針對FLEX-PLI腿型沖擊試驗的行人保護結構優化設計

崔淑娟，郝海舟，趙清江，劉 琦，彭 錕，劉 果

（1.汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室，重慶 401122；2.中國汽車工程研究院，重慶 401122）

根據世界衛生組織的統計數據，全球交通事故死亡人數中的22%為行人。各國行人事故中行人傷害多見于頭部和下肢，其中，行人下肢與汽車前保險杠碰撞產生的傷害占行人總傷害比例為美國43%、德國35%、日本42%[1]。國內，以長沙市的數據為例，下肢傷害占比為25.9%[2]。

下肢傷害極易導致腿部的長期殘疾，因此，國內外均將行人下肢保護納入相應的標準和法規中。E-NCAP已于2014年開始采用Flex-PLI柔性腿型進行新車星級評定試驗，ECE R127-01于2015年執行柔性腿型認證試驗[3]。C-NCAP 2018版和中國保險汽車安全指數C-IASI 2017版均包含行人保護測試項目，測試工況和所采用的沖擊器與E-NCAP相同。目前，行人柔性腿型沖擊在國內外也成為研究熱點。

本文根據歐洲ECE R127-01法規要求，建立了某車型的有限元仿真模型，針對基礎車仿真分析結果，依據工程經驗和常見的行人保護柔性腿型沖擊性能的優化設計方法，對車輛前端吸能泡沫進行優化設計與仿真分析。該車型最終通過了ECE R127-01的法規認證。

1 基礎車Flex-PLI柔性腿型沖擊保險杠性能分析

1.1 ECE R127-01柔性腿型沖擊測評標準

柔性腿型沖擊保險杠試驗是通過沖擊器受到的膝部韌帶伸長量和脛骨彎矩作為傷害指標進行評價的（表1）。

根據ECE R127-01法規要求，確定腿型測試區域應滿足以下條件：柔性腿型沖擊器離地面高度75 mm，沿車輛縱向以40 km/h的速度沖擊車輛前端，過保險杠角的邊界線向內偏移66 mm。再將腿型測試區域分為三等分，在各均分區域至少選擇1個點進行試驗。

1.2 有限元模型搭建及對標

采用Hyper-mesh軟件建立該車型仿真模型，按照實車參數設置零件的材料和厚度，并通過焊接、螺栓、鉸鏈等方式建立各部件之間的連接關系。前保險杠及其附件的材質為塑料件，強度低且韌性差，在碰撞過程中容易發生斷裂失效等問題。在仿真模型中，為接近真實情況，對關鍵變形零部件設置斷裂失效模型[4]。

只截取車輛B柱之前的部分進行分析，包括發動機蓋、前圍板及其之前的零部件、發動機艙內部各零部件、前懸架等結構。約束車輛截面和前懸架處的6個自由度。模型共有單元數1 079 545個，節點數1 578 193個，三角形單元比例4.5%。

車型研發初期進行了剛性腿型沖擊試驗，為驗證車體有限元模型的有效性，根據摸底試驗結果，設置與試驗相同的工況進行仿真分析。在仿真模型中，設置并調整剛性腿型沖擊器離地面高度25 mm，沿車輛縱向以40 km/h的速度沖擊車輛前端。計算完成后，查看模型的能量曲線。界面滑移能和沙漏能占總能量百分比小于5%，質量增加百分比小于5%，認為模型計算結果可信。

選取其中3個撞擊位置與試驗結果進行比對，膝部加速度曲線對標結果見表2，最大誤差12%。以L-5試驗點的膝部加速度曲線為例（圖1），試驗曲線和仿真曲線走勢一致，滿足工程精度，模型可以用于后續分析。

表2 試驗與仿真結果對比

圖1 L-5 仿真與試驗結果對比曲線

1.3 基礎車柔性腿型沖擊仿真分析結果

柔性腿型沖擊的仿真模型如圖2所示，以ECE R127-01法規為開發目標的行人保護分析項目在設計階段為驗證測試區域全部滿足法規要求，常見的做法是從車體橫向中心位置開始，依次向左右兩側以100 mm間隔布置撞擊點來進行仿真分析。該車型共選定11個仿真分析位置，仿真分析結果見表3。結果超過傷害極限的80%標記成黃色，判斷為存在性能風險。由此可知，撞擊傷害主要表現在腿型的上部脛骨彎矩T1處。

表3 仿真分析結果

2 改進設計仿真分析

2.1 優化策略

對行人保護柔性腿型沖擊性能最關鍵的影響因素是車輛前端造型和內部結構布置。其中，發動機蓋前緣、上支撐結構、前防撞橫梁吸能裝置、下支撐結構是幾個重要的傳力路徑[6]。通過合理配置前端結構，從而改善腿型的運動姿態，是最有效的優化柔性腿型沖擊性能的方法。

