袁堂軍，余小巧

吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315000

0 引言

隨著生活水平的提高，汽車逐步成為大眾出行的必備工具，汽車保有量逐年增加，行人的安全問題愈發(fā)突出。據(jù)調查，行人傷害達到簡化傷害標準(abbreviated injury score,AIS)2級以上的身體傷害區(qū)域中，下肢的傷害比例為34%，而44.2%的下肢損傷是由汽車前保險杠的碰撞引起的。在碰撞過程中，行人下肢受到剪切、彎曲組合作用，易造成膝蓋錯位、韌帶撕裂、骨折等傷害，嚴重受損甚至會導致永久性殘疾。

歐盟新車評價規(guī)程(Euro-new car assessment program,Euro-NCAP)將行人保護碰撞作為其星級評定的內容。為降低行人下肢損傷，Euro-NCAP于2014年采用FLEX-PLI作為試驗腿型。我國也于2018年實施的C-NCAP新增行人保護評價，采用FLEX-PLI作為試驗腿型。

近年來研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)LEX-PLI盡管在仿生學上進步巨大，但未考慮碰撞過程中人體上半身對下肢的影響，其響應與真實行人碰撞存在差異，因此我國C-NCAP評價率先采用aPLI行人腿型。aPLI行人腿型相比FLEX-PLI作了一系列更新，如上部增加了一個可以轉動和滑動的質量塊 (SUBP模塊)，調整了腿型的質量分布更接近真實人體下肢結構，結構上增加股骨的偏移，調整交叉韌帶布置位置更真實模擬人體膝蓋關節(jié)，腿型下部增加自由度較大的關節(jié)來模擬腳踝的運動，如圖1所示。

圖1 FLEX-PLI與aPLI行人腿型示意

由于在碰撞過程中，aPLI行人腿型上部增加質量塊后，向后運動趨勢更加明顯，導致膝部彎曲嚴重，小腿彎矩損傷增加。相比FLEX-PLI腿型，aPLI行人腿型更難得分。而SUV車型由于通過性存在要求，其接近角一般設計較大，自身離地間隙較高，碰撞過程中對腿部保護更為不利，且針對轎車的行人保護前部防護措施并不適用于SUV。文中通過某小型SUV車型基于LS-DYNA仿真分析對車輛前端結構進行優(yōu)化設計，aPLI行人腿型得分提升，優(yōu)化方案效果明顯，為后續(xù)其他車型開發(fā)提供參考。

1 aPLI行人腿型沖擊車輛前端工況性能設計

1.1 工況介紹

根據(jù)2021版C-NCAP評估規(guī)程要求，aPLI離地高度設定25 mm，以40 km/h的速度自由飛行撞擊車輛前端，根據(jù)碰撞點的選取方法，確定分析車型的測試點共計15個。碰撞測試工況如圖2所示。

圖2 碰撞測試工況

評價方法如下：

(1)評價指標包括小腿彎矩4個，大腿彎矩3個以及膝部內側副韌帶()的伸長量。

(2)在整個腿部試驗區(qū)域，aPLI腿部滿分總計5分。

(3)每個測試點的最高得分為1分，最低0分。其中大腿彎矩最高得分0.4分，小腿彎矩最高得分0.4分，膝部韌帶伸長量最高得分0.2分。

(4)大腿彎矩高性能限值為390 N·m，低性能限值為440 N·m;小腿彎矩高性能限值為275 N·m,低性能限值為320 N·m;膝部內側副韌帶伸長量()高性能限值為27 mm，低性能限值為32 mm。

(5)評分依據(jù)高性能限值和低性能限值采用線性差值方法分別計算各個評價指標得分，最終得分為大腿彎矩、小腿彎矩及三者得分之和。

(6)大腿、小腿彎矩評分時取損傷值最大的一個進行評分，膝部韌帶前交叉韌帶伸長量()、后交叉韌帶伸長量()作為監(jiān)測項，不參與評分。

1.2 性能設計

車輛前端結構主要由發(fā)動機蓋總成、前格柵總成、前貫穿燈總成、前保安裝骨架、前保防下潛安裝支架、行人小腿保護梁、前組合大燈等組成如圖3所示。

圖3 車輛前端結構示意

aPLI行人腿型性能設計需要綜合考慮大腿彎矩得分，小腿彎矩得分及得分。行人大腿得分與車輛前端的造型、總布置及相關零部件結構設計密切相關。行人小腿與保險杠碰撞過程中，橫向剪切和彎曲是小腿兩種最重要的響應。行人小腿的傷害主要與車輛保險杠泡沫材料、下副保險杠和發(fā)動機罩前沿的相對位置以及剛度有關。

碰撞過程中碰撞結構的剛度及腿部吸能空間，對于行人保護非常重要。為了減少aPLI腿部損傷值，滿足研究車型安全目標得分，需要對車輛前端結構進行性能設計。根據(jù)圖3可以看出，小型SUV前保安裝骨架及前貫穿燈等車輛前端上部支撐正對aPLI大腿上部彎矩和中部彎矩，中部支撐(防撞梁)正對aPLI膝部模塊，下支撐(行人小腿保護梁)正對aPLI小腿中上彎矩。

aPLI行人腿型沖擊車輛前端工況將與前保蒙皮、行人小腿保護梁、前保安裝骨架、前保防下潛支架、前貫穿燈及前組合大燈、機蓋總成等結構發(fā)生碰撞接觸。沖擊過程大致分為4個階段：

