王鵬翔 柳惠君 李月明 蘆連 商恩義

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江省汽車安全技術(shù)研究重點實驗室，寧波 315336）

主題詞：中國新車評價規(guī)程 行人保護 先進行人腿型 上體模塊 前端結(jié)構(gòu)

1 前言

為了更好地模擬各種車型與行人碰撞事故中行人下肢的運動和損傷響應(yīng)，日本汽車研究所（Japan Automobile Research Institute，JARI）和日本汽車制造商協(xié)會（Japan Automobile Manufacturers Association，JAMA）開發(fā)了先進行人腿型（Advanced Pedestrian Legform Impactor，aPLI）。通過對36 款簡化車型與世界范圍內(nèi)正在使用的人體模型進行分析和對標，已證明aPLI 能夠較好地體現(xiàn)人體下肢在碰撞過程中的生物力學(xué)響應(yīng)。

為了提升行人保護評價體系的實用性，2021 年版中國新車評價規(guī)程（China New Car Assessment Program，C-NCAP）采用aPLI 替代了傳統(tǒng)柔性行人腿型（Flexible Pedestrian Legform Impactor，F(xiàn)lexPLI）和交通研究實驗室（Transport Research Laboratory，TRL）上腿型，進行行人保護腿部碰撞試驗。試驗時，用aPLI以40±0.72 km/h的速度按照規(guī)定方向撞擊保險杠，根據(jù)每次獲得的腿部彎矩以及膝部韌帶伸長量等性能指標進行評分。FlexPLI 質(zhì)量為13.2 kg，相對FlexPLI，aPLI 在大腿和小腿質(zhì)量和結(jié)構(gòu)略有變動的情況下，在大腿上方增加了質(zhì)量為11.8 kg 的上體模塊（Simplified Upper Body Part，SUBP），總質(zhì)量達到24.5 kg，即aPLI 相對FlexPLI 質(zhì)量增加了約11.3 kg，且集中在腿型上端，導(dǎo)致原有腿型損傷機理無法直接借鑒。為在aPLI 試驗評價體系條件下更好地開發(fā)車體前端行人保護結(jié)構(gòu)，胡帥帥、楊瑞、陳琳等對FlexPLI、帶上體模塊的柔性行人腿型（Flexible Pedestrian Legform Impactor with Upper Body Mass，F(xiàn)lexPLIUBM）與aPLI 進行了對比研究，指出了各腿型間質(zhì)量、質(zhì)心、結(jié)構(gòu)等的具體差異。其中，楊瑞根據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)對轎車和SUV的aPLI試驗得分情況進行了對比研究，徐?；鄣葘UV車燈帶結(jié)構(gòu)等對aPLI的影響進行了針對性研究。本文通過某轎車和某SUV不同位置的aPLI 試驗，對aPLI 的運動過程及不同運動階段各部位傷害的敏感性進行探討，并從緩解腿型敏感程度的角度提出車體前端結(jié)構(gòu)開發(fā)思路。

2 aPLI結(jié)構(gòu)

aPLI 結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由SUBP、大腿、膝部和小腿構(gòu)成。依據(jù)用戶手冊建立aPLI坐標系：向為腿型發(fā)射狀態(tài)下前視圖左右方向，向右為正；向為腿型發(fā)射狀態(tài)下前視圖前后方向，向后為正；向為腿型上下方向，向下為正。對于aPLI，在SUBP 質(zhì)心測量3 個方向的加速度和角速度，在大腿部位測量3個位置的向彎矩，具體位置分別為F1、F2和F3；在膝部質(zhì)心測量向加速度和角速度，以及前交叉韌帶（Anterior Cruciate Ligament，ACL）、后交叉韌帶（Posterior Cruciate Ligament，PCL）、內(nèi)側(cè)副韌帶（Medial Collateral Ligament，MCL）位置的韌帶伸長量；在小腿部位測量T1、T2、T3 和T4 位置的向彎矩。

圖1 aPLI結(jié)構(gòu)

3 aPLI碰撞過程研究

為了研究aPLI 在碰撞中的運動過程，對某轎車H和某款SUV車型E進行aPLI行人碰撞試驗。2021年版C-NCAP管理規(guī)則附錄B中，指定了腿型試驗區(qū)域網(wǎng)格點標記和編號方法，按照其規(guī)定對車輛H和車輛E的保險杠蒙皮進行碰撞區(qū)域的劃分及編號。鑒于車輛前端與aPLI接觸高度及車輛前端正面與前端邊緣結(jié)構(gòu)是影響試驗結(jié)果的關(guān)鍵因素，而車輛縱向中心平面向右平移400 mm 與保險杠區(qū)域外輪廓的交線（L+4）位置能夠代表正面，同時可規(guī)避對稱中心的特殊性，車輛縱向中心平面向右平移600 mm 與保險杠區(qū)域外輪廓的交線（L+6）位置處在前端邊緣，能夠代表不規(guī)則位置，確定以車輛H L+4位置和車輛E L+4、L+6位置為研究重點，分別用H、E和E表示，進行正式試驗。

