东风日产 | 某车型aPLI 腿型碰撞性能提升的研究

摘要

针对全新的行人保护aPLI 腿型应用难点，基于某车型的行人保护开发进行了相关应用研究。首先将Flex-PLI 和aPLI 进行参数对比，分析aPLI 腿型的特征和损伤机理。然后通过同平台车型的对标研究，将仿真与试验的损伤误差控制在10%以内，为该车型改进奠定基础。最后针对某车型aPLI 腿型得分率较低的问题，提出增设副保险杠吸能块、调整主副吸能块刚度和增加发动机罩前横梁等改进方案来匹配车辆前端刚度，显著改善了该车型的行人保护性能。

关键词：aPLI 腿型; 碰撞安全; 行人保护; 改进设计

作者：侯松，罗昆，谢斌，吴长鹏
单位：东风日产乘用车公司技术中心


近年来，随着我国汽车保有量不断增加，道路交通环境也愈加复杂。行人作为交通环境中的弱势群体，其安全性一直备受关注。在2011－2016 年的道路交通事故调查中，行人事故占交通事故总数的20%，行人死伤人数占总交通事故死伤人数的30%［1］。在全球范围内行人下肢是人车事故中最常见的受伤部位［2］。行人在人车事故中的运动姿态、受伤位置与车辆前端保险杠高度密切相关，低保险杠车辆更易造成小腿胫骨和膝盖受伤，而高保险杠车辆更易造成大腿股骨骨折［3］。现阶段，对行人腿部的保护研究普遍采用Flex-PLI 柔性腿型，Flex-PLI 腿型股骨和胫骨采用多段可变形骨骼结构，计及股骨和胫骨的弯曲，提升了对腿部和韧带损伤的预测能力。但是，柔性腿的局限性也逐渐显现，比如未考虑到上体对下肢运动姿态和损伤程度的影响，对于SUV 车型的高保险杠车辆适用性较差［4］。Konosu 等［5］针对上述缺陷对现有柔性腿进行改进且开发出aPLI ( advanced pedestrian legform impactor) 腿型，并经过对鲁棒性、生物逼真度和损伤预测能力的优化，使其具有较高的损伤预测能力和适应性。但是，在车辆研发阶段应对aPLI 腿型碰撞安全的研究还面临挑战。因此本文中借助aPLI 试验数据进行仿真对标工作，保证aPLI 的仿真精度。同时结合工程实际问题，介绍能提升aPLI 腿型碰撞性能的思路。

1  21 版C-NCAP aPLI 腿型试验

在对18 种不同高低保险杠车辆的腿型碰撞研究中发现，以50th 男性人体模型( human body model，HBM) 为基准，柔性腿在高保险杠车辆中的运动学响应差异较大，低估了大腿的损伤、高估了韧带拉伸量; 而在低保险杠车辆中，高估了大腿弯矩［6］。在碰撞过程中人的上体质量对下肢损伤程度和运动学响应有显著影响。通过在柔性腿上端加入上体简化模块( simplified upper body part，SUBP) 后，腿型的运动响应和损伤预测能力均有明显改善［7］，并通过优化质量分布等衍生出现有的aPLI 腿型。

1.1  aPLI 腿型介绍

aPLI 腿型主体部分是由SUBP、大腿股骨、膝关节和小腿胫骨4 部分构成。SUBP 主要由氯丁橡胶为材料的皮肤和配重铝块组成，通过圆柱形的机械髋关节连接到下肢，股骨和胫骨均贴有应变片用于测量弯矩，两者由模拟韧带的钢缆绳和弹簧连接。腿型主体外围由氯丁橡胶和橡胶片组成的皮肤包裹［8］。

Flex-PLI 和aPLI 腿型参数对比如图1 所示。与Flex-PLI 腿型相比，aPLI 腿型优点在于:

图1 Flex-PLI 和aPLI 腿型参数对比［9］

( 1) 考虑上体质量的影响，使腿型适用性增强;

( 2) 采用最新人体仿生学设计，模拟人体下肢真实形状和质量分布;

( 3) 各损伤指标的评估能力更接近HBM 的损伤。

1.2  aPLI 腿型试验方法和评分规则

21 版C-NCAP 要求，aPLI 腿型离地25 mm，以40 km/h 的速度水平撞击车辆前端保险杠。默认车辆左右对称，以Y = 0 为起始点，每间隔100 mm 选取一个试验点，如图2 所示。

评分规则:

( 1) 腿型试验总分为5. 0，其中大腿和小腿弯矩各2. 0 分，韧带拉伸量1. 0 分;

图2 aPLI 腿型试验示意图

( 2) 各试验点结合高性能阈值和低性能阈值采用线性插值的方法计算点数分;

