基于新腿型APLI在A級轎車應用研究

魏澤松 黃海鵬 曹國洋 閆丹丹（吉利汽車研究院（寧波）有限公司）

全球首個以檢驗汽車前端行人保護安全性能的法規在1998年10月歐共體（EEC）指令74/483/EEC開始生效。中國行人保護研究于2005年開始，2009年10月30日發布推薦性法規GB/T 24550—2009《汽車對行人的碰撞保護》于2010年7月1日實施。2018年7月，行人保護測試納入C-NCAP進行考察[1]。2019年9月10日，C-NCAP宣布直接用APLI進行2021版測試，不再過渡，APLI腿型由國際標準化組織道路車輛技術委員會安全與碰撞分技術委員會組織開發的先進行人腿型碰撞器，實際試驗對行人碰撞過程中的姿態描述的更準確；APLI腿型2021年C-NCAP的應用為全球首發；歐洲體系預計2022年后應用。這一順應時代前進的大跨步，給當代汽車安全設計工程師棘手的難題，如何提升新下腿型的得分，已是各主機廠及研究機構熱門話題。文章將對新腿型APLI在應用設計的問題進行專題研究及分析。

1 APLI和FLEX-PLI下腿型差異分析

1.1 試驗方法介紹

行人保護腿型發展歷史中，人們經過幾十年的漫長探索，普通腿型與車輛前端相對位置如圖1所示。普通車輛前端沒有小腿支撐梁，前保險杠橫梁距離保險杠近，發罩部位因機罩鎖等布置，強度集中，造成腿部脛骨和膝蓋及大腿部位主要撞擊點，也是主要傷害部位。至2013年，Euro-NCAP開始使用能模擬人體下肢的FLEX-PLI腿型如圖2所示。FLEX-PLI柔性把腿部分為大腿骨、膝蓋及脛骨3個部分，評價指標是脛骨上端的加速度，4個脛骨彎矩，即上部彎矩、中上部彎矩、中下部彎矩及下部彎矩（Tibia1-4Moment），3個膝部韌帶位移量（內側側副韌帶MCL、前十字韌帶ACL及后十字韌帶PCLElongation），其主要優勢[2]：

圖1 腿型傷害模仿

圖2 FlexPLI

1）采用多段可變形骨骼連接結構;

2）形狀采用類人設計，符合人體腿部形狀，變型模式復雜多樣，受外界載荷作用后肉性很強；

3）傷害模式更接近實際人體生物力學響應，測量全面[3]。

如圖3所示，由于APLI結構重新設計后（主要是增加了SUBP），APLI比Flex-PLI重約一倍（13.2~24.5 kg），并且集中在上部；APLI的韌帶從Flex-PLI的斜交叉韌帶改為垂直帶，撞擊時中間位置的韌帶拉伸量PCL/MCL會變大趨勢，轎車上部支撐路徑較低，導致不能有效支撐APLI上部質量塊，因此上部股骨和膝關節的變形彎曲量大，導致轎車失分多；APLI的傷害指標普遍大于FLEX PLI，具體2種腿型的差異如表1所示。

圖3 APLI

表1 2種腿型參數對比

腿部彎矩數字模型如圖4所示

圖4 腿部彎矩數字模型

式中：M——腿部不同位置的力矩，N·m；

F——腿部受外部作用的力，N；

z——腿部受外部作用力力臂，mm。

脛骨彎矩受力模型Mz為確定值，Fb和Fs越大，脛骨加速度越大。但是，骨折損傷的判定不僅需要考慮脛骨加速度，還需要根據脛骨彎矩去判斷。Fb和Fs越大，脛骨彎矩不一定呈現增大趨勢。

因此，引入Mmax=max{M（zs），M（zb）}，M（zs）和M（zb）的任意一個達到最大即可。當L0-zb和L0-zs與Fb和Fs乘積的和最大時，M（zs）達到最大；當Fbzb+Fszs與L0-zb的乘積達到最大時，M（zb）達到最大。由此可知，在此過程中，不僅需要作用力最大，力作用的位置也很重要，即小腿在撞擊中的受力位置，對應車輛的前端段結構[4]。

1.2 某轎車2種腿型分析及對比

通過2種腿型模型仿真對比，觀察2種腿型在試驗中的差異，因FLEX-PLI腿型質量較均勻，在整體撞擊過程中，未發生明顯彎折，韌帶變形量和彎矩都沒有大的變形，APLI腿型上端的質量集中，結合撞擊車輛前端造型，整體腿型成C結構變化明顯，對膝部韌帶和彎矩造型較大傷害。如圖5和圖6所示，可以更有針對性對APLI進行研究，對比如表2所示。

