a-PLI新腿型试验性能影响研究

邹利军 王建勋 刘彦博 沙磊

（一汽奔腾轿车有限公司, 长春 130012）

主题词：行人保护 a-PLI 汽车造型

2021 版C-NCAP 管理规程对行人保护评价方法做出重大调整，腿型测试方面以带有上体模块的a-PLI 新腿型代替原来的Flex-PLI 腿型，上体模块与大腿铰接模拟人体髋骨结构，并增加了脚踝模拟部分。a-PLI新腿型与真实人体更加接近[1]，根据中国汽车行人保护研究工作组开展的试验研究发现，a-PLI新腿型各项伤害值相比Flex-PLI腿型均有较大幅度增加[2]，中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司已经对a-PLI新腿型仿真及试验进行了一系列研究，并针对行人保护腿型开发设计提出了建议。

目前，国内研究仍较少在车辆造型初期对影响a-PLI 新腿型的造型因素进行要求，本文对不同造型参数的车型a-PLI 新腿型试验结果进行归纳研究，期望提出合理的车头造型约束条件及结构优化方向，减少后期行人保护优化工作并降低设计变更可能性。

a-PLI腿型与Flex-PLI腿型在结构、尺寸、质量分布、试验表现上均有明显差异。

2.1 a-PLI腿型与Flex-PLI腿型结构、参数差异

图1（a）为Flex-PLI腿型，图1（b）为增加了上体模块的新a-PLI 腿型，其上体模块与大腿铰接可以模拟人体髋骨结构。图2展示了2种腿型膝部韧带传感器结构与真实人体膝部的对比。表1中列出了2种腿型各部位质心的高度。结果表明，新a-PLI 腿型结构能更真实地模拟人体结构。

表1 Flex-PLI腿型与a-PLI腿型尺寸参数差异

图1 C-NCAP管理规程中的腿型示意

图2 新/旧腿型膝部传感器与真实人体膝部韧带示意[2]

2.2 a-PLI腿型与Flex-PLI腿型质量分布差异

图3 为新/旧腿型与真实人体质量分布示意。结果表明，a-PLI 腿型膝部以上结构质量占比明显高于Flex-PLI 腿型，a-PLI 腿型质量分布相比Flex-PLI 腿型更接近真实人体腿部的质量分布。

图3 新/旧腿型与真实人体质量分布示意[3]

2.3 Flex-PLI腿型与a-PLI腿型试验结果对比

以中国汽车行人保护研究工作组数据库中一款小型SUV腿型试验为例，L+1位置腿型运动姿态对比见图4（冲击发生后0 ms、15 ms、30 ms、45 ms）。

从图4可以发现，a-PLI腿型中部弯曲比Flex-PLI腿型更为明显，且向车头上方滑动量更大。Flex-PLI腿型与a-PLI腿型试验得分见表2。

图4 Flex-PLI腿型（上）与a-PLI腿型（下）试验动态对比

表2 Flex-PLI腿型与a-PLI腿型试验得分

在同一款车型试验中，a-PLI腿型得分率明显低于Flex-PLI 腿型,其中a-PLI 腿型在L+1 位置仅得到0.4分，其中小腿弯矩T1及膝部韧带（Medial Collateral Ligament,MCL）伸长量为主要扣分指标（图5、图6）。

图5 a-PLI与Flex-PLI在L+1位置T1对比

图6 a-PLI与Flex-PLI在L+1位置MCL对比

2.4 新旧腿型差异总结

a-PLI 腿型比Flex-PLI 腿型小腿质心更低、大腿质心更高，生物学拟真性更好。

由于a-PLI 腿型带有上体配重块，碰撞中与车头接触作用时间更长，小腿钻入车头底部趋势明显。a-PLI 腿型中部弯曲量比Flex-PLI 腿型大，MCL和T1伤害值明显高于Flex-PLI腿型，得分难度大幅提升。

针对中国汽车行人保护研究工作组数据库中，4款车头结构差异明显的车型a-PLI腿型试验进行研究。

3.1 试验车型结构参数统计

将数据库中4款车型影响腿型伤害指标的车头关键结构参数进行统计，主要包括上支撑（发罩前沿或者前部格栅等直接接触腿型上部的高强度结构）、前防撞横梁和下支撑（前保险杠下沿），详见表3。

表3 4款试验车型车头结构参数统计 mm

3.2 a-PLI腿型试验结果

每款试验车型都进行3～4 个车头正面区域的a-PLI腿型冲击，基本覆盖车头前表面不同结构区域（图7～图10 中字母“L”之后的数字代表距离车辆Y0 面100 mm 整数倍距离的试验位置，“+”/“-”分别代表车辆左/右侧，默认车辆为对称结构）。图7～图10中分别截取了冲击发生后0 ms、15 ms、30 ms、45 ms时刻。

