行人保護aPLI腿型試驗性能研究

楊瑞 曹建驍 畢騰飛

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

主題詞：先進行人腿型碰撞器 柔性腿行碰撞器 傷害指標 碰撞響應特性 開發策略

1 前言

據統計，我國乘用車與車外人員碰撞事故占總體事故比例的近80%，其中有車外人員受傷的事故占比高達75%[1]。因此，車輛的行人保護安全性能亟需提升，下肢碰撞是行人保護安全性能開發的重要內容之一。

目前，行人保護安全性能評價領域均采用柔性腿型碰撞器（Flexible Pedestrian Legform Impactor，FlexPLI）作為測試工具。隨著人體下肢生物力學特性研究的不斷深入，發現FlexPLI 雖然在剛性腿的基礎上大幅優化了傷害指標，提升了生物逼真性，但仍不能完全反映人車事故中行人腿部傷害的真實情況。因此，日本汽車研究所（Japan Automobile Research Institute，JARI）在FlexPLI的基礎上研究設計，并由英國CELLBOND 公司生產制造的先進行人腿型碰撞器（Advanced Pedestrian Legform Impactor，aPLI）應運而生。與FlexPLI相比，aPLI的最大變化是增加了上部質量模塊（Simplified Upper Body Part，SUBP）來模擬人體上肢，提高了測試數據的準確性和全面性。中國新車評價規程（C-NCAP）和歐洲新車評價規程（Euroq-NCAP）分別計劃于2022 年和2023年采用aPLI進行車輛行人保護性能評價。這對汽車企業來說是個新的挑戰，盡早總結并掌握aPLI 對現有開發車型傷害指標的影響，對汽車企業制定新車型開發策略，應對aPLI的行人保護性能測試至關重要。

本文通過對比aPLI 與FlexPLI 的內部結構，挖掘大量實車試驗數據，總結出二者在響應機理和傷害指標上的差異，分析aPLI 腿型與車輛碰撞響應特性，并提出aPLI腿型的開發策略。

2 aPLI腿型結構改進

FlexPLI在生物力學特性和傷害評價能力上都存在諸多明顯不足，主要表現在欠缺大腿傷害評價能力，對保險杠較高車型應用性不佳，斜向大角度碰撞傷害指標失真，與車輛前端接觸力過大，膝部前、后十字韌帶響應與人體模型不符等。為了改善上述缺陷，Takahiro Isshiki 等人通過優化FlexPLI 腿部結構，選用更加先進的生物材料等方式，研發出了aPLI 腿型[2-4]。如圖1 所示，2種腿型碰撞器的差異主要體現在：

a.aPLI在結構上最重要的改進是增加了上部質量模塊，使其可以有效監控大腿的3個評價指標，同時能夠有效改善較高保險杠車型測試時人體姿態的一致性。

b.與FlexPLI 相比，aPLI 腿部質量分布更接近人體，從而有利于改善腿型運動姿態，同時減小腿型碰撞過程中的接觸力。

c.與FlexPLI相比，aPLI膝部結構重新設計，韌帶空間布置和半月板與股骨踝連接方式都更接近人體，從而有效改善斜向大角度沖擊時傷害指標突增造成的失真。

d.aPLI在FlexPLI 的基礎上優化了腿部截面和腿骨尺寸，有效改善了生物力學特性和運動姿態。

圖1 FlexPLI和aPLI的結構差異

大量試驗結果表明，與FlexPLI相比，對于不同類型車輛（轎車、SUV）和不同碰撞角度，無論車輛中間位置還是左、右兩側40°斜向碰撞，aPLI的傷害指標評價結果與人體模型（Human Body Model，HBM）具有更高的相關性，即更接近人體真實狀態[4-5]。

3 aPLI與FlexPLI試驗結果對比

aPLI 與FlexPLI 的試驗方法一致，且試驗設備共用，主要差異在于腿型碰撞器的離地高度，FlexPLI 為75 mm，而aPLI 為25 mm。選取中汽研汽車檢測中心（天津）有限公司行人保護實驗室采集的10 余款車型aPLI 和FlexPLI 的摸底試驗數據，如表1 所示。本文通過對比2種腿型傷害指標的差異，結合其實車碰撞過程中姿態的變化，分析傷害指標差異產生的原因，挖掘aPLI腿型的碰撞響應特性。

