行人保護FlexPLI與aPLI標定限值對比研究

【摘要】為探究腿型碰撞器標定試驗的工作原理，詳細對比了先進行人腿型碰撞器（aPLI）與柔性腿型碰撞器（FlexPLI）在結構上的差異，總結了腿型碰撞器動態標定和靜態標定限值確定的方法分別為混合組群均值估計法和三點彎曲撓度試驗法，歸納并比較了2種腿型碰撞器在動、靜態標定限值上存在的顯著差異，在此基礎上剖析了這些差異的內在原因，動態標定限值差異的主要原因是aPLI增加了模擬人體上肢的質量模塊，靜態標定限值差異的主要原因是aPLI腿部和膝部結構改變。

主題詞：先進行人腿型碰撞器 柔性腿型碰撞器 動態標定限值 靜態標定限值

中圖分類號：U467.1+4" "文獻標識碼：A" "DOI： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20230551

Research on Calibration Limit of aPLI in Comparison with FlexPLI

for Pedestrian Protection

Yang Rui1， Sun Limei2， Zeng Xiangyi1， Liu Wei1

（1. CATARC Automotive Test Center （Tianjin） Co.， Ltd.， Tianjin 300300; 2. Tianjin Tianzhuo Robot Technology Development Co.， Ltd.， Tianjin 300300）

【Abstract】In order to explore the working principle of legform impactor calibration test， this paper compared in detail the structural differences between advanced Pedestrian Legform Impactor （aPLI） and Flexible Pedestrian Legform Impactor （FlexPLI）， summarized the methods for determining of dynamic calibration limits and static calibration limits of legform impactor as the mixed group mean estimation method and the three-point bending deflection test method respectively. The paper also summarized and compared the significant differences between dynamic calibration limits and static calibration limits of the two types of legform impactor， and analyzed the immanent cause for these differences. The main cause for the difference in dynamic calibration limits was the addition of mass module to simulate human upper limbs in aPLI， while the main cause for the difference in static calibration limit was the structural changes in the leg structure and knee structure of aPLI.

Key words： aPLI， FlexPLI， Dynamic calibration limit， Static calibration limit

1 前言

車輛的行人保護技術已發展多年，用于評價行人腿部傷害的腿型碰撞器的力學性能逐漸趨近人體的生物力學性能[1]。目前，此類碰撞器主要包括柔性腿型碰撞器（Flexible Pedestrian Legform Impactor，FlexPLI）和先進行人腿型碰撞器（advanced Pedestrian Legform Impactor，aPLI）。二者分別為第二代和第三代腿型碰撞器，在結構設計上存在較大差異。相比較而言，aPLI的生物逼真性更佳，對車輛行人保護安全性能的要求也更高，故在更加嚴格的中國新車評價規程（China-New Car Assessment Program，C-NCAP）中取代FlexPLI，而FlexPLI未來將主要用于面向車輛準入的強制性檢驗國家標準。

腿型碰撞器是結構復雜、工藝精細、精確度高的高速碰撞類設備，需要定期進行標定測試，以保證其性能滿足車輛試驗所需的精度要求。aPLI在結構設計、材料工藝及內部電路等方面與FlexPLI相比均存在較大提升，同時也相應提高了日常維護的難度，對其標定測試的要求也更高。然而，目前國內有能力進行aPLI標定的機構和aPLI標定的相關研究工作均較少。

本文通過對比FlexPLI和aPLI的內部結構，解析2種腿型碰撞器的標定限值差異，以期為aPLI腿型碰撞器的使用和維護提供參考。

2 FlexPLI與aPLI的結構對比

aPLI在FlexPLI的基礎上進行了全面的優化設計，采用更為先進的生物仿真材料，腿型碰撞器的質量分布更接近真實的人體下肢[2-3]，二者的主要結構差異如圖1所示：aPLI在結構上的最大的改進是增加了模擬人體上肢的上部質量模塊（Simplified Upper Body Part，SUBP），可大幅提高動態標定的準確性和全面性；膝部前交叉韌帶（Anterior Cruciate Ligament，ACL）、后交叉韌帶（Posterior Cruciate Ligament，PCL）的連接方式由交叉連接改為平行連接，與人體真實狀態的相關性更高[4]；aPLI股骨的寬度較FlexPLI增加了9 mm，更大的腿骨尺寸和下窄上寬的輪廓形態更符合人體的實際比例。

