPLI外觀與組成如圖5所示：

與Flex-PLI腿型相比，aPLI主要改進6項參數：肌肉和骨骼的重量分布，骨骼撞擊表面的形狀，前交叉韌帶ACL和后交叉韌帶PCL的幾何布局（交叉改為垂直韌帶），骨骼偏距，腳踝模擬，股骨彎曲剛度;aPLI數據測量參數增加到18通道，見圖6（a）、（b）、（c）。通過與完整人體假人模型（HBM）傷害值對比，aPLI比Flex-PLI的生物仿真度有明顯提高。

3 ? ? aPLI腿型運動傷害特征

aPLI比Flex-PLI重了近一倍（從13.2kg到24.5kg），并且分布在上部，aPLI腿型改進特性直接產生不同于Flex-PLI腿型碰撞運動姿態和傷害特征。目前測試中車型全部存在對aPLI腿型上部和下部支撐不足的情況，腿部變形姿態C字型更為明顯，傷害更加顯著，如圖7（a）、（b）、（c）、（d）所示[5]：

aPLI腿型相比于Flex-PLI質心更高，仿真結果顯示，轎車與SUV對測試腿型的傷害值較高。轎車相比于SUV離地間隙較低，對上體質量塊無法起到有效支撐作用，腿部變形姿態C字型更為明顯，傷害更為嚴重，尤其是股骨彎矩和膝部韌帶伸長量PCL、MCL，見圖8：

長城汽車對多款SUV車型進行碰撞性能模擬分析，如圖9所示，aPLI的傷害指標普遍大于Flex- PLI，其中股骨彎矩大2-3倍，膝部韌帶伸長量大2-2.5倍，脛骨彎矩大2-3倍（除脛骨下部彎矩外），aPLI腿型的各項傷害指標較Flex- PLI均有大幅提高[5]。

E-NCAP基于ISO aPLI TG工作組要求測試中，aPLI腿型測試數據結果明顯高于Flex-PLI腿型，見表1 E-NCAP測試數據[5]。

表中：

股骨彎矩：F3、F2、F1-Femur bending moment

脛骨彎矩：T1、T2、T3、T4- Tibia bending moment

內側副韌帶：MCL -Medial Collateral Ligament

前交叉韌帶：ACL- Anterior Cruciate Ligament

后交叉韌帶：PCL-Posterior Cruciate Ligament

沖擊方向加速度：Acc.

（關于表1（E-NCAP測試數據）中的各參數代表什么？

回答：L0，L-3， L-5是行人保護測試程序中沖擊位置命名的方式，L代表下腿型，數字表示距車輛中垂面橫向距離0、-300、-500等）

綜合以上試驗及仿真數據對比分析，不難發現aPLI相比Flex-PLI傷害特征如下：

傷害指標較普遍高于Flex- PLI腿型;

股骨的中部彎矩最容易超出限值，脛骨上部彎矩最容易超出限值;

MCL基本都大于下限值25mm，易超限值要求;

所有車型的PCL遠大于ACL，如按照2021 版CNCAP評價體系PCL超過限值將導致MCL無法得分。

4 ? ?aPLI腿型碰撞分析及開發應對

碰撞過程中對于aPLI腿型接觸形態可簡化為上、中、下三條碰撞力傳遞路徑：上部傳遞路徑是發動機罩前緣;中部傳遞路徑是前防撞梁及碰撞吸能塊;下部傳遞路徑是下部或小腿支撐結構，如圖10（a）、（b）所示[5]：

aPLI腿型上部增加了質量塊，總重達24.5kg，且繞著鉸接點旋轉，結合腿型C字型運動姿態及碰撞力傳遞特征，要想降低腿型傷害值測試中需要發動機罩前緣支撐住腿型上部質量塊的X向運動;腿型下部需要在接觸時就被小腿支撐件支撐住以減小向車尾運動;腿型中間部分需要變形吸能空間，平行運動。碰撞中aPLI下部和中間部分應避免產生較大彎曲變形，以減小脛骨彎矩，理想運動姿態是股骨和脛骨以平動的方式完成碰撞過程。