3.1 試驗錄像截屏分析

3次試驗aPLI碰撞過程錄像截圖如圖2所示。

圖2 aPLI試驗錄像截圖

H試驗中：第5 ms 時，aPLI 處于直立狀態(tài)；第10 ms 時，aPLI 小腿末端明顯向前彎曲，保險杠頂端開始潰縮變形；第15 ms 時，車體前端上沿部位對應(yīng)F3位置附近，卡在SUBP 下方，且發(fā)動機罩前端已發(fā)生變形，小腿末端向前彎曲更大；第15～30 ms，SUBP 向前下方傾斜，保險杠頂部區(qū)域被壓縮變形，小腿被向上蹺起；第30～45 ms，SUBP 與大腿產(chǎn)生夾角；第45 ms 后，發(fā)動機罩前端等被壓縮部分彈性復(fù)位，aPLI 被彈離；第150 ms時，aPLI騰空近似水平。

E試驗中：第5 ms時，aPLI處于直立狀態(tài)，保險杠頂端開始潰縮變形；第10 ms 時，aPLI 小腿末端向前彎曲，保險杠頂端潰縮，發(fā)動機罩前端被頂起；第15 ms時，保險杠頂端對應(yīng)髖關(guān)節(jié)部位，支撐在SUBP 后方偏下位置，小腿末端向前彎曲，但相對H彎曲角度較小；第15～25 ms，SUBP向前下方俯沖，保險杠頂部區(qū)域被壓縮變形，小腿被向上蹺起；第25～35 ms，SUBP 與大腿產(chǎn)生夾角；第35 ms 后，發(fā)動機罩前端等被壓縮部分彈性復(fù)位，aPLI 被彈離；第150 ms 時，aPLI 騰空與水平面夾角約60°。

E試驗中：第5 ms 時，aPLI 小腿末端已向前輕微彎曲；第10 ms時，腿型頂部已開始前傾；第15 ms時，腿型開始翻轉(zhuǎn)；第20 ms時，保險杠頂端托在SUBP前方偏下位置并已潰縮，腿型膝部位置弧度增大；第25 ms時，發(fā)動機罩前端被壓向下，小腿被向上蹺起；第30 ms時，SUBP前傾角度增大，與大腿之間夾角減小，保險杠頂部復(fù)位，發(fā)動機罩前沿被進一步下壓；第40 ms后，發(fā)動機罩前端等被壓縮部分彈性復(fù)位，aPLI 被彈離，腿型發(fā)生扭轉(zhuǎn)；第150 ms時，aPLI騰空與水平面夾角約30°。

E試驗和H試驗相比，第25 ms前aPLI姿態(tài)比較相似，后續(xù)差別較大。

3.2 發(fā)動機罩前沿碰撞分析

試驗后發(fā)動機罩前端如圖3 所示：H試驗中SUBP 撞擊在發(fā)動機罩前端頂部，痕跡明顯；E試驗中SUBP 撞擊在發(fā)動機罩前沿位置，該處凹陷明顯；E試驗中發(fā)動機罩前端側(cè)沿有接觸痕跡，無明顯變形。

圖3 試驗后發(fā)動機罩碰撞位置對比

3.3 試驗加速度分析

3 次試驗SUBP 的向加速度a和膝部的向加速度a對比如圖4 所示。圖4a 中：a在約第5 ms 時峰值為1 316 m/s，約第11 ms時峰值為1 105 m/s，約第15 ms 時出現(xiàn)撞擊過程中的最后一個峰值，約第28 ms時膝部翹起過程中加速度達到-250 m/s；a在約第5 ms時出現(xiàn)第一個峰值165 m/s，約第29 ms時出現(xiàn)最大峰值425 m/s，此后曲線開始下降；約第45 ms后，a和a近似同步。圖4b中：a在約第2 ms時峰值為1 363 m/s，約第6 ms時峰值為1 950 m/s，約第11 ms時出現(xiàn)撞擊過程中的最后一個峰值，約第24 ms 時，膝部翹起過程中加速度達到-240 m/s；a在約第4 ms 時出現(xiàn)第一個峰值543 m/s，約第22 ms時出現(xiàn)最大峰值686 m/s，此后曲線開始下降；約第39 ms時，a和a趨于同步。圖4c中：a在約第6 ms 時峰值為1 494 m/s，在約第8 ms 時峰值為1 264 m/s，在約第10 ms時出現(xiàn)撞擊過程中的最后一個峰值，在約第40 ms 時，在膝部翹起過程中加速度達到-312 m/s，此波峰波動持續(xù)至約第48 ms；a在約第5 ms時曲線出現(xiàn)第一個峰值226 m/s，約第10～23 ms出現(xiàn)持續(xù)波動波峰，最大峰值為226 m/s。E試驗與E試驗中a與a前25 ms比較接近。