表1 FlexPLI和aPLI試驗數據平均值

圖2所示為aPLI和FlexPLI評價指標的平均值。由圖2 可知，二者大腿彎矩趨勢較為一致，aPLI 的大腿彎矩為FlexPLI對應位置的2.6～3倍。小腿彎矩出現分化，T1 彎矩的差值最大，aPLI 的T1 彎矩是FlexPLI 的約1.4倍，T2和T3差值依次降低，aPLI 的T4彎矩約為FlexPLI的80%。膝部韌帶方面，aPLI 的內側副韌帶（Medial Collateral Ligament，MCL）伸長量接近FlexPLI的2倍，后十字韌帶（Posterior Collateral Ligament，PCL）伸長量約為FlexPLI 的2.2 倍，前十字韌帶（Anterior Collateral Ligament，ACL）伸長量約為FlexPLI 的70%。可見，aPLI的評價指標與FlexPLI相比幾乎全面大幅提高。

圖2 aPLI與FlexPLI傷害結果對比

大腿彎矩激增是因為增加上部質量模塊后，腿型質量增加了88.6%，相應的沖擊能量提高了88.6%。同時，腿型高度增加了168 mm，重心也大幅升高，車輛前端不能完全為上部質量模塊提供支撐，aPLI 腿型受力不均勻，大腿受牽扯作用較大，造成彎曲變形加大。

小腿彎矩和膝部韌帶伸長量大幅升高同樣是由于碰撞能量的劇增。另外，aPLI 腿型離地高度相比FlexPLI 下降50 mm。現有車輛前保險杠結構大多基于FlexPLI 腿型開發，前保險杠梁及其吸能裝置不能完全發揮對aPLI膝部的支撐和吸能作用，造成T1、T2彎矩增加。車輛下支撐同樣不能有效支撐起aPLI 小腿下部，使得T4位置無外力約束，故而彎矩降低，但同時也導致aPLI 腿型運動姿態變差，MCL 受到大腿和小腿運動姿態的共同影響，伸長量增加。

aPLI膝部十字韌帶結構由FlexPLI的交叉式改為平行結構（見圖1c），腿型碰撞過程中，交叉式的PCL呈收縮趨勢，ACL 呈拉伸趨勢，平行結構的PCL 和ACL 均受到拉伸作用，所以aPLI 的PCL 伸長量大幅增加。由于FlexPLI 膝部半月板連接結構為平行六面體，當碰撞角度超過30°時，半月板連接處會發生剛性接觸，導致ACL伸長量突變[4]。而aPLI膝部半月板連接結構為橢圓形，能在360°范圍內自由轉動，所以與FlexPLI相比，aPLI的ACL伸長量降低。

將上述試驗樣本數據按不同保險杠高度分別進行對比，發現對于轎車和SUV，aPLI與FlexPLI的主要評價指標趨勢與整體數據對比結果完全一致，見圖2。

4 aPLI實車碰撞響應試驗性能

4.1 aPLI腿型各部分評價指標比對

圖3所示為10余款車型aPLI腿型試驗各部位傷害指標平均值對比結果，其中陰影部分是同一傷害指標轎車與SUV的對比差量。總體結果顯示，大腿彎矩中，F2最大。對比細分車型數據可以發現，轎車的F2 顯著高于其他2 個彎矩，而SUV 的彎矩中F3 稍大。小腿彎矩中，T1～T4 依次減小，且減小幅度遞增。對于轎車和SUV，T1 均為最大彎矩。膝部韌帶伸長量對比中，MCL遠大于PCL和ACL。由此可見，需要重點關注的評價指標是F2、T1、MCL，汽車企業在新車型開發時應該著重考慮相應位置的布置形式和造型設計。

圖3 aPLI各部位傷害指標比對

究其原因，上部質量模塊使aPLI重心大幅升高，絕大多數車型前端無法給予上部質量有效支撐。當aPLI腿部碰撞前保險杠停止前行時，上部質量模塊依然沿沖擊方向運動，帶動大腿受力彎曲。由于轎車前緣高度較低，腿型支撐位置在F2 附近，導致F2 彎矩最大。而SUV 前緣較高，支撐點位于上部質量模塊上，大腿最大彎曲位置出現在F3附近，所以F3最大，如圖4所示。

圖4 轎車與SUV的aPLI大腿最大彎曲位置對比

小腿彎矩存在極高的規律性，但其內在機制卻不盡相同。轎車的最大小腿彎矩大多發生在反彈階段，而SUV 車型的最大小腿彎矩發生在碰撞侵入階段。轎車前端的中部和下部對aPLI 支撐效果較好，碰撞過程中小腿彎曲程度可以得到有效控制。但由于前緣高度較低，在反彈階段，aPLI 會沿前緣接觸點向上旋轉。巨大的能量通過膝部傳遞到小腿，由于T1距離膝部最近，需要釋放更多的能量，因此彎曲程度最大，如圖5 所示。SUV 車身高度較高，上部和中部能為aPLI 提供有效支撐，而下部支撐位置較高，對應于小腿T1、T2附近，且為了提高吸能效果，下支撐剛度較低，小腿侵入量較大，導致腿型底部卷入車底，使aPLI 腿型呈“C 字形”彎曲，并在T1處彎曲最大，見圖5。需要強調的是，轎車試驗中，aPLI 最大小腿彎矩出現在反彈階段是基于SBL-A 版本，這是不符合人體實際情況的，未來的SBL-B版本會在上部質量的骨盆位置增加阻尼，改善此處不足。

