行人下肢模型FlexPLI、FlexPLIUBM與aPLI對比分析

2024年3月31日發(作者：深的反義詞是什么)

汽　車　工　程

２０２０年（第４２卷）第９期

ｄｏｉ：１０．１９５６２／ｊ．ｃｈｉｎａｓａｅ．ｑｃｇｃ．２０２０．０９．０１３

ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ２０２０（Ｖｏｌ．４２）Ｎｏ．９

行人下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ、ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ與ａＰＬＩ對比分析



，２

胡帥帥

１

，呂曉江

１

，王鵬翔

１

，王　淼

１

，顧鵬云

１

，張朋舉

１

（１吉利汽車研究總院，浙江省汽車安全技術研究重點實驗室，杭州　３１１２２８；

２湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙　４１００８２）

［摘要］　歐洲的研究項目ＳＥＮＩＯＲＳ提出新型行人下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ，日本汽車研究所和日本汽車制造商

協會提出新型行人下肢模型ａＰＬＩ，這兩種下肢模型均具有較好的生物力學響應，包括運動響應和力響應。本文中針

對目前應用中的下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ和未來可能會應用的上述兩種新型下肢模型進行了一系列基礎分析。首先對下

肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ、ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ和ａＰＬＩ的總質量、分段質量、質心位置、結構、剛度和尺寸等關鍵參數進行了剖析和對

比；然后基于關鍵參數，對其碰撞過程進行了運動學和力學分析，得出評價指標之間的區別和規律；最后通過試驗對

分析結論進行了驗證。上述關于行人下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ、ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ和ａＰＬＩ的對比分析和驗證結論，可為車輛前保

險杠的開發提供指導。

關鍵詞：行人下肢模型；ＦｌｅｘＰＬＩ；ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ；ａＰＬＩ

ＣｏｍｐａｒａｔｉｖｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＰｅｄｅｓｔｒｉａｎＬｏｗｅｒＬｉｍｂＭｏｄｅｌｓＦｌｅｘＰＬＩ，

ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭａｎｄａＰＬＩ

１１，２１１１１

ＨｕＳｈｕａｉｓｈｕａｉ，ＬüＸｉａｏｊｉａｎｇ，ＷａｎｇＰｅｎｇｘｉａｎｇ，ＷａｎｇＭｉａｏ，ＧｕＰｅｎｇｙｕｎ＆ＺｈａｎｇＰｅｎｇｊｕ

１ＧｅｅｌｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＺｈｅｊｉａｎｇＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＳａｆｅｔｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１１２２８；

２ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＤｅｓｉｇｎａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｆｏｒＶｅｈｉｃｌｅＢｏｄｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００８２

［Ａｂｓｔｒａｃｔ］　ＥｕｒｏｐｅａｎｐｒｏｊｅｃｔＳＥＮＩＯＲＳｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｏｖｅｌｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｌｏｗｅｒｌｉｍｂｍｏｄｅｌＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ，ａｎｄＪＡＲＩ

ａｎｄＪＡＭＡｉｎＪａｐａｎｐｒｏｐｏｓｅｄｍｏｄｅｌａＰＬＩ．Ｔｈｅｓｅｔｗｏｍｏｄｅｌｓｓｈｏｗｂｅｔｔｅｒｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｒｅｓｐｏｎｓｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｍｏｔｉｏｎ

ａｎｄｆｏｒｃｅｒｅｓｐｏｎｓｅｓ．ＡｓｅｒｉｅｓｏｆｂａｓｉｃａｎａｌｙｓｅｓａｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｏｎｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｌｙｕｓｅｄｍｏｄｅｌＦｌｅｘＰＬＩａｎｄｔｈｅａｂｏｖｅｍｅｎ

ｔｉｏｎｅｄｔｗｏｍｏｄｅｌｓ，ｗｈｉｃｈｍａｙｂｅａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ，ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｓｏｍｅｋｅｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｏｔａｌ

ｍａｓｓ，ｓｅｇｍｅｎｔｍａｓｓ，ｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｍａｓｓｃｅｎｔｅｒ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｄｉｍｅｎｓｉｏｎｏｆｌｏｗｅｒｌｉｍｂｍｏｄｅｌｓＦｌｅｘＰＬＩ，ＦｌｅｘＰ

