行人保護(hù)aPLI腿型試驗(yàn)性能研究

楊瑞 曹建驍 畢騰飛

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

主題詞：先進(jìn)行人腿型碰撞器 柔性腿行碰撞器 傷害指標(biāo) 碰撞響應(yīng)特性 開發(fā)策略

1 前言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國乘用車與車外人員碰撞事故占總體事故比例的近80%，其中有車外人員受傷的事故占比高達(dá)75%[1]。因此，車輛的行人保護(hù)安全性能亟需提升，下肢碰撞是行人保護(hù)安全性能開發(fā)的重要內(nèi)容之一。

目前，行人保護(hù)安全性能評(píng)價(jià)領(lǐng)域均采用柔性腿型碰撞器（Flexible Pedestrian Legform Impactor，F(xiàn)lexPLI）作為測試工具。隨著人體下肢生物力學(xué)特性研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)FlexPLI 雖然在剛性腿的基礎(chǔ)上大幅優(yōu)化了傷害指標(biāo)，提升了生物逼真性，但仍不能完全反映人車事故中行人腿部傷害的真實(shí)情況。因此，日本汽車研究所（Japan Automobile Research Institute，JARI）在FlexPLI的基礎(chǔ)上研究設(shè)計(jì)，并由英國CELLBOND 公司生產(chǎn)制造的先進(jìn)行人腿型碰撞器（Advanced Pedestrian Legform Impactor，aPLI）應(yīng)運(yùn)而生。與FlexPLI相比，aPLI的最大變化是增加了上部質(zhì)量模塊（Simplified Upper Body Part，SUBP）來模擬人體上肢，提高了測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和全面性。中國新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）和歐洲新車評(píng)價(jià)規(guī)程（Euroq-NCAP）分別計(jì)劃于2022 年和2023年采用aPLI進(jìn)行車輛行人保護(hù)性能評(píng)價(jià)。這對(duì)汽車企業(yè)來說是個(gè)新的挑戰(zhàn)，盡早總結(jié)并掌握aPLI 對(duì)現(xiàn)有開發(fā)車型傷害指標(biāo)的影響，對(duì)汽車企業(yè)制定新車型開發(fā)策略，應(yīng)對(duì)aPLI的行人保護(hù)性能測試至關(guān)重要。

本文通過對(duì)比aPLI 與FlexPLI 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，挖掘大量實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)出二者在響應(yīng)機(jī)理和傷害指標(biāo)上的差異，分析aPLI 腿型與車輛碰撞響應(yīng)特性，并提出aPLI腿型的開發(fā)策略。

2 aPLI腿型結(jié)構(gòu)改進(jìn)

FlexPLI在生物力學(xué)特性和傷害評(píng)價(jià)能力上都存在諸多明顯不足，主要表現(xiàn)在欠缺大腿傷害評(píng)價(jià)能力，對(duì)保險(xiǎn)杠較高車型應(yīng)用性不佳，斜向大角度碰撞傷害指標(biāo)失真，與車輛前端接觸力過大，膝部前、后十字韌帶響應(yīng)與人體模型不符等。為了改善上述缺陷，Takahiro Isshiki 等人通過優(yōu)化FlexPLI 腿部結(jié)構(gòu)，選用更加先進(jìn)的生物材料等方式，研發(fā)出了aPLI 腿型[2-4]。如圖1 所示，2種腿型碰撞器的差異主要體現(xiàn)在：

a.aPLI在結(jié)構(gòu)上最重要的改進(jìn)是增加了上部質(zhì)量模塊，使其可以有效監(jiān)控大腿的3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)能夠有效改善較高保險(xiǎn)杠車型測試時(shí)人體姿態(tài)的一致性。

b.與FlexPLI 相比，aPLI 腿部質(zhì)量分布更接近人體，從而有利于改善腿型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，同時(shí)減小腿型碰撞過程中的接觸力。

c.與FlexPLI相比，aPLI膝部結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，韌帶空間布置和半月板與股骨踝連接方式都更接近人體，從而有效改善斜向大角度沖擊時(shí)傷害指標(biāo)突增造成的失真。

d.aPLI在FlexPLI 的基礎(chǔ)上優(yōu)化了腿部截面和腿骨尺寸，有效改善了生物力學(xué)特性和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

