a-PLI新腿型試驗(yàn)性能影響研究

鄒利軍 王建勛 劉彥博 沙磊

（一汽奔騰轎車有限公司, 長(zhǎng)春 130012）

主題詞：行人保護(hù) a-PLI 汽車造型

1 引言

2021 版C-NCAP 管理規(guī)程對(duì)行人保護(hù)評(píng)價(jià)方法做出重大調(diào)整，腿型測(cè)試方面以帶有上體模塊的a-PLI 新腿型代替原來的Flex-PLI 腿型，上體模塊與大腿鉸接模擬人體髖骨結(jié)構(gòu)，并增加了腳踝模擬部分。a-PLI新腿型與真實(shí)人體更加接近[1]，根據(jù)中國(guó)汽車行人保護(hù)研究工作組開展的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，a-PLI新腿型各項(xiàng)傷害值相比Flex-PLI腿型均有較大幅度增加[2]，中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司已經(jīng)對(duì)a-PLI新腿型仿真及試驗(yàn)進(jìn)行了一系列研究，并針對(duì)行人保護(hù)腿型開發(fā)設(shè)計(jì)提出了建議。

目前，國(guó)內(nèi)研究仍較少在車輛造型初期對(duì)影響a-PLI 新腿型的造型因素進(jìn)行要求，本文對(duì)不同造型參數(shù)的車型a-PLI 新腿型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸納研究，期望提出合理的車頭造型約束條件及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向，減少后期行人保護(hù)優(yōu)化工作并降低設(shè)計(jì)變更可能性。

2 a-PLI與Flex-PLI的差異分析

a-PLI腿型與Flex-PLI腿型在結(jié)構(gòu)、尺寸、質(zhì)量分布、試驗(yàn)表現(xiàn)上均有明顯差異。

2.1 a-PLI腿型與Flex-PLI腿型結(jié)構(gòu)、參數(shù)差異

圖1（a）為Flex-PLI腿型，圖1（b）為增加了上體模塊的新a-PLI 腿型，其上體模塊與大腿鉸接可以模擬人體髖骨結(jié)構(gòu)。圖2展示了2種腿型膝部韌帶傳感器結(jié)構(gòu)與真實(shí)人體膝部的對(duì)比。表1中列出了2種腿型各部位質(zhì)心的高度。結(jié)果表明，新a-PLI 腿型結(jié)構(gòu)能更真實(shí)地模擬人體結(jié)構(gòu)。

表1 Flex-PLI腿型與a-PLI腿型尺寸參數(shù)差異

圖1 C-NCAP管理規(guī)程中的腿型示意

圖2 新/舊腿型膝部傳感器與真實(shí)人體膝部韌帶示意[2]

2.2 a-PLI腿型與Flex-PLI腿型質(zhì)量分布差異

圖3 為新/舊腿型與真實(shí)人體質(zhì)量分布示意。結(jié)果表明，a-PLI 腿型膝部以上結(jié)構(gòu)質(zhì)量占比明顯高于Flex-PLI 腿型，a-PLI 腿型質(zhì)量分布相比Flex-PLI 腿型更接近真實(shí)人體腿部的質(zhì)量分布。

圖3 新/舊腿型與真實(shí)人體質(zhì)量分布示意[3]

2.3 Flex-PLI腿型與a-PLI腿型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

以中國(guó)汽車行人保護(hù)研究工作組數(shù)據(jù)庫(kù)中一款小型SUV腿型試驗(yàn)為例，L+1位置腿型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)比見圖4（沖擊發(fā)生后0 ms、15 ms、30 ms、45 ms）。

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，a-PLI腿型中部彎曲比Flex-PLI腿型更為明顯，且向車頭上方滑動(dòng)量更大。Flex-PLI腿型與a-PLI腿型試驗(yàn)得分見表2。