( 3) 统计所有撞击点得分，并计算得分率，试验最终得分等于总分数乘以得分率［10］。

表1 为aPLI 腿型高低性能阈值。


2  aPLI 腿型试验与仿真结果对标

为把握aPLI 腿型仿真精度，对该车型的同平台车型展开试验，并进行仿真对标。试验采用Cellbond 公司的aPLI 物理腿，该腿型上端SUBP 部分有3 个加速度传感器和3 个角传感器，大腿有3个应变片测量弯矩，膝关节有3 个位移传感器、1 个加速度传感器和1 个角传感器，小腿有4 个应变片测量弯矩。按照aPLI 腿型试验的要求，对车辆的前端各试验点进行撞击。

仿真基于LS-DYNA MPP930 版本，截取整车前半段有限元模型，模型后端截面约束6 自由度。腿型采用Cellbond 公司开发的同型号aPLI 有限元模型。腿型与车辆前端接触设置使用自动面—面接触，腿型定位等碰撞条件与试验一致，如图3 所示。

图3 试验与仿真aPLI 腿型定位

对标前仿真与试验总体误差为17. 5%，不满足10%的目标精度要求。通过调整关键部件接触的摩擦因数、考虑发动机罩冲压硬化效应等措施，使总体误差缩小至8. 3%，达到目标精度要求。具体对标过程不详细展开。

图4 为L0 撞击点对标后仿真与试验的评价指标曲线对比。其中大腿弯矩、小腿弯矩和韧带拉伸量的误差分别为9. 0%、2. 7%和18. 0%，按照各项指标的总分占比分配权重，得出仿真与试验的总体加权误差为8. 3%。


图4 L0( Y= 0) 点仿真与试验评价指标曲线对比

同时对试验与仿真的腿型运动学响应采用时序图的方式进行动态过程的响应对比，见图5( 外侧深色表示仿真，内侧浅色表示试验) 。可以看出，试验和仿真中的aPLI 腿型运动姿态基本一致，因此可以认为两者运动学响应基本一致。


图5 aPLI 腿型试验与仿真时序图对比

综上，aPLI 腿型的仿真与试验总体误差在10%以内，运动学响应一致性高。

3  某车型aPLI 腿型仿真结果分析

该车型属于高保险杠车辆，车辆前端结构除保险杠前端装有泡沫吸能材料外，发动机罩前端和副保险杠前端均没有对应腿型的支撑结构。按照以往的工程经验，由于前端结构刚度差异较大，车辆现有状态可能会导致aPLI 的韧带拉伸量、大腿下部和小腿上部的弯矩超标。

根据C-NCAP 的腿部试验要求，aPLI 腿型以40 km/h速度撞击该车前端保险杠，并统计各撞击点韧带拉伸量、大腿弯矩和小腿弯矩，用于评价该车型对aPLI 腿型的损伤程度，结果如表2 所示。



由表2 可知，该车型aPLI 腿型得分2. 18，得分率仅有43. 6%，除两端的撞击点( L±6、L－6. 5) 外，其余位置的失分均较严重。而失分指标主要体现在内侧副韧带( MCL) 拉伸量和大腿下部与小腿上部的弯矩，仿真结果印证了前面的推测。在行人保护腿型碰撞中，车辆前端结构对腿部损伤的影响较为明显，腿部受力主要来自车辆发动机罩前端、保险杠和副保险杠［11］。而现有前端结构中，发动机罩前端和副保险杠前端刚度较小，腿型以40 km/h速度所产生的碰撞能量主要集中在保险杠吸能块上，使aPLI 腿型受力不均、能量耗散不合理，由此导致对应保险杠区域的大腿下部和小腿上部弯矩超标。

因此，应对aPLI 腿型的基本策略是匹配好车辆前端刚度分布，尤其是保险杠和副保险杠。主要有两个方向: 一是将上端发动机罩和下端副保险杠的布置向车辆前方调整; 二是直接在保险杠上端加一个支撑件，副保险杠前端加泡沫吸能材料。方向一虽能将车辆前端刚度匹配适当，但此类变更涉及到造型和其他相关部件的调整，在当前开发阶段造型修改难度极大、变更非常多，不适合作为主要的改进方向。在腿部保护中泡沫吸能材料能较好地吸收碰撞能量，缓冲腿部冲击，从而降低车辆前端对腿部的损伤程度［12］。同时，对于有前保险杠扰流板的SUV 通过增加副保险杠位置的前伸量可降低下肢损伤［13］。方向二只须在现有数据基础上新增泡沫材料、结构加强件等，即能将前端刚度匹配适当。因此，在做好成本管控的条件下，可将方向二作为改进对策的方向。

4  改进方案设计与仿真验证

4.1  方案一

①在现有模型基础上，上端沿Y 向新增横立柱加强发动机罩前端刚度，用于支撑大腿;

②副保险杠前端新增泡沫吸能材料EPP30，增强下端刚度，用于支撑小腿，如图6 所示。

图6 方案一改进说明

方案一仿真结果如表3 所示。在发动机罩前端增加结构件、副保险杠前端增设泡沫吸能材料，以增加发动机罩和副保险杠前端的刚度，使其与保险杠区域刚度进行匹配，aPLI 腿型的最终得分由2. 18 提升至3. 29，增幅51%。



