先進(jìn)行人腿型試驗(yàn)中各部位損傷敏感性研究*

王鵬翔 柳惠君 李月明 蘆連 商恩義

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江省汽車安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧波 315336）

主題詞：中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程 行人保護(hù) 先進(jìn)行人腿型 上體模塊 前端結(jié)構(gòu)

1 前言

為了更好地模擬各種車型與行人碰撞事故中行人下肢的運(yùn)動(dòng)和損傷響應(yīng)，日本汽車研究所（Japan Automobile Research Institute，JARI）和日本汽車制造商協(xié)會(huì)（Japan Automobile Manufacturers Association，JAMA）開發(fā)了先進(jìn)行人腿型（Advanced Pedestrian Legform Impactor，aPLI）。通過對(duì)36 款簡(jiǎn)化車型與世界范圍內(nèi)正在使用的人體模型進(jìn)行分析和對(duì)標(biāo)，已證明aPLI 能夠較好地體現(xiàn)人體下肢在碰撞過程中的生物力學(xué)響應(yīng)。

為了提升行人保護(hù)評(píng)價(jià)體系的實(shí)用性，2021 年版中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程（China New Car Assessment Program，C-NCAP）采用aPLI 替代了傳統(tǒng)柔性行人腿型（Flexible Pedestrian Legform Impactor，F(xiàn)lexPLI）和交通研究實(shí)驗(yàn)室（Transport Research Laboratory，TRL）上腿型，進(jìn)行行人保護(hù)腿部碰撞試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，用aPLI以40±0.72 km/h的速度按照規(guī)定方向撞擊保險(xiǎn)杠，根據(jù)每次獲得的腿部彎矩以及膝部韌帶伸長(zhǎng)量等性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分。FlexPLI 質(zhì)量為13.2 kg，相對(duì)FlexPLI，aPLI 在大腿和小腿質(zhì)量和結(jié)構(gòu)略有變動(dòng)的情況下，在大腿上方增加了質(zhì)量為11.8 kg 的上體模塊（Simplified Upper Body Part，SUBP），總質(zhì)量達(dá)到24.5 kg，即aPLI 相對(duì)FlexPLI 質(zhì)量增加了約11.3 kg，且集中在腿型上端，導(dǎo)致原有腿型損傷機(jī)理無法直接借鑒。為在aPLI 試驗(yàn)評(píng)價(jià)體系條件下更好地開發(fā)車體前端行人保護(hù)結(jié)構(gòu)，胡帥帥、楊瑞、陳琳等對(duì)FlexPLI、帶上體模塊的柔性行人腿型（Flexible Pedestrian Legform Impactor with Upper Body Mass，F(xiàn)lexPLIUBM）與aPLI 進(jìn)行了對(duì)比研究，指出了各腿型間質(zhì)量、質(zhì)心、結(jié)構(gòu)等的具體差異。其中，楊瑞根據(jù)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)轎車和SUV的aPLI試驗(yàn)得分情況進(jìn)行了對(duì)比研究，徐?；鄣葘?duì)SUV車燈帶結(jié)構(gòu)等對(duì)aPLI的影響進(jìn)行了針對(duì)性研究。本文通過某轎車和某SUV不同位置的aPLI 試驗(yàn)，對(duì)aPLI 的運(yùn)動(dòng)過程及不同運(yùn)動(dòng)階段各部位傷害的敏感性進(jìn)行探討，并從緩解腿型敏感程度的角度提出車體前端結(jié)構(gòu)開發(fā)思路。

2 aPLI結(jié)構(gòu)

aPLI 結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由SUBP、大腿、膝部和小腿構(gòu)成。依據(jù)用戶手冊(cè)建立aPLI坐標(biāo)系：向?yàn)橥刃桶l(fā)射狀態(tài)下前視圖左右方向，向右為正；向?yàn)橥刃桶l(fā)射狀態(tài)下前視圖前后方向，向后為正；向?yàn)橥刃蜕舷路较?，向下為正。?duì)于aPLI，在SUBP 質(zhì)心測(cè)量3 個(gè)方向的加速度和角速度，在大腿部位測(cè)量3個(gè)位置的向彎矩，具體位置分別為F1、F2和F3；在膝部質(zhì)心測(cè)量向加速度和角速度，以及前交叉韌帶（Anterior Cruciate Ligament，ACL）、后交叉韌帶（Posterior Cruciate Ligament，PCL）、內(nèi)側(cè)副韌帶（Medial Collateral Ligament，MCL）位置的韌帶伸長(zhǎng)量；在小腿部位測(cè)量T1、T2、T3 和T4 位置的向彎矩。

