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摘 要：在开发某车型时，参考2018版中国新车评价规程（C-NCAP）中柔性小腿（Flex-PLI）碰撞规则，运用计算机辅助工程（CAE）技术，对其前端保险杠结构进行优化。基于前端碰撞模型的简化模型，分析了前保险杠结构布置尺寸与碰撞伤害指标的相关关系，确定了优化方案，并通过CAE仿真分析验证了该优化方案的可行性。以上研究为改进行人保护柔性腿型碰撞的车辆前保险杠结构设计提供了参考。
关键词：行人保护；碰撞试验；柔性腿；前保险杠
中图分类号：U491.61 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2017）04-0040-05
Abstract： In the development of a vehicle， reference China-New Car Assessment Program（2018）in flexible leg （Flex-PLI） collision rules， using the computer aided engineering technology（CAE）， optimize the structure of front bumper. Based on the simplified model of the front collision model， the relationship between the size of the front bumper and the damage index is analyzed， then determine the optimization scheme. The feasibility of the optimization scheme is verified by CAE simulation analysis. The above research provides a reference for improving the structural design of the front bumper of pedestrian protection （flexible leg）.
Key Words： pedestrian protection； impact test； Flexible-Legform； front bumper
在汽车安全研究领域中，车辆行人保护安全性能是非常重要的组成部分，其中行人小腿碰撞是车辆行人保护安全性能开发的重要内容之一。车辆前保险杠系统的造型、结构设计直接影响行人保护小腿碰撞安全性能。
欧盟新车评价规程（E-NCAP）在2014年将行人保护安全评价中使用的TRL刚性腿型正式替换为Flex-PLI柔性腿型，相比而言柔性腿型的伤害指标及评价方法有很大更新。
中国新车评价规程（C-NCAP）发布的2018版C-NCAP方案整体概要中，加入了行人保护评价内容，其中行人保护保护下腿型碰撞试验评价采用Flex-PLI柔性腿型。
1 行人保护柔性腿评价方法
1.1 行人柔性腿型碰撞试验方法
试验区域划分——保险杠两个角点之间的区域和缓冲梁、横梁等结构部件的最外边缘之间的区域，取两个区域中较大的区域作为腿型试验区域。
试验点选取——由中点或中点左侧第一个点开始，选择车辆单侧的所有间隔点开展试验。
试验要求——腿型冲击器按要求位置摆放后以40Km/h相对速度冲击车辆前端。
1.2 柔性腿碰撞伤害评价指标
柔性腿型评价指标分为韧带伸长量和胫骨弯矩：
韧带伸长量包括前十字韧带伸长量（ACL）、后十字韧带伸长量（PCL）、内侧副韧带伸长量（MCL）。
胫骨弯矩包括胫骨上部弯矩（T1）、胫骨中上部弯矩（T2）、胫骨中下部弯矩（T3）、胫骨下部弯矩（T4）。
柔性腿型上的传感器分布如图1所示
柔性腿型碰撞单点总分1分为两部分，小腿的弯矩占0.5分，取四个弯矩值中最差的一个进行评价，基于高、低性能限值通过线性差值法来计算得分，膝部韧带的伸长量占0.5分，在ACL、PCL低于限值的前提下，基于MCL高、低性能限值通过线性差值法计算得出。所有碰撞点总分和除以碰撞点数量得出得分百分比。将百分比乘以3，即为该腿型试验最终得分。
柔性腿型伤害值限值及评分方法见表1所示：
若ACL或PCL≥10mm，该部分得分为0分。
2 初始方案碰撞分析