另外，腿型碰撞器內部的線路布置也存在較大差異。FlexPLI有12個傳感器通道，數據采集模塊布置在膝部組件上，aPLI的數據采集模塊布置在SUBP組件上，傳感器通道增加到18個。這些結構和布置上的差異使得FlexPLI與aPLI的標定方式和標定限值均發生了較大改變，對aPLI的標定測試提出了更高的要求。

3 FlexPLI與aPLI標定限值對比

3.1 腿型碰撞器的標定條件

腿型碰撞器的標定分為動態標定和靜態標定，通常，在使用一段時間或一定次數后需對其進行動態標定，檢驗碰撞器能否滿足試驗精度的要求。在腿型碰撞器的動態標定結果超過標準限值，或經歷維修及更換零件等情況下，需對其進行靜態標定。腿型碰撞器內部的壓力傳感器精度受溫度影響，所以在標定時需實時監測環境溫度，使其保持在20±2 ℃范圍內。

根據2018年版和2021年版C-NCAP管理規則，得到FlexPLI和aPLI的標定條件如表1所示。由表1可知，FlexPLI與aPLI的靜態標定條件完全相同，動態標定條件也基本一致，僅試驗次數存在差異，aPLI的使用上限為20次，而FlexPLI的使用上限為10次。其中，FlexPLI的通道幅值等級（Channel Amplitude Class，CAC）為膝部韌帶延伸量30 mm、脛骨彎矩400 N·m，不考察股骨；aPLI的CAC為膝部韌帶延伸量38 mm、脛骨彎矩400 N·m、股骨彎矩600 N·m。

3.2 FlexPLI與aPLI動態標定限值對比

3.2.1 動態標定試驗方法

FlexPLI和aPLI具有相似的設計思路和結構型式，因此其動態標定過程基本相同，如圖2所示。腿型碰撞器自由懸掛在標定設備上并保持豎直狀態，前端固定吸能蜂窩鋁的導向滑車以11.1±0.2 m/s的速度水平撞擊腿型碰撞器的特定位置，使其在規定的時間內脫離掛鉤自由飛行，aPLI動態標定過程中的飛行姿態如圖3所示。

撞擊結束后讀取腿型碰撞器內置的數據采集模塊信息，核對各位置傳感器數據是否滿足動態標定限值的要求，腿部彎矩和韌帶伸長量等位置傳感器的數據信息在碰撞開始后前60 ms內有效。

3.2.2 動態標定限值的確定

FlexPLI和aPLI動態標定限值的確定方法一致，均為混合組群均值估計法。具體步驟為：準備3條以上的全新腿型碰撞器，在全球范圍內不同地區的官方試驗室進行多次循環標定測試，如Euro-NCAP試驗室、日本汽車研究所（Japan Automobile Research Institute，JARI）等。試驗時嚴格控制撞擊速度、位置偏差、角度偏差及環境溫度和濕度等變量，使其在較小的范圍內變動，待積累足夠數量的樣本數據后計算樣本均值μ和樣本標準差σ，標準差計算公式為：

式中：n為各位置樣本數量，xi為第i次動態標定試驗的數據。

進一步計算求得樣本數據的變異系數CV：

若CVlt;5%，表示樣本數據波動較小，具有較高的一致性，將樣本中不滿足變異系數和明顯錯誤的數據刪除。

此時可將滿足要求的樣品數據視為腿型碰撞器保持在高性能理想狀態時取得的動態標定數值，計算腿部各位置的平均值，并在此基礎上偏差±（10%～15%），即得到各位置的動態標定限值，利用1條以上的全新腿型碰撞器進行循環測試，確保標定限值兼具有效性和普適性。

3.2.3 FlexPLI與aPLI動態標定限值對比

與FlexPLI相比，aPLI由于增加了SUBP，其質量較FlexPLI增加了近一倍，重心也隨之升高，因此動態標定時沖擊腿型碰撞器膝部中心的數據結果并不能完全反映aPLI股骨的狀態，所以增加了膝部中心上方120 mm處（U120）的動態沖擊試驗以監控aPLI股骨的性能。

