某車型aPLI 腿型碰撞性能提升的研究

侯 松， 羅 昆， 謝 斌， 吳長鵬

(東風日產(chǎn)乘用車公司技術中心，廣州 510800)

前言

近年來，隨著我國汽車保有量不斷增加，道路交通環(huán)境也愈加復雜。 行人作為交通環(huán)境中的弱勢群體，其安全性一直備受關注。 在2011-2016 年的道路交通事故調(diào)查中，行人事故占交通事故總數(shù)的20%，行人死傷人數(shù)占總交通事故死傷人數(shù)的30%[1]。 在全球范圍內(nèi)行人下肢是人車事故中最常見的受傷部位[2]。 行人在人車事故中的運動姿態(tài)、受傷位置與車輛前端保險杠高度密切相關，低保險杠車輛更易造成小腿脛骨和膝蓋受傷，而高保險杠車輛更易造成大腿股骨骨折[3]。 現(xiàn)階段，對行人腿部的保護研究普遍采用Flex-PLI 柔性腿型，F(xiàn)lex-PLI 腿型股骨和脛骨采用多段可變形骨骼結構，計及股骨和脛骨的彎曲，提升了對腿部和韌帶損傷的預測能力。 但是，柔性腿的局限性也逐漸顯現(xiàn)，比如未考慮到上體對下肢運動姿態(tài)和損傷程度的影響，對于SUV 車型的高保險杠車輛適用性較差[4]。Konosu 等[5]針對上述缺陷對現(xiàn)有柔性腿進行改進且開發(fā)出 aPLI ( advanced pedestrian legform impactor)腿型，并經(jīng)過對魯棒性、生物逼真度和損傷預測能力的優(yōu)化，使其具有較高的損傷預測能力和適應性。 但是，在車輛研發(fā)階段應對aPLI 腿型碰撞安全的研究還面臨挑戰(zhàn)。 因此本文中借助aPLI 試驗數(shù)據(jù)進行仿真對標工作，保證aPLI 的仿真精度。 同時結合工程實際問題，介紹能提升aPLI 腿型碰撞性能的思路。

1 21 版 C-NCAP aPLI 腿型試驗

在對18 種不同高低保險杠車輛的腿型碰撞研究中發(fā)現(xiàn)，以50th 男性人體模型(human body model，HBM)為基準，柔性腿在高保險杠車輛中的運動學響應差異較大，低估了大腿的損傷、高估了韌帶拉伸量；而在低保險杠車輛中，高估了大腿彎矩[6]。 在碰撞過程中人的上體質(zhì)量對下肢損傷程度和運動學響應有顯著影響。 通過在柔性腿上端加入上體簡化模塊(simplified upper body part，SUBP)后，腿型的運動響應和損傷預測能力均有明顯改善[7]，并通過優(yōu)化質(zhì)量分布等衍生出現(xiàn)有的aPLI 腿型。

1.1 aPLI 腿型介紹

aPLI 腿型主體部分是由SUBP、大腿股骨、膝關節(jié)和小腿脛骨4 部分構成。 SUBP 主要由氯丁橡膠為材料的皮膚和配重鋁塊組成，通過圓柱形的機械髖關節(jié)連接到下肢，股骨和脛骨均貼有應變片用于測量彎矩，兩者由模擬韌帶的鋼纜繩和彈簧連接。腿型主體外圍由氯丁橡膠和橡膠片組成的皮膚包裹[8]。

Flex-PLI 和aPLI 腿型參數(shù)對比如圖1 所示。 與Flex-PLI 腿型相比，aPLI 腿型優(yōu)點在于:

圖1 Flex-PLI 和aPLI 腿型參數(shù)對比[9]

(1)考慮上體質(zhì)量的影響，使腿型適用性增強；

(2)采用最新人體仿生學設計，模擬人體下肢真實形狀和質(zhì)量分布；

(3)各損傷指標的評估能力更接近 HBM 的損傷。

1.2 aPLI 腿型試驗方法和評分規(guī)則

21 版 C-NCAP 要求，aPLI 腿型離地 25 mm，以40 km/h 的速度水平撞擊車輛前端保險杠。 默認車輛左右對稱，以Y＝0 為起始點，每間隔100 mm 選取一個試驗點，如圖2 所示。