ＬＩＵＢＭａｎｄａＰＬＩａｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｅｎｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｅｋｅｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃｓ

ａｎａｌｙｓｅｓｏｎｃｒａｓｈｐｒｏｃｅｓｓａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｗｉｔｈｔｈｅｒｕｌｅｓｏｆａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｂｅｔｗｅｅｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｉｃａｔｏｒｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｆｉ

ｎａｌｌｙ，ｔｅｓｔｓａｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄｔｏｖｅｒｉｆｙａｎａｌｙｚｅｄｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ．Ａｌｌｔｈｅｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｅｓａｎｄｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｏｎｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ

ｌｏｗｅｒｌｉｍｂｍｏｄｅｌｓＦｌｅｘＰＬＩ，ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭａｎｄａＰＬＩｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｇｕｉｄａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｖｅｈｉｃｌｅｆｒｏｎｔｂｕｍｐｅｒ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｌｏｗｅｒｌｉｍｂｍｏｄｅｌ；ＦｌｅｘＰＬＩ；ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ；ａＰＬＩ

１］

人，死亡９９７人

［

。篩選和分析該項數據得出：涉及

前言

２０１１～２０１８年，中國交通事故深度調查

（ＣＩＤＡＳ）在長春和寧波等地共采集４６１３例交通事

故數據，該項數據涉及人員１１８２４，其中重傷１８０５

２０１８ＹＦＥ０１９２９００）資助。



國家重點研發計劃（

原稿收到日期為２０２０年１月３日。

Ｅｍａｉｌ：ｈｓｓ．ｃａｍｅｌ＠ｆｏｘｍａｌｌ．ｃｏｍ。通信作者：胡帥帥，碩士，

弱勢道路使用者（ｖｕｌｎｅｒａｂｌｅｒｏａｄｕｓｅｒ，ＶＲＵ）的事故

有３６３５例，占７８８％；下肢有明顯損傷的事故有

１１５７例，占ＶＲＵ事故總數的３１８３％；在ＶＲＵ損傷部

，如圖１所示。因此汽車位統計中，下肢損傷位居第２

對行人下肢碰撞保護的研究很有必要且有意義。

２０２０（Ｖｏｌ．４２）Ｎｏ．９胡帥帥，等：行人下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ、ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ與ａＰＬＩ對比分析·１　２３３·

圖１　ＶＲＵ事故人體損傷部位分布

行人下肢模型被用來評估汽車在碰撞中對行人

下肢的保護性能。最早的ＥＥＶＣＷＧ１７下肢模型在

生物仿真度和測試結果的重復性方面存在一定的局

限性，因此日本提出一種全新的下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ

（ｆｌｅｘｉｂｌｅｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｌｅｇｆｏｒｍｉｍｐａｃｔｏｒ）。２０００年，

ＪＡＭＡ和ＪＡＲＩ開始研發ＦｌｅｘＰＬＩ；２００２年完成初版

可使用的全金屬結構模型ＦｌｅｘＰＬＩＧ；２００６年研發出

ＦｌｅｘＰＬＩＧＴ版本；２００９年研發出全球通用的Ｆｌｅｘ

ＧＴＲ版本，２０１１年進行了部分修正且沿用至今。行

人下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ的生物仿真度和損傷評估性能

比ＥＥＶＣＷＧ１７優越，可以評估腿傷中最常見的小

腿骨折和膝部韌帶伸長量，但大腿損傷評估性能

較差

［２］

。

為更好表征下肢大腿生物力學損傷，歐洲研究

項目ＳＥＮＩＯＲＳ（ｓａｆｅｔｙｅｎｈａｎｃｅｄｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｆｏｒｏｌｄｅｒ

ｒｏａｄｕｓｅｒｓ）提出新型下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ（ｆｌｅｘｉｂｌｅ

ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｌｅｇｆｏｒｍｉｍｐａｃｔｏｒｗｉｔｈｕｐｐｅｒｂｏｄｙｍａｓｓ）的

