先进行人保护腿型aPLI应用与车辆开发应对

陈琳 刘宏达 余承成 楼植杨 张慧云

摘  要：aPLI腿型较目前在用的柔性腿型Flex-PLI更接近于人体模型，生物仿真性有较大的提高，能够更好地对高、低保险杠车辆-行人大腿的伤害风险进行全面评估。但各项伤害指标较Flex-PLI均有大幅提高，针对NCAP评价测试得分难度较大，对车辆的造型设计、前端布置方式和结构优化提出了更高要求。本文分析介绍了下腿型发展历程、aPLI腿型的伤害特征、与Flex-PLI腿型的对比及车型开发应对策略。

关键词：aPLI;Flex-PLI;下腿型;行人保护;NCAP

中图分类号：U462.3      文献标识码：A     文章编号：1005-2550（2021）03-0008-06

Application And Vehicle Development of Pedestrian Protection Advanced Pedestrian Legform Impactor （aPLI）

CHEN Lin， LIU Hong-da， YU Cheng-cheng，  LOU Zhi-yang， ZAHNG Hui-yun

（ Xiangyang Da An Automobile Test Center Corporation Limited， Xiangyang 441004， China ）

Abstract： The aPLI legform is closer to the human body model than the currently used flexible legform （Flex-PLI） ， and the biosimulation performance has been greatly improved， enabling a better comprehensive assessment of thigh injury of high and low bumper vehicles. However， the injury indexes are significantly improved compared with Flex-PLI， and it is more difficult to score in NCAP， and higher requirements are placed on the vehicle's styling design， front-end layout and structural optimization. This article analyzes and introduces the development process of the lower legform， the injury characteristics of the aPLI legform comparison and the strategy for vehicle development.

陳   琳

毕业于吉林大学，获硕士学位，毕业后至今一直在国家汽车质量监督检验中心（襄阳）从事被动安全测试，现任高级工程师，主要研究方向：汽车碰撞安全技术，安全气囊匹配开发，行人保护试验技术。已发表多篇论文。

1    行人下肢损伤机理

车辆与行人发生碰撞时下肢损伤是由碰撞力在下肢的传递造成的。主要损伤形式有：骨盆损伤、大腿损伤（股骨骨折）、小腿骨折（胫骨骨折、腓骨骨折）及膝关节损伤（包括股骨骨节骨折、胫骨骨节骨折、髌骨骨折及膝关节韧带撕裂），如图1（a）、（b）、（c）、（d）所示[1-3]。

1.1   胫骨、股骨、腓骨损伤

车辆从侧面撞击行人下肢时会使胫骨、腓骨发生弯曲，外侧产生压应力，内侧相对位置产生拉应力，随着碰撞力的传递，当应力超过耐受限度时胫骨、腓骨就会发生骨折。股骨骨折主要是与发动机罩前缘碰撞导致，原理与胫骨骨折相同。

1.2   膝关节损伤

研究表明膝关节损伤主要是由剪切力和弯矩共同作用导致的，主要损伤形式为膝部韧带断裂以及连接膝部韧带的胫骨、股骨骨折。碰撞发生时，由于股骨惯性，膝关节面发生剪切错位，并由此导致膝关节韧带拉伸和股骨内侧髁与胫骨髁间隆起挤压，当内侧副韧带（MCL -Medial Collateral Ligament）超过其抗拉强度时首先发生断裂，如图1所示。随着碰撞过程持续深入，前交叉韧带伸长量（ACL- Anterior Cruciate Ligament）及后交叉韧带（PCL-Posterior Cruciate Ligamen）超过其抗拉强度时也发生断裂。

2    下腿型发展历程（EEVC-PLI→Flex-PLI→aPLI）

下腿型发展经历了由初代EEVC刚性腿型到目前广泛采用的柔性腿型Flex-PLI再到近期开发的aPLI（advanced Pedestrian Legform Impactor）腿型，如图2所示。C-NCAP、E-NCAP即将使用aPLI腿型进行下肢碰撞损伤评价测试，aPLI腿型生物仿真度越来越逼近假人模型、测量指标越来越齐全、适应车型越来越广[4-5]。

2.1    EEVC-PLI

1998年，EEVC WG17工作组采用TRL（Tran -sport Research Laboratory）刚性腿型冲击器及上腿型冲击器进行行人下肢碰撞评价。TRL刚性腿型仅测量胫骨加速度、膝部位移和弯曲角三个指标，结构见图3（a）、（b）：