常見車輛造型特征可歸納為三種，如圖3所示，依次對應轎車、接近角較大的SUV車型和城市/中大型SUV車型。轎車前保險杠蒙皮下端通常離地高度較低，車體對腿型的脛骨有較好的支撐，發動機蓋前緣較低，車體前端對腿型的膝蓋及以上結構支撐不足，膝部韌帶伸長量與脛骨彎矩都有超標的風險。接近角較大的SUV車型，前保險杠蒙皮下端通常離地高度較高，車體對腿型的脛骨支撐不足，發動機蓋前緣較高，車體前端對腿型的膝蓋及以上結構有較好的支撐，膝部韌帶伸長量與脛骨彎矩T1都有超標的風險。城市/中大型SUV車體前端比較平齊，為腿型的均勻支撐提供了可能性，但如果支撐剛度匹配不均勻，同樣存在性能超標的風險[7-8]。針對不同的車輛造型特征，采用不同的優化開發策略，以達到不同的目標運動姿態，如圖4所示。

圖3 常見車輛造型特征

圖4 不同造型車輛的柔性腿型目標運動姿態

具體的優化策略為：（1）轎車。弱化發動機蓋前緣剛度，在保險杠下端內側增加小腿支撐結構，如圖5所示。（2）接近角較大的SUV。弱化保險杠下部剛度，減弱保險杠下部作為腿型彎曲的支點作用；通常不設計前保險杠下端小腿支撐結構，盡可能增強發動機蓋前緣剛度或增加上支撐結構，如圖6所示；造型階段，盡可能使發動機罩前緣靠前。（3）城市/中大型SUV。優化前防撞橫梁泡沫的結構以及材料參數，在支撐不足的高度位置增加支撐橫梁結構，如圖7所示。

圖5 轎車優化實例

圖6 接近角較大的SUV優化實例

圖7 城市/中大型SUV優化實例

2.2 改進設計方案

根據上述仿真結果可知，傷害主要出現在柔性腿型上脛骨處。觀察仿真動畫，以L0點為例，碰撞過程中，在20 ms左右時，柔性腿型和前保險杠發生擠壓，吸能泡沫結構偏硬，成為前端造型的突出點。腿型上端受到發動機蓋前緣的支撐，腿型下端發生明顯彎曲，導致脛骨彎矩較大。前保險杠蒙皮中間的安裝點結構局部剛度大，導致前保險杠蒙皮變形不充分，加劇了脛骨彎矩的增加。在40 ms左右時，腿型成向后倒的姿態反彈，腿型和車體分離，如圖8所示。

圖8 柔性腿型沖擊保險杠截面圖

由圖8可知，車體前端外造型平齊。從支撐結構上看，上部有發動機蓋前緣，中部有吸能泡沫，下部有前保險杠蒙皮下支撐件。但位于防撞橫梁前端的吸能泡沫未與上下各支撐結構形成良好的剛度匹配，使上下受力不均衡，所以重點弱化吸能泡沫結構，并對前保險杠蒙皮中間的安裝點進行局部優化，如圖9所示。

圖9 改進設計方案

3 優化方案仿真分析及試驗驗證

改進設計仿真分析結果見表4，采用上述改進設計方案后，柔性腿型傷害值滿足ECE R127-01法規要求，并且保留了20%的安全裕度。上部脛骨彎矩值相對基礎車有明顯下降。

ECE R127-01規定，至少選擇3個點進行認證試驗。選擇點之間至少間隔132 mm，試驗時，通常選擇最易造成傷害的點，試驗結果見表5。試驗結果滿足設定的性能目標，該車型順利通過ECE R127-01法規認證。

測試位置 韌帶伸長量/mm 脛骨彎矩/Nm PCL ACL MCL T1 T2 T3 T4 L0 2.6 7.3 13.2 249 228 180 100 L1 2.5 6.8 13.2 250 227 184 97 L-1 3.1 7.7 14.5 250 234 190 105 L2 3.2 7.7 14.5 253 228 183 98 L-2 3.2 7.6 14.9 248 227 184 102 L3 2.6 6.9 12.4 223 208 184 107 L-3 3.1 7.6 14.0 232 222 191 111 L4 0.9 3.7 7.2 121 138 146 82 L-4 1.2 4.0 7.9 140 150 147 84.9 L5 7 4.4 8.9 116 123 157 86 L-5 6.1 4.0 8.2 107 125 265 94

表5 試驗結果

4 結論

（1）本文建立了某車型行人保護腿型沖擊仿真分析模型，并進行了試驗對標，模型精度滿足要求。

（2）根據ECE R127-01法規要求，進行了柔性腿型沖擊保險杠仿真分析，傷害主要集中在上部脛骨彎矩。針對常見的不同車輛前段外造型，對行人保護柔性腿型沖擊的性能開發策略進行了詳細的介紹。對該車型仿真結果進行分析，并提出改進設計方案。結果表明，優化后該車型能夠通過ECE R127-01法規認證。

（3）行人保護柔性腿型沖擊性能主要取決于車輛前端外造型和內部支撐件的布置。在車輛開發早期，對外造型進行特征設計，合理規劃支撐路徑，匹配支撐結構的剛度對提高行人保護性能意義重大。