概念，即在下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ上端添加一質量塊，代

表人體上身質量

［３］

。經過對質量塊質心位置、柔性

元件材料、下肢模型沖擊高度、保護套結構等影響因

子的分析研究，與ＴＨＵＭＳ人體模型對標，確定了

ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ的最終版本。該模型不僅可以表征大

腿損傷，同時可以明顯改善模型碰撞運動過程中的

時間歷程曲線和穩定性。

與此同時，ＪＡＲＩ和ＪＡＭＡ研發了新型下肢模型

ａＰＬＩ（ｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｌｅｇｆｏｒｍｉｍｐａｃｔｏｒ），其

初衷和目標與ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ新型下肢模型一致，即更

加貼切地體現和模擬出實際交通事故碰撞中下肢的

運動和損傷響應，包括大腿損傷，且適用于所有類型

的車型

［４

－

５］

。經過與３６款簡化車型（包括低車和高

車）、世界范圍內不同造型的車型、世界范圍內４種

不同版本的人體模型（ＪＳＡＥＨＢＭ、ＧＨＢＭＣＨＢＭ、

ＴＨＵＭＳ、ＪＡＭＡＨＢＭ）等分析和對標，ａＰＬＩ可較好地

體現出下肢碰撞過程的生物力學響應，包括運動和

損傷，類似于上述ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ的優勢

［６］

。

為更好了解兩種新型下肢模型與目前應用中的

下肢模型的區別和聯系，本文中對３種模型進行了

關鍵參數的剖析和對比，對碰撞過程進行理論分析，

并通過碰撞試驗進行驗證，以支持未來車型前保險

杠的開發工作。

１　行人下肢模型關鍵參數的對比分析

１１　ＦｌｅｘＰＬＩ模型

目前全球通用的測試汽車行人下肢保護性能的

行人下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ結構尺寸如圖２所示，質量分

布如表１所示。該行人下肢模型總質量為１３２ｋｇ。

其中大腿骨骼質量為２４６ｋｇ，膝部骨骼質量為

４２８ｋｇ，小腿骨骼質量為２６４ｋｇ，皮膚質量為

３８２ｋｇ（下肢模型中的皮膚實際上包括皮膚、肌肉

和血管等組織）。

圖２　ＦｌｅｘＰＬＩ結構尺寸

表１　ＦｌｅｘＰＬＩ質量分布ｋｇ

部位質量容差

大腿（Ｆｅｍｕｒ）２４６±０１２

膝部（Ｋｎｅｅ）４２８±０２１

小腿（Ｔｉｂｉａ）２６４±０１３

皮膚（Ｆｌｅｓｈ）３８２±０２１

總質量１３２±０４０

由于ＦｌｅｘＰＬＩ物理模型不好拆分和裁剪稱重，而

其有限元模型是加密模型，無法通過直接測量或仿

真獲得質量、質心等信息，所以基于下肢模型

ＦｌｅｘＰＬＩ仿真結果，根據動能定理即式（１）逆向計算

·１　２３４·汽　車　工　程２０２０年（第４２卷）第９期

出皮膚各部位的質量。推算得出：大腿皮膚質量為

２３２ｋｇ，膝部皮膚質量為０３８ｋｇ，小腿皮膚為１１２

ｋｇ。因此考慮皮膚后，大腿質量為４７８ｋｇ，膝部質

量為４６６ｋｇ，小腿質量為３７６ｋｇ。

Ｅ

ｋ

＝

０５ｍｖ

２

（１）

式中：Ｅ

ｋ

為動能；ｍ為質量；ｖ為速度。

下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ骨骼各部位質心分布如表２

所示

［２］

。表中骨骼質心位置的數值表示對應部位骨

骼的質心離其上端的距離。

表２　ＦｌｅｘＰＬＩ骨骼質心位置ｍｍ