評分規(guī)則:

(1)腿型試驗總分為5.0，其中大腿和小腿彎矩各2.0 分，韌帶拉伸量1.0 分；

圖2 aPLI 腿型試驗示意圖

(2)各試驗點結合高性能閾值和低性能閾值采用線性插值的方法計算點數(shù)分；

(3)統(tǒng)計所有撞擊點得分，并計算得分率，試驗最終得分等于總分數(shù)乘以得分率[10]。

表1 為aPLI 腿型高低性能閾值。

表1 aPLI 腿型高低性能閾值

2 aPLI 腿型試驗與仿真結果對標

為把握aPLI 腿型仿真精度，對該車型的同平臺車型展開試驗， 并進行仿真對標。 試驗采用Cellbond 公司的aPLI 物理腿，該腿型上端SUBP 部分有3 個加速度傳感器和3 個角傳感器，大腿有3個應變片測量彎矩，膝關節(jié)有3 個位移傳感器、1 個加速度傳感器和1 個角傳感器，小腿有4 個應變片測量彎矩。 按照aPLI 腿型試驗的要求，對車輛的前端各試驗點進行撞擊。

仿真基于LS-DYNA MPP930 版本，截取整車前半段有限元模型，模型后端截面約束6 自由度。 腿型采用Cellbond 公司開發(fā)的同型號aPLI 有限元模型。 腿型與車輛前端接觸設置使用自動面—面接觸，腿型定位等碰撞條件與試驗一致，如圖3 所示。

圖3 試驗與仿真aPLI 腿型定位

對標前仿真與試驗總體誤差為17.5%，不滿足10%的目標精度要求。 通過調(diào)整關鍵部件接觸的摩擦因數(shù)、考慮發(fā)動機罩沖壓硬化效應等措施，使總體誤差縮小至8.3%，達到目標精度要求。 具體對標過程不詳細展開。

圖4 為L0 撞擊點對標后仿真與試驗的評價指標曲線對比。 其中大腿彎矩、小腿彎矩和韌帶拉伸量的誤差分別為9.0%、2.7%和18.0%，按照各項指標的總分占比分配權重，得出仿真與試驗的總體加權誤差為8.3%。

同時對試驗與仿真的腿型運動學響應采用時序圖的方式進行動態(tài)過程的響應對比， 見圖5(外側(cè)深色表示仿真，內(nèi)側(cè)淺色表示試驗)。 可以看出，試驗和仿真中的aPLI 腿型運動姿態(tài)基本一致，因此可以認為兩者運動學響應基本一致。

綜上，aPLI 腿型的仿真與試驗總體誤差在10%以內(nèi)，運動學響應一致性高。

圖5 aPLI 腿型試驗與仿真時序圖對比

3 某車型aPLI 腿型仿真結果分析

該車型屬于高保險杠車輛，車輛前端結構除保險杠前端裝有泡沫吸能材料外，發(fā)動機罩前端和副保險杠前端均沒有對應腿型的支撐結構。 按照以往的工程經(jīng)驗，由于前端結構剛度差異較大，車輛現(xiàn)有狀態(tài)可能會導致aPLI 的韌帶拉伸量、大腿下部和小腿上部的彎矩超標。

根據(jù) C-NCAP 的腿部試驗要求，aPLI 腿型以40 km/h速度撞擊該車前端保險杠，并統(tǒng)計各撞擊點韌帶拉伸量、大腿彎矩和小腿彎矩，用于評價該車型對aPLI 腿型的損傷程度，結果如表2 所示。