圖4 中，a最后一個峰值出現(xiàn)時，a均處于上升起步階段。a上升是SUBP 已開始前傾碰撞所致，因此，結(jié)合膝部碰撞對應(yīng)區(qū)域通常為防撞橫梁加吸能塊，彈性變形很小，可以確認膝部與碰撞區(qū)的脫離是因SUBP開始前傾蹺起小腿所致。

圖4 SUBP ayu與膝部ayk

3.4 碰撞過程綜合分析

綜合圖2～圖4，aPLI 行人保護試驗過程可分成3 個階段：水平撞擊、SUBP 俯沖撞擊和SUBP 旋轉(zhuǎn)撞擊。水平撞擊階段，膝部近似水平撞擊保險杠至SUBP前傾小腿開始被蹺起，此時a出現(xiàn)最后一個峰值；SUBP 俯沖撞擊階段，aPLI以保險杠上端支撐區(qū)域為支點，SUBP向前下方俯沖撞擊，小腿被向上蹺起，過程中支點區(qū)域受壓縮變形，俯沖撞擊過程至SUBP碰撞區(qū)域變形結(jié)束為止，結(jié)束時刻為a最后波峰時刻；SUBP旋轉(zhuǎn)撞擊階段，SUBP 所接觸部位變形完成，SUBP 俯沖受限，其剩余動能使其開始以髖關(guān)節(jié)為軸旋轉(zhuǎn)，此過程中aPLI 被沿軸向提升，小腿依然被蹺起，該過程直至aPLI 彈離。aPLI彈離時刻可以定為a和a趨于同步時刻，或錄像確認腿型相對自由可以開始繞軸轉(zhuǎn)動時刻。按此方法劃分3次aPLI試驗過程如表1所示。

表1 aPLI試驗過程劃分

4 aPLI各部位傷害敏感性分析

4.1 大腿傷害分析

3 次aPLI 試驗中大腿彎矩M如圖5 所示。圖5中，3 次試驗M最大幅值分別出現(xiàn)在第36～45 ms、第26～33 ms和第25～31 ms范圍內(nèi)，主要發(fā)生在SUBP旋轉(zhuǎn)撞擊階段，且主要發(fā)生在F3位置。

圖5 aPLI試驗大腿彎矩Mxu

4.2 膝部韌帶傷害分析

3 次aPLI 試驗中膝部韌帶伸長量如圖6 所示。圖6 中，3 次試驗中均是MCL 伸長量最大，最大值分別出現(xiàn)在第29 ms、第15～26 ms 范圍內(nèi)和第30～44 ms 范圍內(nèi)。按碰撞階段劃分，H和E均發(fā)生在SUBP 俯沖撞擊結(jié)束前后，而E在SUBP 旋轉(zhuǎn)撞擊階段出現(xiàn)2 個峰值。由圖2 可知，相對轎車，SUV 車型保險杠上、下支撐點之間跨度大，對aPLI 的支撐作用更好，試驗中韌帶伸長量相對較小。由圖2～圖4 可知，對于同款車不同碰撞位置：水平撞擊和SUBP 俯沖撞擊階段，E中發(fā)動機罩前沿既發(fā)生塑性變形，也發(fā)生了彈性變形，保險杠正面對膝部碰撞作用較強，膝部韌帶損傷相對較大，E中發(fā)動機罩前沿只發(fā)生下壓彈性變形，對SUBP緩沖作用弱，但膝部韌帶損傷偏輕；碰撞后期，E中發(fā)動機罩前沿彈性恢復(fù)過程中對SUBP 彈開作用明顯，彎曲的aPLI 快速復(fù)原，E中發(fā)動機罩前沿彈性變形復(fù)位過程中有明顯上挑SUBP、蹺起小腿的過程，該過程進一步加重了aPLI 彎曲程度，加重了膝部韌帶損傷。

圖6 膝部韌帶伸長量

4.3 小腿彎矩傷害分析

3 次aPLI 試驗小腿彎矩M如圖7 所示。由圖7 可知：H試驗中，在約第15 ms時，aPLI小腿T2和T3位置M幾乎同時達到最大值226 N·m，在約第29 ms 時，小腿T1 位置M達到最大值151 N·m；E試驗中，在約第7 ms時，小腿T3位置M達到峰值135 N·m，并在高位持續(xù)至第12 ms，在約第23 ms 時，小腿T1 位置M達到峰值136 N·m；E試驗中，在約第6 ms時，aPLI小腿T3位置M達到峰值103 N·m，并在高位持續(xù)至第10 ms，在約第44 ms時，小腿T1位置M達到峰值130 N·m。

