针对FLEX-PLI腿型冲击试验的行人保护结构优化设计

崔淑娟，郝海舟，赵清江，刘 琦，彭 锟，刘 果

（1.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 401122；2.中国汽车工程研究院，重庆 401122）

根据世界卫生组织的统计数据，全球交通事故死亡人数中的22%为行人。各国行人事故中行人伤害多见于头部和下肢，其中，行人下肢与汽车前保险杠碰撞产生的伤害占行人总伤害比例为美国43%、德国35%、日本42%[1]。国内，以长沙市的数据为例，下肢伤害占比为25.9%[2]。

下肢伤害极易导致腿部的长期残疾，因此，国内外均将行人下肢保护纳入相应的标准和法规中。E-NCAP已于2014年开始采用Flex-PLI柔性腿型进行新车星级评定试验，ECE R127-01于2015年执行柔性腿型认证试验[3]。C-NCAP 2018版和中国保险汽车安全指数C-IASI 2017版均包含行人保护测试项目，测试工况和所采用的冲击器与E-NCAP相同。目前，行人柔性腿型冲击在国内外也成为研究热点。

本文根据欧洲ECE R127-01法规要求，建立了某车型的有限元仿真模型，针对基础车仿真分析结果，依据工程经验和常见的行人保护柔性腿型冲击性能的优化设计方法，对车辆前端吸能泡沫进行优化设计与仿真分析。该车型最终通过了ECE R127-01的法规认证。

1 基础车Flex-PLI柔性腿型冲击保险杠性能分析

1.1 ECE R127-01柔性腿型冲击测评标准

柔性腿型冲击保险杠试验是通过冲击器受到的膝部韧带伸长量和胫骨弯矩作为伤害指标进行评价的（表1）。

根据ECE R127-01法规要求，确定腿型测试区域应满足以下条件：柔性腿型冲击器离地面高度75 mm，沿车辆纵向以40 km/h的速度冲击车辆前端，过保险杠角的边界线向内偏移66 mm。再将腿型测试区域分为三等分，在各均分区域至少选择1个点进行试验。

1.2 有限元模型搭建及对标

采用Hyper-mesh软件建立该车型仿真模型，按照实车参数设置零件的材料和厚度，并通过焊接、螺栓、铰链等方式建立各部件之间的连接关系。前保险杠及其附件的材质为塑料件，强度低且韧性差，在碰撞过程中容易发生断裂失效等问题。在仿真模型中，为接近真实情况，对关键变形零部件设置断裂失效模型[4]。

只截取车辆B柱之前的部分进行分析，包括发动机盖、前围板及其之前的零部件、发动机舱内部各零部件、前悬架等结构。约束车辆截面和前悬架处的6个自由度。模型共有单元数1 079 545个，节点数1 578 193个，三角形单元比例4.5%。

车型研发初期进行了刚性腿型冲击试验，为验证车体有限元模型的有效性，根据摸底试验结果，设置与试验相同的工况进行仿真分析。在仿真模型中，设置并调整刚性腿型冲击器离地面高度25 mm，沿车辆纵向以40 km/h的速度冲击车辆前端。计算完成后，查看模型的能量曲线。界面滑移能和沙漏能占总能量百分比小于5%，质量增加百分比小于5%，认为模型计算结果可信。

选取其中3个撞击位置与试验结果进行比对，膝部加速度曲线对标结果见表2，最大误差12%。以L-5试验点的膝部加速度曲线为例（图1），试验曲线和仿真曲线走势一致，满足工程精度，模型可以用于后续分析。

表2 试验与仿真结果对比

图1 L-5 仿真与试验结果对比曲线

1.3 基础车柔性腿型冲击仿真分析结果

柔性腿型冲击的仿真模型如图2所示，以ECE R127-01法规为开发目标的行人保护分析项目在设计阶段为验证测试区域全部满足法规要求，常见的做法是从车体横向中心位置开始，依次向左右两侧以100 mm间隔布置撞击点来进行仿真分析。该车型共选定11个仿真分析位置，仿真分析结果见表3。结果超过伤害极限的80%标记成黄色，判断为存在性能风险。由此可知，撞击伤害主要表现在腿型的上部胫骨弯矩T1处。

表3 仿真分析结果

2 改进设计仿真分析

2.1 优化策略

对行人保护柔性腿型冲击性能最关键的影响因素是车辆前端造型和内部结构布置。其中，发动机盖前缘、上支撑结构、前防撞横梁吸能装置、下支撑结构是几个重要的传力路径[6]。通过合理配置前端结构，从而改善腿型的运动姿态，是最有效的优化柔性腿型冲击性能的方法。