从图7～图10可见不同车型试验中，a-PLI腿型运动姿态有较大区别：

图7 A级轿车试验过程

图8 C级轿车试验过程

图9 小型SUV试验过程

图10 中型SUV试验过程

（1）在轿车试验中，a-PLI腿型向车头上方滑动并向车后方倾旋，膝关节在碰撞中有上升趋势；

（2）在SUV 试验中，a-PLI 腿型小腿部分钻入车底，膝关节在碰撞中无明显上升趋势，腿型整体向车头上方及后方运动的趋势不明显；

（3）2 款轿车试验中，a-PLI 腿型中部弯曲量明显低于2款SUV车型；

（4）在车头最低矮的A级轿车试验中，模拟人体髋骨结构的上体模块发生旋转的时刻明显晚于其他3款车型；

（5）在同一款车型试验中，L±3 区间内试验中a-PLI腿型中部弯曲量较大，L±4之外区间a-PLI腿型保持相对笔直状态。

3.3 a-PLI腿型伤害表现

试验中综合得分率从高到低排序为：A级轿车＞C级轿车＞中型SUV＞小型SUV，4 款车型a-PLI 腿型伤害得分见表4。

根据表4中a-PLI腿型试验得分，得出以下结论:

表4 a-PLI腿型试验得分情况

（1）2款轿车在L±3区间内得分率都高于2款SUV车型，L±4区间之外得分差异较小；

（2）全部4 款车型试验中，L±3 区间内得分率偏低，L±4之外区间得分率较高。

3.4 a-PLI腿型伤害指标的影响分析

3.4.1 a-PLI腿型大腿伤害指标的影响分析

a-PLI腿型大腿弯矩主要受到上支撑结构影响，A级轿车、C 级轿车、小型SUV、中型SUV 试验车型上支撑高度有明显差异而且逐渐升高，下文针对a-PLI 腿型大腿及膝部伤害指标与车型上支撑参数的关系进行分析。

由于试验车型L±4以外区间a-PLI腿型碰撞后都沿车头向侧面滚动，伤害值偏低且差异性不明显，a-PLI腿型伤害指标的影响分析中不选择L±4以外区间进行数据比对。

A级轿车与C级轿车结构参数及a-PLI 腿型伤害值见表5，具体分析如下。

表5 A级、C级轿车结构参数及a-PLI腿型伤害值统计

（1）A 级轿车上支撑点高度较C 级轿车低161 mm，稍高于F1传感器位置，且位置靠后，不会对a-PLI腿型大腿形成明显支撑。

（2）A级轿车上支撑点在碰撞中对大腿冲击轻微，大腿弯矩峰值243 N·m，距离大腿伤害限值390 N·m安全冗余较大，同时明显低于C级轿车大腿弯矩。

（3）2 车MCL伸长量峰值均明显低于伤害限值27 mm，结合图7、图8 判断原因是下支撑作用明显导致，在3.4.2章节进行详细分析。

C级轿车与小型SUV结构参数及a-PLI腿型伤害值见表6，具体分析如下。

表6 C级轿车与小型SUV结构参数及a-PLI腿型伤害值统计

（1）2 车上支撑点高度均接近并略低于大腿质心高度，上支撑点X方向均偏前，这种形式的结构设计导致a-PLI腿型大腿受到较高的冲击能量。

（2）试验结果显示2车大腿弯矩均处于较高水平，接近伤害限值390 N·m，其中位置较低的F1传感器读数接近而位置更高的F2、F3传感器读数呈现相反趋势，说明小型SUV上支撑高度在C级轿车基础上的提升，对于降低a-PLI腿型大腿伤害是有利的。

（3）小型SUV 膝部MCL伸长量明显高于C级轿车并导致了较多扣分，结合图8、图9判断是下支撑效果差异导致，在3.4.2章节进行详细分析。

小型SUV 与中型SUV 结构参数及a-PLI 腿型伤害值见表7，具体分析如下。

表7 小型SUV与中型SUV结构参数及a-PLI腿型伤害值统计

（1）中型SUV上支撑点高度相比小型SUV提高到1 010 mm，超过上体模块质心高度，因此有效抑制了上体模块向车后方运动，使得大腿弯矩保持在较低状态。

（2）2 车MCL伸长量峰值均较高，结合图9、图10判断是下支撑不足导致，在3.4.2章节进行详细分析。

3.4.2 a-PLI腿型小腿及膝部伤害指标的影响分析

a-PLI腿型小腿弯矩和膝部韧带伸长量受下支撑结构参数影响，A 级轿车、C 级轿车、小型SUV 这3 款试验车型下支撑高度有明显差异而且逐渐升高，小型SUV与中型SUV车头结构差异性主要体现在上支撑，因此仅针对A级轿车、C级轿车、小型SUV这3款车型膝部及小腿伤害指标与下支撑参数的关系进行分析。