圖1 aPLI結(jié)構(gòu)

3 aPLI碰撞過程研究

為了研究aPLI 在碰撞中的運(yùn)動(dòng)過程，對(duì)某轎車H和某款SUV車型E進(jìn)行aPLI行人碰撞試驗(yàn)。2021年版C-NCAP管理規(guī)則附錄B中，指定了腿型試驗(yàn)區(qū)域網(wǎng)格點(diǎn)標(biāo)記和編號(hào)方法，按照其規(guī)定對(duì)車輛H和車輛E的保險(xiǎn)杠蒙皮進(jìn)行碰撞區(qū)域的劃分及編號(hào)。鑒于車輛前端與aPLI接觸高度及車輛前端正面與前端邊緣結(jié)構(gòu)是影響試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵因素，而車輛縱向中心平面向右平移400 mm 與保險(xiǎn)杠區(qū)域外輪廓的交線（L+4）位置能夠代表正面，同時(shí)可規(guī)避對(duì)稱中心的特殊性，車輛縱向中心平面向右平移600 mm 與保險(xiǎn)杠區(qū)域外輪廓的交線（L+6）位置處在前端邊緣，能夠代表不規(guī)則位置，確定以車輛H L+4位置和車輛E L+4、L+6位置為研究重點(diǎn)，分別用H、E和E表示，進(jìn)行正式試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)錄像截屏分析

3次試驗(yàn)aPLI碰撞過程錄像截圖如圖2所示。

圖2 aPLI試驗(yàn)錄像截圖

H試驗(yàn)中：第5 ms 時(shí)，aPLI 處于直立狀態(tài)；第10 ms 時(shí)，aPLI 小腿末端明顯向前彎曲，保險(xiǎn)杠頂端開始潰縮變形；第15 ms 時(shí)，車體前端上沿部位對(duì)應(yīng)F3位置附近，卡在SUBP 下方，且發(fā)動(dòng)機(jī)罩前端已發(fā)生變形，小腿末端向前彎曲更大；第15～30 ms，SUBP 向前下方傾斜，保險(xiǎn)杠頂部區(qū)域被壓縮變形，小腿被向上蹺起；第30～45 ms，SUBP 與大腿產(chǎn)生夾角；第45 ms 后，發(fā)動(dòng)機(jī)罩前端等被壓縮部分彈性復(fù)位，aPLI 被彈離；第150 ms時(shí)，aPLI騰空近似水平。

E試驗(yàn)中：第5 ms時(shí)，aPLI處于直立狀態(tài)，保險(xiǎn)杠頂端開始潰縮變形；第10 ms 時(shí)，aPLI 小腿末端向前彎曲，保險(xiǎn)杠頂端潰縮，發(fā)動(dòng)機(jī)罩前端被頂起；第15 ms時(shí)，保險(xiǎn)杠頂端對(duì)應(yīng)髖關(guān)節(jié)部位，支撐在SUBP 后方偏下位置，小腿末端向前彎曲，但相對(duì)H彎曲角度較??；第15～25 ms，SUBP向前下方俯沖，保險(xiǎn)杠頂部區(qū)域被壓縮變形，小腿被向上蹺起；第25～35 ms，SUBP 與大腿產(chǎn)生夾角；第35 ms 后，發(fā)動(dòng)機(jī)罩前端等被壓縮部分彈性復(fù)位，aPLI 被彈離；第150 ms 時(shí)，aPLI 騰空與水平面夾角約60°。

E試驗(yàn)中：第5 ms 時(shí)，aPLI 小腿末端已向前輕微彎曲；第10 ms時(shí)，腿型頂部已開始前傾；第15 ms時(shí)，腿型開始翻轉(zhuǎn)；第20 ms時(shí)，保險(xiǎn)杠頂端托在SUBP前方偏下位置并已潰縮，腿型膝部位置弧度增大；第25 ms時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)罩前端被壓向下，小腿被向上蹺起；第30 ms時(shí)，SUBP前傾角度增大，與大腿之間夾角減小，保險(xiǎn)杠頂部復(fù)位，發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿被進(jìn)一步下壓；第40 ms后，發(fā)動(dòng)機(jī)罩前端等被壓縮部分彈性復(fù)位，aPLI 被彈離，腿型發(fā)生扭轉(zhuǎn)；第150 ms時(shí)，aPLI騰空與水平面夾角約30°。