常见车辆造型特征可归纳为三种，如图3所示，依次对应轿车、接近角较大的SUV车型和城市/中大型SUV车型。轿车前保险杠蒙皮下端通常离地高度较低，车体对腿型的胫骨有较好的支撑，发动机盖前缘较低，车体前端对腿型的膝盖及以上结构支撑不足，膝部韧带伸长量与胫骨弯矩都有超标的风险。接近角较大的SUV车型，前保险杠蒙皮下端通常离地高度较高，车体对腿型的胫骨支撑不足，发动机盖前缘较高，车体前端对腿型的膝盖及以上结构有较好的支撑，膝部韧带伸长量与胫骨弯矩T1都有超标的风险。城市/中大型SUV车体前端比较平齐，为腿型的均匀支撑提供了可能性，但如果支撑刚度匹配不均匀，同样存在性能超标的风险[7-8]。针对不同的车辆造型特征，采用不同的优化开发策略，以达到不同的目标运动姿态，如图4所示。

图3 常见车辆造型特征

图4 不同造型车辆的柔性腿型目标运动姿态

具体的优化策略为：（1）轿车。弱化发动机盖前缘刚度，在保险杠下端内侧增加小腿支撑结构，如图5所示。（2）接近角较大的SUV。弱化保险杠下部刚度，减弱保险杠下部作为腿型弯曲的支点作用；通常不设计前保险杠下端小腿支撑结构，尽可能增强发动机盖前缘刚度或增加上支撑结构，如图6所示；造型阶段，尽可能使发动机罩前缘靠前。（3）城市/中大型SUV。优化前防撞横梁泡沫的结构以及材料参数，在支撑不足的高度位置增加支撑横梁结构，如图7所示。

图5 轿车优化实例

图6 接近角较大的SUV优化实例

图7 城市/中大型SUV优化实例

2.2 改进设计方案

根据上述仿真结果可知，伤害主要出现在柔性腿型上胫骨处。观察仿真动画，以L0点为例，碰撞过程中，在20 ms左右时，柔性腿型和前保险杠发生挤压，吸能泡沫结构偏硬，成为前端造型的突出点。腿型上端受到发动机盖前缘的支撑，腿型下端发生明显弯曲，导致胫骨弯矩较大。前保险杠蒙皮中间的安装点结构局部刚度大，导致前保险杠蒙皮变形不充分，加剧了胫骨弯矩的增加。在40 ms左右时，腿型成向后倒的姿态反弹，腿型和车体分离，如图8所示。

图8 柔性腿型冲击保险杠截面图

由图8可知，车体前端外造型平齐。从支撑结构上看，上部有发动机盖前缘，中部有吸能泡沫，下部有前保险杠蒙皮下支撑件。但位于防撞横梁前端的吸能泡沫未与上下各支撑结构形成良好的刚度匹配，使上下受力不均衡，所以重点弱化吸能泡沫结构，并对前保险杠蒙皮中间的安装点进行局部优化，如图9所示。

图9 改进设计方案

3 优化方案仿真分析及试验验证

改进设计仿真分析结果见表4，采用上述改进设计方案后，柔性腿型伤害值满足ECE R127-01法规要求，并且保留了20%的安全裕度。上部胫骨弯矩值相对基础车有明显下降。

ECE R127-01规定，至少选择3个点进行认证试验。选择点之间至少间隔132 mm，试验时，通常选择最易造成伤害的点，试验结果见表5。试验结果满足设定的性能目标，该车型顺利通过ECE R127-01法规认证。

测试位置 韧带伸长量/mm 胫骨弯矩/Nm PCL ACL MCL T1 T2 T3 T4 L0 2.6 7.3 13.2 249 228 180 100 L1 2.5 6.8 13.2 250 227 184 97 L-1 3.1 7.7 14.5 250 234 190 105 L2 3.2 7.7 14.5 253 228 183 98 L-2 3.2 7.6 14.9 248 227 184 102 L3 2.6 6.9 12.4 223 208 184 107 L-3 3.1 7.6 14.0 232 222 191 111 L4 0.9 3.7 7.2 121 138 146 82 L-4 1.2 4.0 7.9 140 150 147 84.9 L5 7 4.4 8.9 116 123 157 86 L-5 6.1 4.0 8.2 107 125 265 94

表5 试验结果

4 结论

（1）本文建立了某车型行人保护腿型冲击仿真分析模型，并进行了试验对标，模型精度满足要求。

（2）根据ECE R127-01法规要求，进行了柔性腿型冲击保险杠仿真分析，伤害主要集中在上部胫骨弯矩。针对常见的不同车辆前段外造型，对行人保护柔性腿型冲击的性能开发策略进行了详细的介绍。对该车型仿真结果进行分析，并提出改进设计方案。结果表明，优化后该车型能够通过ECE R127-01法规认证。

（3）行人保护柔性腿型冲击性能主要取决于车辆前端外造型和内部支撑件的布置。在车辆开发早期，对外造型进行特征设计，合理规划支撑路径，匹配支撑结构的刚度对提高行人保护性能意义重大。