圖1 FlexPLI和aPLI的結(jié)構(gòu)差異

大量試驗(yàn)結(jié)果表明，與FlexPLI相比，對(duì)于不同類型車輛（轎車、SUV）和不同碰撞角度，無論車輛中間位置還是左、右兩側(cè)40°斜向碰撞，aPLI的傷害指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果與人體模型（Human Body Model，HBM）具有更高的相關(guān)性，即更接近人體真實(shí)狀態(tài)[4-5]。

3 aPLI與FlexPLI試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

aPLI 與FlexPLI 的試驗(yàn)方法一致，且試驗(yàn)設(shè)備共用，主要差異在于腿型碰撞器的離地高度，F(xiàn)lexPLI 為75 mm，而aPLI 為25 mm。選取中汽研汽車檢測中心（天津）有限公司行人保護(hù)實(shí)驗(yàn)室采集的10 余款車型aPLI 和FlexPLI 的摸底試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1 所示。本文通過對(duì)比2種腿型傷害指標(biāo)的差異，結(jié)合其實(shí)車碰撞過程中姿態(tài)的變化，分析傷害指標(biāo)差異產(chǎn)生的原因，挖掘aPLI腿型的碰撞響應(yīng)特性。

表1 FlexPLI和aPLI試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值

圖2所示為aPLI和FlexPLI評(píng)價(jià)指標(biāo)的平均值。由圖2 可知，二者大腿彎矩趨勢較為一致，aPLI 的大腿彎矩為FlexPLI對(duì)應(yīng)位置的2.6～3倍。小腿彎矩出現(xiàn)分化，T1 彎矩的差值最大，aPLI 的T1 彎矩是FlexPLI 的約1.4倍，T2和T3差值依次降低，aPLI 的T4彎矩約為FlexPLI的80%。膝部韌帶方面，aPLI 的內(nèi)側(cè)副韌帶（Medial Collateral Ligament，MCL）伸長量接近FlexPLI的2倍，后十字韌帶（Posterior Collateral Ligament，PCL）伸長量約為FlexPLI 的2.2 倍，前十字韌帶（Anterior Collateral Ligament，ACL）伸長量約為FlexPLI 的70%。可見，aPLI的評(píng)價(jià)指標(biāo)與FlexPLI相比幾乎全面大幅提高。

圖2 aPLI與FlexPLI傷害結(jié)果對(duì)比

大腿彎矩激增是因?yàn)樵黾由喜抠|(zhì)量模塊后，腿型質(zhì)量增加了88.6%，相應(yīng)的沖擊能量提高了88.6%。同時(shí)，腿型高度增加了168 mm，重心也大幅升高，車輛前端不能完全為上部質(zhì)量模塊提供支撐，aPLI 腿型受力不均勻，大腿受牽扯作用較大，造成彎曲變形加大。

小腿彎矩和膝部韌帶伸長量大幅升高同樣是由于碰撞能量的劇增。另外，aPLI 腿型離地高度相比FlexPLI 下降50 mm?，F(xiàn)有車輛前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)大多基于FlexPLI 腿型開發(fā)，前保險(xiǎn)杠梁及其吸能裝置不能完全發(fā)揮對(duì)aPLI膝部的支撐和吸能作用，造成T1、T2彎矩增加。車輛下支撐同樣不能有效支撐起aPLI 小腿下部，使得T4位置無外力約束，故而彎矩降低，但同時(shí)也導(dǎo)致aPLI 腿型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變差，MCL 受到大腿和小腿運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的共同影響，伸長量增加。

