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基于LS-OPT的行人腿碰工况优化分析
2020-09-20 01:31:00· 来源：广汽研究院集成安全技术部 作者：江汉林
前言基于中国交通事故深入研究CIDAS项目数据，从2011年至2020年4月的数据统计来看，我国各种类型的道路交通事故中，行人受伤的比例达到46%，严重受伤乃至死亡的
前言
基于中国交通事故深入研究CIDAS项目数据，从2011年至2020年4月的数据统计来看，我国各种类型的道路交通事故中，行人受伤的比例达到46%，严重受伤乃至死亡的比例达到了16%，如图 1所示。对事故中行人严重受伤的统计中发现，人体受伤的部分主要为头部、胸部、下肢，下肢受伤占比达到了16%，如图 2所示，也因此有必要研究汽车对行人碰撞事故中对下肢的保护。
图 1交通事故中行人受伤程度占比（来源：2011-2020.4 CIDAS统计数据）
图 2 行人严重受伤身体各部位受伤占比（来源：2011-2020.4 CIDAS统计数据）
当前国内外行人保护法规对于行人的腿部受到汽车碰撞均有相关的要求。根据法规的发展趋势看，对腿部的保护的要求也是越来越高，Euro-NCAP对行人腿部考察的得分占比也将在2022年由当前的1/3提高至1/2；国内C-NCAP法规则将占比由当前1/5提高至1/3。
为了在车型开发中更好地保护行人，前期预研中提出相应的方案，本文以轿车为例，介绍了采用LS-OPT进行腿部保护的方案设计的方法。
模型搭建
行人腿部碰撞与车辆前端造型高度相关，特别是车辆前端结构较强的部件，如发动机罩、防撞梁、前保下部支撑等部件。在车型开发前期对这些支撑部件的位置进行合理控制是必要的。本文将基于LS-OPT软对这些支撑部件的位置进行寻优分析。
为了方便分析，去除前保蒙皮等对行人腿部作用相对较小的部件，在模型中仅保留发动机罩及其周边部件、防撞梁及前保缓冲泡沫、前保下部支撑等部件，使这些相关部件相对独立，如图 3。
图 3 行人腿部优化分析简化模型
在现行的相关法规中，行人腿部碰撞试验主要采用柔性腿型，采集的相关数据为胫骨弯矩（T1~T4）和韧带伸长量（MCL/ACL/PCL[1]）。C-NCAP法规要求各参数指标如表 1所示，其中，为减小行人腿部受车辆碰撞后的伤害，要求各参数须达到高性能限值。
注：[1] MCL为内侧副韧带伸长量，ACL为前交叉韧带伸长量，PCL为后交叉韧带伸长量。
假设某轿车车型防撞梁和前保下支撑距地面高度分别为460 mm和250 mm，同时受到造型的约束，发动机罩和前保下支撑仅能在一定范围内调整，如表 2所示。相关调整参数见图 4标识。
图 4 车型各支撑位置标识
结果分析
采用LS-OPT软件对上述简化模型进行分析。软件在寻优过程中，各变量散布的空间点如图 5所示，可以判断在该车型条件下，将前保下支撑往车辆前端移动能对行人腿部起到的保护，而发动机罩的位置在基础模型往前、往上移动有利于行人腿部的保护。图 6给出了各个考察指标在3个变量下的数值，图中蓝色实线则为本例分析中满足要求的参数。
图 5 各变量空间分布
图 6 各变量及计算结果（单位：长度-mm，质量-ton，时间-s）
由于简化模型与整车分析可能存在差异，且柔性腿型仿真与试验可能存在差异，在仿真分析中通常需要预留一定的余量。图 7为各个考察指标预留一定余量后的结果分布，由于约束条件相对严苛，剩余的可行变量空间进一步缩小。同时可以看出，在本例中前保下支撑往前移动、发动机罩往前往上移动更加有利于行人腿部的保护。
图 7 预留余量后各变量及计算结果
由于约束空间的影响，本例中的结论尚不能推及所有轿车车型，实际需根据不同车型的造型风格、约束条件进行分析。
小结
本文描述了一种在轿车车型开发前期，对行人腿部碰撞的优化分析方法。在造型、布置等约束下的设计空间内，对关键影响因素进行参数化分析，在满足考核指标的前提下进行参数寻优，获得的相关数据可在车型开发前期对造型进行一定约束。该方法有助于在项目整车分析乃至试验阶段中，减少对相关结构的优化，从而减少人力的投入。
