行人下肢模型FlexPLI、FlexPLIUBM与aPLI对比分析

2024年3月31日发(作者：深的反义词是什么)

汽　车　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与ａＰＬＩ对比分析



，２

胡帅帅

１

，吕晓江

１

，王鹏翔

１

，王　淼

１

，顾鹏云

１

，张朋举

１

（１吉利汽车研究总院，浙江省汽车安全技术研究重点实验室，杭州　３１１２２８；

２湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙　４１００８２）

［摘要］　欧洲的研究项目ＳＥＮＩＯＲＳ提出新型行人下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ，日本汽车研究所和日本汽车制造商

协会提出新型行人下肢模型ａＰＬＩ，这两种下肢模型均具有较好的生物力学响应，包括运动响应和力响应。本文中针

对目前应用中的下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ和未来可能会应用的上述两种新型下肢模型进行了一系列基础分析。首先对下

肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ、ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ和ａＰＬＩ的总质量、分段质量、质心位置、结构、刚度和尺寸等关键参数进行了剖析和对

比；然后基于关键参数，对其碰撞过程进行了运动学和力学分析，得出评价指标之间的区别和规律；最后通过试验对

分析结论进行了验证。上述关于行人下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ、ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ和ａＰＬＩ的对比分析和验证结论，可为车辆前保

险杠的开发提供指导。

关键词：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

［

。筛选和分析该项数据得出：涉及

前言

２０１１～２０１８年，中国交通事故深度调查

（ＣＩＤＡＳ）在长春和宁波等地共采集４６１３例交通事

故数据，该项数据涉及人员１１８２４，其中重伤１８０５

２０１８ＹＦＥ０１９２９００）资助。



国家重点研发计划（

原稿收到日期为２０２０年１月３日。

Ｅｍａｉｌ：ｈｓｓ．ｃａｍｅｌ＠ｆｏｘｍａｌｌ．ｃｏｍ。通信作者：胡帅帅，硕士，

弱势道路使用者（ｖｕｌｎｅｒａｂｌｅｒｏａｄｕｓｅｒ，ＶＲＵ）的事故

有３６３５例，占７８８％；下肢有明显损伤的事故有

１１５７例，占ＶＲＵ事故总数的３１８３％；在ＶＲＵ损伤部

，如图１所示。因此汽车位统计中，下肢损伤位居第２

对行人下肢碰撞保护的研究很有必要且有意义。

２０２０（Ｖｏｌ．４２）Ｎｏ．９胡帅帅，等：行人下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ、ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ与ａＰＬＩ对比分析·１　２３３·

图１　ＶＲＵ事故人体损伤部位分布

行人下肢模型被用来评估汽车在碰撞中对行人

下肢的保护性能。最早的ＥＥＶＣＷＧ１７下肢模型在

生物仿真度和测试结果的重复性方面存在一定的局

限性，因此日本提出一种全新的下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ

（ｆｌｅｘｉｂｌｅｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｌｅｇｆｏｒｍｉｍｐａｃｔｏｒ）。２０００年，

ＪＡＭＡ和ＪＡＲＩ开始研发ＦｌｅｘＰＬＩ；２００２年完成初版

可使用的全金属结构模型ＦｌｅｘＰＬＩＧ；２００６年研发出

ＦｌｅｘＰＬＩＧＴ版本；２００９年研发出全球通用的Ｆｌｅｘ

ＧＴＲ版本，２０１１年进行了部分修正且沿用至今。行

人下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ的生物仿真度和损伤评估性能

比ＥＥＶＣＷＧ１７优越，可以评估腿伤中最常见的小

腿骨折和膝部韧带伸长量，但大腿损伤评估性能

较差

［２］

。

为更好表征下肢大腿生物力学损伤，欧洲研究

项目ＳＥＮＩＯＲＳ（ｓａｆｅｔｙｅｎｈａｎｃｅｄｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｆｏｒｏｌｄｅｒ

ｒｏａｄｕｓｅｒｓ）提出新型下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ（ｆｌｅｘｉｂｌｅ

ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｌｅｇｆｏｒｍｉｍｐａｃｔｏｒｗｉｔｈｕｐｐｅｒｂｏｄｙｍａｓｓ）的

