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基于某SUV車型行人保護(hù)aPLI腿型研究

2022-01-01 00:38:21·  來源：環(huán)境技術(shù)核心期刊  
　
本文針對(duì)2021版C-NCAP中帶有上體模塊新腿型aPLI進(jìn)行仿真分析研究。針對(duì)燈帶汽車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了行人保護(hù)有限元仿真模型，以燈帶區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為關(guān)注點(diǎn)，將上腿
本文針對(duì)2021版C-NCAP中帶有上體模塊新腿型aPLI進(jìn)行仿真分析研究。針對(duì)燈帶汽車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了行人保護(hù)有限元仿真模型，以燈帶區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為關(guān)注點(diǎn)，將上腿部彎矩、韌帶伸長(zhǎng)量及小腿彎矩作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)車輛前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。通過研究發(fā)現(xiàn)：燈帶結(jié)構(gòu)位于aPLI腿型大腿區(qū)域，導(dǎo)致大腿彎矩傷害指標(biāo)F1~F3超標(biāo)，進(jìn)而影響膝部韌帶伸長(zhǎng)量及小腿彎矩，對(duì)此提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，且對(duì)傳統(tǒng)車型也進(jìn)行了新腿型仿真對(duì)比分析，為aPLI新腿型研究提供參考。
近期統(tǒng)計(jì)的中國(guó)道路交通事故表明，我國(guó)道路交通事故中行人與車輛碰撞事故發(fā)生率高，約占總交通事故的27%，因我國(guó)交通道路混雜，居民交通安全意識(shí)不強(qiáng)。通過對(duì)事故的分析發(fā)現(xiàn)，在大部分的人車碰撞事故中，人體是與車輛前部發(fā)生碰撞，所以車輛前部的形狀和剛度是決定碰撞后人傷害程度非常重要的參數(shù)。而當(dāng)行人與車輛碰撞時(shí)，行人的腿部是最先與車發(fā)生接觸，所以在車輛高速共沖擊下極易造成腿部骨折及韌帶撕裂的后果，盡管不是致命傷害，但有可能導(dǎo)致終身殘疾。行人保護(hù)腿部安全研究也一直是行人保護(hù)研究的熱點(diǎn)之一。
隨著生物損傷力學(xué)的深入研究，行人腿部沖擊器也進(jìn)行了多次的發(fā)展與升級(jí)。最早使用的碰撞器為剛性腿（transport research laboratory簡(jiǎn)稱TRL），但在碰撞中幾乎不變形，無法很好反應(yīng)腿部受撞時(shí)的損傷；2010年，日本開始進(jìn)行柔性腿的研究，即flexible pedestrian legform impactor，簡(jiǎn)稱Flex-PLI。Flex-PLI柔性腿采用多節(jié)骨骼連接組成，相比TRL腿型，F(xiàn)lex-PLI在生物力學(xué)性能方面與人體更接近，在碰撞中也能較準(zhǔn)確地模擬腿部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；然而，盡管Flex-PLI腿型在仿生性能上有了較大的提升，但也為考慮上肢慣性對(duì)腿部運(yùn)動(dòng)的影響，所以仍存在一些差異。Isshiki T等人通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)帶有上體模塊的新腿部碰撞器（advanced pedestrian legform impactor，aPLI）能更好的模擬人體腿部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，但正是增加了上體模塊，增加了腿部運(yùn)動(dòng)慣性，導(dǎo)致腿部變形更加惡劣，對(duì)車輛前部結(jié)構(gòu)提出更高的要求。2021版C-NCAP首先使用aPLI腿型替換了原有的Flex-PLI腿型。
本文針對(duì)布置有燈帶的某SUV車型進(jìn)行了aPLI的仿真碰撞研究，與傳統(tǒng)車型對(duì)了對(duì)比分析，并針對(duì)腿部傷害值超標(biāo)做了詳細(xì)分析，并給出改進(jìn)策略，為后期腿部設(shè)計(jì)提供參考。
aPLI腿型評(píng)價(jià)
01. aPLI腿型簡(jiǎn)介
aPLI腿型對(duì)腿部肌肉和腿骨的質(zhì)量進(jìn)行了改進(jìn)，增加了上體質(zhì)量模塊，使其更符合真實(shí)人體腿部質(zhì)量分布，對(duì)應(yīng)腿型的結(jié)構(gòu)即質(zhì)量分布如圖1所示。aPLI腿型由皮膚、肌肉、大腿、小腿、膝部、上體模塊組成，總質(zhì)量為25kg，總長(zhǎng)為1096mm。aPLI腿型在上腿部、膝蓋及下腿部均設(shè)置有傳感器，使其在測(cè)試時(shí)能更貼近實(shí)際人體腿部運(yùn)動(dòng)情況。