圖4 Flex-PLI腿型（上）與a-PLI腿型（下）試驗(yàn)動(dòng)態(tài)對(duì)比

表2 Flex-PLI腿型與a-PLI腿型試驗(yàn)得分

在同一款車型試驗(yàn)中，a-PLI腿型得分率明顯低于Flex-PLI 腿型,其中a-PLI 腿型在L+1 位置僅得到0.4分，其中小腿彎矩T1及膝部韌帶（Medial Collateral Ligament,MCL）伸長(zhǎng)量為主要扣分指標(biāo)（圖5、圖6）。

圖5 a-PLI與Flex-PLI在L+1位置T1對(duì)比

圖6 a-PLI與Flex-PLI在L+1位置MCL對(duì)比

2.4 新舊腿型差異總結(jié)

a-PLI 腿型比Flex-PLI 腿型小腿質(zhì)心更低、大腿質(zhì)心更高，生物學(xué)擬真性更好。

由于a-PLI 腿型帶有上體配重塊，碰撞中與車頭接觸作用時(shí)間更長(zhǎng)，小腿鉆入車頭底部趨勢(shì)明顯。a-PLI 腿型中部彎曲量比Flex-PLI 腿型大，MCL和T1傷害值明顯高于Flex-PLI腿型，得分難度大幅提升。

3 a-PLI腿型傷害指標(biāo)影響研究

針對(duì)中國(guó)汽車行人保護(hù)研究工作組數(shù)據(jù)庫(kù)中，4款車頭結(jié)構(gòu)差異明顯的車型a-PLI腿型試驗(yàn)進(jìn)行研究。

3.1 試驗(yàn)車型結(jié)構(gòu)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

將數(shù)據(jù)庫(kù)中4款車型影響腿型傷害指標(biāo)的車頭關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，主要包括上支撐（發(fā)罩前沿或者前部格柵等直接接觸腿型上部的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)）、前防撞橫梁和下支撐（前保險(xiǎn)杠下沿），詳見表3。

表3 4款試驗(yàn)車型車頭結(jié)構(gòu)參數(shù)統(tǒng)計(jì) mm

3.2 a-PLI腿型試驗(yàn)結(jié)果

每款試驗(yàn)車型都進(jìn)行3～4 個(gè)車頭正面區(qū)域的a-PLI腿型沖擊，基本覆蓋車頭前表面不同結(jié)構(gòu)區(qū)域（圖7～圖10 中字母“L”之后的數(shù)字代表距離車輛Y0 面100 mm 整數(shù)倍距離的試驗(yàn)位置，“+”/“-”分別代表車輛左/右側(cè)，默認(rèn)車輛為對(duì)稱結(jié)構(gòu)）。圖7～圖10中分別截取了沖擊發(fā)生后0 ms、15 ms、30 ms、45 ms時(shí)刻。

從圖7～圖10可見不同車型試驗(yàn)中，a-PLI腿型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)有較大區(qū)別：

圖7 A級(jí)轎車試驗(yàn)過程

圖8 C級(jí)轎車試驗(yàn)過程

圖9 小型SUV試驗(yàn)過程

圖10 中型SUV試驗(yàn)過程

（1）在轎車試驗(yàn)中，a-PLI腿型向車頭上方滑動(dòng)并向車后方傾旋，膝關(guān)節(jié)在碰撞中有上升趨勢(shì)；

（2）在SUV 試驗(yàn)中，a-PLI 腿型小腿部分鉆入車底，膝關(guān)節(jié)在碰撞中無明顯上升趨勢(shì)，腿型整體向車頭上方及后方運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)不明顯；

（3）2 款轎車試驗(yàn)中，a-PLI 腿型中部彎曲量明顯低于2款SUV車型；

（4）在車頭最低矮的A級(jí)轎車試驗(yàn)中，模擬人體髖骨結(jié)構(gòu)的上體模塊發(fā)生旋轉(zhuǎn)的時(shí)刻明顯晚于其他3款車型；

（5）在同一款車型試驗(yàn)中，L±3 區(qū)間內(nèi)試驗(yàn)中a-PLI腿型中部彎曲量較大，L±4之外區(qū)間a-PLI腿型保持相對(duì)筆直狀態(tài)。