aPLI膝部十字韌帶結(jié)構(gòu)由FlexPLI的交叉式改為平行結(jié)構(gòu)（見圖1c），腿型碰撞過程中，交叉式的PCL呈收縮趨勢，ACL 呈拉伸趨勢，平行結(jié)構(gòu)的PCL 和ACL 均受到拉伸作用，所以aPLI 的PCL 伸長量大幅增加。由于FlexPLI 膝部半月板連接結(jié)構(gòu)為平行六面體，當(dāng)碰撞角度超過30°時(shí)，半月板連接處會(huì)發(fā)生剛性接觸，導(dǎo)致ACL伸長量突變[4]。而aPLI膝部半月板連接結(jié)構(gòu)為橢圓形，能在360°范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，所以與FlexPLI相比，aPLI的ACL伸長量降低。

將上述試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)按不同保險(xiǎn)杠高度分別進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)對(duì)于轎車和SUV，aPLI與FlexPLI的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)趨勢與整體數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果完全一致，見圖2。

4 aPLI實(shí)車碰撞響應(yīng)試驗(yàn)性能

4.1 aPLI腿型各部分評(píng)價(jià)指標(biāo)比對(duì)

圖3所示為10余款車型aPLI腿型試驗(yàn)各部位傷害指標(biāo)平均值對(duì)比結(jié)果，其中陰影部分是同一傷害指標(biāo)轎車與SUV的對(duì)比差量?？傮w結(jié)果顯示，大腿彎矩中，F(xiàn)2最大。對(duì)比細(xì)分車型數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，轎車的F2 顯著高于其他2 個(gè)彎矩，而SUV 的彎矩中F3 稍大。小腿彎矩中，T1～T4 依次減小，且減小幅度遞增。對(duì)于轎車和SUV，T1 均為最大彎矩。膝部韌帶伸長量對(duì)比中，MCL遠(yuǎn)大于PCL和ACL。由此可見，需要重點(diǎn)關(guān)注的評(píng)價(jià)指標(biāo)是F2、T1、MCL，汽車企業(yè)在新車型開發(fā)時(shí)應(yīng)該著重考慮相應(yīng)位置的布置形式和造型設(shè)計(jì)。

圖3 aPLI各部位傷害指標(biāo)比對(duì)

究其原因，上部質(zhì)量模塊使aPLI重心大幅升高，絕大多數(shù)車型前端無法給予上部質(zhì)量有效支撐。當(dāng)aPLI腿部碰撞前保險(xiǎn)杠停止前行時(shí)，上部質(zhì)量模塊依然沿沖擊方向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)大腿受力彎曲。由于轎車前緣高度較低，腿型支撐位置在F2 附近，導(dǎo)致F2 彎矩最大。而SUV 前緣較高，支撐點(diǎn)位于上部質(zhì)量模塊上，大腿最大彎曲位置出現(xiàn)在F3附近，所以F3最大，如圖4所示。

圖4 轎車與SUV的aPLI大腿最大彎曲位置對(duì)比

小腿彎矩存在極高的規(guī)律性，但其內(nèi)在機(jī)制卻不盡相同。轎車的最大小腿彎矩大多發(fā)生在反彈階段，而SUV 車型的最大小腿彎矩發(fā)生在碰撞侵入階段。轎車前端的中部和下部對(duì)aPLI 支撐效果較好，碰撞過程中小腿彎曲程度可以得到有效控制。但由于前緣高度較低，在反彈階段，aPLI 會(huì)沿前緣接觸點(diǎn)向上旋轉(zhuǎn)。巨大的能量通過膝部傳遞到小腿，由于T1距離膝部最近，需要釋放更多的能量，因此彎曲程度最大，如圖5 所示。SUV 車身高度較高，上部和中部能為aPLI 提供有效支撐，而下部支撐位置較高，對(duì)應(yīng)于小腿T1、T2附近，且為了提高吸能效果，下支撐剛度較低，小腿侵入量較大，導(dǎo)致腿型底部卷入車底，使aPLI 腿型呈“C 字形”彎曲，并在T1處彎曲最大，見圖5。需要強(qiáng)調(diào)的是，轎車試驗(yàn)中，aPLI 最大小腿彎矩出現(xiàn)在反彈階段是基于SBL-A 版本，這是不符合人體實(shí)際情況的，未來的SBL-B版本會(huì)在上部質(zhì)量的骨盆位置增加阻尼，改善此處不足。

