基于简化模型的行人保护小腿碰撞分析研究

龚兴旺　侯聚英　徐莉

摘 要：大量的行人交通事故使得人们越来越重视车辆对车外人员的保护，国内各个汽车企业在车辆造型设计阶段和总布置阶段，已开始积极介行人保护设计，从而减小后期优化难度，降低行人损伤程度。本文基于2018版C-NCAP行人保护下腿型碰撞试验要求，建立了有效的行保腿型碰撞简化模型，同时运用参数灵敏度分析方法，进行了车辆前端造型尺寸设计分析。结果表明，建立有效的行保腿型碰撞简化模型，能快速有效地分析前保造型尺寸和造型特征对小腿性能的影响，对行人保护友好的车辆前端造型设计有较好的指导意义，具有较高的工程实用性。

关键词：行人保护 简化模型 参数灵敏度分析

Research on Pedestrian Protection of Lower Leg Collision Based on Simplified Model

Gong Xing-wang Hou Ju-ying Xu Li

Abstract：A large number of pedestrian traffic accidents have made people pay more and more attention to the protection of people outside the vehicle，In the stage of vehicle modeling design and general layout， domestic automobile enterprises have begun to actively introduce pedestrian protection design， so as to reduce the difficulty of late optimization and reduce the degree of pedestrian damage. In this paper， based on the requirements of the 2018 C-NCAP pedestrian protection of lower leg collision test， an effective simplified model of the pedestrian protection of leg collision was established. At the same time， parameter sensitivity analysis method was used to design and analyze the modeling dimensions of the front end of the vehicle. The results show that the establishment of an effective simplified model of pedestrian protection of leg collision can quickly and effectively analyze the influence of the size of car front molding size on the performance of the leg， which has good guiding significance for the design of pedestrian protection friendly car front molding， and has higher engineering practicability.

Key words：pedestrian protection，simplified model，parameter sensitivity analysis

1 引言

随着我国经济的快速增长，汽车保有量和城市人口数量也呈现不断上升的趋势，由此带来的道路交通异常拥挤和人车混杂等不良交通秩序问题，都极大的增加了行人-汽车碰撞交通事故的发生概率。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[1]。頭部和下肢是行人最频繁受伤害的部位，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占43%、德国占35%、日本占42%[2]。下肢的伤害通常被认为是除头部伤害外最严重的伤害，因为它可能导致行人终身残疾或丧失劳动能力[3]，对受害者家庭和社会带来精神创伤和经济损失。当今国内外各大汽车生产厂商对汽车被动安全性的关注度越来越高，如何保护行人，减轻其在与车辆发生碰撞时的伤害已经逐渐成为各国汽车安全性研究的新领域和焦点问题。

我国在2018年7月正式实施的《C-NCAP 管理规则（2018版）》中首次加入基于柔性腿型的行人下肢保护试验及评分[4]。在2018版C-NCAP中，乘员保护，行人保护，主动安全总分100分，行人保护总分为15分，占比为15%。在新车评价体系中，如果要达到五星及五星+评定，总得分率需≥82%，而行人保护作为单项，其得分率必须≥65%，由此可见为了在新车评定中取得更高的星级评定结果，行人保护的考量尤为重要。随着2018版C-NCAP的颁布，国内越来越多的汽车公司将行人保护这项要求加入车辆开发和设计中，纷纷展开了行人保护技术的研究，积极与国外相关领域的科研机构进行合作。目前，国内各个汽车企业在车辆造型设计阶段和总布置阶段，已开始积极介入行人保护设计，从而减小后期优化难度，降低行人损伤程度[5]。小腿的横向剪切和弯曲响应是导致小腿伤害的两种最主要的响应，这两种响应会导致胫骨骨折、膝关节损伤、小腿骨骨折，而行人小腿在碰撞中受到很大伤害的原因主要是小腿与保险杠、发动机罩、进风口挡板、灯具、翼子板等部件接触，因此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。

行人腿部保护性能与车辆前端的造型密切相关，因此在造型阶段需要进行腿部性能评估。但是造型阶段通常没有前保险杠、前隔栅、前大灯、发动机罩等结构等详细数据，导致行人保护仿真分析难以进行。本文提出一种基于简化模型和参数灵敏度分析方法的造型前期行人保护评估方法，评估车辆前端造型和尺寸的设计对于行人腿部性能的影响。