圖5 轎車和SUV的aPLI小腿最大彎曲位置對比

aPLI腿型膝部韌帶為平行結構，與碰撞側的距離從大到小依次為MCL、PCL 和ACL，因此MCL 受拉伸程度最大，PCL次之，ACL最小。

4.2 aPLI腿型不同車型間評價指標對比

如圖3 中陰影部分所示，轎車的3 個大腿彎矩均大于SUV 的，F2 尤為明顯。小腿彎矩中，2 種車型的T1、T2 差別不大，轎車的T3、T4 顯著高于SUV 的。膝部韌帶伸長量方面，轎車的MCL伸長量更大。可見，相同試驗條件下，轎車的3 種傷害指標均高于SUV，aPLI 開發難度更大。

如4.1節所述，轎車的前緣高度較低，無法支撐上部質量模塊，該模塊巨大的能量導致aPLI 上部產生較大前傾，大腿受其牽扯作用變形較大，彎矩自然更大。中大型SUV前緣較高，能夠較好地為aPLI上部提供支撐，大腿彎矩主要受前保險杠造型和上支撐與中部支撐縱向差值影響，彎曲變形相對更小。

小腿T1位置和T2位置在2種車型中都能得到有效支撐，轎車的T1 和T2 受反彈過程影響更大，而SUV 的T1和T2受下支撐高度及下支撐與中部支撐縱向差值影響更大，所以二者沒有絕對規律可循。而T3和T4情況不同。轎車下支撐通常距地面約200 mm，對應aPLI 試驗T3位置附近。SUV 下支撐通常距地面約300 mm，對應aPLI 試驗T2 位置附近。在aPLI 沖擊轎車下支撐的過程中，T3 和T4 會產生較大彎曲。而對于SUV 車型，T3和T4距離支撐位置較遠，處于自由運動狀態，受慣性作用發生的彎曲變形較小，如圖6所示。

圖6 轎車和SUV的下支撐與aPLI小腿對應位置對比

aPLI 膝部韌帶伸長量受大腿和小腿運動姿態的共同影響，通常轎車的最大MCL伸長量出現在腿型反彈過程中，巨大的能量使MCL伸長量和小腿彎矩同時達到極值。SUV的最大MCL伸長量出現在腿型侵入量最大的時刻，同樣與小腿最大彎矩同步出現，如圖7所示。反彈過程中，aPLI膝部及小腿向上擺動，釋放大量能量，腿型姿態不佳，使得MCL 伸長量更大。而aPLI 腿型受到SUV 車型前端結構的有效支撐，侵入車輛過程中，能量被均勻吸收，MCL伸長量極值對比轎車的稍小。

圖7 不同車型aPLI小腿彎矩和MCL伸長量變化趨勢比對

4.3 aPLI腿型不同試驗區域的評價指標對比

aPLI 腿型不同試驗區域的傷害結果有一定規律可循，圖8 所示為上述10 余款試驗車輛中轎車和SUV 車型車輛的中心位置L0與車輛的最外側試驗點L6的傷害結果對比，具體結果如表2所示。若車輛試驗區域最外側網格點不是L6，則取其最外側試驗網格點的數據，本節統稱為L6。不難發現，無論轎車還是SUV，L0各評價指標幾乎都高于L6。

圖8 不同車型L0和L6位置傷害結果對比

表2 aPLI不同車型L0和L6各傷害結果平均值

這是由于aPLI 腿型碰撞車輛L0位置時，沖擊能量完全在車輛縱向釋放，一部分轉化為腿型碰撞器的彎曲變形，另一部分被車輛前端吸收。腿部彎曲變形能量和車輛前端少量回彈能量又會使腿型碰撞器反彈，并最終釋放能量。而車輛試驗區域最外側與腿型沖擊方向存在一定夾角，通常大于30°，這使得腿型的沖擊能量會分散一部分到車輛橫向，這部分能量作用到腿部，會使腿型產生旋轉運動，無法轉化為彎曲變形，所以L6位置的傷害值普遍小于L0位置。