基于行人保護腿部碰撞開發經驗，車輛前端支撐結構的特性對腿型碰撞影響情況，目前開發中通常把車輛前部機構主要歸納為6個關鍵參數，如圖11所示[5]：

圖中：

L1：發動機罩前緣與防撞橫梁X向距離、L2：前保蒙皮與防撞橫梁X向距離、L3：小腿支撐與防撞梁X向距離、H1：發動機罩前緣離地高度、H2：防撞橫梁中心離地高度H3：小腿支撐離地高度

aPLI傷害仿真分析統計表明，影響行人腿部碰撞傷害的主要結構件包括：前保險杠（吸能盒、橫梁等）、發動機罩前緣、小腿支撐件等。

對股骨彎曲影響重要程度依次為：發罩前緣高度（H1）、發動機罩前緣與防撞橫梁X向距離（L1）、小腿支撐與防撞橫梁X向距離（L3）;提高H1、縮短L1能夠有效降低大腿彎矩。

對韌帶伸長量影響顯著程度依次為：前保險杠吸能空間（L2）、小腿支撐和發動機罩前緣到防撞橫梁的X向距離（L3、L1）;增大L2、L3可以有效降低韌帶伸長量。

對脛骨彎曲影響顯著程度依次為：小腿支撐與防撞橫梁X向距離（L3）、小腿支撐的離地高度（H3）和前保險杠吸能空間（L2）;增加L3、L2和降低H3可以有效降低小腿彎矩。

5 ? ?總結

針對aPLI腿型運動姿態及傷害特征，車輛開發應對主要涉及到造型設計、空間布置、結構優化三方面。

造型設計階段，車輛前端造型風格是行人保護設計的關鍵;通過優化前保造型，控制保險杠角從而縮小試驗區域，一定程度上避免測試風險。轎車姿態較低，無法對aPLI腿型上部質量塊起到有效的支撐作用，前端垂直的造型面不利于aPLI腿型開發，前端下部突出的造型，下部更早接觸腿型，能夠改變腿部運動姿態。

空間布置上aPLI由于自重較大、動能更大，需要保險杠吸收更多能量和足夠的變形空間，應改善前防撞橫梁吸能空間，增加膝部侵入量;新能源車輛前端電器件在碰撞中阻礙腿部變形，形成硬點，布置上應盡量錯開腿部碰撞點或更改安裝方式采用易變形連接件。

結構設計中應根據車輛造型和空間的差異，對上、中、下腿腿支撐點的剛度進行合理匹配，全局平衡大腿彎矩、小腿彎矩及膝部韌帶伸長量的傷害程度。

另外，aPLI腿型車輛開發應對要兼顧造型與空氣動力學、結構件抗彎、抗扭性能等。新的碰撞工況也對防撞橫梁的結構設計提出了更高的要求（MPDB、25%小偏置碰撞等），同時增加了aPLI腿型開發應對難度。aPLI腿型與Flex-PLI腿型相同車型測試結果差異較大，針對不同的測試標準和程序，車輛開發需同時考慮兩種腿型傷害情況。

參考文獻：

[1]劉衛國，呂曉江，孫立志等.國外行人柔性腿型沖擊器的發展及現狀.汽車工程學報. 2014年11月.第4 卷 第6 期：455-459.

[2]劉衛國，呂曉江，谷先廣等.基于Euro-NCAP 評價規程行人柔性腿型碰撞試驗. 汽車安全與節能學報.2015年. 第6 卷 第2 期.128-133.

[3]周孔亢. 人車碰撞中行人保護問題初探. 拖拉機與農用運輸車. 2007 年4 月.第34卷第2期.9-17.

[4]崔淑娟，郝海舟，趙清江等.針對FLEX-PLI 腿型沖擊試驗的行人保護結構優化設計. 汽車工程學報.2017年7月.第8卷 第4期：281-286.

[5]會議資料.2019年汽車行人保護國際研討會.會議.青島.2019.11.28.