图2为初始方案前保险杠系统与车辆前端结构碰撞模型。
通过CAE仿真计算，初始方案的柔性腿型碰撞结果见表2所示。根据结果可以发现，其中主要超差较大的伤害指标为：
①Y0～Y500区域，T1、T2伤害指标数值超差大；
②Y200～Y500区域，ACL、MCL伤害指标数值超差大。
3 碰撞模型的建立
3.1 简化碰撞模型
柔性腿型碰撞试验中，对于前保险杠系统和车辆前端结构碰撞模型来说，主要起支撑作用的为上部支撑（机罩、前格栅、上骨架、上横梁）、吸能块（防撞梁）、小腿骨架（下横梁）。
因此，为了分析前保险杠结构布置尺寸与碰撞伤害指标的相关关系，将前保险杠系统碰撞模型简化为如图3所示，其中：
①上部支撑区域模型简化为弹簧K1；
②吸能块区域模型简化为弹簧K2；
③前保险杠小腿支撑骨架区域模型简化为弹簧K3。
根据CAE碰撞过程分析，在最大侵入状态时，柔性腿型变形最为严重，此时T1～T4、MCL、ACL接近峰值。
如图4，设最大侵入状态弹簧K1、K2、K3压缩量分别为x1、x2、x3，设腿型总重量为m。
②如图8所示，降低前保險杠小腿支撑骨架布置高度（降低量约15mm）；前保险杠小腿支撑骨架料厚减薄（t3.0mm→t1.5mm）；Y200～Y500区域小腿支撑骨架前部端点朝车前延长（端部最大延长量约60mm）。
通过CAE仿真计算，优化方案的柔性腿型碰撞结果见表3所示。结果表明，改善方案降低了行人保护柔性腿型碰撞伤害指标数值，达到了性能优化设计要求。
5 总结
本文通过对行人保护柔性腿碰撞建立简化数学模型，经过理论推导得到行人保护各评价项的影响参数。基于某车型的CAE仿真结果，提出针对性的优化方案，最终通过CAE的仿真结果验证了优化方案的可行性。以上方法为改进行人保护柔性腿型碰撞的车辆前保险杠结构提供了参考，也启发更进一步研究前保险杠结构布置尺寸与柔性腿型碰撞伤害指标的量化关系。
参考文献：
[1]吕晓江， 王纯， 刘卫国， 等. 基于行人保护的乘用车前部造型设计优化 [J]. 汽车安全与节能学报， 2011， 2（3）： 206-211.
[2]吕晓江， 刘卫国， 周大永， 等. 基于行人保护的SUV 车型前端造型设计研究[J]. 汽车技术， 2013（3）： 37-41.
[3]吕铖玮， 杨海燕， 吕晓江， 等. 行人保护柔性腿型碰撞的车辆前端结构优化设计[J]. 汽车安全与节能学报， 2013，4（3）： 266-272.
[4]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.
[5]刘卫国. 等.基于Euro-NCAP评价规程行人柔性腿型碰撞试验[J].汽车安全与节能学报. 2015.6（2）： 128-133 .
关键词：行人保护；碰撞试验；柔性腿；前保险杠
中图分类号：U491.61 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2017）04-0040-05
Abstract： In the development of a vehicle， reference China-New Car Assessment Program（2018）in flexible leg （Flex-PLI） collision rules， using the computer aided engineering technology（CAE）， optimize the structure of front bumper. Based on the simplified model of the front collision model， the relationship between the size of the front bumper and the damage index is analyzed， then determine the optimization scheme. The feasibility of the optimization scheme is verified by CAE simulation analysis. The above research provides a reference for improving the structural design of the front bumper of pedestrian protection （flexible leg）.
