目前国内外NCAP 对车辆正面高速碰撞安全性能均有较高要求，正面偏置碰撞试验中对假人的小腿造成的伤害较大。尤其在C-NCAP 正面40%重叠可变形壁障碰撞碰工况中主驾驶右小腿受到伤害尤为严重，本研究主要是针对整车安全性能实际开发过程中，某车型正面40% 重叠可变形壁障碰撞碰工况对主驾驶右小腿造成伤害的原因分析。给出优化矩阵、最优方案由仿真分析结果锁定，仿真分析所得最优方案在加速滑台上验证，以及最优方案在实车上进行实施，并达到较好的性能效果。本研究可对正面高速碰撞小腿伤害优化起到一定的借鉴作用。

整车碰撞试验小腿伤害问题

在某车型进行正面40% 重叠可变形壁障碰撞碰后发现驾驶员侧右小腿T I 失分严重，对试验数据进一步分析，导致驾驶员侧右小腿T I 偏大的原因主要是右上胫骨M y 和右下胫骨F z 均偏大，右下胫骨F z 达到7.12 kN（图1），右上胫骨M y 达到232 N · m（图2）。

假人小腿伤害机理

假人小腿结构如图3 所示，为钢结构，踝关节为球节。在假人小腿上端和下端，分别嵌有载荷传感器，传感器之间的距离约为0.24 m。C-NCAP 中，对假人小腿伤害评价通过小腿轴向力F z 和小腿胫骨性能指标T I 确定。其中，F z 对应的高性能指标和低性能指标分别为2 kN 和8 kN ；T I 对应的高性能指标和低性能指标分别为0.4 和1.3。

F z 可以直接测量进行评价， T I 可按下面公式计算得出：

式中， Mr 为合成弯矩，通过计算可得；(Mc)r 为临界弯矩，取225 N · m ；(F c)z 为z 向临界压缩力，取35.9 kN。Mr 的计算公式如下：

评价过程中，小腿上、下两个传感器位置分别进行伤害评价，选取得分最低者作为最终评价。

仿真模型对标分析

根据正面40% 重叠可变形壁障碰撞工况车身结构仿真模型对标后提供的前围侵入数据。在约束系统仿真模型中，将实车试验碰撞波形、假人定位及约束系统相关参数等输入到系统仿真模型，进行约束系统的相应参数、假人的运动姿态、接触时刻、头颈部、胸部、大腿膝盖和小腿等伤害曲线的仿真模型对标完成。

其中，图4 为假人右小腿伤害仿真模型对标曲线，左侧图片为右下胫骨F z 对标曲线，右侧为右上胫骨M y 对标曲线，蓝色为实车实验伤害曲线，红色为约束系统仿真模型对标曲线。从接触时刻、峰值时刻、峰值大小和回弹时刻等方面分析，伤害曲线均吻合较好，约束系统仿真对标模型假人右小腿伤害曲线与实车试验伤害曲线趋势基本一致，可以进行下一步优化方案工作。

优化矩阵及最优方案

1. 优化矩阵

通过对试验数据分析，结合对主驾驶侧右小腿伤害造成的原因，对车身结构侵入量、脚跟泡沫块厚度及脚跟限位泡沫块三个关键因子进行矩阵式方案仿真分析。表1 为仿真优化矩阵。

2. 添加泡沫方案仿真结果

添加限位泡沫块，可以减缓右脚向前滑动量，降低小腿轴向力，右上胫骨得分提升0.4 分；加厚脚部底下缓冲泡沫，小腿力和小腿力矩均得到较大改善，右上胫骨得分提升0.49 分。考虑到总布置、人机校核和地毯改动量等因素加厚，脚部底下缓冲泡沫方案开发成本太大，在改善效果相近的两个方案选择成本较低的添加限位泡沫块，可在此方案基础上进行进一步仿真优化，找到最优方案，如图5、表2 所示。

3. 限位泡沫方案（限位泡沫块最佳位置、大小仿真分析研究）

以限位泡沫方案为基础，对限位泡沫块的最佳位置和最佳尺寸进行仿真分析验证（图6 为优化矩阵）。OPT2 为最优方案，泡沫块位于人机最后位置，如表3 所示，泡沫高度为50 mm、泡沫宽度140 mm 小腿伤害最低，T I 值降低0.19，小腿得分提升0.64 分，添加限位泡沫，可以在碰撞前期吸收右脚的动能，使右小腿的能量变化更为均匀，如图7、表4 所示。

4. 前围侵入量对小腿伤害的研究

对车身前围侵入在对标模型基础上进行降低10%、20%、30% 及无侵入仿真分析，降低入侵可以改善小腿伤害，入侵降低30%，右上胫骨T I 降低0.27，得分提升1.2 分，无入侵右上胫骨T I 得分为3.91 分。前围侵入对小腿伤害有较大影响。

滑台试验验证最优方案

在对标完成的滑台上进行方案验证，此方案通过ODB 滑台试验工况进行方案验证。滑台试验结果可看出，添加限位泡沫后，右小腿前期伤害有所增加，后期伤害有明显降低，整体伤害较为均匀，峰值得到明显改善，优化方案有效。

整车试验验证最优方案

整车试验中右小腿伤害得到明显改善，优化方案有效，试验结果满足性能目标开发要求，如图8、表5 所示。

结语

针对偏置碰撞主驾驶右小腿失分问题，进行仿真模型对标分析、找到问题真因、矩阵式优化、得出最优方案并在滑台和实车上进行方案验证，最后问题以最小成本得到高效解决方案，研究结论如下：

1）约束系统模型整体对标，右小腿伤害曲线与试验趋势基本一致，可用于下一步仿真优化工作。2）对车身结构侵入量、脚跟泡沫块厚度及脚跟限位泡沫块三个关键因子进行矩阵式方案仿真分析。3）添加限位泡沫块，可以减缓右脚向前滑动量，降低小腿轴向力，右上胫骨得分提升0.4 分。4）脚底泡沫厚度提升25 mm，可以更好地缓冲入侵对右脚的伤害，进一步改善小腿，右上胫骨TI 降低0.11，得分提升0.49 分。5）降低前围入侵，可以降低小腿力和小腿力矩，提升小腿得分，入侵降低30%，右上胫骨TI 降低0.27，得分提升1.2 分；6）综合考虑对添加限位泡沫块方案进行进一步的矩阵式优化，得到最佳方案。7）最终选择优化成本最低、车身变动最小、改动周期最短和结果同样可以满足安全性能要求的添加限位泡沫块方案。