概念，即在下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ上端添加一质量块，代

表人体上身质量

［３］

。经过对质量块质心位置、柔性

元件材料、下肢模型冲击高度、保护套结构等影响因

子的分析研究，与ＴＨＵＭＳ人体模型对标，确定了

ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ的最终版本。该模型不仅可以表征大

腿损伤，同时可以明显改善模型碰撞运动过程中的

时间历程曲线和稳定性。

与此同时，ＪＡＲＩ和ＪＡＭＡ研发了新型下肢模型

ａＰＬＩ（ｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｌｅｇｆｏｒｍｉｍｐａｃｔｏｒ），其

初衷和目标与ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ新型下肢模型一致，即更

加贴切地体现和模拟出实际交通事故碰撞中下肢的

运动和损伤响应，包括大腿损伤，且适用于所有类型

的车型

［４

－

５］

。经过与３６款简化车型（包括低车和高

车）、世界范围内不同造型的车型、世界范围内４种

不同版本的人体模型（ＪＳＡＥＨＢＭ、ＧＨＢＭＣＨＢＭ、

ＴＨＵＭＳ、ＪＡＭＡＨＢＭ）等分析和对标，ａＰＬＩ可较好地

体现出下肢碰撞过程的生物力学响应，包括运动和

损伤，类似于上述ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ的优势

［６］

。

为更好了解两种新型下肢模型与目前应用中的

下肢模型的区别和联系，本文中对３种模型进行了

关键参数的剖析和对比，对碰撞过程进行理论分析，

并通过碰撞试验进行验证，以支持未来车型前保险

杠的开发工作。

１　行人下肢模型关键参数的对比分析

１１　ＦｌｅｘＰＬＩ模型

目前全球通用的测试汽车行人下肢保护性能的

行人下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ结构尺寸如图２所示，质量分

布如表１所示。该行人下肢模型总质量为１３２ｋｇ。

其中大腿骨骼质量为２４６ｋｇ，膝部骨骼质量为

４２８ｋｇ，小腿骨骼质量为２６４ｋｇ，皮肤质量为

３８２ｋｇ（下肢模型中的皮肤实际上包括皮肤、肌肉

和血管等组织）。

图２　ＦｌｅｘＰＬＩ结构尺寸

表１　ＦｌｅｘＰＬＩ质量分布ｋｇ

部位质量容差

大腿（Ｆｅｍｕｒ）２４６±０１２

膝部（Ｋｎｅｅ）４２８±０２１

小腿（Ｔｉｂｉａ）２６４±０１３

皮肤（Ｆｌｅｓｈ）３８２±０２１

总质量１３２±０４０

由于ＦｌｅｘＰＬＩ物理模型不好拆分和裁剪称重，而

其有限元模型是加密模型，无法通过直接测量或仿

真获得质量、质心等信息，所以基于下肢模型

ＦｌｅｘＰＬＩ仿真结果，根据动能定理即式（１）逆向计算

·１　２３４·汽　车　工　程２０２０年（第４２卷）第９期

出皮肤各部位的质量。推算得出：大腿皮肤质量为

２３２ｋｇ，膝部皮肤质量为０３８ｋｇ，小腿皮肤为１１２

ｋｇ。因此考虑皮肤后，大腿质量为４７８ｋｇ，膝部质

量为４６６ｋｇ，小腿质量为３７６ｋｇ。

Ｅ

ｋ

＝

０５ｍｖ

２

（１）

式中：Ｅ

ｋ

为动能；ｍ为质量；ｖ为速度。

下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ骨骼各部位质心分布如表２

所示

［２］

。表中骨骼质心位置的数值表示对应部位骨

骼的质心离其上端的距离。

表２　ＦｌｅｘＰＬＩ骨骼质心位置ｍｍ