由表2 可知，該車型aPLI 腿型得分2.18，得分率僅有43.6%，除兩端的撞擊點(L±6、L-6.5)外，其余位置的失分均較嚴重。 而失分指標主要體現(xiàn)在內(nèi)側(cè)副韌帶(MCL)拉伸量和大腿下部與小腿上部的彎矩，仿真結果印證了前面的推測。 在行人保護腿型碰撞中，車輛前端結構對腿部損傷的影響較為明顯，腿部受力主要來自車輛發(fā)動機罩前端、保險杠和副保險杠[11]。 而現(xiàn)有前端結構中，發(fā)動機罩前端和副保險杠前端剛度較小，腿型以40 km/h速度所產(chǎn)生的碰撞能量主要集中在保險杠吸能塊上，使aPLI 腿型受力不均、能量耗散不合理，由此導致對應保險杠區(qū)域的大腿下部和小腿上部彎矩超標。

因此，應對aPLI 腿型的基本策略是匹配好車輛前端剛度分布，尤其是保險杠和副保險杠。 主要有兩個方向:一是將上端發(fā)動機罩和下端副保險杠的布置向車輛前方調(diào)整；二是直接在保險杠上端加一個支撐件，副保險杠前端加泡沫吸能材料。

方向一雖能將車輛前端剛度匹配適當，但此類變更涉及到造型和其他相關部件的調(diào)整，在當前開發(fā)階段造型修改難度極大、變更非常多，不適合作為主要的改進方向。 在腿部保護中泡沫吸能材料能較好地吸收碰撞能量，緩沖腿部沖擊，從而降低車輛前端對腿部的損傷程度[12]。 同時，對于有前保險杠擾流板的SUV 通過增加副保險杠位置的前伸量可降低下肢損傷[13]。 方向二只須在現(xiàn)有數(shù)據(jù)基礎上新增泡沫材料、結構加強件等，即能將前端剛度匹配適當。 因此，在做好成本管控的條件下，可將方向二作為改進對策的方向。

表2 某車型aPLI 腿型仿真結果

4 改進方案設計與仿真驗證

4.1 方案一

①在現(xiàn)有模型基礎上，上端沿Y向新增橫立柱加強發(fā)動機罩前端剛度，用于支撐大腿；

②副保險杠前端新增泡沫吸能材料EPP30，增強下端剛度，用于支撐小腿，如圖6 所示。

圖6 方案一改進說明

方案一仿真結果如表3 所示。 在發(fā)動機罩前端增加結構件、副保險杠前端增設泡沫吸能材料，以增加發(fā)動機罩和副保險杠前端的剛度，使其與保險杠區(qū)域剛度進行匹配，aPLI 腿型的最終得分由2.18 提升至3.29，增幅51%。

從表3 看出，改進前得分較差的MCL 伸長量和大腿下部彎矩都有明顯的改善，滿足甚至優(yōu)于高性能閾值。 小腿上部彎矩雖有改善，但大部分撞擊點的最大彎矩仍大于275 N·m(高性能閾值)，小腿彎矩得分較差，致使方案一的最終得分仍未達標。

小腿上部彎矩得分差主要有兩個原因:一是保險杠的泡沫吸能材料剛度過大，與新增的副保險杠泡沫吸能材料的剛度匹配不當；二是通過觀察仿真動畫發(fā)現(xiàn)，新增的副保險杠泡沫吸能材料剛度不足，小腿在撞擊過程中副保險杠吸能塊產(chǎn)生了向下偏轉(zhuǎn)的運動，使其未能對小腿產(chǎn)生有效的支撐，導致小腿上部彎矩仍然較大。 這與文獻[14]中關于保險杠泡沫吸能材料的剛度對行人腿部損傷有較大影響的論斷一致。

因此，又提出方案二，其改進思路是通過弱化保險杠泡沫吸能材料的剛度，加強副保險杠泡沫吸能材料的剛度，進一步匹配前端結構剛度，以改善小腿上部彎矩。

4.2 方案二

①在方案一的基礎上，保險杠泡沫吸能材料由EPP30 改為EPP45，以減小其剛度；

表3 方案一仿真結果

②修改副保險杠吸能塊的結構，防止方案一出現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)運動，泡沫吸能材料由EPP30 改為剛度較大的EPP20，如圖7 所示。