FlexPLI和aPLI各位置的動態標定限值如表2所示。其中，受FlexPLI的結構限制，不考察股骨的狀態，對aPLI的膝部中心（U0）位置主要考察脛骨（T1～T4處）和膝部內側副韌帶（Medial Collateral Ligament，MCL）的狀態，對U120位置主要考察股骨（F1～F3處）的狀態。

對比FlexPLI和aPLI膝部中心位置動態標定限值可知，aPLI的T1和T2處彎矩明顯較FlexPLI高，而2種腿型碰撞器的T3和T4處彎矩相差不大。這是因為T1和T2與膝部中心距離較近，aPLI的上半部分質量較大，慣性大且回彈響應較慢，導致腿型碰撞器在此位置的彎曲程度較FlexPLI大，而T3和T4與膝部中心距離較遠，受腿型碰撞器上部影響較小且二者結構及尺寸幾乎相同，故彎曲響應較為一致。

aPLI的MCL伸長量限值較FlexPLI小，主要是由于aPLI的MCL位移傳感器長度為38 mm，而FlexPLI的MCL位移傳感器長度為30 mm，在受到相同能量沖擊時，尺寸越長，拉伸弧度越小。

在標定響應方面，2種腿型碰撞器的脛骨彎矩和MCL伸長量幾乎同時達到峰值，運動姿態和軌跡一致性較強，如圖4所示，說明動態沖擊膝部中心位置時，FlexPLI和aPLI脛骨及膝部韌帶的狀態基本不受腿型碰撞器上部結構的影響，這對于考察脛骨壓力傳感器和MCL位移傳感器的性能十分有效。

3.3 FlexPLI與aPLI靜態標定限值對比

3.3.1 靜態標定試驗方法

將股骨、脛骨及膝部等組件總成通過特制夾具水平固定在剛性光滑的平面上，夾具為剛性材質，呈半圓形且與支撐平面近似線性接觸，保證受力變形過程中不影響組件的自由彎曲。分別用直徑為32 mm的圓柱形不銹鋼壓頭和直徑為100 mm的半圓柱形不銹鋼壓頭緩慢勻速壓縮組件的中心位置使組件受力彎曲，其內置的傳感器實時測量彎矩和位移數據并輸出，生成彎矩-位移曲線；當彎矩達到某一設定數值后，壓頭開始泄力，腿型碰撞器組件回彈恢復。測試開始時，壓頭應無限接近腿部組件，但不能接觸組件使其受力。股骨總成、脛骨總成及膝部總成的靜態標定過程如圖5所示。

將各組件的彎矩-位移曲線與其限值進行對比，若曲線在限值范圍內則表示組件性能良好，滿足試驗要求，反之則需要拆解組件總成，對內部腿骨進行標定。圖6所示為各組件靜態標定曲線，需要說明的是，靜態標定需要考察MCL、ACL和PCL伸長量，而動態標定只考察MCL伸長量。

3.3.2 靜態標定限值的確定

腿型碰撞器靜態標定通過三點彎曲撓度試驗確定，其簡化模型如圖7所示[7]。撓度vx與彎矩M的關系可由式（3）推導出：

式中：k為常量系數，E為材料的彈性模量，I為材料的截面慣矩，kEI為與腿型碰撞器材料及結構等自身相關的常數，W為壓力，x為最大變形處到支撐點的距離，a、b分別為受力點到兩側支撐點的距離，L為兩支撐點之間的距離。

當x=a、a=b時，L=2a，并將M=Wa/2代入式（3），簡化后得：

由圖7可知，撓度與彎矩成正比關系，故靜態標定過程中腿型碰撞器組件受力彎曲的彎矩與位移的關系為一條斜率固定的直線，確定斜率即可得到腿型碰撞器靜態標定的限值。

確定斜率的方法與動態標定限值確認方法基本相同，分別準備3組以上的全新腿型碰撞器組件，并在全球范圍內不同地區的官方試驗室進行多次循環靜態標定測試，嚴格控制腿骨剛度及壓頭與夾具支撐點的距離等對靜態標定結果影響較大的參數，使其盡量保持一致。膝部總成沒有腿骨，故只需關注支撐點距離。

