行人保护aPLI腿型试验性能研究

杨瑞 曹建骁 毕腾飞

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

主题词：先进行人腿型碰撞器 柔性腿行碰撞器 伤害指标 碰撞响应特性 开发策略

1 前言

据统计，我国乘用车与车外人员碰撞事故占总体事故比例的近80%，其中有车外人员受伤的事故占比高达75%[1]。因此，车辆的行人保护安全性能亟需提升，下肢碰撞是行人保护安全性能开发的重要内容之一。

目前，行人保护安全性能评价领域均采用柔性腿型碰撞器（Flexible Pedestrian Legform Impactor，FlexPLI）作为测试工具。随着人体下肢生物力学特性研究的不断深入，发现FlexPLI 虽然在刚性腿的基础上大幅优化了伤害指标，提升了生物逼真性，但仍不能完全反映人车事故中行人腿部伤害的真实情况。因此，日本汽车研究所（Japan Automobile Research Institute，JARI）在FlexPLI的基础上研究设计，并由英国CELLBOND 公司生产制造的先进行人腿型碰撞器（Advanced Pedestrian Legform Impactor，aPLI）应运而生。与FlexPLI相比，aPLI的最大变化是增加了上部质量模块（Simplified Upper Body Part，SUBP）来模拟人体上肢，提高了测试数据的准确性和全面性。中国新车评价规程（C-NCAP）和欧洲新车评价规程（Euroq-NCAP）分别计划于2022 年和2023年采用aPLI进行车辆行人保护性能评价。这对汽车企业来说是个新的挑战，尽早总结并掌握aPLI 对现有开发车型伤害指标的影响，对汽车企业制定新车型开发策略，应对aPLI的行人保护性能测试至关重要。

本文通过对比aPLI 与FlexPLI 的内部结构，挖掘大量实车试验数据，总结出二者在响应机理和伤害指标上的差异，分析aPLI 腿型与车辆碰撞响应特性，并提出aPLI腿型的开发策略。

2 aPLI腿型结构改进

FlexPLI在生物力学特性和伤害评价能力上都存在诸多明显不足，主要表现在欠缺大腿伤害评价能力，对保险杠较高车型应用性不佳，斜向大角度碰撞伤害指标失真，与车辆前端接触力过大，膝部前、后十字韧带响应与人体模型不符等。为了改善上述缺陷，Takahiro Isshiki 等人通过优化FlexPLI 腿部结构，选用更加先进的生物材料等方式，研发出了aPLI 腿型[2-4]。如图1 所示，2种腿型碰撞器的差异主要体现在：

a.aPLI在结构上最重要的改进是增加了上部质量模块，使其可以有效监控大腿的3个评价指标，同时能够有效改善较高保险杠车型测试时人体姿态的一致性。

b.与FlexPLI 相比，aPLI 腿部质量分布更接近人体，从而有利于改善腿型运动姿态，同时减小腿型碰撞过程中的接触力。

c.与FlexPLI相比，aPLI膝部结构重新设计，韧带空间布置和半月板与股骨踝连接方式都更接近人体，从而有效改善斜向大角度冲击时伤害指标突增造成的失真。

d.aPLI在FlexPLI 的基础上优化了腿部截面和腿骨尺寸，有效改善了生物力学特性和运动姿态。

图1 FlexPLI和aPLI的结构差异

大量试验结果表明，与FlexPLI相比，对于不同类型车辆（轿车、SUV）和不同碰撞角度，无论车辆中间位置还是左、右两侧40°斜向碰撞，aPLI的伤害指标评价结果与人体模型（Human Body Model，HBM）具有更高的相关性，即更接近人体真实状态[4-5]。

3 aPLI与FlexPLI试验结果对比

aPLI 与FlexPLI 的试验方法一致，且试验设备共用，主要差异在于腿型碰撞器的离地高度，FlexPLI 为75 mm，而aPLI 为25 mm。选取中汽研汽车检测中心（天津）有限公司行人保护实验室采集的10 余款车型aPLI 和FlexPLI 的摸底试验数据，如表1 所示。本文通过对比2种腿型伤害指标的差异，结合其实车碰撞过程中姿态的变化，分析伤害指标差异产生的原因，挖掘aPLI腿型的碰撞响应特性。

