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基于某SUV车型行人保护aPLI腿型研究
2022-01-01 00:38:21· 来源：环境技术核心期刊
本文针对2021版C-NCAP中带有上体模块新腿型aPLI进行仿真分析研究。针对灯带汽车结构特点，建立了行人保护有限元仿真模型，以灯带区域结构设计作为关注点，将上腿
本文针对2021版C-NCAP中带有上体模块新腿型aPLI进行仿真分析研究。针对灯带汽车结构特点，建立了行人保护有限元仿真模型，以灯带区域结构设计作为关注点，将上腿部弯矩、韧带伸长量及小腿弯矩作为优化目标，对车辆前端结构进行调整和优化。通过研究发现：灯带结构位于aPLI腿型大腿区域，导致大腿弯矩伤害指标F1~F3超标，进而影响膝部韧带伸长量及小腿弯矩，对此提出相应的改进措施，且对传统车型也进行了新腿型仿真对比分析，为aPLI新腿型研究提供参考。
近期统计的中国道路交通事故表明，我国道路交通事故中行人与车辆碰撞事故发生率高，约占总交通事故的27%，因我国交通道路混杂，居民交通安全意识不强。通过对事故的分析发现，在大部分的人车碰撞事故中，人体是与车辆前部发生碰撞，所以车辆前部的形状和刚度是决定碰撞后人伤害程度非常重要的参数。而当行人与车辆碰撞时，行人的腿部是最先与车发生接触，所以在车辆高速共冲击下极易造成腿部骨折及韧带撕裂的后果，尽管不是致命伤害，但有可能导致终身残疾。行人保护腿部安全研究也一直是行人保护研究的热点之一。
随着生物损伤力学的深入研究，行人腿部冲击器也进行了多次的发展与升级。最早使用的碰撞器为刚性腿（transport research laboratory简称TRL），但在碰撞中几乎不变形，无法很好反应腿部受撞时的损伤；2010年，日本开始进行柔性腿的研究，即flexible pedestrian legform impactor，简称Flex-PLI。Flex-PLI柔性腿采用多节骨骼连接组成，相比TRL腿型，Flex-PLI在生物力学性能方面与人体更接近，在碰撞中也能较准确地模拟腿部运动状态；然而，尽管Flex-PLI腿型在仿生性能上有了较大的提升，但也为考虑上肢惯性对腿部运动的影响，所以仍存在一些差异。Isshiki T等人通过对比分析发现带有上体模块的新腿部碰撞器（advanced pedestrian legform impactor，aPLI）能更好的模拟人体腿部运动姿态，但正是增加了上体模块，增加了腿部运动惯性，导致腿部变形更加恶劣，对车辆前部结构提出更高的要求。2021版C-NCAP首先使用aPLI腿型替换了原有的Flex-PLI腿型。
本文针对布置有灯带的某SUV车型进行了aPLI的仿真碰撞研究，与传统车型对了对比分析，并针对腿部伤害值超标做了详细分析，并给出改进策略，为后期腿部设计提供参考。
aPLI腿型评价
01. aPLI腿型简介
aPLI腿型对腿部肌肉和腿骨的质量进行了改进，增加了上体质量模块，使其更符合真实人体腿部质量分布，对应腿型的结构即质量分布如图1所示。aPLI腿型由皮肤、肌肉、大腿、小腿、膝部、上体模块组成，总质量为25kg，总长为1096mm。aPLI腿型在上腿部、膝盖及下腿部均设置有传感器，使其在测试时能更贴近实际人体腿部运动情况。
图1 腿型结构及质量分布
02. aPLI腿型评价指标
aPLI腿型中大腿装有三个弯矩传感器、膝部装有五个传感器、小腿装有四个传感器，其传感器分布如图2所示。2021版C-NCAP中aPLI腿型评价指标共8个，其中包括大腿弯矩（F1~F3）、膝部韧带伸长量（MCL）、小腿弯矩（T1~T4）。
图2 腿型传感器分布
中国汽车技术研究中心发布的2021版C-NCAP中明确指出，腿型总分从2018版的3分提升到5分。对应腿型各部分限值及评分方法见表1。
表1 腿型伤害限值及评价
行人保护腿部模型
01 仿真模型建立
行人保护模型以整车模型作为基础，去除四门及后背门，取前排座椅前支架横梁之前的结构并对机舱和关键模型进行必要的补充，将装配好的车体模型约束截面及减震塔安装点的六个自由度，以降低计算时间。
2021版C-NCAP行人保护腿部冲击试验方法如图3所示，腿型冲击器以40±0.72km/h的速度水平冲击车辆前端结构，aPLI腿型距离地面间隙为25mm，该工况更贴近人体与车辆前端碰撞时的状态。
图3 腿型冲击示意图
02 撞击点选取