部位質心容差

大腿（Ｆｅｍｕｒ）１５９±８

膝部（Ｋｎｅｅ）９５±５

小腿（Ｔｉｂｉａ）２０２±１０

模型假設大腿、膝部和小腿的皮膚沿其長度方向

均勻分布，因此可將各部位皮膚的質心設定在其長度

的中點位置。結合式（２）質心分布公式，可推算出大

腿模型

ＦｌｅｘＰＬＩ各部位質心分布，如表３所示。

ｎ

ｍ

ｎ

ｘ

ｃ

＝

∑

ｍ

ｉ

ｘ

ｉ

（２）

ｉ

＝

１

式中：ｍ

ｎ

為ｎ個物體的總質量；ｘ

ｃ

為ｎ個物體的總質

心坐標；ｍ

ｉ

為第ｉ個物體的質量；ｘ

ｉ

為第ｉ個物體的

質心坐標。

表３　ＦｌｅｘＰＬＩ質量質心分布

部位質量／ｋｇ質心／ｍｍ容差／ｍｍ

大腿（Ｆｅｍｕｒ）４７８１６７±８

膝部（Ｋｎｅｅ）４６６９５±５

小腿（Ｔｉｂｉａ）３７６２０１６±１０

基于上述對結構、尺寸、質量和質心的分析，可

從不同角度，將ＦｌｅｘＰＬＩ劃分為多連桿結構。

（１）根據下肢部位，可將ＦｌｅｘＰＬＩ劃分為三連桿

結構，如圖３（ａ）所示。大腿長３３６ｍｍ，質心距離大

腿上端１６７ｍｍ；膝部長１９１ｍｍ，質心距離膝部上端

９５ｍｍ；小腿長４０１ｍｍ，質心距離小腿上端

２０１６ｍｍ。

（２）由于下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ膝部中間連接處彎

曲剛度較小，其余部分連接處（如大腿各骨骼塊之

間、小腿各骨骼塊之間、大小腿與膝部之間）彎曲剛

度較大。因此若要分析膝部韌帶伸長量，可將該下

肢模型劃分為二連桿結構。根據大腿、膝部和小腿

的質量和質心位置，結合式（２），可得該二連桿的質

量與質心位置分布，如圖３（ｂ）所示。二連桿上部

（代表大腿）長４３３ｍｍ，質量７２３ｋｇ，質心距離上端

２４０５ｍｍ；下部（代表小腿）長４９５ｍｍ，質量５９７

ｋｇ，質心距離上端２０４３ｍｍ。

（３）若要關注大小腿彎矩的趨勢和變化，可將

下肢模型按照傳感器位置進行分段，相應的結構、尺

寸和傳感器位置等信息如圖３（ｃ）所示。

圖３　ＦｌｅｘＰＬＩ不同分段方式示意圖（單位：ｍｍ）

１２　ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ模型

ＳＥＮＩＯＲＳ提出的ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ結構尺寸如圖４

所示。該行人下肢模型總質量為１９８３ｋｇ，考慮皮

膚后，各部位質量分布如表４所示。

圖４　ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ結構尺寸

２０２０（Ｖｏｌ．４２）Ｎｏ．９胡帥帥，等：行人下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ、ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ與ａＰＬＩ對比分析·１　２３５·

表４　ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ質量分布ｋｇ

部位質量容差

上身質量（ＵＢＭ）６９３±００６

大腿（Ｆｅｍｕｒ）４４８±０１９

膝部（Ｋｎｅｅ）４６６±０２８

小腿（Ｔｉｂｉａ）３７６±０２０

總質量１９８３±０７３

與下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ相似，可將ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ按

