先進(jìn)行人保護(hù)腿型aPLI應(yīng)用與車輛開發(fā)應(yīng)對(duì)

陳琳 劉宏達(dá) 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(duì)高、低保險(xiǎn)杠車輛-行人大腿的傷害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行全面評(píng)估。但各項(xiàng)傷害指標(biāo)較Flex-PLI均有大幅提高，針對(duì)NCAP評(píng)價(jià)測(cè)試得分難度較大，對(duì)車輛的造型設(shè)計(jì)、前端布置方式和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出了更高要求。本文分析介紹了下腿型發(fā)展歷程、aPLI腿型的傷害特征、與Flex-PLI腿型的對(duì)比及車型開發(fā)應(yīng)對(duì)策略。

關(guān)鍵詞：aPLI;Flex-PLI;下腿型;行人保護(hù);NCAP

中圖分類號(hào)：U462.3 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：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(yè)于吉林大學(xué)，獲碩士學(xué)位，畢業(yè)后至今一直在國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（襄陽(yáng)）從事被動(dòng)安全測(cè)試，現(xiàn)任高級(jí)工程師，主要研究方向：汽車碰撞安全技術(shù)，安全氣囊匹配開發(fā)，行人保護(hù)試驗(yàn)技術(shù)。已發(fā)表多篇論文。

1 ? ?行人下肢損傷機(jī)理

車輛與行人發(fā)生碰撞時(shí)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(guān)節(jié)損傷（包括股骨骨節(jié)骨折、脛骨骨節(jié)骨折、髕骨骨折及膝關(guān)節(jié)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(cè)面撞擊行人下肢時(shí)會(huì)使脛骨、腓骨發(fā)生彎曲，外側(cè)產(chǎn)生壓應(yīng)力，內(nèi)側(cè)相對(duì)位置產(chǎn)生拉應(yīng)力，隨著碰撞力的傳遞，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)耐受限度時(shí)脛骨、腓骨就會(huì)發(fā)生骨折。股骨骨折主要是與發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣碰撞導(dǎo)致，原理與脛骨骨折相同。

1.2 ? 膝關(guān)節(jié)損傷

研究表明膝關(guān)節(jié)損傷主要是由剪切力和彎矩共同作用導(dǎo)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(fā)生時(shí)，由于股骨慣性，膝關(guān)節(jié)面發(fā)生剪切錯(cuò)位，并由此導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)韌帶拉伸和股骨內(nèi)側(cè)髁與脛骨髁間隆起擠壓，當(dāng)內(nèi)側(cè)副韌帶（MCL -Medial Collateral Ligament）超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)首先發(fā)生斷裂，如圖1所示。隨著碰撞過(guò)程持續(xù)深入，前交叉韌帶伸長(zhǎng)量（ACL- Anterior Cruciate Ligament）及后交叉韌帶（PCL-Posterior Cruciate Ligamen）超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)也發(fā)生斷裂。

2 ? ?下腿型發(fā)展歷程（EEVC-PLI→Flex-PLI→aPLI）

下腿型發(fā)展經(jīng)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(fā)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(jìn)行下肢碰撞損傷評(píng)價(jià)測(cè)試，aPLI腿型生物仿真度越來(lái)越逼近假人模型、測(cè)量指標(biāo)越來(lái)越齊全、適應(yīng)車型越來(lái)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(jìn)行行人下肢碰撞評(píng)價(jià)。TRL剛性腿型僅測(cè)量脛骨加速度、膝部位移和彎曲角三個(gè)指標(biāo)，結(jié)構(gòu)見圖3（a）、（b）：

2.2 ? ?Flex-PLI

由于TRL剛性腿型生物仿真性、試驗(yàn)重復(fù)性不夠理想，2000年以后JARI 和日本汽車工業(yè)協(xié)會(huì)JAMA開始了關(guān)于柔性腿型Flex-PLI的研究。柔性腿型開發(fā)歷經(jīng)多個(gè)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(jìn)一步提高。

目前ECE-R127、E-NCAP、C-NCAP均采用柔性腿型Flex-PLI結(jié)合上腿沖擊器進(jìn)行下肢測(cè)試評(píng)價(jià)。Flex-PLI腿型傷害數(shù)據(jù)采集標(biāo)配12通道，即3個(gè)股骨彎矩：Femur bending moment- T1、T2、T3，3個(gè)韌帶伸長(zhǎng)量：ACL、PCL、MCL和4個(gè)脛骨彎矩： Tibia bending moment-T1、T2、T3、T4及1個(gè)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(yùn)動(dòng)的模塊，不能充分再現(xiàn)下肢的損傷情況。ISO組織研發(fā)了aPLI腿型，在aPLI腿型中增加代表上肢運(yùn)動(dòng)的模塊，以此來(lái)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(jìn)6項(xiàng)參數(shù)：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(shù)據(jù)測(cè)量參數(shù)增加到18通道，見圖6（a）、（b）、（c）。通過(guò)與完整人體假人模型（HBM）傷害值對(duì)比，aPLI比Flex-PLI的生物仿真度有明顯提高。