圖5 轎車和SUV的aPLI小腿最大彎曲位置對(duì)比

aPLI腿型膝部韌帶為平行結(jié)構(gòu)，與碰撞側(cè)的距離從大到小依次為MCL、PCL 和ACL，因此MCL 受拉伸程度最大，PCL次之，ACL最小。

4.2 aPLI腿型不同車型間評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比

如圖3 中陰影部分所示，轎車的3 個(gè)大腿彎矩均大于SUV 的，F(xiàn)2 尤為明顯。小腿彎矩中，2 種車型的T1、T2 差別不大，轎車的T3、T4 顯著高于SUV 的。膝部韌帶伸長量方面，轎車的MCL伸長量更大?？梢?，相同試驗(yàn)條件下，轎車的3 種傷害指標(biāo)均高于SUV，aPLI 開發(fā)難度更大。

如4.1節(jié)所述，轎車的前緣高度較低，無法支撐上部質(zhì)量模塊，該模塊巨大的能量導(dǎo)致aPLI 上部產(chǎn)生較大前傾，大腿受其牽扯作用變形較大，彎矩自然更大。中大型SUV前緣較高，能夠較好地為aPLI上部提供支撐，大腿彎矩主要受前保險(xiǎn)杠造型和上支撐與中部支撐縱向差值影響，彎曲變形相對(duì)更小。

小腿T1位置和T2位置在2種車型中都能得到有效支撐，轎車的T1 和T2 受反彈過程影響更大，而SUV 的T1和T2受下支撐高度及下支撐與中部支撐縱向差值影響更大，所以二者沒有絕對(duì)規(guī)律可循。而T3和T4情況不同。轎車下支撐通常距地面約200 mm，對(duì)應(yīng)aPLI 試驗(yàn)T3位置附近。SUV 下支撐通常距地面約300 mm，對(duì)應(yīng)aPLI 試驗(yàn)T2 位置附近。在aPLI 沖擊轎車下支撐的過程中，T3 和T4 會(huì)產(chǎn)生較大彎曲。而對(duì)于SUV 車型，T3和T4距離支撐位置較遠(yuǎn)，處于自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，受慣性作用發(fā)生的彎曲變形較小，如圖6所示。

圖6 轎車和SUV的下支撐與aPLI小腿對(duì)應(yīng)位置對(duì)比

aPLI 膝部韌帶伸長量受大腿和小腿運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的共同影響，通常轎車的最大MCL伸長量出現(xiàn)在腿型反彈過程中，巨大的能量使MCL伸長量和小腿彎矩同時(shí)達(dá)到極值。SUV的最大MCL伸長量出現(xiàn)在腿型侵入量最大的時(shí)刻，同樣與小腿最大彎矩同步出現(xiàn)，如圖7所示。反彈過程中，aPLI膝部及小腿向上擺動(dòng)，釋放大量能量，腿型姿態(tài)不佳，使得MCL 伸長量更大。而aPLI 腿型受到SUV 車型前端結(jié)構(gòu)的有效支撐，侵入車輛過程中，能量被均勻吸收，MCL伸長量極值對(duì)比轎車的稍小。

圖7 不同車型aPLI小腿彎矩和MCL伸長量變化趨勢比對(duì)