2 行人保护腿型碰撞试验要求

C-NCAP（2018版）规定，当汽车保险杠下部基准线离地高度低于425mm时，需用下腿型冲击器撞击汽车前端来模拟行人-车辆碰撞;当保险杠下部基准线离地高度高于500mm时，则需要用上腿型冲击器撞击汽车前端来模拟行人-车辆碰撞;当保险杠下部基准线离地高度介于425mm到500mm之间时，车辆生产企业可选择使用下腿型或上腿型进行撞击试验。试验中采用的下腿型冲击器为FLEX-PLI柔性下腿型冲击器，下腿型质量为13.2kg，规定车辆调整为正常行驶姿态，下腿模型下端离地距离为75±10mm，腿型以40±0.72km/h的速度水平冲击车辆前部腿型试验区域，图1为2018版C-NCAP行人保护测试示意图，其中包含腿型撞击试验内容。

试验中，采集碰撞过程中小腿胫骨上T1、中上T2、中下T3和下部T4四个弯矩以及膝部内侧韧带伸长量MCL、膝部前十字韧带伸长量ACL和后十字韧带伸长量PCL七个指标，来评价车辆对行人腿部的碰撞保护性能，具体评价指标如表1所示。其中膝部韧带伸长量是在ACL、PCL值均小于限值10mm的前提下，根据MCL值进行评分，若ACL或PCL值大于或等于限值10mm，那么膝部韧带的伸长量得0点数分，而小腿弯矩评分时取四个弯矩值中最差的一个。

3 行保小腿碰撞分析详细模型建立

行人保护不同于整车碰撞，行人动能较小，不涉及金属材料的大变形和大转角以及失效等，但需要考虑泡沫材料、塑料、灯具玻璃多种非金属材料的动态力学特性，在保证计算精度的同时，为了提高计算效率，在建模时可以对汽车结构适当简化，仅保留直接参与行保碰撞的汽车前部结构，包括前蒙皮，大灯，进气格栅，发动机罩，翼子板，保险杠防撞梁，前纵梁，挡泥板，A柱等碰撞核心区零件。

本文的行人保护模型从某SUV汽车正碰模型中进行截取，该正碰模型已进行过前期的整车碰撞试验对标，可保证此仿真模型的正确性。考虑到碰撞过程中车体A柱以后的部分基本不变形，在碰撞中截取A柱以前部分，并约束车辆截面的六个自由度。行人保护碰撞过程中整体能量较低，轮胎变形很小，对结果的影响可忽略，且增加轮胎会导致能量的不合理波动，因此模型中删除了轮胎。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。采用Hyper-mesh软件建立的行保整车有限元模型共有单元数743111个，节点数721358个，如图2所示。

如图3所示，FLEX-PLI柔性腿型主要由大腿、小腿、膝部组成，总重量为13.2kg，总长为973mm，相比TRL刚性腿型，FLEX-PLI具有更好的柔韧性，能真实的模拟撞击过程中人体腿部的受力和变形情况。

为便于分析前保造型对小腿各性能的影响，本文仅选用前保正中心撞击点进行研究。将LEX-PLI腿型導入行保整车有限元模型中，根据对应C-NCAP（2018版）规则要求设置参数，即调整刚性腿型冲击器离地面高度75mm，小腿沿车辆纵向以11.1m/s的速度水平冲击车辆前端正中央。建立的行保腿型碰撞模型如图4所示，在LsDyna中整个行保碰撞仿真分析过程所用计算时间为8小时。

4 行保小腿碰撞分析简化模型建立

虽然行保小腿碰撞分析详细模型精度比较高，但是详细的有限元模型计算需要花费大量的时间，而且对于前保造型尺寸的设计分析非常困难，因此本文基于详细模型进一步建立了行保腿型碰撞分析的简化模型，用于快速有效地分析前保造型尺寸对小腿性能的影响。

单个构件从整车上取出与保留在整车上两种情况比较，两者的碰撞特性并不完全相同，但变形与运动趋势是基本一致的，因此可以通过子结构来研究车身结构的碰撞性能[6]。从行保小腿碰撞结果来看，承载小腿冲击并发生明显塑形变形的结构主要集中在车身被撞一侧即前保区域，因此，简化模型保留与小腿直接接触的部分，包括保险杠区域部件、扰流板以及发动机罩前沿等。为保证接触区域的整体刚度与详细模型一致，本文通过建立具有一定刚度特性的三个泡沫结构代替车体前保以后的其他结构，如图5所示。

对新建的泡沫后端、保险杠后端和前保的安装点位置进行约束，如图6所示。同时，与详细模型一致，小腿冲击模型以11.1m/s水平初速度冲击车体简化模型，提交LsDyna进行计算，简化模型仿真计算时间为2小时，仅为详细模型计算时间的1/4。