3.3 a-PLI腿型傷害表現(xiàn)

試驗(yàn)中綜合得分率從高到低排序?yàn)椋篈級(jí)轎車＞C級(jí)轎車＞中型SUV＞小型SUV，4 款車型a-PLI 腿型傷害得分見表4。

根據(jù)表4中a-PLI腿型試驗(yàn)得分，得出以下結(jié)論:

表4 a-PLI腿型試驗(yàn)得分情況

（1）2款轎車在L±3區(qū)間內(nèi)得分率都高于2款SUV車型，L±4區(qū)間之外得分差異較??；

（2）全部4 款車型試驗(yàn)中，L±3 區(qū)間內(nèi)得分率偏低，L±4之外區(qū)間得分率較高。

3.4 a-PLI腿型傷害指標(biāo)的影響分析

3.4.1 a-PLI腿型大腿傷害指標(biāo)的影響分析

a-PLI腿型大腿彎矩主要受到上支撐結(jié)構(gòu)影響，A級(jí)轎車、C 級(jí)轎車、小型SUV、中型SUV 試驗(yàn)車型上支撐高度有明顯差異而且逐漸升高，下文針對(duì)a-PLI 腿型大腿及膝部傷害指標(biāo)與車型上支撐參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行分析。

由于試驗(yàn)車型L±4以外區(qū)間a-PLI腿型碰撞后都沿車頭向側(cè)面滾動(dòng)，傷害值偏低且差異性不明顯，a-PLI腿型傷害指標(biāo)的影響分析中不選擇L±4以外區(qū)間進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)。

A級(jí)轎車與C級(jí)轎車結(jié)構(gòu)參數(shù)及a-PLI 腿型傷害值見表5，具體分析如下。

表5 A級(jí)、C級(jí)轎車結(jié)構(gòu)參數(shù)及a-PLI腿型傷害值統(tǒng)計(jì)

（1）A 級(jí)轎車上支撐點(diǎn)高度較C 級(jí)轎車低161 mm，稍高于F1傳感器位置，且位置靠后，不會(huì)對(duì)a-PLI腿型大腿形成明顯支撐。

（2）A級(jí)轎車上支撐點(diǎn)在碰撞中對(duì)大腿沖擊輕微，大腿彎矩峰值243 N·m，距離大腿傷害限值390 N·m安全冗余較大，同時(shí)明顯低于C級(jí)轎車大腿彎矩。

（3）2 車MCL伸長(zhǎng)量峰值均明顯低于傷害限值27 mm，結(jié)合圖7、圖8 判斷原因是下支撐作用明顯導(dǎo)致，在3.4.2章節(jié)進(jìn)行詳細(xì)分析。

C級(jí)轎車與小型SUV結(jié)構(gòu)參數(shù)及a-PLI腿型傷害值見表6，具體分析如下。

表6 C級(jí)轎車與小型SUV結(jié)構(gòu)參數(shù)及a-PLI腿型傷害值統(tǒng)計(jì)

（1）2 車上支撐點(diǎn)高度均接近并略低于大腿質(zhì)心高度，上支撐點(diǎn)X方向均偏前，這種形式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致a-PLI腿型大腿受到較高的沖擊能量。

（2）試驗(yàn)結(jié)果顯示2車大腿彎矩均處于較高水平，接近傷害限值390 N·m，其中位置較低的F1傳感器讀數(shù)接近而位置更高的F2、F3傳感器讀數(shù)呈現(xiàn)相反趨勢(shì)，說明小型SUV上支撐高度在C級(jí)轎車基礎(chǔ)上的提升，對(duì)于降低a-PLI腿型大腿傷害是有利的。

（3）小型SUV 膝部MCL伸長(zhǎng)量明顯高于C級(jí)轎車并導(dǎo)致了較多扣分，結(jié)合圖8、圖9判斷是下支撐效果差異導(dǎo)致，在3.4.2章節(jié)進(jìn)行詳細(xì)分析。