2.2    Flex-PLI

由于TRL刚性腿型生物仿真性、试验重复性不够理想，2000年以后JARI 和日本汽车工业协会JAMA开始了关于柔性腿型Flex-PLI的研究。柔性腿型开发历经多个版本目前在用的为GTR版，相比TRL刚性腿型Flex-PLI腿型加入更多传感器，增加韧带损伤和股骨损伤的模拟，具有更好的生物逼真性，可靠性及适用性也得到进一步提高。

目前ECE-R127、E-NCAP、C-NCAP均采用柔性腿型Flex-PLI结合上腿冲击器进行下肢测试评价。Flex-PLI腿型伤害数据采集标配12通道，即3个股骨弯矩：Femur bending moment- T1、T2、T3，3个韧带伸长量：ACL、PCL、MCL和4个胫骨弯矩： Tibia bending moment-T1、T2、T3、T4及1个膝盖底部加速度传感器，见图4：

2.3   aPLI

由于Flex-PLI缺少模拟上肢运动的模块，不能充分再现下肢的损伤情况。ISO组织研发了aPLI腿型，在aPLI腿型中增加代表上肢运动的模块，以此来提高生物仿真度，aPLI外观与组成如图5所示：

与Flex-PLI腿型相比，aPLI主要改进6项参数：肌肉和骨骼的重量分布，骨骼撞击表面的形状，前交叉韧带ACL和后交叉韧带PCL的几何布局（交叉改为垂直韧带），骨骼偏距，脚踝模拟，股骨弯曲刚度;aPLI数据测量参数增加到18通道，见图6（a）、（b）、（c）。通过与完整人体假人模型（HBM）伤害值对比，aPLI比Flex-PLI的生物仿真度有明显提高。

3     aPLI腿型运动伤害特征

aPLI比Flex-PLI重了近一倍（从13.2kg到24.5kg），并且分布在上部，aPLI腿型改进特性直接产生不同于Flex-PLI腿型碰撞运动姿态和伤害特征。目前测试中车型全部存在对aPLI腿型上部和下部支撑不足的情况，腿部变形姿态C字型更为明显，伤害更加显著，如图7（a）、（b）、（c）、（d）所示[5]：

aPLI腿型相比于Flex-PLI质心更高，仿真结果显示，轿车与SUV对测试腿型的伤害值较高。轿车相比于SUV离地间隙較低，对上体质量块无法起到有效支撑作用，腿部变形姿态C字型更为明显，伤害更为严重，尤其是股骨弯矩和膝部韧带伸长量PCL、MCL，见图8：

长城汽车对多款SUV车型进行碰撞性能模拟分析，如图9所示，aPLI的伤害指标普遍大于Flex- PLI，其中股骨弯矩大2-3倍，膝部韧带伸长量大2-2.5倍，胫骨弯矩大2-3倍（除胫骨下部弯矩外），aPLI腿型的各项伤害指标较Flex- PLI均有大幅提高[5]。

E-NCAP基于ISO aPLI TG工作组要求测试中，aPLI腿型测试数据结果明显高于Flex-PLI腿型，见表1 E-NCAP测试数据[5]。

表中：

股骨弯矩：F3、F2、F1-Femur bending moment

胫骨弯矩：T1、T2、T3、T4- Tibia bending moment

内侧副韧带：MCL -Medial Collateral Ligament

前交叉韧带：ACL- Anterior Cruciate Ligament

后交叉韧带：PCL-Posterior Cruciate Ligament

冲击方向加速度：Acc.

（关于表1（E-NCAP测试数据）中的各参数代表什么？

回答：L0，L-3， L-5是行人保护测试程序中冲击位置命名的方式，L代表下腿型，数字表示距车辆中垂面横向距离0、-300、-500等）

综合以上试验及仿真数据对比分析，不难发现aPLI相比Flex-PLI伤害特征如下：

伤害指标较普遍高于Flex- PLI腿型;

股骨的中部弯矩最容易超出限值，胫骨上部弯矩最容易超出限值;

MCL基本都大于下限值25mm，易超限值要求;

