a-PLI新腿型試驗性能影響研究

鄒利軍 王建勛 劉彥博 沙磊

（一汽奔騰轎車有限公司, 長春 130012）

主題詞：行人保護 a-PLI 汽車造型

1 引言

2021 版C-NCAP 管理規程對行人保護評價方法做出重大調整，腿型測試方面以帶有上體模塊的a-PLI 新腿型代替原來的Flex-PLI 腿型，上體模塊與大腿鉸接模擬人體髖骨結構，并增加了腳踝模擬部分。a-PLI新腿型與真實人體更加接近[1]，根據中國汽車行人保護研究工作組開展的試驗研究發現，a-PLI新腿型各項傷害值相比Flex-PLI腿型均有較大幅度增加[2]，中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司已經對a-PLI新腿型仿真及試驗進行了一系列研究，并針對行人保護腿型開發設計提出了建議。

目前，國內研究仍較少在車輛造型初期對影響a-PLI 新腿型的造型因素進行要求，本文對不同造型參數的車型a-PLI 新腿型試驗結果進行歸納研究，期望提出合理的車頭造型約束條件及結構優化方向，減少后期行人保護優化工作并降低設計變更可能性。

2 a-PLI與Flex-PLI的差異分析

a-PLI腿型與Flex-PLI腿型在結構、尺寸、質量分布、試驗表現上均有明顯差異。

2.1 a-PLI腿型與Flex-PLI腿型結構、參數差異

圖1（a）為Flex-PLI腿型，圖1（b）為增加了上體模塊的新a-PLI 腿型，其上體模塊與大腿鉸接可以模擬人體髖骨結構。圖2展示了2種腿型膝部韌帶傳感器結構與真實人體膝部的對比。表1中列出了2種腿型各部位質心的高度。結果表明，新a-PLI 腿型結構能更真實地模擬人體結構。

表1 Flex-PLI腿型與a-PLI腿型尺寸參數差異

圖1 C-NCAP管理規程中的腿型示意

圖2 新/舊腿型膝部傳感器與真實人體膝部韌帶示意[2]

2.2 a-PLI腿型與Flex-PLI腿型質量分布差異

圖3 為新/舊腿型與真實人體質量分布示意。結果表明，a-PLI 腿型膝部以上結構質量占比明顯高于Flex-PLI 腿型，a-PLI 腿型質量分布相比Flex-PLI 腿型更接近真實人體腿部的質量分布。

圖3 新/舊腿型與真實人體質量分布示意[3]

2.3 Flex-PLI腿型與a-PLI腿型試驗結果對比

以中國汽車行人保護研究工作組數據庫中一款小型SUV腿型試驗為例，L+1位置腿型運動姿態對比見圖4（沖擊發生后0 ms、15 ms、30 ms、45 ms）。

從圖4可以發現，a-PLI腿型中部彎曲比Flex-PLI腿型更為明顯，且向車頭上方滑動量更大。Flex-PLI腿型與a-PLI腿型試驗得分見表2。

圖4 Flex-PLI腿型（上）與a-PLI腿型（下）試驗動態對比

表2 Flex-PLI腿型與a-PLI腿型試驗得分

在同一款車型試驗中，a-PLI腿型得分率明顯低于Flex-PLI 腿型,其中a-PLI 腿型在L+1 位置僅得到0.4分，其中小腿彎矩T1及膝部韌帶（Medial Collateral Ligament,MCL）伸長量為主要扣分指標（圖5、圖6）。

圖5 a-PLI與Flex-PLI在L+1位置T1對比

圖6 a-PLI與Flex-PLI在L+1位置MCL對比

2.4 新舊腿型差異總結

a-PLI 腿型比Flex-PLI 腿型小腿質心更低、大腿質心更高，生物學擬真性更好。

由于a-PLI 腿型帶有上體配重塊，碰撞中與車頭接觸作用時間更長，小腿鉆入車頭底部趨勢明顯。a-PLI 腿型中部彎曲量比Flex-PLI 腿型大，MCL和T1傷害值明顯高于Flex-PLI腿型，得分難度大幅提升。

3 a-PLI腿型傷害指標影響研究

針對中國汽車行人保護研究工作組數據庫中，4款車頭結構差異明顯的車型a-PLI腿型試驗進行研究。

3.1 試驗車型結構參數統計

將數據庫中4款車型影響腿型傷害指標的車頭關鍵結構參數進行統計，主要包括上支撐（發罩前沿或者前部格柵等直接接觸腿型上部的高強度結構）、前防撞橫梁和下支撐（前保險杠下沿），詳見表3。

表3 4款試驗車型車頭結構參數統計 mm

3.2 a-PLI腿型試驗結果

每款試驗車型都進行3～4 個車頭正面區域的a-PLI腿型沖擊，基本覆蓋車頭前表面不同結構區域（圖7～圖10 中字母“L”之后的數字代表距離車輛Y0 面100 mm 整數倍距離的試驗位置，“+”/“-”分別代表車輛左/右側，默認車輛為對稱結構）。圖7～圖10中分別截取了沖擊發生后0 ms、15 ms、30 ms、45 ms時刻。

