行人保護aPLI腿型吸能空間

譚冰花， 李博， 王亞軍， 徐立笑， 潘一鳴

(奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241006)

0 引 言

隨著人民生活水平逐步提高，汽車保有量不斷增加，道路交通環境也愈加復雜。我國是典型的混合交通的國家，行人和騎行者是交通環境中的弱勢群體，其安全性一直備受關注。我國乘用車與弱勢道路使用者碰撞事故約占總體事故比例的60%，其中車外人員受傷事故的占比高達85%，車輛的行人保護安全性能亟待提升。

在全球范圍內，行人下肢是人車事故中最常見的受傷部位，雖然通常不會危及生命，但是卻容易致殘，康復周期長，給傷者帶來沉重負擔。因此，如何保護行人下肢，減輕其與車輛發生碰撞時的傷害，已經逐漸成為汽車安全性研究的焦點問題之一。

隨著人體下肢生物力學特性研究的不斷深入，研究人員發現帶有上體簡化模塊的新型行人腿部沖擊器(advanced pedestrian legform impactor, aPLI)能更好地模擬車輛與行人碰撞中行人腿部的運動姿態。因此，中國的新車評價規程C-NCAP和歐洲的新車評價規程Euro-NCAP會分別于2022年和2023年使用aPLI腿型進行行人保護性能評價。從Flex PLI柔性腿到aPLI腿型的切換，對汽車企業是一個新的挑戰。各車企應該盡早掌握aPLI腿型對車輛造型、布置、結構等的影響，只有從最初造型設計階段開始對空間進行嚴格把控，才能最終保證行人保護性能達標。

本文基于公司某在研車型，研究aPLI腿型所需要的碰撞吸能空間，在項目前期對車輛造型以及總體布置提出合理的目標要求，避免后期因為腿部空間不足而造成性能目標無法達成，減少因重復改進而延誤項目進度的情況發生。

1 aPLI腿型簡介

aPLI腿型主體部分由簡化上半身、大腿股骨、膝關節和小腿脛骨等4部分構成。與Flex PLI柔性腿型相比，aPLI腿型主要改進6項參數：肌肉和骨骼的質量分布、骨骼撞擊表面的形狀、前交叉韌帶ACL和后交叉韌帶PCL的幾何布局(交叉韌帶改為垂直韌帶)、骨骼偏距、腳踝模擬和股骨彎曲剛度。aPLI數據測量參數增加到18個通道，見圖1。通過與完整人體假人模型傷害值對比，aPLI腿型具有比Flex PLI柔性腿型更為全面的評分體系，能更好地反應行人腿部真實的傷害過程，aPLI腿型比Flex PLI腿型的生物仿真度更高，具體參數對比見表1。

圖 1 aPLI腿型,mm

表 1 Flex PLI和aPLI腿型參數對比

Flex PLI腿型質量為(13.2±0.4) kg，aPLI腿型質量增大到(24.7±0.3) kg，因此碰撞能量也會隨之翻倍，腿部需要的吸能空間更大。本文針對轎車和SUV這2種不同車型，研究aPLI腿部吸能空間需求，在項目開發前期為總體布置提出相應要求，對公司新車型的開發提供參考。

2 腿部空間研究

仿真動畫顯示，aPLI腿型的運動姿態皆為繞中間膝蓋鉸接位置旋轉，呈現C字形運動姿態。車型前端結構和空間不同，C字形的程度不同，轎車和SUV車型中aPLI腿型的運動姿態對比見圖2。

圖 2 aPLI腿型運動姿態對比

在研車型的aPLI腿型仿真結果表明，影響行人腿部傷害值的主要因素是前保險杠總成、前保橫梁、發動機罩總成、小腿保護梁等相對位置關系，及各個總成之間的剛度匹配。各總成之間的剛度匹配因車而異，此處不再贅述。

本文主要研究各總成之間的相對位置關系(見圖3)，主要關注的空間有：前保橫梁最前端與發動機罩前緣之間的向距離；前保橫梁最前端與前保蒙皮之間的向距離；前保橫梁最前端與小腿保護梁最前端的向距離；發動機罩前緣距離地面的高度；前保橫梁中心線距離地面的高度；小腿保護梁距地面的高度。對于圖中涉及到的3個高度位置：發動機罩高度與駕駛員下視野直接相關；前保橫梁在高速碰撞以及低速碰撞中對整車起到保護作用，其高度與這些碰撞工況中的壁障高度有關；小腿保護梁的高度與車輛接近角有關。因為各高度值與整車性能相關，在項目研發前期，基于整車性能目標，3個高度基本上都是定值，所以本文主要研究向空間。轎車與SUV車輛姿態不同，因此轎車和SUV車型所需要的腿部碰撞吸能空間分開研究。