本文某SUV车型腿部碰撞区域在Y=±600mm之间。由于造型原因，在L+4~L-4之间，腿部超标原因一致，故本文选取L0位置进行aPLI腿型冲击仿真分析，如图4所示。
图4 腿型碰撞区域及选点
仿真结果及分析
01. 仿真结果
本文以某设计有灯带的SUV车型L0位置进行整车简化模型的aPLI腿型仿真模型分析。表2为L0位置腿型伤害值及得分，从表中可以得出：大腿弯矩及韧带伸长量均有失分、小腿弯矩超标。
表2 L0位置腿型伤害限值及得分
02. 结果分析
对于行人保护腿型工况，需要上、中、下三处结构刚度配合，才能保证腿部对应区域变形满足要求，即上部支撑结构为机罩、中间吸能结构为前防撞梁吸能结构、下部支撑结构为小腿支撑结构。
本SUV车型中的灯带将前保分为上、下本体部分，上部本体按照传统设计安装在水箱横梁上，前保下本体与水箱横梁上设计的安装支架之间用安装板连接。前保下本体安装板及水箱横梁上安装支架碰撞过程中占用吸能空间，导致大腿弯矩过大，如图5所示。
图5 灯带区域结构
03. 对比分析
对于无灯带造型的传统车辆而言，机罩前沿为腿型的上部支撑结构，该结构较灯带结构更靠上，能更好支撑大腿上部的新增上体模块。在碰撞时，大腿区域正对前保本体上部，该区域从前保到水箱横梁之间无硬点结构设计，对于腿部碰撞可有效的压溃吸能，并减弱小腿甩腿情况，进而减轻韧带伸长量。
相对传统无灯带造型的车辆而言，有灯带造型的车辆，灯带区域正对大腿弯矩区域，灯带结构较机罩靠前、刚度也较机罩大，故成为腿部上支撑结构。在灯带区域，除了灯带自身的后壳体及安装支架外，还布置了前保下本体安装结构。该结构与水箱横梁上的安装支架连接，导致该区域吸能空间未能充分利用，导致大腿弯矩失分；大腿能量无法被充分吸收，导致小腿甩腿严重，进而使韧带伸长量过大。
图6为有无灯带造型设计后车型腿部碰撞结果对比，可以看出aPLI腿型在有灯带造型的车辆中整体弯曲变形比较严重，无灯带造型的车辆中腿型比较平整。
图6 对比分析
前保下本体安装结构优化
灯带造型设计将前保分成上、下两个本体，如果前保仍按传统方式安装将无法满足新腿型上部伤害评价。需释放该处吸能空间才能满足要求。
01 方案一:前防撞梁设置倒“L”型支架
取消前保下本体与水箱横梁之间安装结构，取消水箱横梁上的安装支架，采用如图7所示倒置"L"支架。
碰撞前 碰撞后
图7 前保下本体安装支架
将前保下本体安装在倒置"L"型支架上，在碰撞过程中，前保下本体可以在X向压溃吸能，也避开了灯带在X向运动，可以解决上腿部弯矩过大问题，进而解决小腿甩腿及韧带伸长量过大等问题。
02 方案二:水箱横梁设置悬臂"L"型支架
将前保下本体与水箱横梁支架的安装结构，替换成悬臂安装支架，如图8所示。
(a）碰撞前
(b）碰撞后
图8 前保下本体安装支架
悬臂结构在碰撞中可以有效的压溃吸能，可以有效解决大腿区域碰撞伤害，即大腿弯矩可控制在370Nm之内，进而解决小腿甩腿及韧带伸长量过大等问题。
03 方案三：更改机罩锁与前横梁连接结构
将机罩锁点刚度加强结构更改如图9所示。
图9 更改安装支架
该结构原为机罩锁点刚度加强结构，将其融合行人保护腿部碰撞设计，使其X向可压溃吸能，可以解决大腿弯矩过大问题，可将大腿弯矩控制在370Nm之内，进而解决小腿甩腿及韧带伸长量过大等问题。
但该结构设计机罩锁点刚度及NVH动刚度问题，需在此设计上进一步做结构优化，达到所有性能均满足要求的目标。
对比三种优化方案，第三种优化方案较前两种方案，更能均衡前保X、Z向安装强度，亦能兼顾其他性能要求，更能起到轻量化作用。而且在所有的优化方案中，灯带安装支架都应做溃缩设计，以保证腿部最大的吸能效能。
总 结
1) 对比有无灯带造型车型的aPLI仿真结果，可以得出灯带造型结果较无灯带造型结果差。
2）灯带设计将前保结构分为上、下本体结构，下本体的安装结构占用碰撞吸能空间，导致aPLI大腿弯矩超标，进而小腿弯矩超标、韧带伸长量超标。
3）本文针对aPLI腿型伤害值超标原因，优化前保下本体安装形式，提供三种优化方案，最后仿真结果腿部伤害值均能满足要求。
灯带设计作为一种新型造型设计，对行人腿部保护提出一些新挑战，本文的研究结论，对车辆前端结构设计可提供参考依据。
引用本文：
徐福慧，杨全凯，吴泽勋，闫高峰.基于某SUV车型行人保护aPLI腿型研究[J].环境技术，2021，(S1):54-58.
专家简介：徐福慧，女，硕士研究生，工程师，主要研究方向：汽车安全碰撞。
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