行人保护aPLI腿型吸能空间

谭冰花， 李博， 王亚军， 徐立笑， 潘一鸣

(奇瑞汽车股份有限公司，安徽 芜湖 241006)

0 引 言

随着人民生活水平逐步提高，汽车保有量不断增加，道路交通环境也愈加复杂。我国是典型的混合交通的国家，行人和骑行者是交通环境中的弱势群体，其安全性一直备受关注。我国乘用车与弱势道路使用者碰撞事故约占总体事故比例的60%，其中车外人员受伤事故的占比高达85%，车辆的行人保护安全性能亟待提升。

在全球范围内，行人下肢是人车事故中最常见的受伤部位，虽然通常不会危及生命，但是却容易致残，康复周期长，给伤者带来沉重负担。因此，如何保护行人下肢，减轻其与车辆发生碰撞时的伤害，已经逐渐成为汽车安全性研究的焦点问题之一。

随着人体下肢生物力学特性研究的不断深入，研究人员发现带有上体简化模块的新型行人腿部冲击器(advanced pedestrian legform impactor, aPLI)能更好地模拟车辆与行人碰撞中行人腿部的运动姿态。因此，中国的新车评价规程C-NCAP和欧洲的新车评价规程Euro-NCAP会分别于2022年和2023年使用aPLI腿型进行行人保护性能评价。从Flex PLI柔性腿到aPLI腿型的切换，对汽车企业是一个新的挑战。各车企应该尽早掌握aPLI腿型对车辆造型、布置、结构等的影响，只有从最初造型设计阶段开始对空间进行严格把控，才能最终保证行人保护性能达标。

本文基于公司某在研车型，研究aPLI腿型所需要的碰撞吸能空间，在项目前期对车辆造型以及总体布置提出合理的目标要求，避免后期因为腿部空间不足而造成性能目标无法达成，减少因重复改进而延误项目进度的情况发生。

1 aPLI腿型简介

aPLI腿型主体部分由简化上半身、大腿股骨、膝关节和小腿胫骨等4部分构成。与Flex PLI柔性腿型相比，aPLI腿型主要改进6项参数：肌肉和骨骼的质量分布、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(交叉韧带改为垂直韧带)、骨骼偏距、脚踝模拟和股骨弯曲刚度。aPLI数据测量参数增加到18个通道，见图1。通过与完整人体假人模型伤害值对比，aPLI腿型具有比Flex PLI柔性腿型更为全面的评分体系，能更好地反应行人腿部真实的伤害过程，aPLI腿型比Flex PLI腿型的生物仿真度更高，具体参数对比见表1。

图 1 aPLI腿型,mm

表 1 Flex PLI和aPLI腿型参数对比

Flex PLI腿型质量为(13.2±0.4) kg，aPLI腿型质量增大到(24.7±0.3) kg，因此碰撞能量也会随之翻倍，腿部需要的吸能空间更大。本文针对轿车和SUV这2种不同车型，研究aPLI腿部吸能空间需求，在项目开发前期为总体布置提出相应要求，对公司新车型的开发提供参考。

2 腿部空间研究

仿真动画显示，aPLI腿型的运动姿态皆为绕中间膝盖铰接位置旋转，呈现C字形运动姿态。车型前端结构和空间不同，C字形的程度不同，轿车和SUV车型中aPLI腿型的运动姿态对比见图2。

图 2 aPLI腿型运动姿态对比

在研车型的aPLI腿型仿真结果表明，影响行人腿部伤害值的主要因素是前保险杠总成、前保横梁、发动机罩总成、小腿保护梁等相对位置关系，及各个总成之间的刚度匹配。各总成之间的刚度匹配因车而异，此处不再赘述。

本文主要研究各总成之间的相对位置关系(见图3)，主要关注的空间有：前保横梁最前端与发动机罩前缘之间的向距离；前保横梁最前端与前保蒙皮之间的向距离；前保横梁最前端与小腿保护梁最前端的向距离；发动机罩前缘距离地面的高度；前保横梁中心线距离地面的高度；小腿保护梁距地面的高度。对于图中涉及到的3个高度位置：发动机罩高度与驾驶员下视野直接相关；前保横梁在高速碰撞以及低速碰撞中对整车起到保护作用，其高度与这些碰撞工况中的壁障高度有关；小腿保护梁的高度与车辆接近角有关。因为各高度值与整车性能相关，在项目研发前期，基于整车性能目标，3个高度基本上都是定值，所以本文主要研究向空间。轿车与SUV车辆姿态不同，因此轿车和SUV车型所需要的腿部碰撞吸能空间分开研究。