A级轿车与C级轿车结构参数及a-PLI 腿型伤害值，见表8。

表8 A级轿车与C级轿车结构参数及a-PLI腿型伤害值统计

（1）2车下支撑高度均位于小腿质心以下，均有效抑制了a-PLI小腿钻入车头底部的趋势；

（2）A 级轿车小腿弯矩T2、T4与C 级轿车非常接近，T3峰值较C级轿车略高，研究发现A级轿车下支撑结构内部通过PP-TD10（料厚为3.4 mm）材料进行2次加强，其强度较高；

（3）根据图7、图8可以看出，A级轿车试验中上体模块倾旋量比C 级轿车更大，但腿型中部弯曲量与C级轿车基本一致，且a-PLI 腿型小腿弯矩及MCL伸长量与C级轿车基本一致，证明A级轿车低且硬的下支撑对提升a-PLI腿型得分有效。

C级轿车与小型SUV结构参数及a-PLI腿型伤害值见表9，具体分析如下。

表9 C级轿车与小型SUV结构参数及a-PLI腿型伤害值统计

（1）C 级轿车下支撑位置较小型SUV 更低且靠前，且下支撑距离小腿质心高度和T3传感器更近，阻止了a-PLI 腿型小腿钻入车头底部，并抑制了腿型中部弯曲，降低了MCL和T1峰值。C级轿车中部支撑刚度偏高导致T1有所增加，但下支撑的有效作用仍使之低于小型SUVT1弯矩；

（2）小型SUV 下支撑高度高于小腿质心，接近T2传感器，无法抑制a-PLI腿型小腿钻入车头底部，腿型中部过度弯曲，T1和MCL峰值非常高。

3.5 试验结果总结

（1）上支撑距地高度影响大腿弯矩并决定了a-PLI腿型碰撞后整体运动姿态

上支撑高度低于大腿F2传感器高度（737 mm）时，其对大腿及上体质心基本不构成支撑，随着上支撑高度接近大腿中部（F2传感器位置），会造成明显的大腿弯曲，即大腿弯矩与上支撑高度为同比关系。

上支撑高于大腿F3传感器高度（817 mm）时,其对大腿及上体质心支撑效果随高度增加而提升，此时大腿弯曲程度随上支撑高度增加而降低，即大腿弯矩与上支撑高度为反比关系。

上支撑偏前会增加大腿弯矩，偏后可降低大腿弯矩，但上支撑过于偏后时无法有效支撑大腿可能导致腿型中部弯曲量增大。上支撑越高越偏前，a-PLI 腿型越不容易向车后方倾旋。

（2）下支撑高度影响小腿弯矩并决定了a-PLI 腿型中部最大弯曲量

下支撑高于小腿质心时，小腿很容易钻入车头底部，小腿弯矩T1、T2偏高，腿型中部弯曲量较大。下支撑低于小腿质心时，小腿不容易钻入车头底部，此时接近下支撑点的小腿弯矩传感器（通常为T3）读数会高于T1、T2，但腿型中部弯曲量较小。

下支撑偏前通常会增加小腿弯矩，下支撑偏后则无法有效支撑小腿，可能导致小腿弯矩T1和腿型中部弯曲量增大。下支撑越高越偏后，a-PLI 腿型小腿越容易钻入车头底部，导致腿型中部弯曲量增大。

（3）膝部韧带伤害与a-PLI 腿型中部弯曲量正相关

当下支撑高度低于小腿质心且X向超出上、中支撑时，可以有效抑制a-PLI腿型中部弯曲，并降低MCL值。

本文对比了不同车头结构在a-PLI腿型试验伤害指标上的差别，详细分析了差异原因，针对不同类型车型给出以下设计建议。

4.1 上支撑高度低于大腿F2传感器高度737 m 的轿车、跑车

（1）其上支撑结构不足以抑制a-PLI 腿型向车后方倾旋，应允许a-PLI 腿型在碰撞中向车上方滑动及后方倾旋从而降低a-PLI腿型中部弯曲量。

（2）需设计下支撑高度低于小腿质心（230 mm）并保证下支撑点有足够的刚度，视情况将下支撑点X向前伸超出中部支撑外表面来阻止a-PLI腿型小腿进入车头底部。

（3）如果上、中支撑结构阻碍a-PLI腿型向车后方倾旋，应弱化相关结构并将上支撑点后退。

（4）支撑点刚度调整方向为：弱化上、中部支撑刚度，强化下部支撑刚度。

4.2 上支撑高度高于大腿F3传感器高度817 mm 的SUV、MPV、CROSSOVER等车型

（1）下支撑点高度应在接近角满足设计目标前提下尽量降低。

（2）如果下支撑点高于小腿质心，上支撑结构设计应在保证大腿弯矩不超伤害限值的原则上抑制a-PLI 腿型碰撞后倾旋运动，可以在保证驾驶视野和风阻系数的前提下尽量提升发罩前沿基准线高度。

（3）支撑点刚度调整方向为：弱化中部支撑刚度，上、下支撑刚度根据伤害指标调整。

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