部位质心容差

大腿（Ｆｅｍｕｒ）１５９±８

膝部（Ｋｎｅｅ）９５±５

小腿（Ｔｉｂｉａ）２０２±１０

模型假设大腿、膝部和小腿的皮肤沿其长度方向

均匀分布，因此可将各部位皮肤的质心设定在其长度

的中点位置。结合式（２）质心分布公式，可推算出大

腿模型

ＦｌｅｘＰＬＩ各部位质心分布，如表３所示。

ｎ

ｍ

ｎ

ｘ

ｃ

＝

∑

ｍ

ｉ

ｘ

ｉ

（２）

ｉ

＝

１

式中：ｍ

ｎ

为ｎ个物体的总质量；ｘ

ｃ

为ｎ个物体的总质

心坐标；ｍ

ｉ

为第ｉ个物体的质量；ｘ

ｉ

为第ｉ个物体的

质心坐标。

表３　ＦｌｅｘＰＬＩ质量质心分布

部位质量／ｋｇ质心／ｍｍ容差／ｍｍ

大腿（Ｆｅｍｕｒ）４７８１６７±８

膝部（Ｋｎｅｅ）４６６９５±５

小腿（Ｔｉｂｉａ）３７６２０１６±１０

基于上述对结构、尺寸、质量和质心的分析，可

从不同角度，将ＦｌｅｘＰＬＩ划分为多连杆结构。

（１）根据下肢部位，可将ＦｌｅｘＰＬＩ划分为三连杆

结构，如图３（ａ）所示。大腿长３３６ｍｍ，质心距离大

腿上端１６７ｍｍ；膝部长１９１ｍｍ，质心距离膝部上端

９５ｍｍ；小腿长４０１ｍｍ，质心距离小腿上端

２０１６ｍｍ。

（２）由于下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ膝部中间连接处弯

曲刚度较小，其余部分连接处（如大腿各骨骼块之

间、小腿各骨骼块之间、大小腿与膝部之间）弯曲刚

度较大。因此若要分析膝部韧带伸长量，可将该下

肢模型划分为二连杆结构。根据大腿、膝部和小腿

的质量和质心位置，结合式（２），可得该二连杆的质

量与质心位置分布，如图３（ｂ）所示。二连杆上部

（代表大腿）长４３３ｍｍ，质量７２３ｋｇ，质心距离上端

２４０５ｍｍ；下部（代表小腿）长４９５ｍｍ，质量５９７

ｋｇ，质心距离上端２０４３ｍｍ。

（３）若要关注大小腿弯矩的趋势和变化，可将

下肢模型按照传感器位置进行分段，相应的结构、尺

寸和传感器位置等信息如图３（ｃ）所示。

图３　ＦｌｅｘＰＬＩ不同分段方式示意图（单位：ｍｍ）

１２　ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ模型

ＳＥＮＩＯＲＳ提出的ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ结构尺寸如图４

所示。该行人下肢模型总质量为１９８３ｋｇ，考虑皮

肤后，各部位质量分布如表４所示。

图４　ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ结构尺寸

２０２０（Ｖｏｌ．４２）Ｎｏ．９胡帅帅，等：行人下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ、ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ与ａＰＬＩ对比分析·１　２３５·

表４　ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ质量分布ｋｇ

部位质量容差

上身质量（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

总质量１９８３±０７３

与下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ相似，可将ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ按

