王迎++陈如意++王菊++张钰++禹慧丽++崔泰松++赵会

摘 要：目前，不同的行人保护法规中均要求使用下肢碰撞柔性小腿（Flex-PLI）或刚性小腿（TRL-LFI）。在开发长安某海外出口车型时，为同时满足两种腿型碰撞要求，在分析两种碰撞腿型评价指标差异的基础上，设计出了腿部塑料吸能结构。通过不同开孔结构的改进分析，研究了腿部上下支撑刚度变化对两种腿型各项评价指标的影响，为开发同时满足两种腿型碰撞的车型提供了参考。

关键词：行人保护；下肢冲击器；吸能结构；支撑刚度

中图分类号：U461.91文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.01.11

Abstract：Currently， all the pedestrian protection regulations require the use of fexible or rigid pedestrian legform impactors （PLIs）. A Chang'an export vehicle was developed to simultaneously meet the requirements with two types of PLIs. A plastic structure on the impactor for absorbing energy was designed after analyzing the discrepancy between two legform evaluation indexes. By modifying and improving the holes in the impactor， the influence of rigidity of both upper and lower legform braces on the evaluation indexes was researched. The results provide some reference for the vehicle development which needs to meet the two types of legform impactors simultaneously.

Keywords：pedestrian protection； legform impactor； absorbing energy structure； brace rigidity

行人是道路交通参与者中的弱势群体，事故发生率极高。尤其在发生行人与车辆碰撞事故时，下肢是第一碰撞位置，受伤最为严重，极易导致腿部的长期残疾[1-2]。参考美国、日本、欧洲和澳大利亚的统计数据，在人车碰撞时行人下肢受伤几率高达52%[3]，因此如何减小下肢体伤害成为行人保护领域内的重要课题。

目前，国际上采用的行人保护法规和标准主要有欧盟EC 78/2009法规[4]、全球技术法规

GTR 9[5]、联合国欧洲经济委员会UNECE R127法规[6]、欧洲新车评价规程 Euro NCAP[7]。我国于2009年10月发布了GB/T 24550—2009《汽车对行人的碰撞保护》[8]。但各法规对于下肢体碰撞的评价方法和内容并不相同，具体情况见表1。

由表1可知，Euro NCAP和UNECE R127法规下肢体碰撞已经采用柔性小腿（Flex-PLI），如图1a所示；而EC 78/2009、GTR 9和GB/T 24550—2009仍然采用刚性小腿（TRL-LFI），如图1b所示。

由于TRL-LFI腿型模拟大腿长骨和小腿长骨的两根金属圆管都是刚性的，无法模拟腿骨的断裂，与人体腿部的生理特征有一定区别，而且未得到生物医学方面的认可，仿真性存有争议。Flex-PLI由18个碰撞节组成，更贴切地模拟人体腿骨的断裂和小腿的弯曲变形，但其试验重复性差，冲击器模型还需要改进，同时Flex-PLI的医学生物仿真性能和事故数据的对比也还需要进一步研究[9-10]。因此Flex-PLI腿型要完全取代TRL-LFI腿型将是一个非常漫长的过程，目前TRL-LFI腿型仍然被广泛应用。在行人保护法规两种腿型并存的情况下，如何开发出同时满足两种腿型的车型，尤其是海外出口的车型，便成为一个具有现实意义的研究课题。

本文针对长安某海外出口的SUV车型，为满足GTR 9和UNECE R127法规的规定，对该车型进行行人保护下肢体碰撞性能的开发。

1 下肢碰撞法规试验要求

1.1 试验条件

根据两个法规的规定，冲击试验中，两种腿型的冲击速度都为11.1±0.2 m/s，冲击方向在车辆纵向垂直平面内，相对于水平平面和垂直平面的偏差均为±2°，冲击位置的误差为±10 mm。不同的是腿型第一接触时刻，刚性小腿的底部距离地面基准平面为25 mm，而柔性小腿为75 mm。

1.2 评价要求分析

对比两种腿型的评价要求，最大的不同在于刚性小腿评价项加速度反映的是腿部受力大小，而柔性小腿评价项腿部弯矩反映的是腿部受到的力矩大小，可见考查的内容并不相同。为了满足法规要求，减小腿部受力，需要通过腿部吸能件来吸收腿部碰撞能量。而为了减小力矩，则需要弱化腿部吸能件的刚度以平衡柔性小腿上中下三部分的支撑刚度。但在行人保护腿型碰撞分析改进时，外造型已经确定，涉及外造型的前保险杠、格栅、发动机罩等结构不易更改，最易行的方法是设计出即满足腿部加速度要求，又可以平衡腿部上中下支撑刚度的前防撞横梁吸能结构。