圖 3 行人保護腿部空間示意

2.1 轎車aPLI吸能空間

轎車整體姿態較低，對于aPLI腿型，發動機罩前緣和小腿保護梁的位置都在上腿部和下腿部的傳感器布置范圍內，如果aPLI上、下腿部彎矩超標，受造型限制，發動機罩前緣以及小腿保護梁上、下移動避開傳感器布置區域非常困難，所以解決問題的關鍵在于3個向空間的相互匹配。針對公司某款轎車車型aPLI腿部仿真模型，以、和為設計變量，利用LS-DYNA進行仿真模擬，在HyperStudy平臺中進行優化，使3個空間匹配更加合理，有效降低aPLI腿型傷害值。

2.1.1 優化模型

優化模型的選取對優化目標的達成至關重要：選取更易于達到目標的模型，可以加大HyperStudy的優化效率，若選取的模型不合理，可能永遠也無法得出最優解；優化分析占用計算資源過大，因此模型要求盡量簡化，但需要包含影響變量和目標值變化的所有零部件。結合以上要求，將原始仿真模型進行簡化，簡化前、后模型對比見圖4。首先進行試驗對標，確保原始仿真模型的精確度；然后基于對標后的原始模型進行簡化，得到簡化模型，要求簡化模型仿真分析結果與試驗結果誤差小于20%。基于數據對比(見表2)結果，可以判斷簡化模型可否用于進一步優化分析。

圖 4 前保仿真模型

表 2 aPLI分析結果對比

2.1.2 空間優化過程

選取車輛中間位置(=0)、水箱橫梁邊緣位置和前保橫梁邊緣位置等3個特殊位置進行研究，估算所需要的吸能空間，歸納總結行人腿部吸能空間要求，為總體布置提供依據。

簡化模型初始狀態為前保橫梁最前端面、發動機罩前緣和小腿保護梁最前端面在向處于同一平面內，前保蒙皮與前保橫梁最前面之間的向距離為60 mm(Flex PLI柔性腿型需要的最小吸能空間)。以此為基礎，結合競品車型造型和總布置對整車尺寸的要求，設置、和這3個變量。

前保橫梁最前端與發動機罩前緣之間的向距離的變化決定發動機罩總成與前端裝飾件分縫線的位置：若為正值，表示發動機蓋前緣在前保橫梁前面，則在C-IASI低速前部碰撞中發動機蓋變形嚴重，維修成本增大，不滿足客戶需求；若為負值，表示發動機蓋前緣在前保橫梁后面，則發動機蓋與前端裝飾件之間的分縫線后移，后期很難保證間隙要求，所以發動機前緣沿向前后移動的范圍為-60～60 mm。

前保橫梁最前端與前保蒙皮之間的向距離決定整車前懸架的長度，競品車型的相關測量數據以及公司現有轎車平臺要求≤120 mm，Flex PLI腿型空間的研究結果表明應≥60 mm，即只能在60～120 mm范圍內變化。

小腿保護梁應位于前保橫梁的前端，才能在碰撞中對下腿部起支撐作用，但是小腿保護梁在向比前保橫梁突出太多，勢必造成整車造型在這個區域突出太多，不符合造型的設計理念。結合整體造型風格，前保橫梁最前端與小腿保護梁最前端的向距離的變化范圍為0～80 mm。

根據行人保護行人腿部aPLI傷害值要求，約束設定為傷害值都小于高性能限值，即、、均小于390 N·m，MCL值小于27 mm，、、、均小于275 N·m，優化目標設定aPLI單點得分為滿分，設計變量與響應見表3。

表 3 設計變量與響應

采用HyperStudy優化平臺調用LS-DYNA求解器，運用全局響應面法進行最多50輪優化，其優化流程見圖5。首先，將初始行人腿部aPLI碰撞模型的K文件在HyperWorks下生成相應的TPL文件，并設置相應的設計變量及其范圍，同時定義約束和目標，提交LS-DYNA求解器；然后，采用HyperStudy讀取相應的結果信息，與設計變量的約束值與目標值對比并不斷優化，獲取最優結果。