照３种方式进行结构分段。

（１）按照人体下肢部位进行分段，可划分为四

连杆结构。基于各部位质量和密度分布，结合式

（２），计算出各段质量和质心位置，如图５（ａ）所示。

上身质量块高１３４５ｍｍ，质量为６９３ｋｇ，质心距离

质量块上端５１ｍｍ，转动中心距离上端８１ｍｍ；大腿

长３１７ｍｍ，质量为４４８ｋｇ，质心距离大腿上端

１６２ｍｍ；膝部长１９１ｍｍ，质量４６６ｋｇ，质心距离膝

部上端９５ｍｍ；小腿长４０１ｍｍ，质量３７６ｋｇ，质心

距离小腿上端２０１６ｍｍ。

（２）按照弯曲刚度大小，可划分为３段，构成三

连杆结构。上部长１３４５ｍｍ，质量６９３ｋｇ，质心距

离上端５１ｍｍ，转动中心距离上端８１ｍｍ；中部长

４１４ｍｍ，质量６９３ｋｇ，质心距离中部上端

２３３８ｍｍ；下部长４９５ｍｍ，质量５９７ｋｇ，质心距离

下部上端２０４３ｍｍ。

（３）按照测量传感器位置进行分段，相应的结

构、尺寸和传感器位置如图５（ｃ）所示。

图５　ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ不同分段方式示意图

１３　ａＰＬＩ模型

ＪＡＲＩ和ＪＡＭＡ研发出的新型下肢模型ａＰＬＩ结

构如图６所示。图６（ａ）为物理模型，图６（ｂ）为有

限元模型，图６（ｃ）为几何模型结构尺寸和传感器位

置示意图。

图６　ａＰＬＩ物理、有限元和几何模型

新型下肢模型ａＰＬＩ总质量约２４５ｋｇ，参考Ｔａ

ｋａｈｉｒｏＩｓｓｈｉｋｉ等的研究文献

［７］

，可将下肢模型

ＦｌｅｘＰＬＩ总质量视为１２９ｋｇ，ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ总质量视

为１９８３ｋｇ（不同版本或不同批次的下肢模型总质

量存在一定的容差）。对人体模型下肢质量和３种

下肢模型的下肢质量进行对比（不含上身质量块），

如图７所示。

图７　４种下肢模型质量分布图

基于图７，对包括人体的４种下肢模型的质量按

照上身质量块、大腿和小腿的方式分段分析，如表５

所示。ＦｌｅｘＰＬＩ和ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ模型下肢结构和质量

分配大致相同，大腿质量比人体模型大腿小，小腿质

·１　２３６·汽　车　工　程２０２０年（第４２卷）第９期

量比人体模型大；ａＰＬＩ模型下肢质量分配与人体模

型十分接近，相对于ＦｌｅｘＰＬＩ和ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ模型，

ａＰＬＩ大腿质量加大１１ｋｇ，增大１５７１％，ａＰＬＩ小腿

质量减小１２ｋｇ，减小２０３４％；４种模型下肢总质

量基本一致，ａＰＬＩ模型略小０１ｋｇ；ａＰＬＩ模型上身

质量块比ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ大４７７ｋｇ，大６８８３％。

表５　４种下肢模型质量对比ｋｇ

模型人体模型ＦｌｅｘＰＬＩＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭａＰＬＩ

上身质量６９３１１７

大腿８３７７８１

小腿４６５９５９４７

下肢总质量１２９１２９１２９１２８

总质量１２９１９８３２４５

２　行人下肢模型碰撞响应对比分析

２１　行人下肢碰撞工况

对于目前正在应用中的下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ，碰撞

试验工况如下：模型与车辆前保险杠碰撞零时刻，下

端离地间隙为７５ｍｍ；模型长度方向与Ｚ轴平行；冲

击方向沿着车身坐标系Ｘ轴正向，即车身尾端方向；

冲击速度为４０ｋｍ／ｈ。

新型下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ和ａＰＬＩ碰撞零时

刻，模型下端离地间隙２５ｍｍ，其余工况条件与

ＦｌｅｘＰＬＩ相同，如图８所示。

图８　下肢模型冲击试验工况

ＦｌｅｘＰＬＩ的碰撞试验可以测出：大腿弯矩

Ｆｅｍｕｒ１、Ｆｅｍｕｒ２、Ｆｅｍｕｒ３；韧带伸长量ＡＣＬ、ＰＣＬ、

ＭＣＬ；小腿弯矩Ｔｉｂｉａ１、Ｔｉｂｉａ２、Ｔｉｂｉａ３、Ｔｉｂｉａ４。但由

于ＦｌｅｘＰＬＩ模型生物力学和运动学仿真度有限，试验

后只采纳韧带伸长量和小腿弯矩。新型下肢模型

ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ和ａＰＬＩ试验可测出的指标与ＦｌｅｘＰＬＩ

相同，但该两种模型所测的指标值可全部采纳。

２２　小腿弯矩对比分析

基于某Ａ级轿车，分析３种下肢模型的冲击碰

撞过程。３种下肢模型大腿、膝部和小腿传感器与