4.3 aPLI腿型不同試驗(yàn)區(qū)域的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比

aPLI 腿型不同試驗(yàn)區(qū)域的傷害結(jié)果有一定規(guī)律可循，圖8 所示為上述10 余款試驗(yàn)車輛中轎車和SUV 車型車輛的中心位置L0與車輛的最外側(cè)試驗(yàn)點(diǎn)L6的傷害結(jié)果對(duì)比，具體結(jié)果如表2所示。若車輛試驗(yàn)區(qū)域最外側(cè)網(wǎng)格點(diǎn)不是L6，則取其最外側(cè)試驗(yàn)網(wǎng)格點(diǎn)的數(shù)據(jù)，本節(jié)統(tǒng)稱為L6。不難發(fā)現(xiàn)，無論轎車還是SUV，L0各評(píng)價(jià)指標(biāo)幾乎都高于L6。

圖8 不同車型L0和L6位置傷害結(jié)果對(duì)比

表2 aPLI不同車型L0和L6各傷害結(jié)果平均值

這是由于aPLI 腿型碰撞車輛L0位置時(shí)，沖擊能量完全在車輛縱向釋放，一部分轉(zhuǎn)化為腿型碰撞器的彎曲變形，另一部分被車輛前端吸收。腿部彎曲變形能量和車輛前端少量回彈能量又會(huì)使腿型碰撞器反彈，并最終釋放能量。而車輛試驗(yàn)區(qū)域最外側(cè)與腿型沖擊方向存在一定夾角，通常大于30°，這使得腿型的沖擊能量會(huì)分散一部分到車輛橫向，這部分能量作用到腿部，會(huì)使腿型產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，無法轉(zhuǎn)化為彎曲變形，所以L6位置的傷害值普遍小于L0位置。

5 aPLI腿型開發(fā)策略

行人腿部與車輛接觸的區(qū)域主要是車輛發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣和整個(gè)前保險(xiǎn)杠，腿部傷害主要與車輛前端造型、支撐結(jié)構(gòu)及空間布置有關(guān)[6]。根據(jù)2018 版C-NCAP，劃線可得到車輛具體的腿型試驗(yàn)區(qū)域，即由保險(xiǎn)杠上部基準(zhǔn)線（UBRL）、保險(xiǎn)杠下部基準(zhǔn)線（LBRL）和兩側(cè)的保險(xiǎn)杠角（COB）所圍成的區(qū)域。在此基礎(chǔ)上建立汽車前端有限元模型，如圖9 所示，其中，H1為發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣高度，H2為前防撞梁離地高度，H3為下支撐離地高度，L1為發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣與前防撞梁的距離，L2為中部吸能空間，L3為下支撐與前防撞梁的距離?；赼PLI 腿型大量的仿真模擬研究及以往行人保護(hù)腿部碰撞開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，上述6個(gè)參數(shù)對(duì)aPLI腿型傷害指標(biāo)影響最為顯著[7]。

圖9 腿型試驗(yàn)區(qū)域及車輛前端結(jié)構(gòu)

aPLI 腿型與車輛前端碰撞過程中有3 條能量傳遞途徑，即上部發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣、中部前防撞梁及吸能裝置、下部蒙皮格柵下部支撐，分別對(duì)應(yīng)aPLI 腿型的大腿或上部質(zhì)量模塊區(qū)域、膝部及小腿位置。大腿彎矩主要受發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣高度和上支撐與中支撐距離的影響，小腿彎矩受下支撐離地高度和下支撐與中支撐距離影響最大，影響膝部韌帶伸長量最大的因素是前防撞梁離地高度及其吸能空間。但整個(gè)aPLI 腿型各部分是聯(lián)動(dòng)的，所有傷害指標(biāo)互相影響，腿部任何位置運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變差都會(huì)導(dǎo)致其他部分傷害指標(biāo)的惡化，所以車輛前端各參數(shù)需要同步改善，盡可能減小腿型最大變形量，才能保證所有傷害指標(biāo)滿足行人保護(hù)性能的要求。