5 aPLI腿型開發策略

行人腿部與車輛接觸的區域主要是車輛發動機罩前緣和整個前保險杠，腿部傷害主要與車輛前端造型、支撐結構及空間布置有關[6]。根據2018 版C-NCAP，劃線可得到車輛具體的腿型試驗區域，即由保險杠上部基準線（UBRL）、保險杠下部基準線（LBRL）和兩側的保險杠角（COB）所圍成的區域。在此基礎上建立汽車前端有限元模型，如圖9 所示，其中，H1為發動機罩前緣高度，H2為前防撞梁離地高度，H3為下支撐離地高度，L1為發動機罩前緣與前防撞梁的距離，L2為中部吸能空間，L3為下支撐與前防撞梁的距離。基于aPLI 腿型大量的仿真模擬研究及以往行人保護腿部碰撞開發經驗，上述6個參數對aPLI腿型傷害指標影響最為顯著[7]。

圖9 腿型試驗區域及車輛前端結構

aPLI 腿型與車輛前端碰撞過程中有3 條能量傳遞途徑，即上部發動機罩前緣、中部前防撞梁及吸能裝置、下部蒙皮格柵下部支撐，分別對應aPLI 腿型的大腿或上部質量模塊區域、膝部及小腿位置。大腿彎矩主要受發動機罩前緣高度和上支撐與中支撐距離的影響，小腿彎矩受下支撐離地高度和下支撐與中支撐距離影響最大，影響膝部韌帶伸長量最大的因素是前防撞梁離地高度及其吸能空間。但整個aPLI 腿型各部分是聯動的，所有傷害指標互相影響，腿部任何位置運動姿態變差都會導致其他部分傷害指標的惡化，所以車輛前端各參數需要同步改善，盡可能減小腿型最大變形量，才能保證所有傷害指標滿足行人保護性能的要求。

aPLI 腿型開發可從車輛前端的造型設計、空間布置和內部結構3個方面著手。H1越高，越有利于腿型碰撞姿態保持豎直狀態。對于H1＜930 mm 的車輛，發動機罩前緣無法對腿型上部形成有效支撐，需要弱化發動機罩前緣的支撐結構，增加潰縮量來減少小部質量模塊的慣性力。同時應減小L1，控制發動機罩前緣潰縮后大腿和膝部的彎曲程度。aPLI 腿型試驗膝部中心距地面高度為520 mm，為了為膝部提供良好的支撐，H2取值應為520 mm 左右，并盡量保證膝部吸能空間足夠大，L2＞80 mm為佳。在滿足車輛接近角的前提下，應使H3盡量小，保證小腿得到有效支撐。提高下部支撐剛度，緩解小腿甩腿幅度。L3越大，越有利于緩解腿型C字形彎曲，小腿傷害值也就越小。此外，還應將車輛前端腿型試驗區域內的各種剛性支架做成懸臂式或壓潰式結構，避免形成硬點。

目前，上市車型主要基于FlexPLI 腿型開發，由于FlexPLI小腿尺寸和膝部中心位置與aPLI的基本相同，但FlexPLI試驗時的離地高度比aPLI的離地高度高50 mm，所以現有車型的防撞梁高度和下支撐高度相對于aPLI偏高，為適應aPLI腿型的開發，應予以適當降低。并且，aPLI的碰撞能量較FlexPLI提高了近1倍，為達到較好的吸能效果，應考慮適當加大中部吸能空間。

6 結束語

本文分析了aPLI 腿型結構在現有FlexPLI 基礎上的改進，以及2 種腿型在碰撞響應特性上的差異，并總結出aPLI 試驗結果的潛在規律，進而提出aPLI 初步開發策略，結論如下：

a.與FlexPLI相比，aPLI的生物力學特性顯著提升。

b.碰撞響應特性比對中，aPLI的評價指標幾乎全面提高。

c.aPLI腿型試驗結果中，各部位評價指標最大值通常發生在F2、T1和MCL處，需重點關注。

d.aPLI 腿型試驗結果中，轎車的最大大腿彎矩、最大小腿彎矩和MCL 伸長量均高于SUV，轎車aPLI 腿型開發難度更大。

e.aPLI腿型試驗結果中，車輛中間位置的傷害結果全面高于車輛邊緣位置。

f.aPLI 腿型開發應從提高發動機罩前緣高度、弱化上支撐剛度、增加中部支撐吸能空間、減小上支撐與中支撐距離、加大中支撐與下支撐距離以及增加下支撐剛度等方面著手。

需要特殊說明的是，以上研究成果基于aPLI 現有SBL-A版本完成，未來SBL-B版本與SBL-A基本一致，只是進行一些微調，最大的改進是在骨盆位置增加阻尼，改善碰撞中上部質量模塊沿髖關節旋轉幅度明顯大于人體的情況。研究表明，與SBL-A 版本相比，SBL-B版本中大腿彎矩峰值、小腿彎矩第2個峰值以及MCL峰值均有所降低[8-9]。