照３種方式進行結構分段。

（１）按照人體下肢部位進行分段，可劃分為四

連桿結構。基于各部位質量和密度分布，結合式

（２），計算出各段質量和質心位置，如圖５（ａ）所示。

上身質量塊高１３４５ｍｍ，質量為６９３ｋｇ，質心距離

質量塊上端５１ｍｍ，轉動中心距離上端８１ｍｍ；大腿

長３１７ｍｍ，質量為４４８ｋｇ，質心距離大腿上端

１６２ｍｍ；膝部長１９１ｍｍ，質量４６６ｋｇ，質心距離膝

部上端９５ｍｍ；小腿長４０１ｍｍ，質量３７６ｋｇ，質心

距離小腿上端２０１６ｍｍ。

（２）按照彎曲剛度大小，可劃分為３段，構成三

連桿結構。上部長１３４５ｍｍ，質量６９３ｋｇ，質心距

離上端５１ｍｍ，轉動中心距離上端８１ｍｍ；中部長

４１４ｍｍ，質量６９３ｋｇ，質心距離中部上端

２３３８ｍｍ；下部長４９５ｍｍ，質量５９７ｋｇ，質心距離

下部上端２０４３ｍｍ。

（３）按照測量傳感器位置進行分段，相應的結

構、尺寸和傳感器位置如圖５（ｃ）所示。

圖５　ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ不同分段方式示意圖

１３　ａＰＬＩ模型

ＪＡＲＩ和ＪＡＭＡ研發出的新型下肢模型ａＰＬＩ結

構如圖６所示。圖６（ａ）為物理模型，圖６（ｂ）為有

限元模型，圖６（ｃ）為幾何模型結構尺寸和傳感器位

置示意圖。

圖６　ａＰＬＩ物理、有限元和幾何模型

新型下肢模型ａＰＬＩ總質量約２４５ｋｇ，參考Ｔａ

ｋａｈｉｒｏＩｓｓｈｉｋｉ等的研究文獻

［７］

，可將下肢模型

ＦｌｅｘＰＬＩ總質量視為１２９ｋｇ，ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ總質量視

為１９８３ｋｇ（不同版本或不同批次的下肢模型總質

量存在一定的容差）。對人體模型下肢質量和３種

下肢模型的下肢質量進行對比（不含上身質量塊），

如圖７所示。

圖７　４種下肢模型質量分布圖

基于圖７，對包括人體的４種下肢模型的質量按

照上身質量塊、大腿和小腿的方式分段分析，如表５

所示。ＦｌｅｘＰＬＩ和ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ模型下肢結構和質量

分配大致相同，大腿質量比人體模型大腿小，小腿質

·１　２３６·汽　車　工　程２０２０年（第４２卷）第９期

量比人體模型大；ａＰＬＩ模型下肢質量分配與人體模

型十分接近，相對于ＦｌｅｘＰＬＩ和ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ模型，

ａＰＬＩ大腿質量加大１１ｋｇ，增大１５７１％，ａＰＬＩ小腿

質量減小１２ｋｇ，減小２０３４％；４種模型下肢總質

量基本一致，ａＰＬＩ模型略小０１ｋｇ；ａＰＬＩ模型上身

質量塊比ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ大４７７ｋｇ，大６８８３％。

表５　４種下肢模型質量對比ｋｇ

模型人體模型ＦｌｅｘＰＬＩＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭａＰＬＩ

上身質量６９３１１７

大腿８３７７８１

小腿４６５９５９４７

下肢總質量１２９１２９１２９１２８

總質量１２９１９８３２４５

２　行人下肢模型碰撞響應對比分析

２１　行人下肢碰撞工況

對于目前正在應用中的下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ，碰撞

試驗工況如下：模型與車輛前保險杠碰撞零時刻，下

端離地間隙為７５ｍｍ；模型長度方向與Ｚ軸平行；沖

擊方向沿著車身坐標系Ｘ軸正向，即車身尾端方向；

沖擊速度為４０ｋｍ／ｈ。

新型下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ和ａＰＬＩ碰撞零時

刻，模型下端離地間隙２５ｍｍ，其余工況條件與

ＦｌｅｘＰＬＩ相同，如圖８所示。

圖８　下肢模型沖擊試驗工況

ＦｌｅｘＰＬＩ的碰撞試驗可以測出：大腿彎矩

Ｆｅｍｕｒ１、Ｆｅｍｕｒ２、Ｆｅｍｕｒ３；韌帶伸長量ＡＣＬ、ＰＣＬ、

ＭＣＬ；小腿彎矩Ｔｉｂｉａ１、Ｔｉｂｉａ２、Ｔｉｂｉａ３、Ｔｉｂｉａ４。但由

于ＦｌｅｘＰＬＩ模型生物力學和運動學仿真度有限，試驗

后只采納韌帶伸長量和小腿彎矩。新型下肢模型

ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ和ａＰＬＩ試驗可測出的指標與ＦｌｅｘＰＬＩ

相同，但該兩種模型所測的指標值可全部采納。

２２　小腿彎矩對比分析

基于某Ａ級轎車，分析３種下肢模型的沖擊碰

撞過程。３種下肢模型大腿、膝部和小腿傳感器與