如图7为行保腿型分析详细模型与简化模型的运动过程对比，腿型整体运动姿态基本一致。

为进一步验证简化模型的有效性，仿真分析输出了各接触区域的接触力变化曲线，与详细模型的结果对比如图8所示。从结果可以看出，简化模型的接触力曲线F1、F2、F3和详细模型基本一致;由于车标处隔栅作了简化，接触力F4偏大，但曲线整体趋势和详细模型大体一致。

同时，仿真分析输出了柔性腿的小腿弯矩和膝盖韧带伸长量评价指标曲线，与详细模型的结果对比分别如图9和图10所示。从结果来看，简化模型与详细模型的评价指标曲线整体趋势基本一致。

综合腿型运动姿态、接触力曲线以及腿型评价指标曲线各项对比结果，可知建立的简化模型有较高的精度，能有效地代替整车模型进行研究，可以用于后续的造型参数灵敏度分析。

5 造型参数灵敏度分析

影响行人小腿伤害的主要汽车结构参数有前保区域的结构刚度和前保造型参数，而前保造型参数主要包括扰流板离地高度H1、保险杠离地高度H2、发动机罩前沿至保险杠最前端的距离L1以及扰流板至保险杠最前端的距离L2，如图11所示。

基于简化模型，选取上述四个造型参数H1、H2、L1、L2作为设计变量，以小腿弯矩（T1、T2、T3、T4）和膝部韧带伸长量（PCL、ACL、MCL）七个损伤指标作为响应量进行DOE（design of experiment）试验分析设计[7]，制定的优化变量控制因素及水平如表2所示。

对于上述4因素3水平试验，本文通过均匀拉丁方实验设计抽取样本点，只需要进行9组数据的仿真计算就可以反映出全部组合试验的趋势，具体的试验设计表和对应评价指标的输出响应，如表3所示。由表3进一步进行分析，得到各响应量对设计变量的灵敏度分析结果，如图12所示。

由灵敏度分析结果可得出：

（1）小腿弯矩和膝部韧带伸长量均与发动机罩前沿至保险杠最前端的距离L1正相关，且L1对七个指标的影响非常显著。发罩前沿至保险杠最前端距离越小，可以对腿部上端支撑效果更好，减少小腿损伤，因此可以通过降低发罩前沿至保险杠最前端距离L1获得较低的小腿损伤值。

（2）同时，小腿弯矩和膝部韧带伸长量均与扰流板至保险杠最前端的距离L2正相关。扰流板相对保险杠位置偏后，对小腿支撑效果不好，小腿损伤较差，因此，可以适当降低扰流板至保险杠最前端的距离L2，获得较佳的支撑效果，降低小腿损伤值。

（3）小腿弯矩T1＼T2＼T3＼T4受扰流板离地高度H1、保险杠离地高度H2影响较大，且与高度H1正相关，与高度H2负相关，而膝部韧带伸长量受高度H1及H2影响并不明显。扰流板离地高度H1越低，保险杠离地高度H2越高，对小腿下端支撑效果更佳，小腿弯矩越小，因此通过适当降低H1，提高H2获得较低的小腿弯矩值。

6 总结

行人保护是汽车设计中的难点之一，而基于柔性腿的汽车前部结构设计更是一个非常复杂繁琐的问题。本文基于详细的行保腿型碰撞分析模型，建立了行保腿型分析的简化模型，并进行了模型的有效性验证。在简化模型基础上，进一步采用参数灵敏度分析方法，找出了对小腿评价指标影响较大的前保造型参数。研究表明，建立有效的行保腿型碰撞简化模型，能快速有效地分析前保造型尺寸对小腿性能的影响，对前保造型的正向设计有一定的指导意义。

参考文献：

[1]黄金华，郑文强.基于行人保护下腿型的车辆前端结构分析优化设计[J].机械工程与自动化，2018（6）：85-87.

[2]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[J].汽车工程学报：2018，8（4）：281-286.

[3]柴晓磊，单勇，孟丹阳.行人保护小腿保护优化分析[C].2016中国汽车安全技术学术会议.

[4]中国汽车技术研究中心.C-NCAP管理规则（2018年版）[S].2018.

[5]吕北京.基于Euro_NCAP的某车型行人保护研究.重庆：重庆理工大学，2018.

[6]漆維.基于简化模型的车身侧面耐撞性分析与优化[D].长沙：湖南大学，2018.

[7]孙丽，杨啟梁，曾宇鹏等.基于行人保护的乘用车保险杠系统参数优化[J].科技通报，2016，32（6）：195-199.