行人保護(hù)aPLI腿型吸能空間

譚冰花， 李博， 王亞軍， 徐立笑， 潘一鳴

(奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241006)

0 引 言

隨著人民生活水平逐步提高，汽車保有量不斷增加，道路交通環(huán)境也愈加復(fù)雜。我國(guó)是典型的混合交通的國(guó)家，行人和騎行者是交通環(huán)境中的弱勢(shì)群體，其安全性一直備受關(guān)注。我國(guó)乘用車與弱勢(shì)道路使用者碰撞事故約占總體事故比例的60%，其中車外人員受傷事故的占比高達(dá)85%，車輛的行人保護(hù)安全性能亟待提升。

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，雖然通常不會(huì)危及生命，但是卻容易致殘，康復(fù)周期長(zhǎng)，給傷者帶來(lái)沉重負(fù)擔(dān)。因此，如何保護(hù)行人下肢，減輕其與車輛發(fā)生碰撞時(shí)的傷害，已經(jīng)逐漸成為汽車安全性研究的焦點(diǎn)問題之一。

隨著人體下肢生物力學(xué)特性研究的不斷深入，研究人員發(fā)現(xiàn)帶有上體簡(jiǎn)化模塊的新型行人腿部沖擊器(advanced pedestrian legform impactor, aPLI)能更好地模擬車輛與行人碰撞中行人腿部的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。因此，中國(guó)的新車評(píng)價(jià)規(guī)程C-NCAP和歐洲的新車評(píng)價(jià)規(guī)程Euro-NCAP會(huì)分別于2022年和2023年使用aPLI腿型進(jìn)行行人保護(hù)性能評(píng)價(jià)。從Flex PLI柔性腿到aPLI腿型的切換，對(duì)汽車企業(yè)是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。各車企應(yīng)該盡早掌握aPLI腿型對(duì)車輛造型、布置、結(jié)構(gòu)等的影響，只有從最初造型設(shè)計(jì)階段開始對(duì)空間進(jìn)行嚴(yán)格把控，才能最終保證行人保護(hù)性能達(dá)標(biāo)。

本文基于公司某在研車型，研究aPLI腿型所需要的碰撞吸能空間，在項(xiàng)目前期對(duì)車輛造型以及總體布置提出合理的目標(biāo)要求，避免后期因?yàn)橥炔靠臻g不足而造成性能目標(biāo)無(wú)法達(dá)成，減少因重復(fù)改進(jìn)而延誤項(xiàng)目進(jìn)度的情況發(fā)生。

1 aPLI腿型簡(jiǎn)介

aPLI腿型主體部分由簡(jiǎn)化上半身、大腿股骨、膝關(guān)節(jié)和小腿脛骨等4部分構(gòu)成。與Flex PLI柔性腿型相比，aPLI腿型主要改進(jìn)6項(xiàng)參數(shù)：肌肉和骨骼的質(zhì)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(交叉韌帶改為垂直韌帶)、骨骼偏距、腳踝模擬和股骨彎曲剛度。aPLI數(shù)據(jù)測(cè)量參數(shù)增加到18個(gè)通道，見圖1。通過(guò)與完整人體假人模型傷害值對(duì)比，aPLI腿型具有比Flex PLI柔性腿型更為全面的評(píng)分體系，能更好地反應(yīng)行人腿部真實(shí)的傷害過(guò)程，aPLI腿型比Flex PLI腿型的生物仿真度更高，具體參數(shù)對(duì)比見表1。

圖 1 aPLI腿型,mm

表 1 Flex PLI和aPLI腿型參數(shù)對(duì)比

Flex PLI腿型質(zhì)量為(13.2±0.4) kg，aPLI腿型質(zhì)量增大到(24.7±0.3) kg，因此碰撞能量也會(huì)隨之翻倍，腿部需要的吸能空間更大。本文針對(duì)轎車和SUV這2種不同車型，研究aPLI腿部吸能空間需求，在項(xiàng)目開發(fā)前期為總體布置提出相應(yīng)要求，對(duì)公司新車型的開發(fā)提供參考。