小型SUV 與中型SUV 結(jié)構(gòu)參數(shù)及a-PLI 腿型傷害值見表7，具體分析如下。

表7 小型SUV與中型SUV結(jié)構(gòu)參數(shù)及a-PLI腿型傷害值統(tǒng)計(jì)

（1）中型SUV上支撐點(diǎn)高度相比小型SUV提高到1 010 mm，超過上體模塊質(zhì)心高度，因此有效抑制了上體模塊向車后方運(yùn)動(dòng)，使得大腿彎矩保持在較低狀態(tài)。

（2）2 車MCL伸長(zhǎng)量峰值均較高，結(jié)合圖9、圖10判斷是下支撐不足導(dǎo)致，在3.4.2章節(jié)進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.4.2 a-PLI腿型小腿及膝部傷害指標(biāo)的影響分析

a-PLI腿型小腿彎矩和膝部韌帶伸長(zhǎng)量受下支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，A 級(jí)轎車、C 級(jí)轎車、小型SUV 這3 款試驗(yàn)車型下支撐高度有明顯差異而且逐漸升高，小型SUV與中型SUV車頭結(jié)構(gòu)差異性主要體現(xiàn)在上支撐，因此僅針對(duì)A級(jí)轎車、C級(jí)轎車、小型SUV這3款車型膝部及小腿傷害指標(biāo)與下支撐參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行分析。

A級(jí)轎車與C級(jí)轎車結(jié)構(gòu)參數(shù)及a-PLI 腿型傷害值，見表8。

表8 A級(jí)轎車與C級(jí)轎車結(jié)構(gòu)參數(shù)及a-PLI腿型傷害值統(tǒng)計(jì)

（1）2車下支撐高度均位于小腿質(zhì)心以下，均有效抑制了a-PLI小腿鉆入車頭底部的趨勢(shì)；

（2）A 級(jí)轎車小腿彎矩T2、T4與C 級(jí)轎車非常接近，T3峰值較C級(jí)轎車略高，研究發(fā)現(xiàn)A級(jí)轎車下支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)部通過PP-TD10（料厚為3.4 mm）材料進(jìn)行2次加強(qiáng)，其強(qiáng)度較高；

（3）根據(jù)圖7、圖8可以看出，A級(jí)轎車試驗(yàn)中上體模塊傾旋量比C 級(jí)轎車更大，但腿型中部彎曲量與C級(jí)轎車基本一致，且a-PLI 腿型小腿彎矩及MCL伸長(zhǎng)量與C級(jí)轎車基本一致，證明A級(jí)轎車低且硬的下支撐對(duì)提升a-PLI腿型得分有效。

C級(jí)轎車與小型SUV結(jié)構(gòu)參數(shù)及a-PLI腿型傷害值見表9，具體分析如下。

表9 C級(jí)轎車與小型SUV結(jié)構(gòu)參數(shù)及a-PLI腿型傷害值統(tǒng)計(jì)

（1）C 級(jí)轎車下支撐位置較小型SUV 更低且靠前，且下支撐距離小腿質(zhì)心高度和T3傳感器更近，阻止了a-PLI 腿型小腿鉆入車頭底部，并抑制了腿型中部彎曲，降低了MCL和T1峰值。C級(jí)轎車中部支撐剛度偏高導(dǎo)致T1有所增加，但下支撐的有效作用仍使之低于小型SUVT1彎矩；

（2）小型SUV 下支撐高度高于小腿質(zhì)心，接近T2傳感器，無法抑制a-PLI腿型小腿鉆入車頭底部，腿型中部過度彎曲，T1和MCL峰值非常高。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)

（1）上支撐距地高度影響大腿彎矩并決定了a-PLI腿型碰撞后整體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

上支撐高度低于大腿F2傳感器高度（737 mm）時(shí)，其對(duì)大腿及上體質(zhì)心基本不構(gòu)成支撐，隨著上支撐高度接近大腿中部（F2傳感器位置），會(huì)造成明顯的大腿彎曲，即大腿彎矩與上支撐高度為同比關(guān)系。