从表3 看出，改进前得分较差的MCL 伸长量和大腿下部弯矩都有明显的改善，满足甚至优于高性能阈值。小腿上部弯矩虽有改善，但大部分撞击点的最大弯矩仍大于275 N·m( 高性能阈值) ，小腿弯矩得分较差，致使方案一的最终得分仍未达标。

小腿上部弯矩得分差主要有两个原因: 一是保险杠的泡沫吸能材料刚度过大，与新增的副保险杠泡沫吸能材料的刚度匹配不当; 二是通过观察仿真动画发现，新增的副保险杠泡沫吸能材料刚度不足，小腿在撞击过程中副保险杠吸能块产生了向下偏转的运动，使其未能对小腿产生有效的支撑，导致小腿上部弯矩仍然较大。这与文献［14］中关于保险杠泡沫吸能材料的刚度对行人腿部损伤有较大影响的论断一致。

因此，又提出方案二，其改进思路是通过弱化保险杠泡沫吸能材料的刚度，加强副保险杠泡沫吸能材料的刚度，进一步匹配前端结构刚度，以改善小腿上部弯矩。

4.2  方案二

① 在方案一的基础上，保险杠泡沫吸能材料由EPP30 改为EPP45，以减小其刚度;

② 修改副保险杠吸能块的结构，防止方案一出现的偏转运动，泡沫吸能材料由EPP30 改为刚度较大的EPP20，如图7 所示。

图7 方案二改进说明

方案二aPLI 腿型损伤统计见表4。在方案一基础上，方案二通过调整主副保险杠吸能块的刚度，希望能够改善车辆前端刚度分布。从结果来看，aPLI腿型最终得分虽然有所提升，且韧带拉伸量和大腿弯矩均有改善，但各撞击点得分却出现了“两极分化”的现象，L0～ L－2、L－4 得分提高明显，L±5 得分仍然较低，而L±6、L－6. 5 相对方案一得分甚至有所恶化。



从损伤指标来看，小腿弯矩最大值从方案一的上部转移到了方案二的中部。方案二增大副保险杠吸能块刚度，使腿型整体得分提升，表明方案的有效性。另一方面，同时注意到L－5～ L－6. 5 的小腿弯矩过大，说明副保险杠吸能材料在该区域的刚度偏大。这意味着，各撞击区域的小腿弯矩对方案二的敏感程度不同，须根据各区域损伤指标有针对性地进行改善。

通过查看仿真动画，发现副保险杠吸能结构变更后能有效防止方案一出现的翻转运动，从而对小腿部位起到了良好的支撑作用。在L－5 ～ L－6. 5 区域，由于副保险杠比保险杠的吸能块刚度大，且二者X 向坐标相近，腿型在撞击过程中主要受力点向下端转移，致使该区域的小腿弯矩增大，再次说明该区域的刚度匹配不合理。

以上分析说明两个问题: 一是匹配车辆前端刚度( 尤其是主副保险杠吸能块的刚度) 可以降低腿部损伤; 二是局部区域的刚度须进一步匹配。因此，再提出方案三，其思路是将局部恶化区域的刚度重新调整，使其能和上端刚度匹配。

图8 方案三改进说明( 以Y= 500 mm 截面为例)

4.3  方案三

根据方案二的结果分析，将副保险杠吸能块局部刚度适当弱化: 在副保险杠吸能块Y= 300～650 mm之间根据损伤指标，分别开设不同厚度的缓冲槽。既保证对小腿的支撑，又可以降低局部刚度，改善小腿弯矩。
方案三的腿型损伤结果如表5 所示。方案三针对方案二中恶化区域的下端刚度进行局部调整，使其能够与上端刚度匹配，从而达到降低腿部损伤、提升整体得分的目的。结果表明，各撞击点的损伤指标分布较合理，方案二中小腿弯矩较差的位置L±5、L±6 在方案三中均得到明显改善。本轮方案的aPLI腿型的最终得分为4. 11，达成开发目标。



根据改进策略设计出3 个改进方案，分别通过增设发动机罩前横梁、新增副保险杠吸能块、调整主副吸能块的结构和材料，对车辆前端刚度进行逐步改进，如表6 所示。仿真结果表明，aPLI 腿型得分由2. 18 提高到4. 11，总体提升88%。



5  结论

针对某车型21 版C －NCAP 行人保护新增的aPLI 腿型得分率较低的难题，通过同平台车型的试验对标研究，提升了aPLI 腿型仿真精度。结合aPLI腿型损伤机理，通过增设发动机罩前横梁、新增副保险杠泡沫吸能块、调整主副保险杠吸能块的结构和材料等措施，使车辆前端刚度得到合理分配，显著改善了该车型的行人保护性能。


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