各模型下端的Ｚ向距離一致。然而３種下肢模型

沖擊時刻的離地間隙不同，導致各模型傳感器高度

和相對于車輛前保險杠的位置不一致，如圖９所

示。９１所示區域代表韌帶伸長量傳感器的位置；

９１區域上方３條橫虛線代表大腿彎矩傳感器的

位置，從上到下依次為Ｆｅｍｕｒ３、Ｆｅｍｕｒ２和Ｆｅｍｕｒ１；

９１區域下方４條橫虛線代表小腿彎矩傳感器的

位置，從上到下依次是Ｔｉｂｉａ１、Ｔｉｂｉａ２、Ｔｉｂｉａ３和Ｔｉｂ

ｉａ４。韌帶伸長量傳感器共有３個，分別測量前十

字韌帶（ａｎｔｅｒｉｏｒｃｒｕｃｉａｔｅｌｉｇａｍｅｎｔ，ＡＣＬ）、后十字韌

帶（ｐｏｓｔｅｒｉｏｒｃｒｕｃｉａｔｅｌｉｇａｍｅｎｔ，ＰＣＬ）和內側副韌帶

（ｍｅｄｉａｌｖｏｌｌａｔｅｒａｌｌｉｇａｍｅｎｔ，ＭＣＬ）的伸長量，如圖１０

所示。

圖９　沖擊時刻各模型傳感器位置示意圖

圖１０　韌帶伸長量傳感器布置圖

２０２０（Ｖｏｌ．４２）Ｎｏ．９胡帥帥，等：行人下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ、ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ與ａＰＬＩ對比分析·１　２３７·

對于同一下肢模型，小腿彎矩一般在兩種情況

下出現最大值：（１）傳感器附近存在硬點，沖擊硬點

的過程中出現彎矩最大值；（２）反彈過程中，由于下

肢模型大小腿不同部位反彈時刻和反彈力等不一

致，導致小腿彎曲引起較大的彎矩值。

基于該Ａ級轎車，下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ沖擊時，小

腿擋板撞擊位置（圖９中虛線圓圈）在傳感器Ｔｉｂｉａ３

和Ｔｉｂｉａ４之間，靠近Ｔｉｂｉａ４；ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ和ａＰＬＩ沖

擊時，小腿擋板撞擊位置在傳感器Ｔｉｂｉａ３和Ｔｉｂｉａ４

之間，但靠近Ｔｉｂｉａ３。ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ與ＦｌｅｘＰＬＩ相比，

下肢結構和質量分配一致，但由于ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ中

Ｔｉｂｉａ３距離小腿擋板較近，因此ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ中的

Ｔｉｂｉａ３測量值定比ＦｌｅｘＰＬＩ大；ＦｌｅｘＰＬＩ中的Ｔｉｂｉａ４

靠近小腿擋板，ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ中的Ｔｉｂｉａ３靠近小腿擋

板，然而由于ＦＬｅｘＰＬＩＵＢＭ中Ｔｉｂｉａ３下側部分較長，

即碰撞過程中下方有效力臂和質量較大，根據式

（３），ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ中Ｔｉｂｉａ３的測量值應比ＦｌｅｘＰＬＩ

中的Ｔｉｂｉａ４測量值大。

Ｍ

＝

Ｆ·Ｌ（３）

式中：Ｍ為彎矩；Ｆ為力；Ｌ為力臂。

對于同一下肢模型，在小腿反彈過程中，下肢

模型整體呈“Ｃ”狀，彎曲中心位于彎曲剛度最小的

膝部，即圖９中的９１區域。因此越接近彎曲中心

位置，彎曲角度和彎矩都相對越大；其次，小腿所

有彎矩傳感器中，Ｔｉｂｉａ１所在區域的下方，有效力

臂和質量相對較大，根據式（３），Ｔｉｂｉａ１所受彎矩較

大。因此，在反彈過程中Ｔｉｂｉａ１彎矩傳感器測量值

較大。

２３　韌帶伸長量的分析

下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ和ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ的膝部結構

相同。若以膝部為轉動中心，根據前面分析，Ｆｌｅｘ

ＰＬＩＵＢＭ比ＦｌｅｘＰＬＩ多一個４９７５ｍｍ

×

６９３ｋｇ的

有效彎矩，相對于膝部的彎矩大約提升了

２３７４４％。然而下肢大腿與前保險杠中上方碰撞

中，其轉動存在阻礙，同時由于ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ沖擊

時刻離地間隙較小，所以大腿轉動被阻礙的部分相

對較多。因此與該Ａ級轎車碰撞過程中，ＦｌｅｘＰＬＩ

ＵＢＭ韌帶伸長量各指標比ＦｌｅｘＰＬＩ大，但不會成倍

提升。

下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ和ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ的韌帶ＡＣＬ