现在许多车型采用在汽车前防撞横梁和前保险杠蒙皮之间装置泡沫吸能件吸收碰撞能量，但由于泡沫压缩程度有限，无法充分利用吸能空间，吸能效率很低，而塑料吸能件不但整体吸能效果高于泡沫，而且在相同吸能条件下，塑料件更能有效降低小腿弯曲角和韧带拉伸量[11]。因此本文通过塑料吸能件的设计和改进达到使车型满足两种下肢体碰撞要求的开发目标。

2 碰撞模型建立

由于整车模型计算时间非常长，且行人保护腿部碰撞只有车体前部结构发生变形，对车体后部影响非常小，因此分析模型截取整车前部有限元模型，包括发动机舱部件、前罩板总成、保险杠总成、翼子板总成、大灯总成、雾灯总成、雨刮总成、风挡玻璃、前罩装饰件、前防撞横梁、纵梁等。分析模型采用8 mm的网格尺寸建模，对于腿部碰撞变形较大的前保险杠和吸能件采用为5 mm的网格尺寸。分析模型如图2所示。

在车体后端截面处添加六个方向自由度的约束。腿冲击方向为在车辆纵向垂直平面内沿着x的正方向，冲击速度为11.1±0.2 m/s。为腿部与车体模型前部部件添加*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE接触约束，静、动摩擦系数设置为0.3。柔性小腿有限元模型为首美公司开发的V2.0.2版本，冲击时与地面距离为75 mm。刚性小腿为Arup公司设计的有限元模型，冲击时与地面距离为25 mm。

3 初始方案碰撞分析

3.1 初始方案

初始方案的腿部塑料吸能结构由上、前、下三

个吸能面组成，其纵向截面为等腰梯形，厚度为

2.5 mm，分析采用MAT_24材料模型，密度为1.2 g/cm3，

弹性模量为1.87 GPa，泊松比0.4，如图3所示。

3.2 CAE仿真结果及分析

以车体中间位置Y=0 mm的碰撞点为例进行分析和改进。其柔性小腿和刚性小腿的分析结果见表2。

由表2数据与GTR9和UNECE R127法规评价要求对比可知，柔性小腿最大弯矩、韧带拉伸量MCL、ACL三项指标超标；刚性小腿弯曲角超标。通过结合如图4所示的动画截图分析发现，该车型主要问题在于腿部塑料吸能件在碰撞过程中没有充分压溃，在X向留有较大的剩余空间，使得在碰撞过程中后期，腿型中部受到较强的支撑，而腿型上、下两部分分别受到上、下格栅的支撑相对较弱，腿型上下两端会继续向前运动，从而导致腿型弯曲程度增大，使柔性小腿韧带拉伸量和刚性小腿的弯曲角超标。

4 改进方案碰撞分析

4.1 改进方案

通过对初始方案的分析，改进方案的设计思路主要是要解决腿部塑料吸能件未充分压溃的问题，以减小对小腿中部的支撑。考虑到CAE仿真分析和试验之间的误差，改进分析的目标值设定为法规评价值的80%。

腿部塑料吸能件设计有三种开孔弱化结构形式。图5a方案一为在上下吸能面对称开孔结构，孔宽为20 mm，孔间距为20 mm。图5b方案二为上下吸能面非对称开孔结构，上吸能面孔宽为30 mm，孔间距为10 mm，下吸能面孔宽为10 mm，孔间距为30 mm。图5c方案三与方案二开孔结构正好

相反。

通过这三种腿部塑料吸能件的开孔弱化结构，在减小小腿中部支撑刚度的基础上，进一步深入研究上下吸能面不同支撑刚度对腿部碰撞性能的影响，为后期试验对标和改进提供参考依据。

4.2 CAE仿真结果及分析

三种结构的仿真分析结果见表3。

由表3可知，方案一所有的分析结果都满足改进目标值。方案二与方案一相比，增加了对腿型下部的支撑刚度，使柔性小腿的韧带拉伸量和刚性小腿的弯曲角都有显著的减小，但却增大了刚性小腿的加速度值。方案三与方案一相比，增加了对腿型上部的支撑刚度，但两种腿型的分析结果都略有增加，改进效果并不明显。综合来看，方案一为最适宜方案，而方案二可以作为单独开发柔性小腿车型的方案。