表1 FlexPLI和aPLI试验数据平均值

图2所示为aPLI和FlexPLI评价指标的平均值。由图2 可知，二者大腿弯矩趋势较为一致，aPLI 的大腿弯矩为FlexPLI对应位置的2.6～3倍。小腿弯矩出现分化，T1 弯矩的差值最大，aPLI 的T1 弯矩是FlexPLI 的约1.4倍，T2和T3差值依次降低，aPLI 的T4弯矩约为FlexPLI的80%。膝部韧带方面，aPLI 的内侧副韧带（Medial Collateral Ligament，MCL）伸长量接近FlexPLI的2倍，后十字韧带（Posterior Collateral Ligament，PCL）伸长量约为FlexPLI 的2.2 倍，前十字韧带（Anterior Collateral Ligament，ACL）伸长量约为FlexPLI 的70%。可见，aPLI的评价指标与FlexPLI相比几乎全面大幅提高。

图2 aPLI与FlexPLI伤害结果对比

大腿弯矩激增是因为增加上部质量模块后，腿型质量增加了88.6%，相应的冲击能量提高了88.6%。同时，腿型高度增加了168 mm，重心也大幅升高，车辆前端不能完全为上部质量模块提供支撑，aPLI 腿型受力不均匀，大腿受牵扯作用较大，造成弯曲变形加大。

小腿弯矩和膝部韧带伸长量大幅升高同样是由于碰撞能量的剧增。另外，aPLI 腿型离地高度相比FlexPLI 下降50 mm。现有车辆前保险杠结构大多基于FlexPLI 腿型开发，前保险杠梁及其吸能装置不能完全发挥对aPLI膝部的支撑和吸能作用，造成T1、T2弯矩增加。车辆下支撑同样不能有效支撑起aPLI 小腿下部，使得T4位置无外力约束，故而弯矩降低，但同时也导致aPLI 腿型运动姿态变差，MCL 受到大腿和小腿运动姿态的共同影响，伸长量增加。

aPLI膝部十字韧带结构由FlexPLI的交叉式改为平行结构（见图1c），腿型碰撞过程中，交叉式的PCL呈收缩趋势，ACL 呈拉伸趋势，平行结构的PCL 和ACL 均受到拉伸作用，所以aPLI 的PCL 伸长量大幅增加。由于FlexPLI 膝部半月板连接结构为平行六面体，当碰撞角度超过30°时，半月板连接处会发生刚性接触，导致ACL伸长量突变[4]。而aPLI膝部半月板连接结构为椭圆形，能在360°范围内自由转动，所以与FlexPLI相比，aPLI的ACL伸长量降低。

将上述试验样本数据按不同保险杠高度分别进行对比，发现对于轿车和SUV，aPLI与FlexPLI的主要评价指标趋势与整体数据对比结果完全一致，见图2。

4 aPLI实车碰撞响应试验性能

4.1 aPLI腿型各部分评价指标比对

图3所示为10余款车型aPLI腿型试验各部位伤害指标平均值对比结果，其中阴影部分是同一伤害指标轿车与SUV的对比差量。总体结果显示，大腿弯矩中，F2最大。对比细分车型数据可以发现，轿车的F2 显著高于其他2 个弯矩，而SUV 的弯矩中F3 稍大。小腿弯矩中，T1～T4 依次减小，且减小幅度递增。对于轿车和SUV，T1 均为最大弯矩。膝部韧带伸长量对比中，MCL远大于PCL和ACL。由此可见，需要重点关注的评价指标是F2、T1、MCL，汽车企业在新车型开发时应该着重考虑相应位置的布置形式和造型设计。

图3 aPLI各部位伤害指标比对

究其原因，上部质量模块使aPLI重心大幅升高，绝大多数车型前端无法给予上部质量有效支撑。当aPLI腿部碰撞前保险杠停止前行时，上部质量模块依然沿冲击方向运动，带动大腿受力弯曲。由于轿车前缘高度较低，腿型支撑位置在F2 附近，导致F2 弯矩最大。而SUV 前缘较高，支撑点位于上部质量模块上，大腿最大弯曲位置出现在F3附近，所以F3最大，如图4所示。

图4 轿车与SUV的aPLI大腿最大弯曲位置对比

小腿弯矩存在极高的规律性，但其内在机制却不尽相同。轿车的最大小腿弯矩大多发生在反弹阶段，而SUV 车型的最大小腿弯矩发生在碰撞侵入阶段。轿车前端的中部和下部对aPLI 支撑效果较好，碰撞过程中小腿弯曲程度可以得到有效控制。但由于前缘高度较低，在反弹阶段，aPLI 会沿前缘接触点向上旋转。巨大的能量通过膝部传递到小腿，由于T1距离膝部最近，需要释放更多的能量，因此弯曲程度最大，如图5 所示。SUV 车身高度较高，上部和中部能为aPLI 提供有效支撑，而下部支撑位置较高，对应于小腿T1、T2附近，且为了提高吸能效果，下支撑刚度较低，小腿侵入量较大，导致腿型底部卷入车底，使aPLI 腿型呈“C 字形”弯曲，并在T1处弯曲最大，见图5。需要强调的是，轿车试验中，aPLI 最大小腿弯矩出现在反弹阶段是基于SBL-A 版本，这是不符合人体实际情况的，未来的SBL-B版本会在上部质量的骨盆位置增加阻尼，改善此处不足。