圖5 FLEX-PLI仿真

圖6 APLI仿真

表2 2種型傷害值對比

仿真圖7和圖8對比，10 ms左右，APLI與車身前端（前保險杠）接觸，上模塊因慣性作用延機罩方向進行變形，30 ms左右時，上模塊與機罩接觸并變形，膝蓋部分壓損前保至防撞梁，脛骨發生明顯彎曲，38~40 ms時，上部質量塊拉動小腿向上回彈，腿部整體為C圖形，小腿彎矩及韌帶、大腿，超出限值，腿部傷害值嚴重。對比FLEX-PLI,因無上模塊慣性作用，整體變形很小，腿部傷害較小。數據對比：不同的試驗點2個腿型脛骨彎矩、膝部韌帶對應的參數都有明顯差異。APLI腿型的脛骨彎矩比FLEX-PLI增加1.2~1.5倍，內側側副韌帶MCL和前十字韌帶及PCL比FLEX-PLI增加2.1~2.3倍[5]。

圖7 脛骨彎矩

圖8 膝部韌帶

2 探究APLI影響因素

參考APLI結構特性結合仿真對比、分析。A級轎車APLI腿型開發設計要求，主要從造型設計、空間布置及結構優化3個方面探究對得分的影響：

1）對腿部碰撞影響較大的結構主要包括：吸能發泡或薄壁梁結構、小腿橫梁等；結構設計中應根據車輛造型及空間的差異，對上、中、下支撐點的剛度進行合理匹配。

2）轎車車身姿態較低，無法對上體質量塊起到有效的支撐作用，前端垂直的造型面不利于APLI腿型開發；前端下部突出的造型，下部更早接觸腿型，腿型趨向傾倒狀態，改變腿部碰撞的運動姿態。

3）造型設計階段，通過優化前保造型，控制保險杠角范圍從而縮小試驗區域；越來越多的測試工況在結構設計上要求防撞橫梁更寬或增加導向結構，從而增大腿部試驗區域。

4）延長下支撐結構與橫梁X向距離，同時發罩前緣分縫線后移，弱化上支撐結構，吸收大腿沖擊，減低大腿彎矩。

5）前移下支撐結構、增大前保險杠吸能空間和發罩前緣分縫線后移等方法，可以有效降低APLI腿型傷害值。

對APLI腿型傷害影響最顯著的造型參數依次為：發罩前緣與防撞橫梁X向距離、前保險杠吸能空間、下支撐與防撞橫梁X向距離及發罩前緣離地高度等。小腿在碰撞前期腿部下部位能較早接觸車輛前唇并發生上揚的姿態，中間發泡保持在小腿下支撐過程中，中間補位推動小腿中間部位上升，減少韌帶的變形量，降低傷害值，上部位增加壓損空間，降低大腿撞擊減少對應的彎矩。3部分相互補位，行程一個依此作用的系統，整體實現保護腿部效果。通過整車各部位優化，仿真前后對比，整體腿部變形趨勢較緩和，得分如表3和表4所示，得分明顯提升[6]。APLI優化前得分為0.434，優化后總得分為3.366，總體2.932分提升。

表3 優化前

表4 優化后

3 設計建議

通過以上分析和研究，新腿型APLI更能貼近人體傷害機理，相比FELX-PLI，在轎車撞擊中，得分更加困難。提升整車設計工作效率，主要針對A級轎車給出詳細設計建議：

1）前保與保險杠橫梁吸能空間建議要求前保險杠與防撞梁空間需求中間≥100 mm，兩側≥70 mm；如圖9所示；

圖9 前保設計要求

2）發動機罩前緣距地面線高度≤680 mm，機罩朝天縫設計，如圖10所示；

圖10 發罩前緣高度

3）考慮增加發動機罩鎖撞擊空間，建議發動機罩鎖布置于冷卻模塊2側；

4）發動機罩前緣凸出前防撞梁外表面距離X≤50 mm；

5）FEM前方機罩前緣弱化區域≥100 mm；

6）前保下方小腿保護梁位置凸出防撞梁前表面≥120 mm（前懸增加≥15mm）；

7）前保下方小腿保護梁位置凸出前保蒙皮≥15 mm；

8）前保下方小腿保護梁位置距離地面參考高度≤220 mm，如圖11所示。

圖11 小腿保護梁

綜上建議，針對A級轎車可以對APLI的得分提高有所幫助，但各車型的風格差異可具體探究詳細解決方案。

4 結論

對APLI和FLEX-PLI結構差異分析，APLI腿型的脛骨彎矩比FLEX-PLI增加1.2~1.5倍，內側側副韌帶MCL和前十字韌帶及PCL比FLEX-PLI增加2.1~2.3倍，結合A級轎車造型特點和開發需求，結合仿真數據對比，并細化給出確切的設計指導，APLI優化后在大腿骨加速度、脛骨彎矩、膝部韌帶位移量，都有明顯提升，總體2.932分的提升，驗證措施的有效性。

通過工程的實際設計總給，前期輸入設計建議會對造型的限制較大。前期工程各專業需要提前介入，造型、工程、項目策劃確認開發方向，共同推動。另外，新技術、新工藝的發展，也給出新腿型APLI解決方案，例如，帶氣囊系統的前保險杠等。