图 3 行人保护腿部空间示意

2.1 轿车aPLI吸能空间

轿车整体姿态较低，对于aPLI腿型，发动机罩前缘和小腿保护梁的位置都在上腿部和下腿部的传感器布置范围内，如果aPLI上、下腿部弯矩超标，受造型限制，发动机罩前缘以及小腿保护梁上、下移动避开传感器布置区域非常困难，所以解决问题的关键在于3个向空间的相互匹配。针对公司某款轿车车型aPLI腿部仿真模型，以、和为设计变量，利用LS-DYNA进行仿真模拟，在HyperStudy平台中进行优化，使3个空间匹配更加合理，有效降低aPLI腿型伤害值。

2.1.1 优化模型

优化模型的选取对优化目标的达成至关重要：选取更易于达到目标的模型，可以加大HyperStudy的优化效率，若选取的模型不合理，可能永远也无法得出最优解；优化分析占用计算资源过大，因此模型要求尽量简化，但需要包含影响变量和目标值变化的所有零部件。结合以上要求，将原始仿真模型进行简化，简化前、后模型对比见图4。首先进行试验对标，确保原始仿真模型的精确度；然后基于对标后的原始模型进行简化，得到简化模型，要求简化模型仿真分析结果与试验结果误差小于20%。基于数据对比(见表2)结果，可以判断简化模型可否用于进一步优化分析。

图 4 前保仿真模型

表 2 aPLI分析结果对比

2.1.2 空间优化过程

选取车辆中间位置(=0)、水箱横梁边缘位置和前保横梁边缘位置等3个特殊位置进行研究，估算所需要的吸能空间，归纳总结行人腿部吸能空间要求，为总体布置提供依据。

简化模型初始状态为前保横梁最前端面、发动机罩前缘和小腿保护梁最前端面在向处于同一平面内，前保蒙皮与前保横梁最前面之间的向距离为60 mm(Flex PLI柔性腿型需要的最小吸能空间)。以此为基础，结合竞品车型造型和总布置对整车尺寸的要求，设置、和这3个变量。

前保横梁最前端与发动机罩前缘之间的向距离的变化决定发动机罩总成与前端装饰件分缝线的位置：若为正值，表示发动机盖前缘在前保横梁前面，则在C-IASI低速前部碰撞中发动机盖变形严重，维修成本增大，不满足客户需求；若为负值，表示发动机盖前缘在前保横梁后面，则发动机盖与前端装饰件之间的分缝线后移，后期很难保证间隙要求，所以发动机前缘沿向前后移动的范围为-60～60 mm。

前保横梁最前端与前保蒙皮之间的向距离决定整车前悬架的长度，竞品车型的相关测量数据以及公司现有轿车平台要求≤120 mm，Flex PLI腿型空间的研究结果表明应≥60 mm，即只能在60～120 mm范围内变化。

小腿保护梁应位于前保横梁的前端，才能在碰撞中对下腿部起支撑作用，但是小腿保护梁在向比前保横梁突出太多，势必造成整车造型在这个区域突出太多，不符合造型的设计理念。结合整体造型风格，前保横梁最前端与小腿保护梁最前端的向距离的变化范围为0～80 mm。

根据行人保护行人腿部aPLI伤害值要求，约束设定为伤害值都小于高性能限值，即、、均小于390 N·m，MCL值小于27 mm，、、、均小于275 N·m，优化目标设定aPLI单点得分为满分，设计变量与响应见表3。

表 3 设计变量与响应

采用HyperStudy优化平台调用LS-DYNA求解器，运用全局响应面法进行最多50轮优化，其优化流程见图5。首先，将初始行人腿部aPLI碰撞模型的K文件在HyperWorks下生成相应的TPL文件，并设置相应的设计变量及其范围，同时定义约束和目标，提交LS-DYNA求解器；然后，采用HyperStudy读取相应的结果信息，与设计变量的约束值与目标值对比并不断优化，获取最优结果。

