行人保护试验的冲击器简介

2021-10-25 16:26:44·  来源:上汽安全与CAE技术  
 
01、行人保护开发的背景和意义汽车作为日常出行的交通工具已经越来越普及了,而汽车和行人之间的碰撞安全问题也日益突出,其中行人作为弱势的道路使用者,在汽车
01、行人保护开发的背景和意义

汽车作为日常出行的交通工具已经越来越普及了,而汽车和行人之间的碰撞安全问题也日益突出,其中行人作为弱势的道路使用者,在汽车交通事故中往往受到的伤害最严重。基于上述原因,加强车辆的安全设计以保护行人安全已经逐渐成为全球各大汽车市场对制造商的基本要求。国内对车辆的行人保护性能也日益重视,C-NCAP从2018版规程开始已经新增了车辆的行人保护性能评价,而国家强制标准《GB24550-XXXX汽车对行人的碰撞保护标准》也处在征求意见阶段,预计2024年7月1日起将开始正式实施。

02、行人保护试验冲击器的概述

行人穿越道路时,侧面受到汽车碰撞的情况较多。因此一般都将步行姿态的侧面碰撞形态作为研究行人保护的标准姿态。图1描述了175cm身高的行人与行驶速度为40Km/h的车辆发生碰撞时的情况:首先行人绕车身前部结构旋转,进而倒在发动机罩上,然后下肢与保险杠碰撞,大腿及腰部与发动机罩前沿碰撞,胸部与发动机罩顶端碰撞,头部与发动机罩顶端或风窗玻璃碰撞。

图1:行人与车辆发生碰撞时的运动轨迹

相应的,研究人员开发出了各种头型冲击器和腿型冲击器,用它们来测量和判定行人在与车辆碰撞时头部和腿部的损伤程度。作为一个典型的案例,图2中包含了现行版本Euro-NCAP中的各种行人保护冲击器,以及冲击角度和速度等信息。

图2:现行版本Euro-NCAP中的行人保护冲击器简图

03、头型冲击器

头型冲击器一般是铝制的均质球形结构,直径为165mm,球体被14mm厚的合成皮肤覆盖,覆盖面积至少为球体的一半。在球体内凹处装有一个三轴或三个单轴的加速度传感器,用于测量头型在冲击被测车辆时X/Y/Z三个方向的加速度,从而可以计算出HIC损伤值。图3是在各个法规中普遍采用的儿童头型和成人头型冲击器,二者之间主要的区别在于质量:儿童头型为3.5kg,成人头型为4.5kg。

图3:儿童头型和成人头型冲击器

04、腿型冲击器

常用的腿型冲击器有上腿型和几种版本的下腿型。在相关的法规中(Euro-NCAP、GTR9、ECE R127、GBT24550、CIASI 2020等),一般规定保险杠下部基准线高度高于500mm 时,使用上腿型进行试验;低于425mm 时,使用下腿型进行试验;在425mm 到500mm之间时,车辆生产企业可自由选择使用下腿型或上腿型。另外,在某些法规中(Euro-NCAP、CIASI-2020)会有WAD775冲击试验,也是采用上腿型冲击器进行试验。
4.1上腿型冲击器
上腿型冲击器是由英国TRL(Transport Research Laboratory)开发的,用来测量碰撞过程中车辆对人体大腿产生的力和弯矩,其构造如下图4所示。上腿型冲击器采用刚性圆柱体模拟骨骼,在撞击侧装有两张25mm 厚的泡沫肌肉,最外面的“皮肤”是1.5mm 厚的纤维加强橡胶层,总质量为9.5kg,高度为350 mm。冲击器内部装有3个应变测量器分别测量上部、中部、下部的弯矩,另外还有2个载荷传感器分别测量冲击器两端的受力。


图4:TRL上腿型冲击器

4.2下腿型冲击器

下腿型冲击器的发展则经历了三个阶段:TRL刚性腿阶段、Flex-PLI柔性腿阶段、a-PLI腿型阶段。下图5是这三种腿型冲击器的内部结构示意图。

图5:TRL刚性腿、Flex-PLI柔性腿、a-PLI腿型的内部结构示意图
4.2.1、TRL刚性腿阶段

TRL刚性腿型也是由英国TRL(Transport Research Laboratory)开发的,该冲击器采用刚性材料模拟胫骨和股骨,膝部韧带采用钢板连接(见图6)。在伤害指标上有三个指标,主要集中在膝盖部分,分别是胫骨上端加速度、膝部弯曲角度和膝部剪切位移。2003年,欧洲率先使用TRL刚性腿作为下腿型冲击器,用来评价车辆对行人的保护性能。

图6:TRL刚性腿的实物图

随着对行人安全研究的深入,研究人员发现TRL刚性腿仅在膝盖区域可以较好的反映出腿部伤害情况,没有考虑到碰撞中胫骨弯曲变形对伤害值的影响。
4.2.2、Flex-PLI柔性腿阶段