靜態標定三點彎曲試驗是連續進行的，任意時刻的彎矩與位移的比值為該時刻的斜率，理論上斜率應相同，且在彎矩-位移關系圖中呈現為一條直線，但在實際試驗中，受各種誤差的影響，斜率并不完全相同，而是分布在理論值周圍，在力-時間關系圖中通過對其進行擬合呈現出一條光滑曲線，如圖8所示，其中Ftrigger為壓力傳感器觸發時的力，t0為觸發時刻。在此基礎上，應用最小二乘法將曲線近似成直線，得到本次試驗的斜率。

腿型碰撞器組件的最終斜率是循環試驗平均數值與腿骨剛度系數平均值及支撐距離平均值的加權結果，腿骨剛度系數和支撐距離通過試驗獲得。表3所示為脛骨總成靜態標定循環試驗得到的某一組試驗的加權結果。

加權斜率為試驗斜率與腿骨剛度系數及支撐距離的乘積。多組加權斜率運用混合組群均值法，根據式（1）去除CVgt;5%的無效數據，并對剩余斜率求均值即可得到最終斜率。確定斜率的彎矩-位移關系y=sd，其中y為彎矩，d為位移，s為斜率，通過確定限值通道寬度h即可得到靜態標定限值。根據大量樣品數據結果并結合統計學上標準誤差范圍算法，確定限值通道寬度h為正、負最大彎矩的5%，此時得到的y=sd±h即為靜態標定的限值。

3.3.3 FlexPLI與aPLI靜態標定限值對比

根據腿型碰撞器制造商提供的FlexPLI和aPLI靜態標定限值如表4所示。通過對比發現，二者脛骨的標定限值高度接近，這是因為FlexPLI和aPLI脛骨的腿骨剛度及尺寸相同，傳感器布置位置相同，組件截面輪廓相差不大，施加同樣的力矩時腿型彎曲變形幅度幾乎一致，導致限值曲線基本相同。

對比股骨的限值可知，aPLI的斜率和限值通道范圍均明顯較FlexPLI高。這是因為aPLI的股骨腿骨寬度尺寸較FlexPLI大9 mm，因此aPLI股骨的腿骨剛度更高，組件輪廓更大，抵抗彎曲變形的能力更強。在施加相同力矩的條件下，股骨總成所需的徑向位移更小，反映在彎矩-位移曲線上則為斜率更陡，限值通道也更大。

雖然2種腿型碰撞器的腿部彎矩限值存在差異，但趨勢基本一致，而對比膝部韌帶伸長量發現，二者限值差異顯著。MCL伸長量保持了與腿部彎矩相似的趨勢，斜率和限值通道都比較接近，而ACL和PCL不僅與自身的MCL差異明顯，腿型之間相同位置對比亦差異顯著，尤其比較2種腿型的PCL伸長量斜率相差已超過數十倍，經過分析可知，造成該現象的主要原因是膝部結構重新設計。如圖3所示，FlexPLI和aPLI的MCL都位于膝部后側，靜態標定時與壓力方向垂直且共面，與脛骨和股骨的受力彎曲形態類似，故其限值方程變化不大。而aPLI的ACL和PCL的結構及布置在FlexPLI基礎上進行了顛覆性的改進，由交叉連接改為平行連接，靜態標定時與壓頭的距離從近到遠依次為ACL、PCL、MCL。距離越遠，變形量越大，斜率也就越大，所以aPLI的MCL伸長量斜率最大，ACL伸長量斜率最小。由于FlexPLI的ACL和PCL為交叉排列，彎曲程度遠低于平行排列的形式，因此其斜率與aPLI對比較小，且遠小于MCL。

值得注意的是，膝部總成中裝配很多鋼絲繩和彈簧等可伸縮變形的部件，靜態標定初始時膝部的彎曲變形主要被其中的鋼絲繩和彈簧吸收，模擬韌帶伸縮的拉線傳感器并不會伸長，反映在彎矩-位移曲線上為位移的變化具有一定遲滯性，這也是膝部韌帶的限值通道寬度明顯較脛骨和股骨大的原因。