由于国外内法规的与时俱进，不断发展，腿型冲击器也将进行不断发展变更，以更好模拟真实人体的下肢。在法规更迭变换中，采用该方法可更好理解腿型冲击器与车辆前端关键部件的位置关系，从而造出对行人更为友好的好车。
基于中国交通事故深入研究CIDAS项目数据，从2011年至2020年4月的数据统计来看，我国各种类型的道路交通事故中，行人受伤的比例达到46%，严重受伤乃至死亡的比例达到了16%，如图 1所示。对事故中行人严重受伤的统计中发现，人体受伤的部分主要为头部、胸部、下肢，下肢受伤占比达到了16%，如图 2所示，也因此有必要研究汽车对行人碰撞事故中对下肢的保护。
图 1交通事故中行人受伤程度占比（来源：2011-2020.4 CIDAS统计数据）
图 2 行人严重受伤身体各部位受伤占比（来源：2011-2020.4 CIDAS统计数据）
当前国内外行人保护法规对于行人的腿部受到汽车碰撞均有相关的要求。根据法规的发展趋势看，对腿部的保护的要求也是越来越高，Euro-NCAP对行人腿部考察的得分占比也将在2022年由当前的1/3提高至1/2；国内C-NCAP法规则将占比由当前1/5提高至1/3。
为了在车型开发中更好地保护行人，前期预研中提出相应的方案，本文以轿车为例，介绍了采用LS-OPT进行腿部保护的方案设计的方法。
模型搭建
行人腿部碰撞与车辆前端造型高度相关，特别是车辆前端结构较强的部件，如发动机罩、防撞梁、前保下部支撑等部件。在车型开发前期对这些支撑部件的位置进行合理控制是必要的。本文将基于LS-OPT软对这些支撑部件的位置进行寻优分析。
为了方便分析，去除前保蒙皮等对行人腿部作用相对较小的部件，在模型中仅保留发动机罩及其周边部件、防撞梁及前保缓冲泡沫、前保下部支撑等部件，使这些相关部件相对独立，如图 3。
图 3 行人腿部优化分析简化模型
在现行的相关法规中，行人腿部碰撞试验主要采用柔性腿型，采集的相关数据为胫骨弯矩（T1~T4）和韧带伸长量（MCL/ACL/PCL[1]）。C-NCAP法规要求各参数指标如表 1所示，其中，为减小行人腿部受车辆碰撞后的伤害，要求各参数须达到高性能限值。
注：[1] MCL为内侧副韧带伸长量，ACL为前交叉韧带伸长量，PCL为后交叉韧带伸长量。
假设某轿车车型防撞梁和前保下支撑距地面高度分别为460 mm和250 mm，同时受到造型的约束，发动机罩和前保下支撑仅能在一定范围内调整，如表 2所示。相关调整参数见图 4标识。
图 4 车型各支撑位置标识
结果分析
采用LS-OPT软件对上述简化模型进行分析。软件在寻优过程中，各变量散布的空间点如图 5所示，可以判断在该车型条件下，将前保下支撑往车辆前端移动能对行人腿部起到的保护，而发动机罩的位置在基础模型往前、往上移动有利于行人腿部的保护。图 6给出了各个考察指标在3个变量下的数值，图中蓝色实线则为本例分析中满足要求的参数。
图 5 各变量空间分布
图 6 各变量及计算结果（单位：长度-mm，质量-ton，时间-s）
由于简化模型与整车分析可能存在差异，且柔性腿型仿真与试验可能存在差异，在仿真分析中通常需要预留一定的余量。图 7为各个考察指标预留一定余量后的结果分布，由于约束条件相对严苛，剩余的可行变量空间进一步缩小。同时可以看出，在本例中前保下支撑往前移动、发动机罩往前往上移动更加有利于行人腿部的保护。
图 7 预留余量后各变量及计算结果
由于约束空间的影响，本例中的结论尚不能推及所有轿车车型，实际需根据不同车型的造型风格、约束条件进行分析。
小结
本文描述了一种在轿车车型开发前期，对行人腿部碰撞的优化分析方法。在造型、布置等约束下的设计空间内，对关键影响因素进行参数化分析，在满足考核指标的前提下进行参数寻优，获得的相关数据可在车型开发前期对造型进行一定约束。该方法有助于在项目整车分析乃至试验阶段中，减少对相关结构的优化，从而减少人力的投入。
由于国外内法规的与时俱进，不断发展，腿型冲击器也将进行不断发展变更，以更好模拟真实人体的下肢。在法规更迭变换中，采用该方法可更好理解腿型冲击器与车辆前端关键部件的位置关系，从而造出对行人更为友好的好车。
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