從圖7～圖10可見不同車型試驗中，a-PLI腿型運動姿態有較大區別：

圖7 A級轎車試驗過程

圖8 C級轎車試驗過程

圖9 小型SUV試驗過程

圖10 中型SUV試驗過程

（1）在轎車試驗中，a-PLI腿型向車頭上方滑動并向車后方傾旋，膝關節在碰撞中有上升趨勢；

（2）在SUV 試驗中，a-PLI 腿型小腿部分鉆入車底，膝關節在碰撞中無明顯上升趨勢，腿型整體向車頭上方及后方運動的趨勢不明顯；

（3）2 款轎車試驗中，a-PLI 腿型中部彎曲量明顯低于2款SUV車型；

（4）在車頭最低矮的A級轎車試驗中，模擬人體髖骨結構的上體模塊發生旋轉的時刻明顯晚于其他3款車型；

（5）在同一款車型試驗中，L±3 區間內試驗中a-PLI腿型中部彎曲量較大，L±4之外區間a-PLI腿型保持相對筆直狀態。

3.3 a-PLI腿型傷害表現

試驗中綜合得分率從高到低排序為：A級轎車＞C級轎車＞中型SUV＞小型SUV，4 款車型a-PLI 腿型傷害得分見表4。

根據表4中a-PLI腿型試驗得分，得出以下結論:

表4 a-PLI腿型試驗得分情況

（1）2款轎車在L±3區間內得分率都高于2款SUV車型，L±4區間之外得分差異較?。?/p>

（2）全部4 款車型試驗中，L±3 區間內得分率偏低，L±4之外區間得分率較高。

3.4 a-PLI腿型傷害指標的影響分析

3.4.1 a-PLI腿型大腿傷害指標的影響分析

a-PLI腿型大腿彎矩主要受到上支撐結構影響，A級轎車、C 級轎車、小型SUV、中型SUV 試驗車型上支撐高度有明顯差異而且逐漸升高，下文針對a-PLI 腿型大腿及膝部傷害指標與車型上支撐參數的關系進行分析。

由于試驗車型L±4以外區間a-PLI腿型碰撞后都沿車頭向側面滾動，傷害值偏低且差異性不明顯，a-PLI腿型傷害指標的影響分析中不選擇L±4以外區間進行數據比對。

A級轎車與C級轎車結構參數及a-PLI 腿型傷害值見表5，具體分析如下。

表5 A級、C級轎車結構參數及a-PLI腿型傷害值統計

（1）A 級轎車上支撐點高度較C 級轎車低161 mm，稍高于F1傳感器位置，且位置靠后，不會對a-PLI腿型大腿形成明顯支撐。

（2）A級轎車上支撐點在碰撞中對大腿沖擊輕微，大腿彎矩峰值243 N·m，距離大腿傷害限值390 N·m安全冗余較大，同時明顯低于C級轎車大腿彎矩。

（3）2 車MCL伸長量峰值均明顯低于傷害限值27 mm，結合圖7、圖8 判斷原因是下支撐作用明顯導致，在3.4.2章節進行詳細分析。

C級轎車與小型SUV結構參數及a-PLI腿型傷害值見表6，具體分析如下。

表6 C級轎車與小型SUV結構參數及a-PLI腿型傷害值統計

（1）2 車上支撐點高度均接近并略低于大腿質心高度，上支撐點X方向均偏前，這種形式的結構設計導致a-PLI腿型大腿受到較高的沖擊能量。

（2）試驗結果顯示2車大腿彎矩均處于較高水平，接近傷害限值390 N·m，其中位置較低的F1傳感器讀數接近而位置更高的F2、F3傳感器讀數呈現相反趨勢，說明小型SUV上支撐高度在C級轎車基礎上的提升，對于降低a-PLI腿型大腿傷害是有利的。

（3）小型SUV 膝部MCL伸長量明顯高于C級轎車并導致了較多扣分，結合圖8、圖9判斷是下支撐效果差異導致，在3.4.2章節進行詳細分析。

小型SUV 與中型SUV 結構參數及a-PLI 腿型傷害值見表7，具體分析如下。

表7 小型SUV與中型SUV結構參數及a-PLI腿型傷害值統計

（1）中型SUV上支撐點高度相比小型SUV提高到1 010 mm，超過上體模塊質心高度，因此有效抑制了上體模塊向車后方運動，使得大腿彎矩保持在較低狀態。

（2）2 車MCL伸長量峰值均較高，結合圖9、圖10判斷是下支撐不足導致，在3.4.2章節進行詳細分析。

3.4.2 a-PLI腿型小腿及膝部傷害指標的影響分析

a-PLI腿型小腿彎矩和膝部韌帶伸長量受下支撐結構參數影響，A 級轎車、C 級轎車、小型SUV 這3 款試驗車型下支撐高度有明顯差異而且逐漸升高，小型SUV與中型SUV車頭結構差異性主要體現在上支撐，因此僅針對A級轎車、C級轎車、小型SUV這3款車型膝部及小腿傷害指標與下支撐參數的關系進行分析。