3 ? ? aPLI腿型運(yùn)動(dòng)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(jìn)特性直接產(chǎn)生不同于Flex-PLI腿型碰撞運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和傷害特征。目前測(cè)試中車型全部存在對(duì)aPLI腿型上部和下部支撐不足的情況，腿部變形姿態(tài)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(zhì)心更高，仿真結(jié)果顯示，轎車與SUV對(duì)測(cè)試腿型的傷害值較高。轎車相比于SUV離地間隙較低，對(duì)上體質(zhì)量塊無(wú)法起到有效支撐作用，腿部變形姿態(tài)C字型更為明顯，傷害更為嚴(yán)重，尤其是股骨彎矩和膝部韌帶伸長(zhǎng)量PCL、MCL，見圖8：

長(zhǎng)城汽車對(duì)多款SUV車型進(jìn)行碰撞性能模擬分析，如圖9所示，aPLI的傷害指標(biāo)普遍大于Flex- PLI，其中股骨彎矩大2-3倍，膝部韌帶伸長(zhǎng)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(xiàng)傷害指標(biāo)較Flex- PLI均有大幅提高[5]。

E-NCAP基于ISO aPLI TG工作組要求測(cè)試中，aPLI腿型測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果明顯高于Flex-PLI腿型，見表1 E-NCAP測(cè)試數(shù)據(jù)[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(nèi)側(cè)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(guān)于表1（E-NCAP測(cè)試數(shù)據(jù)）中的各參數(shù)代表什么？

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

綜合以上試驗(yàn)及仿真數(shù)據(jù)對(duì)比分析，不難發(fā)現(xiàn)aPLI相比Flex-PLI傷害特征如下：

傷害指標(biāo)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(yuǎn)大于ACL，如按照2021 版CNCAP評(píng)價(jià)體系PCL超過(guò)限值將導(dǎo)致MCL無(wú)法得分。

4 ? ?aPLI腿型碰撞分析及開發(fā)應(yīng)對(duì)

碰撞過(guò)程中對(duì)于aPLI腿型接觸形態(tài)可簡(jiǎn)化為上、中、下三條碰撞力傳遞路徑：上部傳遞路徑是發(fā)動(dòng)機(jī)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(jié)構(gòu)，如圖10（a）、（b）所示[5]：

aPLI腿型上部增加了質(zhì)量塊，總重達(dá)24.5kg，且繞著鉸接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，結(jié)合腿型C字型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及碰撞力傳遞特征，要想降低腿型傷害值測(cè)試中需要發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣支撐住腿型上部質(zhì)量塊的X向運(yùn)動(dòng);腿型下部需要在接觸時(shí)就被小腿支撐件支撐住以減小向車尾運(yùn)動(dòng);腿型中間部分需要變形吸能空間，平行運(yùn)動(dòng)。碰撞中aPLI下部和中間部分應(yīng)避免產(chǎn)生較大彎曲變形，以減小脛骨彎矩，理想運(yùn)動(dòng)姿態(tài)是股骨和脛骨以平動(dòng)的方式完成碰撞過(guò)程。

基于行人保護(hù)腿部碰撞開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，車輛前端支撐結(jié)構(gòu)的特性對(duì)腿型碰撞影響情況，目前開發(fā)中通常把車輛前部機(jī)構(gòu)主要?dú)w納為6個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，如圖11所示[5]：

圖中：

L1：發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)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(tǒng)計(jì)表明，影響行人腿部碰撞傷害的主要結(jié)構(gòu)件包括：前保險(xiǎn)杠（吸能盒、橫梁等）、發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣、小腿支撐件等。

對(duì)股骨彎曲影響重要程度依次為：發(fā)罩前緣高度（H1）、發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)韌帶伸長(zhǎng)量影響顯著程度依次為：前保險(xiǎn)杠吸能空間（L2）、小腿支撐和發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhǎng)量。

對(duì)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(xiǎn)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(jié)

針對(duì)aPLI腿型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及傷害特征，車輛開發(fā)應(yīng)對(duì)主要涉及到造型設(shè)計(jì)、空間布置、結(jié)構(gòu)優(yōu)化三方面。

造型設(shè)計(jì)階段，車輛前端造型風(fēng)格是行人保護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵;通過(guò)優(yōu)化前保造型，控制保險(xiǎn)杠角從而縮小試驗(yàn)區(qū)域，一定程度上避免測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)。轎車姿態(tài)較低，無(wú)法對(duì)aPLI腿型上部質(zhì)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(fā)，前端下部突出的造型，下部更早接觸腿型，能夠改變腿部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

空間布置上aPLI由于自重較大、動(dòng)能更大，需要保險(xiǎn)杠吸收更多能量和足夠的變形空間，應(yīng)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(diǎn)，布置上應(yīng)盡量錯(cuò)開腿部碰撞點(diǎn)或更改安裝方式采用易變形連接件。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)車輛造型和空間的差異，對(duì)上、中、下腿腿支撐點(diǎn)的剛度進(jìn)行合理匹配，全局平衡大腿彎矩、小腿彎矩及膝部韌帶伸長(zhǎng)量的傷害程度。

另外，aPLI腿型車輛開發(fā)應(yīng)對(duì)要兼顧造型與空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)件抗彎、抗扭性能等。新的碰撞工況也對(duì)防撞橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求（MPDB、25%小偏置碰撞等），同時(shí)增加了aPLI腿型開發(fā)應(yīng)對(duì)難度。aPLI腿型與Flex-PLI腿型相同車型測(cè)試結(jié)果差異較大，針對(duì)不同的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和程序，車輛開發(fā)需同時(shí)考慮兩種腿型傷害情況。

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