所有车型的PCL远大于ACL，如按照2021 版CNCAP评价体系PCL超过限值将导致MCL无法得分。

4    aPLI腿型碰撞分析及开发应对

碰撞过程中对于aPLI腿型接触形态可简化为上、中、下三条碰撞力传递路径：上部传递路径是发动机罩前缘;中部传递路径是前防撞梁及碰撞吸能块;下部传递路径是下部或小腿支撑结构，如图10（a）、（b）所示[5]：

aPLI腿型上部增加了质量块，总重达24.5kg，且绕着铰接点旋转，结合腿型C字型运动姿态及碰撞力传递特征，要想降低腿型伤害值测试中需要发动机罩前缘支撑住腿型上部质量块的X向运动;腿型下部需要在接触时就被小腿支撑件支撑住以减小向车尾运动;腿型中间部分需要变形吸能空间，平行运动。碰撞中aPLI下部和中间部分应避免产生较大弯曲变形，以减小胫骨弯矩，理想运动姿态是股骨和胫骨以平动的方式完成碰撞过程。

基于行人保护腿部碰撞开发经验，车辆前端支撑结构的特性对腿型碰撞影响情况，目前开发中通常把车辆前部机构主要归纳为6个关键参数，如图11所示[5]：

图中：

L1：发动机罩前缘与防撞横梁X向距离、L2：前保蒙皮与防撞横梁X向距离、L3：小腿支撑与防撞梁X向距离、H1：发动机罩前缘离地高度、H2：防撞横梁中心离地高度H3：小腿支撑离地高度

aPLI伤害仿真分析统计表明，影响行人腿部碰撞伤害的主要结构件包括：前保险杠（吸能盒、横梁等）、发动机罩前缘、小腿支撑件等。

对股骨弯曲影响重要程度依次为：发罩前缘高度（H1）、发动机罩前缘与防撞横梁X向距离（L1）、小腿支撑与防撞横梁X向距离（L3）;提高H1、缩短L1能够有效降低大腿弯矩。

对韧带伸长量影响显著程度依次为：前保险杠吸能空间（L2）、小腿支撑和发动机罩前缘到防撞横梁的X向距离（L3、L1）;增大L2、L3可以有效降低韧带伸长量。

对胫骨弯曲影响显著程度依次为：小腿支撑与防撞横梁X向距离（L3）、小腿支撑的离地高度（H3）和前保险杠吸能空间（L2）;增加L3、L2和降低H3可以有效降低小腿弯矩。

5    总结

针对aPLI腿型运动姿态及伤害特征，车辆开发应对主要涉及到造型设计、空间布置、结构优化三方面。

造型设计阶段，车辆前端造型风格是行人保护设计的关键;通过优化前保造型，控制保险杠角从而缩小试验区域，一定程度上避免测试风险。轿车姿态较低，无法对aPLI腿型上部质量块起到有效的支撑作用，前端垂直的造型面不利于aPLI腿型开发，前端下部突出的造型，下部更早接触腿型，能够改变腿部运动姿态。

空间布置上aPLI由于自重较大、动能更大，需要保险杠吸收更多能量和足够的变形空间，应改善前防撞横梁吸能空间，增加膝部侵入量;新能源车辆前端电器件在碰撞中阻碍腿部变形，形成硬点，布置上应尽量错开腿部碰撞点或更改安装方式采用易变形连接件。

结构设计中应根据车辆造型和空间的差异，对上、中、下腿腿支撑点的刚度进行合理匹配，全局平衡大腿弯矩、小腿弯矩及膝部韧带伸长量的伤害程度。

另外，aPLI腿型车辆开发应对要兼顾造型与空气动力学、结构件抗弯、抗扭性能等。新的碰撞工况也对防撞横梁的结构设计提出了更高的要求（MPDB、25%小偏置碰撞等），同时增加了aPLI腿型开发应对难度。aPLI腿型与Flex-PLI腿型相同车型测试结果差异较大，针对不同的测试标准和程序，车辆开发需同时考虑两种腿型伤害情况。

参考文献：

[1]刘卫国，吕晓江，孙立志等.国外行人柔性腿型冲击器的发展及现状.汽车工程学报. 2014年11月.第4 卷 第6 期：455-459.

[2]劉卫国，吕晓江，谷先广等.基于Euro-NCAP 评价规程行人柔性腿型碰撞试验. 汽车安全与节能学报.2015年. 第6 卷 第2 期.128-133.

[3]周孔亢. 人车碰撞中行人保护问题初探. 拖拉机与农用运输车. 2007 年4 月.第34卷第2期.9-17.

[4]崔淑娟，郝海舟，赵清江等.针对FLEX-PLI 腿型冲击试验的行人保护结构优化设计. 汽车工程学报.2017年7月.第8卷 第4期：281-286.

[5]会议资料.2019年汽车行人保护国际研讨会.会议.青岛.2019.11.28.