A級轎車與C級轎車結構參數及a-PLI 腿型傷害值，見表8。

表8 A級轎車與C級轎車結構參數及a-PLI腿型傷害值統計

（1）2車下支撐高度均位于小腿質心以下，均有效抑制了a-PLI小腿鉆入車頭底部的趨勢；

（2）A 級轎車小腿彎矩T2、T4與C 級轎車非常接近，T3峰值較C級轎車略高，研究發現A級轎車下支撐結構內部通過PP-TD10（料厚為3.4 mm）材料進行2次加強，其強度較高；

（3）根據圖7、圖8可以看出，A級轎車試驗中上體模塊傾旋量比C 級轎車更大，但腿型中部彎曲量與C級轎車基本一致，且a-PLI 腿型小腿彎矩及MCL伸長量與C級轎車基本一致，證明A級轎車低且硬的下支撐對提升a-PLI腿型得分有效。

C級轎車與小型SUV結構參數及a-PLI腿型傷害值見表9，具體分析如下。

表9 C級轎車與小型SUV結構參數及a-PLI腿型傷害值統計

（1）C 級轎車下支撐位置較小型SUV 更低且靠前，且下支撐距離小腿質心高度和T3傳感器更近，阻止了a-PLI 腿型小腿鉆入車頭底部，并抑制了腿型中部彎曲，降低了MCL和T1峰值。C級轎車中部支撐剛度偏高導致T1有所增加，但下支撐的有效作用仍使之低于小型SUVT1彎矩；

（2）小型SUV 下支撐高度高于小腿質心，接近T2傳感器，無法抑制a-PLI腿型小腿鉆入車頭底部，腿型中部過度彎曲，T1和MCL峰值非常高。

3.5 試驗結果總結

（1）上支撐距地高度影響大腿彎矩并決定了a-PLI腿型碰撞后整體運動姿態

上支撐高度低于大腿F2傳感器高度（737 mm）時，其對大腿及上體質心基本不構成支撐，隨著上支撐高度接近大腿中部（F2傳感器位置），會造成明顯的大腿彎曲，即大腿彎矩與上支撐高度為同比關系。

上支撐高于大腿F3傳感器高度（817 mm）時,其對大腿及上體質心支撐效果隨高度增加而提升，此時大腿彎曲程度隨上支撐高度增加而降低，即大腿彎矩與上支撐高度為反比關系。

上支撐偏前會增加大腿彎矩，偏后可降低大腿彎矩，但上支撐過于偏后時無法有效支撐大腿可能導致腿型中部彎曲量增大。上支撐越高越偏前，a-PLI 腿型越不容易向車后方傾旋。

（2）下支撐高度影響小腿彎矩并決定了a-PLI 腿型中部最大彎曲量

下支撐高于小腿質心時，小腿很容易鉆入車頭底部，小腿彎矩T1、T2偏高，腿型中部彎曲量較大。下支撐低于小腿質心時，小腿不容易鉆入車頭底部，此時接近下支撐點的小腿彎矩傳感器（通常為T3）讀數會高于T1、T2，但腿型中部彎曲量較小。

下支撐偏前通常會增加小腿彎矩，下支撐偏后則無法有效支撐小腿，可能導致小腿彎矩T1和腿型中部彎曲量增大。下支撐越高越偏后，a-PLI 腿型小腿越容易鉆入車頭底部，導致腿型中部彎曲量增大。

（3）膝部韌帶傷害與a-PLI 腿型中部彎曲量正相關

當下支撐高度低于小腿質心且X向超出上、中支撐時，可以有效抑制a-PLI腿型中部彎曲，并降低MCL值。

4 總結與建議

本文對比了不同車頭結構在a-PLI腿型試驗傷害指標上的差別，詳細分析了差異原因，針對不同類型車型給出以下設計建議。

4.1 上支撐高度低于大腿F2傳感器高度737 m 的轎車、跑車

（1）其上支撐結構不足以抑制a-PLI 腿型向車后方傾旋，應允許a-PLI 腿型在碰撞中向車上方滑動及后方傾旋從而降低a-PLI腿型中部彎曲量。

（2）需設計下支撐高度低于小腿質心（230 mm）并保證下支撐點有足夠的剛度，視情況將下支撐點X向前伸超出中部支撐外表面來阻止a-PLI腿型小腿進入車頭底部。

（3）如果上、中支撐結構阻礙a-PLI腿型向車后方傾旋，應弱化相關結構并將上支撐點后退。

（4）支撐點剛度調整方向為：弱化上、中部支撐剛度，強化下部支撐剛度。

4.2 上支撐高度高于大腿F3傳感器高度817 mm 的SUV、MPV、CROSSOVER等車型

（1）下支撐點高度應在接近角滿足設計目標前提下盡量降低。

（2）如果下支撐點高于小腿質心，上支撐結構設計應在保證大腿彎矩不超傷害限值的原則上抑制a-PLI 腿型碰撞后傾旋運動，可以在保證駕駛視野和風阻系數的前提下盡量提升發罩前沿基準線高度。

（3）支撐點剛度調整方向為：弱化中部支撐剛度，上、下支撐剛度根據傷害指標調整。