圖1 腿型結(jié)構(gòu)及質(zhì)量分布
02. aPLI腿型評(píng)價(jià)指標(biāo)
aPLI腿型中大腿裝有三個(gè)彎矩傳感器、膝部裝有五個(gè)傳感器、小腿裝有四個(gè)傳感器，其傳感器分布如圖2所示。2021版C-NCAP中aPLI腿型評(píng)價(jià)指標(biāo)共8個(gè)，其中包括大腿彎矩（F1~F3）、膝部韌帶伸長(zhǎng)量（MCL）、小腿彎矩（T1~T4）。



圖2 腿型傳感器分布
中國(guó)汽車技術(shù)研究中心發(fā)布的2021版C-NCAP中明確指出，腿型總分從2018版的3分提升到5分。對(duì)應(yīng)腿型各部分限值及評(píng)分方法見表1。
表1 腿型傷害限值及評(píng)價(jià)



行人保護(hù)腿部模型
 
01  仿真模型建立
行人保護(hù)模型以整車模型作為基礎(chǔ)，去除四門及后背門，取前排座椅前支架橫梁之前的結(jié)構(gòu)并對(duì)機(jī)艙和關(guān)鍵模型進(jìn)行必要的補(bǔ)充，將裝配好的車體模型約束截面及減震塔安裝點(diǎn)的六個(gè)自由度，以降低計(jì)算時(shí)間。
2021版C-NCAP行人保護(hù)腿部沖擊試驗(yàn)方法如圖3所示，腿型沖擊器以40±0.72km/h的速度水平?jīng)_擊車輛前端結(jié)構(gòu)，aPLI腿型距離地面間隙為25mm，該工況更貼近人體與車輛前端碰撞時(shí)的狀態(tài)。


圖3 腿型沖擊示意圖
02  撞擊點(diǎn)選取
本文某SUV車型腿部碰撞區(qū)域在Y=±600mm之間。由于造型原因，在L+4~L-4之間，腿部超標(biāo)原因一致，故本文選取L0位置進(jìn)行aPLI腿型沖擊仿真分析，如圖4所示。


圖4 腿型碰撞區(qū)域及選點(diǎn)
仿真結(jié)果及分析
01.  仿真結(jié)果
本文以某設(shè)計(jì)有燈帶的SUV車型L0位置進(jìn)行整車簡(jiǎn)化模型的aPLI腿型仿真模型分析。表2為L(zhǎng)0位置腿型傷害值及得分，從表中可以得出：大腿彎矩及韌帶伸長(zhǎng)量均有失分、小腿彎矩超標(biāo)。
表2 L0位置腿型傷害限值及得分


 
02.  結(jié)果分析
對(duì)于行人保護(hù)腿型工況，需要上、中、下三處結(jié)構(gòu)剛度配合，才能保證腿部對(duì)應(yīng)區(qū)域變形滿足要求，即上部支撐結(jié)構(gòu)為機(jī)罩、中間吸能結(jié)構(gòu)為前防撞梁吸能結(jié)構(gòu)、下部支撐結(jié)構(gòu)為小腿支撐結(jié)構(gòu)。
本SUV車型中的燈帶將前保分為上、下本體部分，上部本體按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝在水箱橫梁上，前保下本體與水箱橫梁上設(shè)計(jì)的安裝支架之間用安裝板連接。前保下本體安裝板及水箱橫梁上安裝支架碰撞過程中占用吸能空間，導(dǎo)致大腿彎矩過大，如圖5所示。


圖5 燈帶區(qū)域結(jié)構(gòu)
03. 對(duì)比分析
對(duì)于無燈帶造型的傳統(tǒng)車輛而言，機(jī)罩前沿為腿型的上部支撐結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)較燈帶結(jié)構(gòu)更靠上，能更好支撐大腿上部的新增上體模塊。在碰撞時(shí)，大腿區(qū)域正對(duì)前保本體上部，該區(qū)域從前保到水箱橫梁之間無硬點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于腿部碰撞可有效的壓潰吸能，并減弱小腿甩腿情況，進(jìn)而減輕韌帶伸長(zhǎng)量。
相對(duì)傳統(tǒng)無燈帶造型的車輛而言，有燈帶造型的車輛，燈帶區(qū)域正對(duì)大腿彎矩區(qū)域，燈帶結(jié)構(gòu)較機(jī)罩靠前、剛度也較機(jī)罩大，故成為腿部上支撐結(jié)構(gòu)。在燈帶區(qū)域，除了燈帶自身的后殼體及安裝支架外，還布置了前保下本體安裝結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)與水箱橫梁上的安裝支架連接，導(dǎo)致該區(qū)域吸能空間未能充分利用，導(dǎo)致大腿彎矩失分；大腿能量無法被充分吸收，導(dǎo)致小腿甩腿嚴(yán)重，進(jìn)而使韌帶伸長(zhǎng)量過大。
圖6為有無燈帶造型設(shè)計(jì)后車型腿部碰撞結(jié)果對(duì)比，可以看出aPLI腿型在有燈帶造型的車輛中整體彎曲變形比較嚴(yán)重，無燈帶造型的車輛中腿型比較平整。