4 結束語

本文首先介紹了FlexPLI和aPLI在標定試驗中的應用場景，分析了2種腿型碰撞器在結構設計和模塊布置上的顯著差異，以及這些差異對標定限值的影響，總結了FlexPLI和aPLI動、靜態標定的試驗方法、限值確定方法，進而對比了2種腿型碰撞器的限值，并解析了限值曲線的內在規律。

在動態標定方面：與FlexPLI相比，aPLI增加了模擬人體上肢的質量模塊，對動態標定限值影響較大，故對aPLI增加膝部中心上方120 mm處的動態標定試驗，以提升標定限值的準確性；FlexPLI與aPLI的動態標定限值均采用混合組群均值估計法確定，aPLI的標定限值較FlexPLI標定限值略高。

在靜態標定方面：與FlexPLI相比，因aPLI的股骨、腿骨尺寸增加，膝部結構優化改進，對股骨總成和膝部韌帶的靜態標定限值有較大的影響；FlexPLI和aPLI的靜態標定限值均由三點彎曲撓度試驗確定，二者脛骨彎矩及MCL伸長量的靜態限值差異均不顯著，aPLI的股骨靜態標定限值略高于FlexPLI，而aPLI的膝部ACL伸長量和PCL伸長量限值遠大于FlexPLI。

參 考 文 獻

[1] KONOSU A， ISSHIKI T， TAKAHASHI Y. Development and Evaluation of the Advanced Pedestrian Legform Impactor Prototype Which Can Be Applicable to All Types of" " " " " Vehicles Regardless of Bumper Height-Part 2： Actual Test Tool[C]// International Research Council on Biomechanics of Injury （IRCOBI）. Malaga， Spain： IRCOBI， 2016： 786-799.

[2] ISSHIKI T， ANTONA-MAKOSHI J， KONOSU A， et al." " Consolidated Technical Specifications for the Advanced" " "Pedestrian Legform Impactor （aPLI）[C]// International" " " "Research Council on Biomechanics of Injury （IRCOBI）." " Athens， Greece： IRCOBI， 2018： 284-301.

[3] ROTH F， TAKAHASHI Y， INSEL O. aPLI- The New" " " Legform Impactor[C]// IRCOBI Conference. Bergisch" " " " Gladbach， Germany： IRCOBI， 2019： 103-112.

[4] ISSHIKI T， ANTONA-MAKOSHI J， KONOSU A. Optimal Specifications for the Advanced Pedestrian Legform Impactor[J]. Stapp Car Crash Journal， 2017（61）： 373-395.

[5] 中國汽車技術研究中心有限公司. C-NCAP管理規則（2018年版）[S]. 天津： 中國汽車技術研究中心有限公司， 2018： 153.

China Automotive Technology Research Center Co.， Ltd.." " C-NCAP Management Rules （2018 Edition）[S]. Tianjin：" "China Automotive Technology Research Center Co.， Ltd.， 2018： 153.

[6] 中國汽車技術研究中心有限公司. C-NCAP 管理規則（2021年版）[S]. 天津： 中國汽車技術研究中心有限公司， 2021： 28.

China Automotive Technology Research Center Co.， Ltd.." "C-NCAP Management Rules （2021 Edition）[S]. Tianjin：" "China Automotive Technology Research Center Co.， Ltd.， 2021： 28.

[7] BEEN B. Review and Update Certification Test Corridors and Test Methods[C]// Tsukuba， Japan： JARI， 2012： 28-31.

[8] CELLBOND. aPLI SBL-B User Manual WEB[M]. UK： Cellbond， 2020： 55-57.

[9] HUMANETICS. UM-FlexPLI User Manual[M]. USA： Humanetics， 2016： 80-83.

（責任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2023年6月16日。

【引用格式】 楊瑞， 孫麗梅， 曾祥義， 等. 行人保護FlexPLI與aPLI標定限值對比研究[J]. 汽車技術， 2024（4）： 40-46.

YANG R， SUN L M ， ZENG X Y， et al. Research on Calibration Limit of aPLI in Comparison with FlexPLI for Pedestrian Protection[J]. Automobile Technology， 2024（4）： 40-46.