基于行人保護開發的aPLI和柔性腿對比研究

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，腿部損傷（下肢損傷、膝蓋損傷和大腿損傷）幾率高達69%[1]。因此，開展對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，對提高汽車安全性、減小行人碰撞傷害有重要意義。

行人保護腿部沖擊器的開發是車輛行人保護性能開發的基礎，學者們對人車碰撞中腿部損傷機理進行了大量研究，并開發出一系列適用于行人保護的腿型沖擊器[2]。日本汽車研究所（JARI）和日本汽車工業協會（JAMA）開發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構，導致Flex-PLI腿型對大腿損傷的評價不夠準確，無法適用于高保險杠車輛[3]。為提高腿型沖擊器的生物仿真度，學者們開發出一種新的腿型沖擊器（aPLI，advanced Pedestrian Legform Impactor）[4]，該 腿 型將被應用于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，進行行人保護碰撞分析，對比兩腿型碰撞結果的差異；面向aPLI腿型，對車型前端結構進行初步優化，為后續行人保護腿碰性能開發提供優化方向。

2 aPLI腿型與行人保護有限元模型

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腿型碰撞中股骨運動更加貼近真實事故，腿部損傷評價更加準確，適用范圍更廣，同時適用于高保險杠和低保險杠車輛。

除上體配重模塊外，aPLI腿型下肢結構在Flex-PLI腿型基礎上進行優化改進。其中，最大改進點在于下肢結構中骨骼、肌肉質量占比的變化和膝關節結構的優化。aPLI和Flex-PLI腿型各部位質量對比如表1所示。

表1 aPLI與Flex-PLI腿型質量

aPLI腿型中共布置12個數據采集通道，其中，股骨3個、脛骨4個應變測量傳感器用于測量大腿和小腿彎矩，膝關節3個位移傳感器用于測量膝部韌帶伸長量。對比發現，aPLI與Flex-PLI腿型中7個應變測量傳感器位置完全相同。

2.2 行人保護有限元模型的建立

選取四款車型，涵蓋中級SUV、緊湊型SUV、轎車和微型電動車，對每款車型L0點（Y0位置）進行腿碰分析。aPLI腿型下端距地面高度25mm，Flex-PLI腿型下端距地面高度75mm，碰撞速度11.11m/s。對腿碰影響較大的車型空間參數統計如表2所示。

表2 車型空間參數

3 aPLI與Flex-PLI腿碰結果對比

aPLI和Flex-PLI腿型下，四款車型L0點仿真碰撞結果分別如表3和表4所示。

表3 aPLI腿型碰撞結果

表4 Flex-PLI腿型碰撞結果

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

以Flex-PLI腿型碰撞結果中各指標值為基礎，考察aPLI腿碰結果相對Flex-PLI腿碰結果的變化率，如圖1所示。對比結果表明，aPLI腿碰結果中小腿彎矩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%，對結果影響較小。

圖1 aPLI腿碰指標變化率

車型D在aPLI腿型下行人保護腿碰性能最好，原因在于其上支撐和下支撐結構均能起到有效支撐作用。下支撐高度僅205mm，遠低于其他三款車型，較低的下支撐高度與良好的下支撐結構使得aPLI腿型下肢入侵量僅發生小幅度增長，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，由于缺少上體結構，腿型上端在20ms時刻已經反彈（如圖2所示），腿型呈現下傾姿態，與真實碰撞不符；aPLI腿型增加上體配重模塊后，能夠有效模擬人體髖關節運動，腿型運動趨勢與真實事故更接近。車型A的問題在于下支撐不足，導致小腿彎曲變形嚴重，膝部韌帶伸長量顯著增大。

圖2 車型A腿碰結果

另外兩款車型中，車型B前保險杠泡沫結構導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腿碰結果

車型C為轎車，上支撐高度嚴重不足，無法支撐aPLI腿型中上體模塊運動（如圖4所示），導致各項指標增大。

圖4 車型C腿碰結果

較Flex-PLI腿型，aPLI腿型在碰撞中的特點為：一，aPLI腿型沖擊能量增大，導致腿型入侵量增大，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腿碰結果中ACL、PCL、MCL呈現依次增大的變化規律；三，aPLI腿型回彈時間延后。

4 aPLI腿型開發優化

本節針對aPLI腿型碰撞開發，從下支撐、吸能空間和上支撐三方面進行優化設計，為后續aPLI腿型下行人保護性能開發奠定基礎。

4.1 下支撐

針對車型A下支撐不足的問題，分別就下支撐高度和強度進行優化分析。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）。優化結果如表5所示。

表5 車型A優化結果

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

4.2 吸能空間

去除車型B前保險杠泡沫結構，aPLI腿碰優化結果如表6所示。結果表明，防撞梁吸能空間增大后，腿碰各項指標顯著減小。

表6 車型B優化結果

4.3 上支撐

針對車型C上支撐不足的問題，對車型C上支撐高度進行優化分析。優化結果如表7所示，方案一中發動機罩向上抬升50mm，方案二在方案一的基礎上將發動機罩向前移動30mm。

表7 車型C優化結果

結果表明，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向位置向前移動后，上支撐提前介入碰撞運動，腿碰結果中內側副韌帶伸長量MCL降低。

5 結語

本文以四款車型為例，對aPLI腿型和Flex-PLI腿型在L0點位置碰撞結果進行對比分析和優化研究，得到結論如下：

（1）aPLI腿型增加上體配重模塊后，仿真結果中股骨運動趨勢與真實碰撞更加接近，生物仿真度更高；

（2）與Flex-PLI腿型相比，aPLI腿碰結果中大部分指標呈現出增大的變化趨勢。相同指標下，aPLI腿型對車型前端結構要求更高，主要體現在下支撐高度、防撞梁吸能空間和上支撐高度三個方面；

（3）本文對三款車型前端結構進行初步優化分析，優化結果表明，較低的下支撐高度、更大的吸能空間以及適當的上支撐高度有助于aPLI腿型下行人保護性能開發。