图5 轿车和SUV的aPLI小腿最大弯曲位置对比

aPLI腿型膝部韧带为平行结构，与碰撞侧的距离从大到小依次为MCL、PCL 和ACL，因此MCL 受拉伸程度最大，PCL次之，ACL最小。

4.2 aPLI腿型不同车型间评价指标对比

如图3 中阴影部分所示，轿车的3 个大腿弯矩均大于SUV 的，F2 尤为明显。小腿弯矩中，2 种车型的T1、T2 差别不大，轿车的T3、T4 显著高于SUV 的。膝部韧带伸长量方面，轿车的MCL伸长量更大。可见，相同试验条件下，轿车的3 种伤害指标均高于SUV，aPLI 开发难度更大。

如4.1节所述，轿车的前缘高度较低，无法支撑上部质量模块，该模块巨大的能量导致aPLI 上部产生较大前倾，大腿受其牵扯作用变形较大，弯矩自然更大。中大型SUV前缘较高，能够较好地为aPLI上部提供支撑，大腿弯矩主要受前保险杠造型和上支撑与中部支撑纵向差值影响，弯曲变形相对更小。

小腿T1位置和T2位置在2种车型中都能得到有效支撑，轿车的T1 和T2 受反弹过程影响更大，而SUV 的T1和T2受下支撑高度及下支撑与中部支撑纵向差值影响更大，所以二者没有绝对规律可循。而T3和T4情况不同。轿车下支撑通常距地面约200 mm，对应aPLI 试验T3位置附近。SUV 下支撑通常距地面约300 mm，对应aPLI 试验T2 位置附近。在aPLI 冲击轿车下支撑的过程中，T3 和T4 会产生较大弯曲。而对于SUV 车型，T3和T4距离支撑位置较远，处于自由运动状态，受惯性作用发生的弯曲变形较小，如图6所示。

图6 轿车和SUV的下支撑与aPLI小腿对应位置对比

aPLI 膝部韧带伸长量受大腿和小腿运动姿态的共同影响，通常轿车的最大MCL伸长量出现在腿型反弹过程中，巨大的能量使MCL伸长量和小腿弯矩同时达到极值。SUV的最大MCL伸长量出现在腿型侵入量最大的时刻，同样与小腿最大弯矩同步出现，如图7所示。反弹过程中，aPLI膝部及小腿向上摆动，释放大量能量，腿型姿态不佳，使得MCL 伸长量更大。而aPLI 腿型受到SUV 车型前端结构的有效支撑，侵入车辆过程中，能量被均匀吸收，MCL伸长量极值对比轿车的稍小。

图7 不同车型aPLI小腿弯矩和MCL伸长量变化趋势比对

4.3 aPLI腿型不同试验区域的评价指标对比

aPLI 腿型不同试验区域的伤害结果有一定规律可循，图8 所示为上述10 余款试验车辆中轿车和SUV 车型车辆的中心位置L0与车辆的最外侧试验点L6的伤害结果对比，具体结果如表2所示。若车辆试验区域最外侧网格点不是L6，则取其最外侧试验网格点的数据，本节统称为L6。不难发现，无论轿车还是SUV，L0各评价指标几乎都高于L6。

图8 不同车型L0和L6位置伤害结果对比

表2 aPLI不同车型L0和L6各伤害结果平均值

这是由于aPLI 腿型碰撞车辆L0位置时，冲击能量完全在车辆纵向释放，一部分转化为腿型碰撞器的弯曲变形，另一部分被车辆前端吸收。腿部弯曲变形能量和车辆前端少量回弹能量又会使腿型碰撞器反弹，并最终释放能量。而车辆试验区域最外侧与腿型冲击方向存在一定夹角，通常大于30°，这使得腿型的冲击能量会分散一部分到车辆横向，这部分能量作用到腿部，会使腿型产生旋转运动，无法转化为弯曲变形，所以L6位置的伤害值普遍小于L0位置。