E試驗(yàn)和H試驗(yàn)相比，第25 ms前aPLI姿態(tài)比較相似，后續(xù)差別較大。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿碰撞分析

試驗(yàn)后發(fā)動(dòng)機(jī)罩前端如圖3 所示：H試驗(yàn)中SUBP 撞擊在發(fā)動(dòng)機(jī)罩前端頂部，痕跡明顯；E試驗(yàn)中SUBP 撞擊在發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿位置，該處凹陷明顯；E試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)罩前端側(cè)沿有接觸痕跡，無明顯變形。

圖3 試驗(yàn)后發(fā)動(dòng)機(jī)罩碰撞位置對(duì)比

3.3 試驗(yàn)加速度分析

3 次試驗(yàn)SUBP 的向加速度a和膝部的向加速度a對(duì)比如圖4 所示。圖4a 中：a在約第5 ms 時(shí)峰值為1 316 m/s，約第11 ms時(shí)峰值為1 105 m/s，約第15 ms 時(shí)出現(xiàn)撞擊過程中的最后一個(gè)峰值，約第28 ms時(shí)膝部翹起過程中加速度達(dá)到-250 m/s；a在約第5 ms時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)峰值165 m/s，約第29 ms時(shí)出現(xiàn)最大峰值425 m/s，此后曲線開始下降；約第45 ms后，a和a近似同步。圖4b中：a在約第2 ms時(shí)峰值為1 363 m/s，約第6 ms時(shí)峰值為1 950 m/s，約第11 ms時(shí)出現(xiàn)撞擊過程中的最后一個(gè)峰值，約第24 ms 時(shí)，膝部翹起過程中加速度達(dá)到-240 m/s；a在約第4 ms 時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)峰值543 m/s，約第22 ms時(shí)出現(xiàn)最大峰值686 m/s，此后曲線開始下降；約第39 ms時(shí)，a和a趨于同步。圖4c中：a在約第6 ms 時(shí)峰值為1 494 m/s，在約第8 ms 時(shí)峰值為1 264 m/s，在約第10 ms時(shí)出現(xiàn)撞擊過程中的最后一個(gè)峰值，在約第40 ms 時(shí)，在膝部翹起過程中加速度達(dá)到-312 m/s，此波峰波動(dòng)持續(xù)至約第48 ms；a在約第5 ms時(shí)曲線出現(xiàn)第一個(gè)峰值226 m/s，約第10～23 ms出現(xiàn)持續(xù)波動(dòng)波峰，最大峰值為226 m/s。E試驗(yàn)與E試驗(yàn)中a與a前25 ms比較接近。

圖4 中，a最后一個(gè)峰值出現(xiàn)時(shí)，a均處于上升起步階段。a上升是SUBP 已開始前傾碰撞所致，因此，結(jié)合膝部碰撞對(duì)應(yīng)區(qū)域通常為防撞橫梁加吸能塊，彈性變形很小，可以確認(rèn)膝部與碰撞區(qū)的脫離是因SUBP開始前傾蹺起小腿所致。

圖4 SUBP ayu與膝部ayk

3.4 碰撞過程綜合分析

綜合圖2～圖4，aPLI 行人保護(hù)試驗(yàn)過程可分成3 個(gè)階段：水平撞擊、SUBP 俯沖撞擊和SUBP 旋轉(zhuǎn)撞擊。水平撞擊階段，膝部近似水平撞擊保險(xiǎn)杠至SUBP前傾小腿開始被蹺起，此時(shí)a出現(xiàn)最后一個(gè)峰值；SUBP 俯沖撞擊階段，aPLI以保險(xiǎn)杠上端支撐區(qū)域?yàn)橹c(diǎn)，SUBP向前下方俯沖撞擊，小腿被向上蹺起，過程中支點(diǎn)區(qū)域受壓縮變形，俯沖撞擊過程至SUBP碰撞區(qū)域變形結(jié)束為止，結(jié)束時(shí)刻為a最后波峰時(shí)刻；SUBP旋轉(zhuǎn)撞擊階段，SUBP 所接觸部位變形完成，SUBP 俯沖受限，其剩余動(dòng)能使其開始以髖關(guān)節(jié)為軸旋轉(zhuǎn)，此過程中aPLI 被沿軸向提升，小腿依然被蹺起，該過程直至aPLI 彈離。aPLI彈離時(shí)刻可以定為a和a趨于同步時(shí)刻，或錄像確認(rèn)腿型相對(duì)自由可以開始繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刻。按此方法劃分3次aPLI試驗(yàn)過程如表1所示。