2 腿部空間研究

仿真動(dòng)畫顯示，aPLI腿型的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)皆為繞中間膝蓋鉸接位置旋轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)C字形運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。車型前端結(jié)構(gòu)和空間不同，C字形的程度不同，轎車和SUV車型中aPLI腿型的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)比見圖2。

圖 2 aPLI腿型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)比

在研車型的aPLI腿型仿真結(jié)果表明，影響行人腿部傷害值的主要因素是前保險(xiǎn)杠總成、前保橫梁、發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成、小腿保護(hù)梁等相對(duì)位置關(guān)系，及各個(gè)總成之間的剛度匹配。各總成之間的剛度匹配因車而異，此處不再贅述。

本文主要研究各總成之間的相對(duì)位置關(guān)系(見圖3)，主要關(guān)注的空間有：前保橫梁最前端與發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣之間的向距離；前保橫梁最前端與前保蒙皮之間的向距離；前保橫梁最前端與小腿保護(hù)梁最前端的向距離；發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣距離地面的高度；前保橫梁中心線距離地面的高度；小腿保護(hù)梁距地面的高度。對(duì)于圖中涉及到的3個(gè)高度位置：發(fā)動(dòng)機(jī)罩高度與駕駛員下視野直接相關(guān)；前保橫梁在高速碰撞以及低速碰撞中對(duì)整車起到保護(hù)作用，其高度與這些碰撞工況中的壁障高度有關(guān)；小腿保護(hù)梁的高度與車輛接近角有關(guān)。因?yàn)楦鞲叨戎蹬c整車性能相關(guān)，在項(xiàng)目研發(fā)前期，基于整車性能目標(biāo)，3個(gè)高度基本上都是定值，所以本文主要研究向空間。轎車與SUV車輛姿態(tài)不同，因此轎車和SUV車型所需要的腿部碰撞吸能空間分開研究。

圖 3 行人保護(hù)腿部空間示意

2.1 轎車aPLI吸能空間

轎車整體姿態(tài)較低，對(duì)于aPLI腿型，發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣和小腿保護(hù)梁的位置都在上腿部和下腿部的傳感器布置范圍內(nèi)，如果aPLI上、下腿部彎矩超標(biāo)，受造型限制，發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣以及小腿保護(hù)梁上、下移動(dòng)避開傳感器布置區(qū)域非常困難，所以解決問題的關(guān)鍵在于3個(gè)向空間的相互匹配。針對(duì)公司某款轎車車型aPLI腿部仿真模型，以、和為設(shè)計(jì)變量，利用LS-DYNA進(jìn)行仿真模擬，在HyperStudy平臺(tái)中進(jìn)行優(yōu)化，使3個(gè)空間匹配更加合理，有效降低aPLI腿型傷害值。

2.1.1 優(yōu)化模型

優(yōu)化模型的選取對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的達(dá)成至關(guān)重要：選取更易于達(dá)到目標(biāo)的模型，可以加大HyperStudy的優(yōu)化效率，若選取的模型不合理，可能永遠(yuǎn)也無(wú)法得出最優(yōu)解；優(yōu)化分析占用計(jì)算資源過(guò)大，因此模型要求盡量簡(jiǎn)化，但需要包含影響變量和目標(biāo)值變化的所有零部件。結(jié)合以上要求，將原始仿真模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化前、后模型對(duì)比見圖4。首先進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，確保原始仿真模型的精確度；然后基于對(duì)標(biāo)后的原始模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到簡(jiǎn)化模型，要求簡(jiǎn)化模型仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差小于20%?；跀?shù)據(jù)對(duì)比(見表2)結(jié)果，可以判斷簡(jiǎn)化模型可否用于進(jìn)一步優(yōu)化分析。

圖 4 前保仿真模型

表 2 aPLI分析結(jié)果對(duì)比

2.1.2 空間優(yōu)化過(guò)程

選取車輛中間位置(=0)、水箱橫梁邊緣位置和前保橫梁邊緣位置等3個(gè)特殊位置進(jìn)行研究，估算所需要的吸能空間，歸納總結(jié)行人腿部吸能空間要求，為總體布置提供依據(jù)。