5 aPLI腿型开发策略

行人腿部与车辆接触的区域主要是车辆发动机罩前缘和整个前保险杠，腿部伤害主要与车辆前端造型、支撑结构及空间布置有关[6]。根据2018 版C-NCAP，划线可得到车辆具体的腿型试验区域，即由保险杠上部基准线（UBRL）、保险杠下部基准线（LBRL）和两侧的保险杠角（COB）所围成的区域。在此基础上建立汽车前端有限元模型，如图9 所示，其中，H1为发动机罩前缘高度，H2为前防撞梁离地高度，H3为下支撑离地高度，L1为发动机罩前缘与前防撞梁的距离，L2为中部吸能空间，L3为下支撑与前防撞梁的距离。基于aPLI 腿型大量的仿真模拟研究及以往行人保护腿部碰撞开发经验，上述6个参数对aPLI腿型伤害指标影响最为显著[7]。

图9 腿型试验区域及车辆前端结构

aPLI 腿型与车辆前端碰撞过程中有3 条能量传递途径，即上部发动机罩前缘、中部前防撞梁及吸能装置、下部蒙皮格栅下部支撑，分别对应aPLI 腿型的大腿或上部质量模块区域、膝部及小腿位置。大腿弯矩主要受发动机罩前缘高度和上支撑与中支撑距离的影响，小腿弯矩受下支撑离地高度和下支撑与中支撑距离影响最大，影响膝部韧带伸长量最大的因素是前防撞梁离地高度及其吸能空间。但整个aPLI 腿型各部分是联动的，所有伤害指标互相影响，腿部任何位置运动姿态变差都会导致其他部分伤害指标的恶化，所以车辆前端各参数需要同步改善，尽可能减小腿型最大变形量，才能保证所有伤害指标满足行人保护性能的要求。

aPLI 腿型开发可从车辆前端的造型设计、空间布置和内部结构3个方面着手。H1越高，越有利于腿型碰撞姿态保持竖直状态。对于H1＜930 mm 的车辆，发动机罩前缘无法对腿型上部形成有效支撑，需要弱化发动机罩前缘的支撑结构，增加溃缩量来减少小部质量模块的惯性力。同时应减小L1，控制发动机罩前缘溃缩后大腿和膝部的弯曲程度。aPLI 腿型试验膝部中心距地面高度为520 mm，为了为膝部提供良好的支撑，H2取值应为520 mm 左右，并尽量保证膝部吸能空间足够大，L2＞80 mm为佳。在满足车辆接近角的前提下，应使H3尽量小，保证小腿得到有效支撑。提高下部支撑刚度，缓解小腿甩腿幅度。L3越大，越有利于缓解腿型C字形弯曲，小腿伤害值也就越小。此外，还应将车辆前端腿型试验区域内的各种刚性支架做成悬臂式或压溃式结构，避免形成硬点。

目前，上市车型主要基于FlexPLI 腿型开发，由于FlexPLI小腿尺寸和膝部中心位置与aPLI的基本相同，但FlexPLI试验时的离地高度比aPLI的离地高度高50 mm，所以现有车型的防撞梁高度和下支撑高度相对于aPLI偏高，为适应aPLI腿型的开发，应予以适当降低。并且，aPLI的碰撞能量较FlexPLI提高了近1倍，为达到较好的吸能效果，应考虑适当加大中部吸能空间。

6 结束语

本文分析了aPLI 腿型结构在现有FlexPLI 基础上的改进，以及2 种腿型在碰撞响应特性上的差异，并总结出aPLI 试验结果的潜在规律，进而提出aPLI 初步开发策略，结论如下：

a.与FlexPLI相比，aPLI的生物力学特性显著提升。

b.碰撞响应特性比对中，aPLI的评价指标几乎全面提高。

c.aPLI腿型试验结果中，各部位评价指标最大值通常发生在F2、T1和MCL处，需重点关注。

d.aPLI 腿型试验结果中，轿车的最大大腿弯矩、最大小腿弯矩和MCL 伸长量均高于SUV，轿车aPLI 腿型开发难度更大。

e.aPLI腿型试验结果中，车辆中间位置的伤害结果全面高于车辆边缘位置。

f.aPLI 腿型开发应从提高发动机罩前缘高度、弱化上支撑刚度、增加中部支撑吸能空间、减小上支撑与中支撑距离、加大中支撑与下支撑距离以及增加下支撑刚度等方面着手。

需要特殊说明的是，以上研究成果基于aPLI 现有SBL-A版本完成，未来SBL-B版本与SBL-A基本一致，只是进行一些微调，最大的改进是在骨盆位置增加阻尼，改善碰撞中上部质量模块沿髋关节旋转幅度明显大于人体的情况。研究表明，与SBL-A 版本相比，SBL-B版本中大腿弯矩峰值、小腿弯矩第2个峰值以及MCL峰值均有所降低[8-9]。