aPLI 腿型開發(fā)可從車輛前端的造型設(shè)計(jì)、空間布置和內(nèi)部結(jié)構(gòu)3個(gè)方面著手。H1越高，越有利于腿型碰撞姿態(tài)保持豎直狀態(tài)。對(duì)于H1＜930 mm 的車輛，發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣無法對(duì)腿型上部形成有效支撐，需要弱化發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣的支撐結(jié)構(gòu)，增加潰縮量來減少小部質(zhì)量模塊的慣性力。同時(shí)應(yīng)減小L1，控制發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣潰縮后大腿和膝部的彎曲程度。aPLI 腿型試驗(yàn)膝部中心距地面高度為520 mm，為了為膝部提供良好的支撐，H2取值應(yīng)為520 mm 左右，并盡量保證膝部吸能空間足夠大，L2＞80 mm為佳。在滿足車輛接近角的前提下，應(yīng)使H3盡量小，保證小腿得到有效支撐。提高下部支撐剛度，緩解小腿甩腿幅度。L3越大，越有利于緩解腿型C字形彎曲，小腿傷害值也就越小。此外，還應(yīng)將車輛前端腿型試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的各種剛性支架做成懸臂式或壓潰式結(jié)構(gòu)，避免形成硬點(diǎn)。

目前，上市車型主要基于FlexPLI 腿型開發(fā)，由于FlexPLI小腿尺寸和膝部中心位置與aPLI的基本相同，但FlexPLI試驗(yàn)時(shí)的離地高度比aPLI的離地高度高50 mm，所以現(xiàn)有車型的防撞梁高度和下支撐高度相對(duì)于aPLI偏高，為適應(yīng)aPLI腿型的開發(fā)，應(yīng)予以適當(dāng)降低。并且，aPLI的碰撞能量較FlexPLI提高了近1倍，為達(dá)到較好的吸能效果，應(yīng)考慮適當(dāng)加大中部吸能空間。

6 結(jié)束語

本文分析了aPLI 腿型結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有FlexPLI 基礎(chǔ)上的改進(jìn)，以及2 種腿型在碰撞響應(yīng)特性上的差異，并總結(jié)出aPLI 試驗(yàn)結(jié)果的潛在規(guī)律，進(jìn)而提出aPLI 初步開發(fā)策略，結(jié)論如下：

a.與FlexPLI相比，aPLI的生物力學(xué)特性顯著提升。

b.碰撞響應(yīng)特性比對(duì)中，aPLI的評(píng)價(jià)指標(biāo)幾乎全面提高。

c.aPLI腿型試驗(yàn)結(jié)果中，各部位評(píng)價(jià)指標(biāo)最大值通常發(fā)生在F2、T1和MCL處，需重點(diǎn)關(guān)注。

d.aPLI 腿型試驗(yàn)結(jié)果中，轎車的最大大腿彎矩、最大小腿彎矩和MCL 伸長量均高于SUV，轎車aPLI 腿型開發(fā)難度更大。

e.aPLI腿型試驗(yàn)結(jié)果中，車輛中間位置的傷害結(jié)果全面高于車輛邊緣位置。

f.aPLI 腿型開發(fā)應(yīng)從提高發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣高度、弱化上支撐剛度、增加中部支撐吸能空間、減小上支撐與中支撐距離、加大中支撐與下支撐距離以及增加下支撐剛度等方面著手。

需要特殊說明的是，以上研究成果基于aPLI 現(xiàn)有SBL-A版本完成，未來SBL-B版本與SBL-A基本一致，只是進(jìn)行一些微調(diào)，最大的改進(jìn)是在骨盆位置增加阻尼，改善碰撞中上部質(zhì)量模塊沿髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)幅度明顯大于人體的情況。研究表明，與SBL-A 版本相比，SBL-B版本中大腿彎矩峰值、小腿彎矩第2個(gè)峰值以及MCL峰值均有所降低[8-9]。