圖6 對(duì)比分析
前保下本體安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化
燈帶造型設(shè)計(jì)將前保分成上、下兩個(gè)本體，如果前保仍按傳統(tǒng)方式安裝將無法滿足新腿型上部傷害評(píng)價(jià)。需釋放該處吸能空間才能滿足要求。
01  方案一:前防撞梁設(shè)置倒“L”型支架
取消前保下本體與水箱橫梁之間安裝結(jié)構(gòu)，取消水箱橫梁上的安裝支架，采用如圖7所示倒置"L"支架。




碰撞前 碰撞后
圖7 前保下本體安裝支架
將前保下本體安裝在倒置"L"型支架上，在碰撞過程中，前保下本體可以在X向壓潰吸能，也避開了燈帶在X向運(yùn)動(dòng)，可以解決上腿部彎矩過大問題，進(jìn)而解決小腿甩腿及韌帶伸長(zhǎng)量過大等問題。
02  方案二:水箱橫梁設(shè)置懸臂"L"型支架
將前保下本體與水箱橫梁支架的安裝結(jié)構(gòu)，替換成懸臂安裝支架，如圖8所示。


(a）碰撞前


(b）碰撞后
圖8 前保下本體安裝支架
懸臂結(jié)構(gòu)在碰撞中可以有效的壓潰吸能，可以有效解決大腿區(qū)域碰撞傷害，即大腿彎矩可控制在370Nm之內(nèi)，進(jìn)而解決小腿甩腿及韌帶伸長(zhǎng)量過大等問題。
03  方案三：更改機(jī)罩鎖與前橫梁連接結(jié)構(gòu)
將機(jī)罩鎖點(diǎn)剛度加強(qiáng)結(jié)構(gòu)更改如圖9所示。




圖9 更改安裝支架
該結(jié)構(gòu)原為機(jī)罩鎖點(diǎn)剛度加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，將其融合行人保護(hù)腿部碰撞設(shè)計(jì)，使其X向可壓潰吸能，可以解決大腿彎矩過大問題，可將大腿彎矩控制在370Nm之內(nèi)，進(jìn)而解決小腿甩腿及韌帶伸長(zhǎng)量過大等問題。
但該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)罩鎖點(diǎn)剛度及NVH動(dòng)剛度問題，需在此設(shè)計(jì)上進(jìn)一步做結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到所有性能均滿足要求的目標(biāo)。
對(duì)比三種優(yōu)化方案，第三種優(yōu)化方案較前兩種方案，更能均衡前保X、Z向安裝強(qiáng)度，亦能兼顧其他性能要求，更能起到輕量化作用。而且在所有的優(yōu)化方案中，燈帶安裝支架都應(yīng)做潰縮設(shè)計(jì)，以保證腿部最大的吸能效能。
總 結(jié)
1) 對(duì)比有無燈帶造型車型的aPLI仿真結(jié)果，可以得出燈帶造型結(jié)果較無燈帶造型結(jié)果差。
2）燈帶設(shè)計(jì)將前保結(jié)構(gòu)分為上、下本體結(jié)構(gòu)，下本體的安裝結(jié)構(gòu)占用碰撞吸能空間，導(dǎo)致aPLI大腿彎矩超標(biāo)，進(jìn)而小腿彎矩超標(biāo)、韌帶伸長(zhǎng)量超標(biāo)。
3）本文針對(duì)aPLI腿型傷害值超標(biāo)原因，優(yōu)化前保下本體安裝形式，提供三種優(yōu)化方案，最后仿真結(jié)果腿部傷害值均能滿足要求。
燈帶設(shè)計(jì)作為一種新型造型設(shè)計(jì)，對(duì)行人腿部保護(hù)提出一些新挑戰(zhàn)，本文的研究結(jié)論，對(duì)車輛前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可提供參考依據(jù)。
 
引用本文：
徐?；?，楊全凱，吳澤勛，閆高峰.基于某SUV車型行人保護(hù)aPLI腿型研究[J].環(huán)境技術(shù)，2021，(S1):54-58.
專家簡(jiǎn)介：徐?；?，女，碩士研究生，工程師，主要研究方向：汽車安全碰撞。
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