簡(jiǎn)化模型初始狀態(tài)為前保橫梁最前端面、發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣和小腿保護(hù)梁最前端面在向處于同一平面內(nèi)，前保蒙皮與前保橫梁最前面之間的向距離為60 mm(Flex PLI柔性腿型需要的最小吸能空間)。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合競(jìng)品車型造型和總布置對(duì)整車尺寸的要求，設(shè)置、和這3個(gè)變量。

前保橫梁最前端與發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣之間的向距離的變化決定發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成與前端裝飾件分縫線的位置：若為正值，表示發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前緣在前保橫梁前面，則在C-IASI低速前部碰撞中發(fā)動(dòng)機(jī)蓋變形嚴(yán)重，維修成本增大，不滿足客戶需求；若為負(fù)值，表示發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前緣在前保橫梁后面，則發(fā)動(dòng)機(jī)蓋與前端裝飾件之間的分縫線后移，后期很難保證間隙要求，所以發(fā)動(dòng)機(jī)前緣沿向前后移動(dòng)的范圍為-60～60 mm。

前保橫梁最前端與前保蒙皮之間的向距離決定整車前懸架的長(zhǎng)度，競(jìng)品車型的相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)以及公司現(xiàn)有轎車平臺(tái)要求≤120 mm，F(xiàn)lex PLI腿型空間的研究結(jié)果表明應(yīng)≥60 mm，即只能在60～120 mm范圍內(nèi)變化。

小腿保護(hù)梁應(yīng)位于前保橫梁的前端，才能在碰撞中對(duì)下腿部起支撐作用，但是小腿保護(hù)梁在向比前保橫梁突出太多，勢(shì)必造成整車造型在這個(gè)區(qū)域突出太多，不符合造型的設(shè)計(jì)理念。結(jié)合整體造型風(fēng)格，前保橫梁最前端與小腿保護(hù)梁最前端的向距離的變化范圍為0～80 mm。

根據(jù)行人保護(hù)行人腿部aPLI傷害值要求，約束設(shè)定為傷害值都小于高性能限值，即、、均小于390 N·m，MCL值小于27 mm，、、、均小于275 N·m，優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定aPLI單點(diǎn)得分為滿分，設(shè)計(jì)變量與響應(yīng)見表3。

表 3 設(shè)計(jì)變量與響應(yīng)

采用HyperStudy優(yōu)化平臺(tái)調(diào)用LS-DYNA求解器，運(yùn)用全局響應(yīng)面法進(jìn)行最多50輪優(yōu)化，其優(yōu)化流程見圖5。首先，將初始行人腿部aPLI碰撞模型的K文件在HyperWorks下生成相應(yīng)的TPL文件，并設(shè)置相應(yīng)的設(shè)計(jì)變量及其范圍，同時(shí)定義約束和目標(biāo)，提交LS-DYNA求解器；然后，采用HyperStudy讀取相應(yīng)的結(jié)果信息，與設(shè)計(jì)變量的約束值與目標(biāo)值對(duì)比并不斷優(yōu)化，獲取最優(yōu)結(jié)果。

圖 5 優(yōu)化流程

2.1.3 優(yōu)化結(jié)果

為更簡(jiǎn)便快捷地找到最優(yōu)解，分別用幾個(gè)模型優(yōu)化空間匹配，即對(duì)3個(gè)參數(shù)中的1個(gè)參數(shù)賦值，然后采用優(yōu)化軟件找到與之匹配的另外2個(gè)參數(shù)的最優(yōu)解。首先確定前保橫梁最前端與前保蒙皮之間的向距離，然后利用HyperStudy優(yōu)化功能找到和的最優(yōu)解，這樣可以確定三者之間最合理的匹配關(guān)系。利用簡(jiǎn)易模型定義分別為60，70，80，90，100，110和120 mm等幾種不同的情況，利用軟件優(yōu)化找到與不同值相匹配的和的值，這樣可以在不同造型要求下給出滿足行人保護(hù)要求的空間變量值，優(yōu)化結(jié)果見表4。

表 4 aPLI優(yōu)化結(jié)果統(tǒng)計(jì)(部分)