图 5 优化流程

2.1.3 优化结果

为更简便快捷地找到最优解，分别用几个模型优化空间匹配，即对3个参数中的1个参数赋值，然后采用优化软件找到与之匹配的另外2个参数的最优解。首先确定前保横梁最前端与前保蒙皮之间的向距离，然后利用HyperStudy优化功能找到和的最优解，这样可以确定三者之间最合理的匹配关系。利用简易模型定义分别为60，70，80，90，100，110和120 mm等几种不同的情况，利用软件优化找到与不同值相匹配的和的值，这样可以在不同造型要求下给出满足行人保护要求的空间变量值，优化结果见表4。

表 4 aPLI优化结果统计(部分)

由优化结果分析可知：如果前保横梁最前端与前保蒙皮之间的向距离≤60 mm，在软件50轮优化中未找到满足条件的最优解，也就是说不论如何优化和，aPLI腿型安全性能都不能得到满分；若60 mm<<90 mm，分别用2个不同的模型进行2组优化，即分别为70和80 mm，共100轮。在这些优化中，=70 mm时只有9组方案可以满足要求，=80 mm时有35种方案可以满足要求。在这些满足要求的方案中，发动机罩前缘都沿着+方向移动，前保横梁最前端与发动机罩前缘之间的向距离≥40 mm，同时小腿保护梁都沿着-的方向移动，且前保横梁最前端与小腿保护梁最前端的向距离≥50 mm，只要满足这些空间的要求，aPLI腿型安全性能基本上可以有较高得分。如果≥90 mm，在软件50轮优化中，共有16种方案可以满足要求。在这些满足要求的方案中，发动机罩前缘几乎不需要移动，即前保横梁最前端与发动机罩前缘在向平齐，只需要前保横梁最前端与小腿保护梁最前端的向距离≥50 mm，即可得到满分。即前保横梁最前端与前保蒙皮之间的向距离足够大时，aPLI腿型安全性能得分较为容易。

用同样的方法，对其他几个位置进行优化，确定轿车aPLI腿型得分需要的吸能空间。对优化结果进行综合评估，轿车aPLI需要的吸能空间见表5。

表 5 轿车aPLI腿型吸能空间要求

2.2 SUV车型aPLI腿型吸能空间

由SUV车型仿真分析结果可知，公司在研的几款SUV车型aPLI腿型安全性能得分较高，这几款车型的行人腿部碰撞吸能空间均满足Flex PLI腿型腿部碰撞吸能空间要求(在±400 mm之间≥80 mm，在±400 mm之外≥60 mm、≥45 mm)，且aPLI腿型上腿部最高传感器低于发动机盖前缘。统计这几款SUV的发动机盖前缘高度、腿部空间以及仿真分析得分，结果见表6。

表6 SUV车型腿部空间仿真结果 mm

发动机盖前缘高度超过aPLI腿型中最上端传感器的位置，所以在碰撞过程中aPLI腿型上腿部主要撞击到格栅区域，格栅区域整体强度较小，易压溃变形，因此aPLI腿型上腿部弯矩较小；腿部碰撞吸能空间满足Flex PLI腿型腿部空间要求，膝部韧带伸长量MCL值及下腿部弯矩较小，总体得分较高。

综上所述，只要SUV车型腿部空间满足Flex PLI柔性腿型吸能空间的要求，基本上在aPLI腿型评价中都能得到较高分数，在前期CAS校核阶段可以用FlexPLI柔性腿型空间要求对造型和总体布置提出合理的建议，保证后期开发能够满足性能要求，SUV车型aPLI和Flex PLI腿型空间要求见表7。

表7 SUV车型aPLI和Flex PLI腿型空间要求

3 结束语

通过仿真分析，总结归纳影响行人腿部伤害值的主要空间因素，联合LS-DYNA求解器和HyperStudy优化平台，在轿车aPLI腿型简化碰撞模型的基础上，对轿车3个向空间进行优化，得到轿车需要的碰撞吸能空间要求。对公司现有SUV车型aPLI腿型的仿真分析结果认为，SUV车型aPLI腿型需要的吸能空间要求与Flex PLI腿型一致。