第一階段：初始接觸階段(0～15 ms)，上、下部支撐接觸，aPLI行人腿型上下部開始受力彎曲；

第二階段：吸能階段(15～30 ms)，車輛前端全面接觸，上、中及下部支撐受力趨于峰值，aPLI行人腿型損傷值趨于峰值；

第三階段：反彈階段(30～45 ms)，車輛前端完全接觸吸能結束，上、中及下部支撐開始反彈，aPLI行人腿型損傷值由峰值趨于減??；

第四階段：結束(45～60 ms)，aPLI行人腿型完全遠離車輛前端。

基于aPLI行人腿型碰撞整個過程分析，如果上、中及下部支撐剛度大導致第二階段吸能不充分，將導致aPLI行人腿型彎矩損傷值超標，aPLI行人腿型不能得分。另外，如果上、中及下部支撐剛度匹配不合理，aPLI行人腿型呈現(xiàn)“C”字形彎曲，導致aPLI行人腿型不得分。大腿彎矩和小腿彎矩與存在關系：+∝，需要平衡大腿彎矩、小腿彎矩及損傷值，綜合考慮aPLI行人腿型整體得分。

綜合考慮以上影響因素，針對車輛前端結構提出如下設計方案：

(1)車輛前端采用朝天縫設計，前機罩硬點后移；

(2)前保安裝骨架、前保防下潛支架及大燈安裝支架設計失效斷裂，實現(xiàn)碰撞的時候發(fā)生潰縮；

(3)前貫穿燈與前保安裝骨架連接，當前保安裝骨架失效后一同向后運動；

(4)前保蒙皮距離前防撞梁留有100 mm空間，前貫穿燈后部留有80～100 mm空間，前組合大燈后部留有40～50 mm空間，保證足夠的腿部吸能空間。

車輛前端結構設計要求見表1。

表1 車輛前端結構設計要求

基于上述設計要求，通過LS-DYNA仿真分析得出aPLI行人腿型得分4.218分，如圖4所示(車輛前端左右對稱呈現(xiàn)車輛左側狀態(tài)，下同)。

圖4 aPLI行人腿型得分結果

2 aPLI行人腿型沖擊車輛前端試驗驗證

根據(jù)LS-DYNA仿真分析結果，策劃aPLI行人腿型沖擊車輛前端試驗。首先驗證前期仿真階段性能設計要求在實車上的表現(xiàn)，其次驗證aPLI行人腿型損傷值仿真與試驗一致性問題。

仿真與實車驗證對比如圖5所示，經(jīng)對比可以看出：上述結構斷裂失效形式的實車表現(xiàn)與仿真基本一致，性能設計基本滿足前期設定的要求。

圖5 仿真與實車驗證對比

鑒于篇幅所限，文中以測試點L4對aPLI行人腿型仿真與試驗損傷值一致性進行分析說明。其中表2為仿真與試驗損傷值對比，圖6為仿真與試驗損傷曲線對比。

圖6 仿真與試驗損傷曲線對比

表2 仿真與試驗損傷值對比

由表2可知，aPLI行人腿型損傷值仿真與試驗相比誤差在10%左右，一致性較好。

由圖6可以看出，通過仿真與試驗損傷曲線對比，兩者趨勢和峰值基本吻合。

由此可證明，前期仿真設計準確度較高，分析結果可信。

3 優(yōu)化設計

為了獲得更高的aPLI行人腿型得分，主要通過提升小腿彎矩得分來實現(xiàn)，有效的方法是調整行人小腿保護梁的結構剛度，增加小腿向后的侵入量，從而達到小腿彎矩損傷值降低的目的。

3.1 優(yōu)化方案

圖7為仿真動畫示意。

圖7 仿真動畫示意

通過結合圖6仿真曲線及圖7仿真動畫可以看出：

(1)小腿彎矩損傷值在15 ms左右已達到峰值，說明行人小腿是在接觸階段由于行人小腿保護梁的剛度大導致的損傷值超標，不是處于回彈階段；

(2)小腿接觸前保蒙皮，前保蒙皮盒裝結構擠壓小腿保護梁加強筋，導致行人小腿無法向后運動，侵入量不足。

基于上述原因分析，提出如下優(yōu)化方案：

(1)行人小腿保護梁前端取消加強筋；

(2)前保蒙皮盒裝結構對應位置取消行人小腿保護梁雙十字交叉加強筋；

(3)測試點L6位置區(qū)域行人小腿保護梁前端開長條弱化孔。

優(yōu)化方案示意如圖8所示。

圖8 優(yōu)化方案示意

3.2 優(yōu)化方案驗證

基于優(yōu)化方案進行仿真分析驗證，優(yōu)化后的小腿彎矩損傷曲線如圖9所示，優(yōu)化后的aPLI行人腿型得分結果如圖10所示。由圖9可以看到，優(yōu)化后小腿彎矩損傷值由280.39(N·m)降低至187.10(N·m)，降低33.2%;由圖10可以看到，aPLI腿部整體得分由4.218分提升至4.500分，提升6.27%，優(yōu)化方案有效且效果明顯。

圖9 優(yōu)化后的小腿彎矩損傷曲線

圖10 優(yōu)化后的aPLI行人腿型得分結果

4 結論

本文依據(jù)一款小型SUV車型，基于aPLI行人腿型對車輛前端設計及優(yōu)化，并進行一系列仿真和試驗驗證，結果表明：

(1)前期仿真階段，對車輛前端結構提出了設計要求，通過試驗驗證基本滿足設定目標。

(2)經(jīng)過仿真和試驗數(shù)據(jù)及曲線對比分析，表明仿真模型精確度較高，可指導對產品的優(yōu)化設計。

(3)針對行人小腿保護梁的優(yōu)化設計，有效降低aPLI行人小腿彎矩損傷值，提升aPLI行人腿型整體得分。

(4)基于aPLI行人腿型的車輛前端設計及優(yōu)化方法可行，后續(xù)將通過試驗對優(yōu)化方案進一步驗證。