上支撐高于大腿F3傳感器高度（817 mm）時(shí),其對(duì)大腿及上體質(zhì)心支撐效果隨高度增加而提升，此時(shí)大腿彎曲程度隨上支撐高度增加而降低，即大腿彎矩與上支撐高度為反比關(guān)系。

上支撐偏前會(huì)增加大腿彎矩，偏后可降低大腿彎矩，但上支撐過于偏后時(shí)無法有效支撐大腿可能導(dǎo)致腿型中部彎曲量增大。上支撐越高越偏前，a-PLI 腿型越不容易向車后方傾旋。

（2）下支撐高度影響小腿彎矩并決定了a-PLI 腿型中部最大彎曲量

下支撐高于小腿質(zhì)心時(shí)，小腿很容易鉆入車頭底部，小腿彎矩T1、T2偏高，腿型中部彎曲量較大。下支撐低于小腿質(zhì)心時(shí)，小腿不容易鉆入車頭底部，此時(shí)接近下支撐點(diǎn)的小腿彎矩傳感器（通常為T3）讀數(shù)會(huì)高于T1、T2，但腿型中部彎曲量較小。

下支撐偏前通常會(huì)增加小腿彎矩，下支撐偏后則無法有效支撐小腿，可能導(dǎo)致小腿彎矩T1和腿型中部彎曲量增大。下支撐越高越偏后，a-PLI 腿型小腿越容易鉆入車頭底部，導(dǎo)致腿型中部彎曲量增大。

（3）膝部韌帶傷害與a-PLI 腿型中部彎曲量正相關(guān)

當(dāng)下支撐高度低于小腿質(zhì)心且X向超出上、中支撐時(shí)，可以有效抑制a-PLI腿型中部彎曲，并降低MCL值。

4 總結(jié)與建議

本文對(duì)比了不同車頭結(jié)構(gòu)在a-PLI腿型試驗(yàn)傷害指標(biāo)上的差別，詳細(xì)分析了差異原因，針對(duì)不同類型車型給出以下設(shè)計(jì)建議。

4.1 上支撐高度低于大腿F2傳感器高度737 m 的轎車、跑車

（1）其上支撐結(jié)構(gòu)不足以抑制a-PLI 腿型向車后方傾旋，應(yīng)允許a-PLI 腿型在碰撞中向車上方滑動(dòng)及后方傾旋從而降低a-PLI腿型中部彎曲量。

（2）需設(shè)計(jì)下支撐高度低于小腿質(zhì)心（230 mm）并保證下支撐點(diǎn)有足夠的剛度，視情況將下支撐點(diǎn)X向前伸超出中部支撐外表面來阻止a-PLI腿型小腿進(jìn)入車頭底部。

（3）如果上、中支撐結(jié)構(gòu)阻礙a-PLI腿型向車后方傾旋，應(yīng)弱化相關(guān)結(jié)構(gòu)并將上支撐點(diǎn)后退。

（4）支撐點(diǎn)剛度調(diào)整方向?yàn)椋喝趸稀⒅胁恐蝿偠?，?qiáng)化下部支撐剛度。

4.2 上支撐高度高于大腿F3傳感器高度817 mm 的SUV、MPV、CROSSOVER等車型

（1）下支撐點(diǎn)高度應(yīng)在接近角滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)前提下盡量降低。

（2）如果下支撐點(diǎn)高于小腿質(zhì)心，上支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)在保證大腿彎矩不超傷害限值的原則上抑制a-PLI 腿型碰撞后傾旋運(yùn)動(dòng)，可以在保證駕駛視野和風(fēng)阻系數(shù)的前提下盡量提升發(fā)罩前沿基準(zhǔn)線高度。

（3）支撐點(diǎn)剛度調(diào)整方向?yàn)椋喝趸胁恐蝿偠?，上、下支撐剛度根?jù)傷害指標(biāo)調(diào)整。