圖7 方案二改進說明

方案二aPLI 腿型損傷統(tǒng)計見表4。 在方案一基礎上，方案二通過調(diào)整主副保險杠吸能塊的剛度，希望能夠改善車輛前端剛度分布。 從結果來看，aPLI腿型最終得分雖然有所提升，且韌帶拉伸量和大腿彎矩均有改善，但各撞擊點得分卻出現(xiàn)了“兩極分化”的現(xiàn)象，L0～L-2、L-4 得分提高明顯，L±5 得分仍然較低，而L±6、L-6.5 相對方案一得分甚至有所惡化。

從損傷指標來看，小腿彎矩最大值從方案一的上部轉(zhuǎn)移到了方案二的中部。 方案二增大副保險杠吸能塊剛度，使腿型整體得分提升，表明方案的有效性。 另一方面，同時注意到L-5～L-6.5 的小腿彎矩過大，說明副保險杠吸能材料在該區(qū)域的剛度偏大。這意味著，各撞擊區(qū)域的小腿彎矩對方案二的敏感程度不同，須根據(jù)各區(qū)域損傷指標有針對性地進行改善。

通過查看仿真動畫，發(fā)現(xiàn)副保險杠吸能結構變更后能有效防止方案一出現(xiàn)的翻轉(zhuǎn)運動，從而對小腿部位起到了良好的支撐作用。 在L-5 ～L-6.5 區(qū)域，由于副保險杠比保險杠的吸能塊剛度大，且二者X向坐標相近，腿型在撞擊過程中主要受力點向下端轉(zhuǎn)移，致使該區(qū)域的小腿彎矩增大，再次說明該區(qū)域的剛度匹配不合理。

以上分析說明兩個問題:一是匹配車輛前端剛度(尤其是主副保險杠吸能塊的剛度)可以降低腿部損傷；二是局部區(qū)域的剛度須進一步匹配。 因此，再提出方案三，其思路是將局部惡化區(qū)域的剛度重新調(diào)整，使其能和上端剛度匹配。

4.3 方案三

根據(jù)方案二的結果分析，將副保險杠吸能塊局部剛度適當弱化:在副保險杠吸能塊Y＝300～650 mm之間根據(jù)損傷指標，分別開設不同厚度的緩沖槽。既保證對小腿的支撐，又可以降低局部剛度， 改善小腿彎矩。

表4 方案二仿真結果

圖8 方案三改進說明(以Y＝500 mm 截面為例)

方案三的腿型損傷結果如表5 所示。 方案三針對方案二中惡化區(qū)域的下端剛度進行局部調(diào)整，使其能夠與上端剛度匹配，從而達到降低腿部損傷、提升整體得分的目的。 結果表明，各撞擊點的損傷指標分布較合理，方案二中小腿彎矩較差的位置L±5、L±6 在方案三中均得到明顯改善。 本輪方案的aPLI腿型的最終得分為4.11，達成開發(fā)目標。

表5 方案三仿真結果

根據(jù)改進策略設計出3 個改進方案，分別通過增設發(fā)動機罩前橫梁、新增副保險杠吸能塊、調(diào)整主副吸能塊的結構和材料，對車輛前端剛度進行逐步改進，如表6 所示。 仿真結果表明，aPLI 腿型得分由2.18 提高到4.11，總體提升88%。

表6 改進方案匯總

5 結論

針對某車型21 版C-NCAP 行人保護新增的aPLI 腿型得分率較低的難題，通過同平臺車型的試驗對標研究，提升了aPLI 腿型仿真精度。 結合aPLI腿型損傷機理，通過增設發(fā)動機罩前橫梁、新增副保險杠泡沫吸能塊、調(diào)整主副保險杠吸能塊的結構和材料等措施，使車輛前端剛度得到合理分配，顯著改善了該車型的行人保護性能。