由優(yōu)化結(jié)果分析可知：如果前保橫梁最前端與前保蒙皮之間的向距離≤60 mm，在軟件50輪優(yōu)化中未找到滿足條件的最優(yōu)解，也就是說(shuō)不論如何優(yōu)化和，aPLI腿型安全性能都不能得到滿分；若60 mm<<90 mm，分別用2個(gè)不同的模型進(jìn)行2組優(yōu)化，即分別為70和80 mm，共100輪。在這些優(yōu)化中，=70 mm時(shí)只有9組方案可以滿足要求，=80 mm時(shí)有35種方案可以滿足要求。在這些滿足要求的方案中，發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣都沿著+方向移動(dòng)，前保橫梁最前端與發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣之間的向距離≥40 mm，同時(shí)小腿保護(hù)梁都沿著-的方向移動(dòng)，且前保橫梁最前端與小腿保護(hù)梁最前端的向距離≥50 mm，只要滿足這些空間的要求，aPLI腿型安全性能基本上可以有較高得分。如果≥90 mm，在軟件50輪優(yōu)化中，共有16種方案可以滿足要求。在這些滿足要求的方案中，發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣幾乎不需要移動(dòng)，即前保橫梁最前端與發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣在向平齊，只需要前保橫梁最前端與小腿保護(hù)梁最前端的向距離≥50 mm，即可得到滿分。即前保橫梁最前端與前保蒙皮之間的向距離足夠大時(shí)，aPLI腿型安全性能得分較為容易。

用同樣的方法，對(duì)其他幾個(gè)位置進(jìn)行優(yōu)化，確定轎車aPLI腿型得分需要的吸能空間。對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)估，轎車aPLI需要的吸能空間見表5。

表 5 轎車aPLI腿型吸能空間要求

2.2 SUV車型aPLI腿型吸能空間

由SUV車型仿真分析結(jié)果可知，公司在研的幾款SUV車型aPLI腿型安全性能得分較高，這幾款車型的行人腿部碰撞吸能空間均滿足Flex PLI腿型腿部碰撞吸能空間要求(在±400 mm之間≥80 mm，在±400 mm之外≥60 mm、≥45 mm)，且aPLI腿型上腿部最高傳感器低于發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前緣。統(tǒng)計(jì)這幾款SUV的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前緣高度、腿部空間以及仿真分析得分，結(jié)果見表6。

表6 SUV車型腿部空間仿真結(jié)果 mm

發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前緣高度超過(guò)aPLI腿型中最上端傳感器的位置，所以在碰撞過(guò)程中aPLI腿型上腿部主要撞擊到格柵區(qū)域，格柵區(qū)域整體強(qiáng)度較小，易壓潰變形，因此aPLI腿型上腿部彎矩較?。煌炔颗鲎参芸臻g滿足Flex PLI腿型腿部空間要求，膝部韌帶伸長(zhǎng)量MCL值及下腿部彎矩較小，總體得分較高。

綜上所述，只要SUV車型腿部空間滿足Flex PLI柔性腿型吸能空間的要求，基本上在aPLI腿型評(píng)價(jià)中都能得到較高分?jǐn)?shù)，在前期CAS校核階段可以用FlexPLI柔性腿型空間要求對(duì)造型和總體布置提出合理的建議，保證后期開發(fā)能夠滿足性能要求，SUV車型aPLI和Flex PLI腿型空間要求見表7。

表7 SUV車型aPLI和Flex PLI腿型空間要求

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)仿真分析，總結(jié)歸納影響行人腿部傷害值的主要空間因素，聯(lián)合LS-DYNA求解器和HyperStudy優(yōu)化平臺(tái)，在轎車aPLI腿型簡(jiǎn)化碰撞模型的基礎(chǔ)上，對(duì)轎車3個(gè)向空間進(jìn)行優(yōu)化，得到轎車需要的碰撞吸能空間要求。對(duì)公司現(xiàn)有SUV車型aPLI腿型的仿真分析結(jié)果認(rèn)為，SUV車型aPLI腿型需要的吸能空間要求與Flex PLI腿型一致。