和ＰＣＬ屬于相互十字交叉韌帶，因此膝部彎曲過程

中兩指標測量值相差不會太大。

下肢模型ａＰＬＩ的ＡＣＬ和ＰＣＬ兩傳感器布置方

式改變。相對于

ＡＣＬ，ＰＣＬ位于轉動中心遠端，所在

區域轉動半徑較大，因此其伸長量必大于ＡＣＬ。

２４　大腿彎矩的分析

下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ和ａＰＬＩ各傳感器相對于

模型下端的高度相同，兩者沖擊時刻離地間隙相同。

即在沖擊過程中，兩個模型各傳感器相對于車輛前

保險杠的位置相同。由于大腿和小腿之間膝部的緩

沖，小腿的慣性力給大腿帶來的影響相對較小；根據

前面分析可知，ａＰＬＩ大腿質量較大，且其上身質量

塊質量較大，質心較高，因此在碰撞沖擊過程中，

ａＰＬＩ大腿的沖擊能量較大，相對于某一截面的慣性

力和力臂較大。因此基于同一車型碰撞，若ＦｌｅｘＰ

ＬＩＵＢＭ和ａＰＬＩ的彎曲剛度一致，則ａＰＬＩ大腿各彎

矩傳感器測量值相對較大。

３　行人下肢模型碰撞試驗

３１　小腿彎矩試驗數據分析

基于上述Ａ級轎車，選擇車輛前保險杠Ｌ．

＋

１和

Ｌ．

－

３位置，利用上述３種下肢模型進行碰撞試驗，

碰撞工況與２１節相同。

各下肢模型碰撞Ｌ．

＋

１點試驗過程如圖１１～圖

１３所示。由于上身質量塊增加碰撞能量的原因，

ＦＬｅｘＰＬＩＵＢＭ和ａＰＬＩ的沖擊碰撞過程比ＦｌｅｘＰＬＩ

時間長；由于ａＰＬＩ上身質量塊質量比ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ

大，且ａＰＬＩ下肢屬于下細上粗的形式，所以ａＰＬＩ

沖擊碰撞過程中“Ｃ”型的彎曲角度略大于ＦｌｅｘＰＬＩ

ＵＢＭ。

圖１１　ＦｌｅｘＰＬＩ沖擊過程

３種下肢模型碰撞試驗后，各傳感器測量的有

效峰值數據如表６所示，表中Ａ代表下肢模型Ｆｌｅｘ

ＰＬＩ，Ｂ代表ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ，Ｃ代表ａＰＬＩ。

由表可見：

·１　２３８·汽　車　工　程２０２０年（第４２卷）第９期

圖１２　ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ沖擊過程

圖１３　ａＰＬＩ沖擊過程

（１）對于Ｌ．

＋

１和Ｌ．

－

３點，ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ中的

Ｔｉｂｉａ３明顯大于ＦｌｅｘＰＬＩ；

（２）ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ中的Ｔｉｂｉａ３大于Ｔｉｂｉａ４；

（３）ＦｌｅｘＰＬＩ小腿彎矩中，Ｔｉｂｉａ１最大；對于Ｆｌｅｘ

ＰＬＩＵＢＭ，Ｌ．

＋

１中Ｔｉｂｉａ３最大，Ｌ．

－

３中Ｔｉｂｉａ１最大；

ａＰＬＩ小腿彎矩中Ｔｉｂｉａ１最大；

（４）以ＦｌｅｘＰＬＩ和ａＰＬＩ為例，從圖１１～圖１３可

以看出，ＦｌｅｘＰＬＩ小腿的反彈時間大約為２５～５０ｍｓ，

ａＰＬＩ小腿的反彈時間大約為２５～６０ｍｓ，結合圖１４

可知，在兩種下肢模型小腿的反彈過程中，Ｔｉｂｉａ１～

Ｔｉｂｉａ４測量值依次減小。

圖１４　小腿彎矩曲線

以上的分析驗證了第２大節中對小腿彎矩分析

的結論。

表６　３種下肢模型沖擊試驗數據

沖擊點Ｌ．

＋

１Ｌ．

－

３

模型ＡＢＣＡＢＣ

Ｆ１／（Ｎ·ｍ）２８９８３６７９２９８５３９３５

Ｆ２／（Ｎ·ｍ）２４８５３８５９２９４１３７７３

Ｆ３／（Ｎ·ｍ）２４２５３１５５２７４５３２０５

ＡＣＬ／ｍｍ４６７４８４９７７５２

ＰＣＬ／ｍｍ５５５８８３５７６５８８

ＭＣＬ／ｍｍ１４９２１２４２１６４２１２５７

Ｔ１／（Ｎ·ｍ）１６６３１６６８２１６２１５４２１８９９２３８８

Ｔ２／（Ｎ·ｍ）１３１４１２６８１９２５１１８１１４１１１８７５