日本首先提出了柔性腿型的研究,并研发了新的腿型冲击器Flex-PLI柔性腿(见图7)。该模型腿骨由股骨骨节、胫骨月牙板、弹簧和张紧的钢丝绳4部分组成,弹簧和钢丝绳用于模拟韧带,具有良好的柔韧性,在撞击过程中Flex-PLI可以根据各阶段的受力情况反映股骨和胫骨的变形情况,可以更加真实的模拟出腿部的伤害程度。

图7:Flex-PLI柔性腿的实物图

Flex-PLI柔性腿的主要评价指标是4个小腿弯矩(即上部弯矩、中上部、中下部、下部弯矩),3个膝部韧带位移量(内侧侧副韧带MCL,前十字韧带ACL和后十字韧带PCL)。2014年E-NCAP行人保护试验规程中开始采用Flex-PLI柔性腿代替TRL刚性腿,2018版的C-NCAP也采用了Flex-PLI柔性腿型冲击器。
人体与车辆碰撞时,躯干的运动会影响腿部的运动和损伤值。虽然Flex-PLI相比于TRL刚性腿已经有了很大改进,它仍然不能很好地反映出人体躯干对腿碰损伤的影响。
4.2.3、a-PLI腿型阶段

为了解决Flex-PLI柔性腿的上述问题,a-PLI腿型应运而生。研究人员在柔性腿型中加入了一个可旋转的上部质量模块(11.3Kg),以此来提高生物仿真度。和Flex-PLI腿型相比,a-PLI模型的外形与人体更为接近,还优化了腿型中肌肉和长骨的质量分布,调整了大腿的弯曲刚度和交叉韧带的排布,在腿型下部还增加了一个自由度较大的关节用来模拟脚踝的运动。图8是a-PLI腿型的实物图。

图8:a-PLI腿型的实物图

a-PLI腿型主要有四个小腿弯矩传感器,三个大腿弯矩传感器,膝部装有5个传感器,其中3个分别测量MCL、ACL 和PCL 的伸长量,另外还有一些不参与安全性能评价的传感器。通过与完整人体假人的伤害值对比,a-PLI较Flex-PLI的生物仿真度有明显提高,尤其对于大腿和MCL的改进尤其显著。
由于a-PLI上部增加了质量块,腿型上部动能大幅提高。该新腿型在与不同类型、不同结构的车辆发生碰撞时运动姿态各不相同,必须采用不同的刚度匹配策略来降低损伤值,这就对造型设计、结构设计等方面带来了全新挑战。目前, 2021版C-NCAP规程以及最新的Euro-NCAP VRU试验规程 V9.0版(预计2023年开始实施)中已将a-PLI腿型作为其腿碰工况的冲击器。
技术的发展是永无止境的,目前的a-PLI腿型(SBL-A)仍然有待研究和改进。SBL-A与完整有限元假人相比,在运动状态上其弯曲和回弹程度更大。研究人员在SBL-A的上部质量模块中加入了两个左右对称的缓冲器(见图9),用来吸收碰撞过程中大腿弯曲变形的能量,以减少大腿的弯曲和回弹程度。我们把这种改进的腿型称为第二代a-PLI腿型(SBL-B)。目前,SBL-B还处在研发测试过程中。

图9:第二代a-PLI腿型上部质量模块中新增的缓冲器

4.3 PDI-2腿型冲击器

目前,主动弹起式机罩在汽车行业得到了越来越广泛的应用,PDI-2腿型(见图10)可以用来评估主动弹起式机罩系统的感知性能。由于PDI-2撞击车辆前部时产生的侵入量、冲击力、能量都比6岁儿童假人或5th女性假人更低,故其产生的压力或加速度信号更难被车辆的传感器准确地探测和识别,因此Euro-NCAP、C-NCAP和C-IASI都选择PDI-2作为其默认的最难探知行人假人冲击器(Hardest To Detect)。若车辆的主动弹起式机罩能够在PDI-2的低门槛速度测试中正常感知到碰撞事件并按照预期将机罩弹起,那么在一定程度上能够证明其主动弹起式机罩在多数应用场景中能够正常工作。
图10:PDI-2腿型的实物图和示意图

05、结语

上汽乘用车智能安全试验室是国内领先和国际先进的汽车安全试验室,拥有行人保护及零部件冲击试验区、台车模拟试验区、国内唯一的主被动安全一体化试验区,总占地面积约20000平方米,总投资约2.3亿元。行人保护及零部件冲击试验区是智能安全试验室的重要组成部分,我们拥有Concept公司先进的通用型行人保护试验台架,同时配备了上述所有的行人保护头型与腿型冲击器,可以全面覆盖国内、欧洲、东南亚、拉美、日韩等主要市场地区(美国尚未实施行人保护法规)的行人保护研发和试验需求,为上汽自主品牌立足本土和走向世界保驾护航!
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