由图6、图7与图4进一步对比分析可知，改进方案的吸能结构变形非常彻底，已经基本完全压溃，充分利用了所有的吸能空间，使整个腿部在碰撞中的弯曲程度得到了较大改善。可见塑料吸能件在X向的压溃程度是开发过程中的关键影响因素。

对于该车型其余碰撞位置，由于腿部上、中、下三部分的支撑刚度与车体中间位置Y=0 mm相似，因此，改进方案同样适用。

综上所述，通过腿部塑料吸能件的开孔弱化结构，可以同时达到刚性小腿和柔性小腿碰撞的开发要求。这为开发满足两种腿型碰撞的车型，尤其是海外出口车型提供了参考，具有重要的现实意义。

5 结论

本文为达到GTR9刚性小腿碰撞和UNECE R127柔性小腿碰撞法规的规定，通过对腿部塑料吸能件结构的分析改进，可以得出以下结论：

（1）通过对塑料吸能结构的改进设计，同时达到了两种腿型碰撞的开发目标，验证了设计出既满足腿部加速度要求，又可以平衡腿部上中下支撑刚度的前防撞横梁吸能结构是可行的。

（2） 适当增大塑料吸能结构X向的压溃程度，可以改善腿部的运动姿态，提高吸能结构的吸能效率，既可以减小刚性小腿的加速度和弯曲角，又可以减小柔性小腿的弯矩和韧带的拉伸量。

（3）增大小腿下部支撑刚度，能防止小腿向车底移动，有利于减小柔性小腿韧带拉伸量和刚性小腿的弯曲角，但需避免对刚性小腿胫骨加速度造成恶劣影响。

参考文献（References）：

World Health Organization. Global Status Report on Road Safety[R]. Department of Violence & Injury Prevention &Disability：WHO，2009.

许伟，李凡，刘琦. 车辆行人碰撞事故中小腿骨折伤害的研究 [J]. 汽车工程，2011，33（ 4）：321-324.

Xu Wei，Li Fan，Liu Qi. A Study on Tibia Fracture Injuries in Car-Pedestrian Impact Accidents [J]. Auto-motive Engineering，2011，33（ 4）：321-324. （in Chinese）

Informal Group on Pedestrian Safety Phase 2 （IG PS2）. History of Development of the Flexible Pedestrian Legform Impactor，GTR9-C—04 [R]. Bonn：Working Party on Passive Safety （GRSP），2011.

Europe Union. Regulation （EC） no 78/2009 of the European Parliament and of the Council of 14 January 2009：on the Type-Approval of Motor Vehicles with Regard to the Protection of Pedestrians and Other Vulne-rable Road Users，Amending Directive 2007/46/EC and Repealing Directives 2003/102/EC and 2005/66/EC [J]. Europe Official Journal of the European Union，2009，4（2）：1-35.

United Nations. Global Technical Regulation No.9 Pedestrian Safety [S]. Geneva：[s.n]，2009.

United Nations Economic and Social Council. Proposal for the 01 Series of Amendments to Regulation No.127 （Pedestrian Safety）[S]. Geneva：[s.n]，2014.

Euro NCAP Commission. European New Car Assessment

Program Pedestrian Testing Protocol Version 8.0 [S]. Europe：[s.n]，2014.

GB/T 24550—2009. 汽车对行人的碰撞保护 [S]. 北京：中国国家标准化管理委员会，2009.

GB/T 24550—2009. The Protection of Motor Vehicle for Pedestrians in the Event of a Collision [S]. Beijing：Standardization Administration of China，2009.（in Chinese）

刘卫国，吕晓江，孙立志，等. 国外行人柔性腿型冲击器的发展及现状 [J]. 汽车工程学报，2014，4（6）： 455-460.

Liu Weiguo，Lü Xiaojiang，Sun Lizhi，et al. Develop-ment and Status of Pedestrian Flexible Legform Impactor Abroad [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2014，4（6）：455-460.（in Chinese）

杜天强，朱其文. 行人保护下腿碰撞器模块分析[J]. 汽车工程师，2010（9）：43-47.

Du Tianqiang. Zhu Qiwen. Pedestrian Protection Lower Legform Impactor Analysis [J]. Automotive Engineer， 2010（9）：43-47.

吕晓江，孙立志，朱麟凯，等. 泡沫与塑料静态压溃分析及在行人小腿碰撞中验证 [J]. 汽车安全与节能学报， 2014，5（3）：289-293.

Lü Xiaojiang，Sun Lizhi，Zhu Linkai，et al. Static Crushing Analysis and Test Validation for Foam and Plastic in Pedestrian Lower Legform Impact [J]. Automotive Safety and Energy，2014，5（3）：289-293.（in Chinese）