表1 aPLI試驗(yàn)過程劃分

4 aPLI各部位傷害敏感性分析

4.1 大腿傷害分析

3 次aPLI 試驗(yàn)中大腿彎矩M如圖5 所示。圖5中，3 次試驗(yàn)M最大幅值分別出現(xiàn)在第36～45 ms、第26～33 ms和第25～31 ms范圍內(nèi)，主要發(fā)生在SUBP旋轉(zhuǎn)撞擊階段，且主要發(fā)生在F3位置。

圖5 aPLI試驗(yàn)大腿彎矩Mxu

4.2 膝部韌帶傷害分析

3 次aPLI 試驗(yàn)中膝部韌帶伸長(zhǎng)量如圖6 所示。圖6 中，3 次試驗(yàn)中均是MCL 伸長(zhǎng)量最大，最大值分別出現(xiàn)在第29 ms、第15～26 ms 范圍內(nèi)和第30～44 ms 范圍內(nèi)。按碰撞階段劃分，H和E均發(fā)生在SUBP 俯沖撞擊結(jié)束前后，而E在SUBP 旋轉(zhuǎn)撞擊階段出現(xiàn)2 個(gè)峰值。由圖2 可知，相對(duì)轎車，SUV 車型保險(xiǎn)杠上、下支撐點(diǎn)之間跨度大，對(duì)aPLI 的支撐作用更好，試驗(yàn)中韌帶伸長(zhǎng)量相對(duì)較小。由圖2～圖4 可知，對(duì)于同款車不同碰撞位置：水平撞擊和SUBP 俯沖撞擊階段，E中發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿既發(fā)生塑性變形，也發(fā)生了彈性變形，保險(xiǎn)杠正面對(duì)膝部碰撞作用較強(qiáng)，膝部韌帶損傷相對(duì)較大，E中發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿只發(fā)生下壓彈性變形，對(duì)SUBP緩沖作用弱，但膝部韌帶損傷偏輕；碰撞后期，E中發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿彈性恢復(fù)過程中對(duì)SUBP 彈開作用明顯，彎曲的aPLI 快速?gòu)?fù)原，E中發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿彈性變形復(fù)位過程中有明顯上挑SUBP、蹺起小腿的過程，該過程進(jìn)一步加重了aPLI 彎曲程度，加重了膝部韌帶損傷。

圖6 膝部韌帶伸長(zhǎng)量

4.3 小腿彎矩傷害分析

3 次aPLI 試驗(yàn)小腿彎矩M如圖7 所示。由圖7 可知：H試驗(yàn)中，在約第15 ms時(shí)，aPLI小腿T2和T3位置M幾乎同時(shí)達(dá)到最大值226 N·m，在約第29 ms 時(shí)，小腿T1 位置M達(dá)到最大值151 N·m；E試驗(yàn)中，在約第7 ms時(shí)，小腿T3位置M達(dá)到峰值135 N·m，并在高位持續(xù)至第12 ms，在約第23 ms 時(shí)，小腿T1 位置M達(dá)到峰值136 N·m；E試驗(yàn)中，在約第6 ms時(shí)，aPLI小腿T3位置M達(dá)到峰值103 N·m，并在高位持續(xù)至第10 ms，在約第44 ms時(shí)，小腿T1位置M達(dá)到峰值130 N·m。

圖7 小腿彎矩Mxl

建立aPLI 加速度a和a與小腿彎矩M間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖8所示。H試驗(yàn)中：在水平撞擊階段，小腿T2和T3 位置M與a具有相關(guān)性。E試驗(yàn)中：在水平撞擊階段，小腿T3位置M與a具有相關(guān)性；在SUBP俯沖撞擊階段，小腿T1位置M與a波峰及a波谷具有相關(guān)性。E試驗(yàn)中：在水平撞擊階段，小腿T3位置M與a具有相關(guān)性；在SUBP旋轉(zhuǎn)撞擊階段，小腿T1位置M與a波谷具有相關(guān)性。