Key Words： pedestrian protection； impact test； Flexible-Legform； front bumper
在汽车安全研究领域中，车辆行人保护安全性能是非常重要的组成部分，其中行人小腿碰撞是车辆行人保护安全性能开发的重要内容之一。车辆前保险杠系统的造型、结构设计直接影响行人保护小腿碰撞安全性能。
欧盟新车评价规程（E-NCAP）在2014年将行人保护安全评价中使用的TRL刚性腿型正式替换为Flex-PLI柔性腿型，相比而言柔性腿型的伤害指标及评价方法有很大更新。
中国新车评价规程（C-NCAP）发布的2018版C-NCAP方案整体概要中，加入了行人保护评价内容，其中行人保护保护下腿型碰撞试验评价采用Flex-PLI柔性腿型。
1 行人保护柔性腿评价方法
1.1 行人柔性腿型碰撞试验方法
试验区域划分——保险杠两个角点之间的区域和缓冲梁、横梁等结构部件的最外边缘之间的区域，取两个区域中较大的区域作为腿型试验区域。
试验点选取——由中点或中点左侧第一个点开始，选择车辆单侧的所有间隔点开展试验。
试验要求——腿型冲击器按要求位置摆放后以40Km/h相对速度冲击车辆前端。
1.2 柔性腿碰撞伤害评价指标
柔性腿型评价指标分为韧带伸长量和胫骨弯矩：
韧带伸长量包括前十字韧带伸长量（ACL）、后十字韧带伸长量（PCL）、内侧副韧带伸长量（MCL）。
胫骨弯矩包括胫骨上部弯矩（T1）、胫骨中上部弯矩（T2）、胫骨中下部弯矩（T3）、胫骨下部弯矩（T4）。
柔性腿型上的传感器分布如图1所示
柔性腿型碰撞单点总分1分为两部分，小腿的弯矩占0.5分，取四个弯矩值中最差的一个进行评价，基于高、低性能限值通过线性差值法来计算得分，膝部韧带的伸长量占0.5分，在ACL、PCL低于限值的前提下，基于MCL高、低性能限值通过线性差值法计算得出。所有碰撞点总分和除以碰撞点数量得出得分百分比。将百分比乘以3，即为该腿型试验最终得分。
柔性腿型伤害值限值及评分方法见表1所示：
若ACL或PCL≥10mm，该部分得分为0分。
2 初始方案碰撞分析
图2为初始方案前保险杠系统与车辆前端结构碰撞模型。
通过CAE仿真计算，初始方案的柔性腿型碰撞结果见表2所示。根据结果可以发现，其中主要超差较大的伤害指标为：
①Y0～Y500区域，T1、T2伤害指标数值超差大；
②Y200～Y500区域，ACL、MCL伤害指标数值超差大。
3 碰撞模型的建立
3.1 简化碰撞模型
柔性腿型碰撞试验中，对于前保险杠系统和车辆前端结构碰撞模型来说，主要起支撑作用的为上部支撑（机罩、前格栅、上骨架、上横梁）、吸能块（防撞梁）、小腿骨架（下横梁）。
因此，为了分析前保险杠结构布置尺寸与碰撞伤害指标的相关关系，将前保险杠系统碰撞模型简化为如图3所示，其中：
①上部支撑区域模型简化为弹簧K1；
②吸能块区域模型简化为弹簧K2；
③前保险杠小腿支撑骨架区域模型简化为弹簧K3。
根据CAE碰撞过程分析，在最大侵入状态时，柔性腿型变形最为严重，此时T1～T4、MCL、ACL接近峰值。
如图4，设最大侵入状态弹簧K1、K2、K3压缩量分别为x1、x2、x3，设腿型总重量为m。
②如图8所示，降低前保險杠小腿支撑骨架布置高度（降低量约15mm）；前保险杠小腿支撑骨架料厚减薄（t3.0mm→t1.5mm）；Y200～Y500区域小腿支撑骨架前部端点朝车前延长（端部最大延长量约60mm）。
通过CAE仿真计算，优化方案的柔性腿型碰撞结果见表3所示。结果表明，改善方案降低了行人保护柔性腿型碰撞伤害指标数值，达到了性能优化设计要求。
5 总结
本文通过对行人保护柔性腿碰撞建立简化数学模型，经过理论推导得到行人保护各评价项的影响参数。基于某车型的CAE仿真结果，提出针对性的优化方案，最终通过CAE的仿真结果验证了优化方案的可行性。以上方法为改进行人保护柔性腿型碰撞的车辆前保险杠结构提供了参考，也启发更进一步研究前保险杠结构布置尺寸与柔性腿型碰撞伤害指标的量化关系。
参考文献：
[1]吕晓江， 王纯， 刘卫国， 等. 基于行人保护的乘用车前部造型设计优化 [J]. 汽车安全与节能学报， 2011， 2（3）： 206-211.
[2]吕晓江， 刘卫国， 周大永， 等. 基于行人保护的SUV 车型前端造型设计研究[J]. 汽车技术， 2013（3）： 37-41.
[3]吕铖玮， 杨海燕， 吕晓江， 等. 行人保护柔性腿型碰撞的车辆前端结构优化设计[J]. 汽车安全与节能学报， 2013，4（3）： 266-272.
[4]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.
[5]刘卫国. 等.基于Euro-NCAP评价规程行人柔性腿型碰撞试验[J].汽车安全与节能学报. 2015.6（2）： 128-133 .