圖7 小腿彎矩Mxl

建立aPLI 加速度a和a與小腿彎矩M間的對應(yīng)關(guān)系如圖8所示。H試驗中：在水平撞擊階段，小腿T2和T3 位置M與a具有相關(guān)性。E試驗中：在水平撞擊階段，小腿T3位置M與a具有相關(guān)性；在SUBP俯沖撞擊階段，小腿T1位置M與a波峰及a波谷具有相關(guān)性。E試驗中：在水平撞擊階段，小腿T3位置M與a具有相關(guān)性；在SUBP旋轉(zhuǎn)撞擊階段，小腿T1位置M與a波谷具有相關(guān)性。

圖8 ayk和ayu與小腿彎矩Mxl的關(guān)系

5 結(jié)果討論

5.1 車前端基于aPLI各部位傷害敏感性的設(shè)計思路

按照依據(jù)a、a和錄像信息，碰撞過程可分成3 個階段，大腿最大M最可能發(fā)生在F3處，發(fā)生在第3階段SUBP繞髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動通過大腿蹺起小腿過程中。韌帶最大伸長量發(fā)生在MCL處，發(fā)生在第2階段支點壓縮變形小腿蹺起過程中或第3 階段小腿蹺起過程中。小腿最大M可能發(fā)生在第1 階段，在與保險杠下支撐最接近位置，也可能發(fā)生在第3 階段，在T1 處，小腿被蹺起過程中，此時，小腿M最大值產(chǎn)生時刻與膝部韌帶伸長量最大值產(chǎn)生時刻基本相同。

因此，可以確認水平撞擊階段被吸收能量越多、保險杠頂端及發(fā)動機罩結(jié)構(gòu)對SUBP 的俯沖及旋轉(zhuǎn)限制越強，aPLI整體傷害將越小。

當前，車輛前端基于行人保護碰撞支撐路徑通常有上、中、下3 條，上部路徑是發(fā)動機罩及保險杠頂部結(jié)構(gòu)，中部路徑是前防撞梁及吸能塊，下部路徑是蒙皮格柵的下部支撐結(jié)構(gòu)。上部支撐結(jié)構(gòu)位置應(yīng)盡可能高，且規(guī)避對大腿區(qū)域直接產(chǎn)生近似水平支撐作用，下部支撐應(yīng)盡可能低，即盡可能增大對腿型的支撐范圍并規(guī)避對大腿的剪切支撐。3條支撐結(jié)構(gòu)強度應(yīng)略高，且有一定變形區(qū)，即在水平撞擊過程中盡可能更多地吸收aPLI動能。相對而言，上部支撐結(jié)構(gòu)保險杠頂端強度要偏弱，在SUBP 俯沖撞擊過程中通過潰縮變形吸收SUBP動能，同時增大與SUBP的接觸面積，加強對SUBP俯沖與旋轉(zhuǎn)的限制。對于發(fā)動機罩前沿，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)考慮對SUBP 俯沖和旋轉(zhuǎn)的限制及恢復(fù)彈性變形過程中對SUBP的加速彈離。另外，可嘗試對下部支撐路徑進行彈性變形結(jié)構(gòu)設(shè)計，以便在小腿被蹺起時，彈性變形快速復(fù)位助推小腿加速離開，緩解SUBP蹺起小腿過程中對大腿、膝部和小腿帶來的傷害。

5.2 aPLI結(jié)構(gòu)的合理性分析

相對于FlexPLI，aPLI 增加了SUBP 來模擬人體上肢，提升了生物逼真性，提高了測試數(shù)據(jù)的準確性和全面性，但在碰撞過程中存在SUBP以髖關(guān)節(jié)為軸相對大腿旋轉(zhuǎn)過程，且評價腿型傷害的關(guān)鍵數(shù)據(jù)最大值往往發(fā)生在此階段，而該旋轉(zhuǎn)過程能否準確模擬人體下肢在側(cè)面碰撞過程中的生物力學(xué)特性有待商榷。

6 結(jié)束語

本文通過將aPLI 的運動過程分為3 個階段進行研究，指出了大腿最大彎矩、韌帶最大伸長量、小腿最大彎矩可能產(chǎn)生的階段。并提出，基于aPLI 的車輛前端結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)以碰撞前期盡可能吸收aPLI 動能，碰撞后期盡可能緩解小腿蹺起程度為目標。