基于某款SUV车型的行人保护aPLI腿碰研究

基于某款SUV车型的行人保护aPLI腿碰研究

何义

安徽江淮汽车技术中心 安徽合肥 230000

摘要：行人保护是汽车主被动安全关注的热点问题之一，在车辆与行人的交通事故中，碰撞中对行人的伤害主要集中在头部和下肢。下肢中的下腿型伤害与保险杠结构、及其与车身空间设计关联性较大，主要集中在造型、防撞梁与保险杠空间、车体防撞梁设计。本文通过对某款SUV进行仿真分析优化，对空间结构提出相应的建议，为后期造型的空间校核要求、防撞梁结构设计提供参考。

关键词：行人保护 腿碰 空间结构

1、引言

在2022年初我国汽车保有量已经达4亿辆，巨大保有量的机动车产生一系列问题成为社会的焦点，其中就包括汽车交通事故中乘客以及行人碰撞的安全问题。中国公路交通人车混行的情况较多，导致国内汽车与行人或自行车、电动车以及摩托车的事故几率较高，并且国内弱势道路使用群体的交通安全意识淡薄，违章违法现象时有发生[1] 。

行人保护起源于20世纪六、七十年代，欧、美及澳大利亚的汽车安全专家最早提出在汽车设计过程中考虑行人保护这一概念。2009年我国参照 GTR9指令，颁布了GB/T 24550-2009《汽车对行人的碰撞保护》法规[2]。21版C-NCAP规定行人保护在5星级评价中的最低得分率要达到65%,并且考虑二轮车头碰及引入aPLI腿。预计2025年将增加胸部冲击器对行人胸部进行考察，新车评价体系（C-NCAP）对行人保护方面进行试验考察越来越严格[3]，行人保护法规演变见图1。

2、行人保护模型建立

本文利用前处理软件HyperMesh及Oasys建立行人保护aPLI腿碰分析的有限元模型，利用LS-DYNA求解器对aPLI腿型与汽车碰撞过程进行计算机模拟，并通过后处理软件HyperView对仿真结果进行分析，再根据分析结果，提出改进方案，使得最终优化方案满足aPLI腿碰开发的目标得分要求。

本文的行人保护模型截取整车碰撞模型A柱之前的部分，并去除两个前车胎及减震器 [4]。aPLI腿碰击器采用的是ATD公司的腿部模（atd-aPLI_d02.04_11_mas_mm_s_t.key），aPLI腿型应由皮肤、肌肉、大腿、小腿、膝部、上体模块（Simplified Upper Body Part，SUBP）组成。冲击器总质量为24.7kg±0.3kg。沿腿型侧视图看，大腿和小腿截面从上到下依次减小，且大腿截面比小腿大。SUBP外部由合成橡胶材质的肌肉包裹，正视图方向看，上部宽度为180mm±2mm，下部宽度为142mm±2mm，高度为222mm±2mm。如图2所示。

在前轮驱动轴减震底座、A 柱和门槛梁处施加一个全约束，约束六个自由度，如图3所示。给定aPLI腿碰撞速度为40Km/h，速度方向与车辆纵向方向一致，如图4所示。

3、仿真分析及优化

本车型的基础状态，保险杠小腿支撑梁的离地高度300mm，防撞梁和保险杠间平均距80mm,整体结构见图5。根据最优设计参数，经有限元模型的仿真计算，得出膝部韧带拉长量ACL、PCL及MCL、胫骨弯矩Ti及上腿型弯矩Femur响应曲线，对结果进行分析，提出相应的优化方案。对本车型基础状态下进行aPLI腿碰仿真分析，分析结果见表1，并以其中L-2位置的aPLI腿碰结果曲线为例分析腿碰各部分性能，如图6所示。从图6中可以看出，基础状态下L-2的T1和MCL值均不满足设定C-NCAP高性能指标。

根据基础状态下，L-2位置的aPLI腿碰结果中膝部韧带拉长量MCL、胫骨弯矩Ti(T1/T2/T3/T4)超出高性能值，整体结果并不能达成整体目标得分。由于膝盖与车辆发生碰撞的部位是车辆防撞梁位置，空间不足的前提下，造成膝盖部位在碰撞时反弹较快，致使韧带拉长量MCL较大。膝盖反弹的同时连带着胫骨弯矩T1部位反弹，但胫骨弯矩T3、T4部分继续向车尾方向运动，造成胫骨弯矩T1也较大。因此对防撞梁与保险杠间中间吸能空间进行优化，以L-2位置的aPLI腿碰分析优化结果统计，如表2。

鉴于正面碰撞工况性能，防撞梁后移20mm的方案并不切合本车型整个碰撞性能要求。在满足aPLI腿碰性能的前提下，弱化泡沫也并不能满足本车型aPLI腿碰各性能参数的要求。目前在本车型中只能牺牲保险杠在防撞梁部位的刚度性能（即取消泡沫方案）才能达到行人保护开发需求。对本车型aPLI腿碰试验进行摸底，结果满足aPLI腿碰开发目标得分要求，仿真值与试验值误差控制在10%左右，部分仿真与试验点的结果对比如表3。

4、结论

本文建立了行人保护aPLI腿型与SUV碰撞的有限元碰撞模型，最后针对aPLI腿型的碰撞分析结果，对某SUV车型的膝部韧带拉长量MCL、胫骨弯矩Ti指标进行优化,并对部分碰撞点进行试验验证，得出：

1、针对SUV车型，防撞梁与保险杠间距在满足其他性能条件的情况下，至少按照80mm空间要求设计。

2、在空间有限的前提下，尽量从结构或者材料上弱化泡沫吸能垫。

3、放置小腿梁位置的保险杠应作为腿碰的第一接触点。

参考文献

[1] 毕腾飞. 汽车碰撞行人时对行人头部保护的研究[D].武汉理工大学.2013

[2] 胡远志，曾必强，谢书港. 基于LS-DYNA和HyperWorks的汽车安全仿真与分析[M]. 清华大学出版社, 2012

[3]中国新车评价规程（2021版C-NCAP）.中国新车评价规程官方网站，2020

[4]王宇航. 轿车与行人碰撞及行人保护的仿真研究[D].武汉理工大学.2009