各模型下端的Ｚ向距离一致。然而３种下肢模型

冲击时刻的离地间隙不同，导致各模型传感器高度

和相对于车辆前保险杠的位置不一致，如图９所

示。９１所示区域代表韧带伸长量传感器的位置；

９１区域上方３条横虚线代表大腿弯矩传感器的

位置，从上到下依次为Ｆｅｍｕｒ３、Ｆｅｍｕｒ２和Ｆｅｍｕｒ１；

９１区域下方４条横虚线代表小腿弯矩传感器的

位置，从上到下依次是Ｔｉｂｉａ１、Ｔｉｂｉａ２、Ｔｉｂｉａ３和Ｔｉｂ

ｉａ４。韧带伸长量传感器共有３个，分别测量前十

字韧带（ａｎｔｅｒｉｏｒｃｒｕｃｉａｔｅｌｉｇａｍｅｎｔ，ＡＣＬ）、后十字韧

带（ｐｏｓｔｅｒｉｏｒｃｒｕｃｉａｔｅｌｉｇａｍｅｎｔ，ＰＣＬ）和内侧副韧带

（ｍｅｄｉａｌｖｏｌｌａｔｅｒａｌｌｉｇａｍｅｎｔ，ＭＣＬ）的伸长量，如图１０

所示。

图９　冲击时刻各模型传感器位置示意图

图１０　韧带伸长量传感器布置图

２０２０（Ｖｏｌ．４２）Ｎｏ．９胡帅帅，等：行人下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ、ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ与ａＰＬＩ对比分析·１　２３７·

对于同一下肢模型，小腿弯矩一般在两种情况

下出现最大值：（１）传感器附近存在硬点，冲击硬点

的过程中出现弯矩最大值；（２）反弹过程中，由于下

肢模型大小腿不同部位反弹时刻和反弹力等不一

致，导致小腿弯曲引起较大的弯矩值。

基于该Ａ级轿车，下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ冲击时，小

腿挡板撞击位置（图９中虚线圆圈）在传感器Ｔｉｂｉａ３

和Ｔｉｂｉａ４之间，靠近Ｔｉｂｉａ４；ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ和ａＰＬＩ冲

击时，小腿挡板撞击位置在传感器Ｔｉｂｉａ３和Ｔｉｂｉａ４

之间，但靠近Ｔｉｂｉａ３。ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ与ＦｌｅｘＰＬＩ相比，

下肢结构和质量分配一致，但由于ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ中

Ｔｉｂｉａ３距离小腿挡板较近，因此ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ中的

Ｔｉｂｉａ３测量值定比ＦｌｅｘＰＬＩ大；ＦｌｅｘＰＬＩ中的Ｔｉｂｉａ４

靠近小腿挡板，ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ中的Ｔｉｂｉａ３靠近小腿挡

板，然而由于ＦＬｅｘＰＬＩＵＢＭ中Ｔｉｂｉａ３下侧部分较长，

即碰撞过程中下方有效力臂和质量较大，根据式

（３），ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ中Ｔｉｂｉａ３的测量值应比ＦｌｅｘＰＬＩ

中的Ｔｉｂｉａ４测量值大。

Ｍ

＝

Ｆ·Ｌ（３）

式中：Ｍ为弯矩；Ｆ为力；Ｌ为力臂。

对于同一下肢模型，在小腿反弹过程中，下肢

模型整体呈“Ｃ”状，弯曲中心位于弯曲刚度最小的

膝部，即图９中的９１区域。因此越接近弯曲中心

位置，弯曲角度和弯矩都相对越大；其次，小腿所

有弯矩传感器中，Ｔｉｂｉａ１所在区域的下方，有效力

臂和质量相对较大，根据式（３），Ｔｉｂｉａ１所受弯矩较

大。因此，在反弹过程中Ｔｉｂｉａ１弯矩传感器测量值

较大。

２３　韧带伸长量的分析

下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ和ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ的膝部结构

相同。若以膝部为转动中心，根据前面分析，Ｆｌｅｘ

ＰＬＩＵＢＭ比ＦｌｅｘＰＬＩ多一个４９７５ｍｍ

×

６９３ｋｇ的

有效弯矩，相对于膝部的弯矩大约提升了

２３７４４％。然而下肢大腿与前保险杠中上方碰撞

中，其转动存在阻碍，同时由于ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ冲击

时刻离地间隙较小，所以大腿转动被阻碍的部分相

对较多。因此与该Ａ级轿车碰撞过程中，ＦｌｅｘＰＬＩ

ＵＢＭ韧带伸长量各指标比ＦｌｅｘＰＬＩ大，但不会成倍

提升。

下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ和ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ的韧带ＡＣＬ