Ｔ３／（Ｎ·ｍ）８９２１８５８１７６５７８３１７５４１７９５

Ｔ４／（Ｎ·ｍ）１４３８１４５８１２８５１３６２１２４８１２１８

３２　韌帶伸長量和大腿彎矩試驗數據分析

從表６中提取出表７，由表可見：

（１）對于ＦｌｅｘＰＬＩ和ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ，ＡＣＬ和ＰＣＬ

峰值差距（Ｄｉｓｔａｎｃｅ）不超過２０％，相對不明顯；而

ａＰＬＩ中，ＰＣＬ峰值總比ＡＣＬ大，且均超過６０％，相對

較明顯；

（２）針對ＭＣＬ峰值，ＦｌｅｘＰＬＩ、ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ和

ａＰＬＩ依次升高。

從而驗證了第２大節關于膝部韌帶伸長量的碰

撞分析。

表７　沖擊試驗韌帶伸長量數據

沖擊點Ｌ．

＋

１Ｌ．

－

３

模型ＡＢＣＡＢＣ

ＡＣＬ／ｍｍ４７７４８４９７７５２

ＰＣＬ／ｍｍ５５５８８３５７６５８８

Ｄｉｓｔａｎｃｅ／％１７

－

１７７３１６

－

１５６９

ＭＣＬ／ｍｍ１４９２１２４２１６４２１２５７

２０２０（Ｖｏｌ．４２）Ｎｏ．９胡帥帥，等：行人下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ、ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ與ａＰＬＩ對比分析·１　２３９·

不考慮下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ和ａＰＬＩ的彎曲剛

＋－

度，由表６可見，針對Ｌ．１和Ｌ．３點，ａＰＬＩ的大腿

各彎矩峰值均大于ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ，在一定程度上驗證

大節中關于大腿彎矩的推測。了第２

點，設計相應合理的造型和結構。

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（ａＰＬＩ）［Ｃ］．ＩＲＣＯＢＩＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２０１８，ＩＲＣ１８４２ｉｍｐａｃｔｏｒ

４　結論

對目前正在應用的行人下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ和兩

ｌｅｘＰＬＩＵＢＭ、ａＰＬＩ進行結構、尺寸種新型下肢模型Ｆ

和質量分配等關鍵參數的剖析與對比；基于各模型

對模型碰撞過程進與某Ａ級車前保險杠碰撞工況，

行運動學和力學方面的基礎分析；最后通過試驗對

分析結論進行驗證。結果表明，對于同一模型，碰撞

中須關注Ｔｉｂｉａ１和小腿擋板附近的彎矩值，其余小

腿彎矩一般較小；針對ＦｌｅｘＰＬＩ、ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ和ａＰＬＩ

３種下肢模型，同一工況下，小腿最大彎矩值依次提

升；ＦｌｅｘＰＬＩ的韌帶伸長量ＡＣＬ和ＰＣＬ峰值接近，且

相對較小；ａＰＬＩ的韌帶伸長量ＰＣＬ明顯大于ＡＣＬ，

ａＰＬＩ的大腿彎矩普遍明顯大于且峰值均相對較大；

ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ。基于不同下肢模型進行車輛前保險

杠設計時，要考慮上述不同模型之間的特征和風險



（上接第１２３１頁）

［７］　ＬＩＮＣＭ，ＬＩＨＹ．Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｈｙｂｒｉｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｆｏｒａｎｔｉ

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