圖 5 優化流程

2.1.3 優化結果

為更簡便快捷地找到最優解，分別用幾個模型優化空間匹配，即對3個參數中的1個參數賦值，然后采用優化軟件找到與之匹配的另外2個參數的最優解。首先確定前保橫梁最前端與前保蒙皮之間的向距離，然后利用HyperStudy優化功能找到和的最優解，這樣可以確定三者之間最合理的匹配關系。利用簡易模型定義分別為60，70，80，90，100，110和120 mm等幾種不同的情況，利用軟件優化找到與不同值相匹配的和的值，這樣可以在不同造型要求下給出滿足行人保護要求的空間變量值，優化結果見表4。

表 4 aPLI優化結果統計(部分)

由優化結果分析可知：如果前保橫梁最前端與前保蒙皮之間的向距離≤60 mm，在軟件50輪優化中未找到滿足條件的最優解，也就是說不論如何優化和，aPLI腿型安全性能都不能得到滿分；若60 mm<<90 mm，分別用2個不同的模型進行2組優化，即分別為70和80 mm，共100輪。在這些優化中，=70 mm時只有9組方案可以滿足要求，=80 mm時有35種方案可以滿足要求。在這些滿足要求的方案中，發動機罩前緣都沿著+方向移動，前保橫梁最前端與發動機罩前緣之間的向距離≥40 mm，同時小腿保護梁都沿著-的方向移動，且前保橫梁最前端與小腿保護梁最前端的向距離≥50 mm，只要滿足這些空間的要求，aPLI腿型安全性能基本上可以有較高得分。如果≥90 mm，在軟件50輪優化中，共有16種方案可以滿足要求。在這些滿足要求的方案中，發動機罩前緣幾乎不需要移動，即前保橫梁最前端與發動機罩前緣在向平齊，只需要前保橫梁最前端與小腿保護梁最前端的向距離≥50 mm，即可得到滿分。即前保橫梁最前端與前保蒙皮之間的向距離足夠大時，aPLI腿型安全性能得分較為容易。

用同樣的方法，對其他幾個位置進行優化，確定轎車aPLI腿型得分需要的吸能空間。對優化結果進行綜合評估，轎車aPLI需要的吸能空間見表5。

表 5 轎車aPLI腿型吸能空間要求

2.2 SUV車型aPLI腿型吸能空間

由SUV車型仿真分析結果可知，公司在研的幾款SUV車型aPLI腿型安全性能得分較高，這幾款車型的行人腿部碰撞吸能空間均滿足Flex PLI腿型腿部碰撞吸能空間要求(在±400 mm之間≥80 mm，在±400 mm之外≥60 mm、≥45 mm)，且aPLI腿型上腿部最高傳感器低于發動機蓋前緣。統計這幾款SUV的發動機蓋前緣高度、腿部空間以及仿真分析得分，結果見表6。

表6 SUV車型腿部空間仿真結果 mm

發動機蓋前緣高度超過aPLI腿型中最上端傳感器的位置，所以在碰撞過程中aPLI腿型上腿部主要撞擊到格柵區域，格柵區域整體強度較小，易壓潰變形，因此aPLI腿型上腿部彎矩較小；腿部碰撞吸能空間滿足Flex PLI腿型腿部空間要求，膝部韌帶伸長量MCL值及下腿部彎矩較小，總體得分較高。

綜上所述，只要SUV車型腿部空間滿足Flex PLI柔性腿型吸能空間的要求，基本上在aPLI腿型評價中都能得到較高分數，在前期CAS校核階段可以用FlexPLI柔性腿型空間要求對造型和總體布置提出合理的建議，保證后期開發能夠滿足性能要求，SUV車型aPLI和Flex PLI腿型空間要求見表7。

表7 SUV車型aPLI和Flex PLI腿型空間要求

3 結束語

通過仿真分析，總結歸納影響行人腿部傷害值的主要空間因素，聯合LS-DYNA求解器和HyperStudy優化平臺，在轎車aPLI腿型簡化碰撞模型的基礎上，對轎車3個向空間進行優化，得到轎車需要的碰撞吸能空間要求。對公司現有SUV車型aPLI腿型的仿真分析結果認為，SUV車型aPLI腿型需要的吸能空間要求與Flex PLI腿型一致。