圖8 ayk和ayu與小腿彎矩Mxl的關(guān)系

5 結(jié)果討論

5.1 車前端基于aPLI各部位傷害敏感性的設(shè)計(jì)思路

按照依據(jù)a、a和錄像信息，碰撞過程可分成3 個(gè)階段，大腿最大M最可能發(fā)生在F3處，發(fā)生在第3階段SUBP繞髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)通過大腿蹺起小腿過程中。韌帶最大伸長(zhǎng)量發(fā)生在MCL處，發(fā)生在第2階段支點(diǎn)壓縮變形小腿蹺起過程中或第3 階段小腿蹺起過程中。小腿最大M可能發(fā)生在第1 階段，在與保險(xiǎn)杠下支撐最接近位置，也可能發(fā)生在第3 階段，在T1 處，小腿被蹺起過程中，此時(shí)，小腿M最大值產(chǎn)生時(shí)刻與膝部韌帶伸長(zhǎng)量最大值產(chǎn)生時(shí)刻基本相同。

因此，可以確認(rèn)水平撞擊階段被吸收能量越多、保險(xiǎn)杠頂端及發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)對(duì)SUBP 的俯沖及旋轉(zhuǎn)限制越強(qiáng)，aPLI整體傷害將越小。

當(dāng)前，車輛前端基于行人保護(hù)碰撞支撐路徑通常有上、中、下3 條，上部路徑是發(fā)動(dòng)機(jī)罩及保險(xiǎn)杠頂部結(jié)構(gòu)，中部路徑是前防撞梁及吸能塊，下部路徑是蒙皮格柵的下部支撐結(jié)構(gòu)。上部支撐結(jié)構(gòu)位置應(yīng)盡可能高，且規(guī)避對(duì)大腿區(qū)域直接產(chǎn)生近似水平支撐作用，下部支撐應(yīng)盡可能低，即盡可能增大對(duì)腿型的支撐范圍并規(guī)避對(duì)大腿的剪切支撐。3條支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)略高，且有一定變形區(qū)，即在水平撞擊過程中盡可能更多地吸收aPLI動(dòng)能。相對(duì)而言，上部支撐結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)杠頂端強(qiáng)度要偏弱，在SUBP 俯沖撞擊過程中通過潰縮變形吸收SUBP動(dòng)能，同時(shí)增大與SUBP的接觸面積，加強(qiáng)對(duì)SUBP俯沖與旋轉(zhuǎn)的限制。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮對(duì)SUBP 俯沖和旋轉(zhuǎn)的限制及恢復(fù)彈性變形過程中對(duì)SUBP的加速?gòu)楇x。另外，可嘗試對(duì)下部支撐路徑進(jìn)行彈性變形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以便在小腿被蹺起時(shí)，彈性變形快速?gòu)?fù)位助推小腿加速離開，緩解SUBP蹺起小腿過程中對(duì)大腿、膝部和小腿帶來的傷害。

5.2 aPLI結(jié)構(gòu)的合理性分析

相對(duì)于FlexPLI，aPLI 增加了SUBP 來模擬人體上肢，提升了生物逼真性，提高了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和全面性，但在碰撞過程中存在SUBP以髖關(guān)節(jié)為軸相對(duì)大腿旋轉(zhuǎn)過程，且評(píng)價(jià)腿型傷害的關(guān)鍵數(shù)據(jù)最大值往往發(fā)生在此階段，而該旋轉(zhuǎn)過程能否準(zhǔn)確模擬人體下肢在側(cè)面碰撞過程中的生物力學(xué)特性有待商榷。

6 結(jié)束語

本文通過將aPLI 的運(yùn)動(dòng)過程分為3 個(gè)階段進(jìn)行研究，指出了大腿最大彎矩、韌帶最大伸長(zhǎng)量、小腿最大彎矩可能產(chǎn)生的階段。并提出，基于aPLI 的車輛前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)以碰撞前期盡可能吸收aPLI 動(dòng)能，碰撞后期盡可能緩解小腿蹺起程度為目標(biāo)。