和ＰＣＬ属于相互十字交叉韧带，因此膝部弯曲过程

中两指标测量值相差不会太大。

下肢模型ａＰＬＩ的ＡＣＬ和ＰＣＬ两传感器布置方

式改变。相对于

ＡＣＬ，ＰＣＬ位于转动中心远端，所在

区域转动半径较大，因此其伸长量必大于ＡＣＬ。

２４　大腿弯矩的分析

下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ和ａＰＬＩ各传感器相对于

模型下端的高度相同，两者冲击时刻离地间隙相同。

即在冲击过程中，两个模型各传感器相对于车辆前

保险杠的位置相同。由于大腿和小腿之间膝部的缓

冲，小腿的惯性力给大腿带来的影响相对较小；根据

前面分析可知，ａＰＬＩ大腿质量较大，且其上身质量

块质量较大，质心较高，因此在碰撞冲击过程中，

ａＰＬＩ大腿的冲击能量较大，相对于某一截面的惯性

力和力臂较大。因此基于同一车型碰撞，若ＦｌｅｘＰ

ＬＩＵＢＭ和ａＰＬＩ的弯曲刚度一致，则ａＰＬＩ大腿各弯

矩传感器测量值相对较大。

３　行人下肢模型碰撞试验

３１　小腿弯矩试验数据分析

基于上述Ａ级轿车，选择车辆前保险杠Ｌ．

＋

１和

Ｌ．

－

３位置，利用上述３种下肢模型进行碰撞试验，

碰撞工况与２１节相同。

各下肢模型碰撞Ｌ．

＋

１点试验过程如图１１～图

１３所示。由于上身质量块增加碰撞能量的原因，

ＦＬｅｘＰＬＩＵＢＭ和ａＰＬＩ的冲击碰撞过程比ＦｌｅｘＰＬＩ

时间长；由于ａＰＬＩ上身质量块质量比ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ

大，且ａＰＬＩ下肢属于下细上粗的形式，所以ａＰＬＩ

冲击碰撞过程中“Ｃ”型的弯曲角度略大于ＦｌｅｘＰＬＩ

ＵＢＭ。

图１１　ＦｌｅｘＰＬＩ冲击过程

３种下肢模型碰撞试验后，各传感器测量的有

效峰值数据如表６所示，表中Ａ代表下肢模型Ｆｌｅｘ

ＰＬＩ，Ｂ代表ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ，Ｃ代表ａＰＬＩ。

由表可见：

·１　２３８·汽　车　工　程２０２０年（第４２卷）第９期

图１２　ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ冲击过程

图１３　ａＰＬＩ冲击过程

（１）对于Ｌ．

＋

１和Ｌ．

－

３点，ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ中的

Ｔｉｂｉａ３明显大于ＦｌｅｘＰＬＩ；

（２）ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ中的Ｔｉｂｉａ３大于Ｔｉｂｉａ４；

（３）ＦｌｅｘＰＬＩ小腿弯矩中，Ｔｉｂｉａ１最大；对于Ｆｌｅｘ

ＰＬＩＵＢＭ，Ｌ．

＋

１中Ｔｉｂｉａ３最大，Ｌ．

－

３中Ｔｉｂｉａ１最大；

ａＰＬＩ小腿弯矩中Ｔｉｂｉａ１最大；

（４）以ＦｌｅｘＰＬＩ和ａＰＬＩ为例，从图１１～图１３可

以看出，ＦｌｅｘＰＬＩ小腿的反弹时间大约为２５～５０ｍｓ，

ａＰＬＩ小腿的反弹时间大约为２５～６０ｍｓ，结合图１４

可知，在两种下肢模型小腿的反弹过程中，Ｔｉｂｉａ１～

Ｔｉｂｉａ４测量值依次减小。

图１４　小腿弯矩曲线

以上的分析验证了第２大节中对小腿弯矩分析

的结论。

表６　３种下肢模型冲击试验数据

冲击点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　韧带伸长量和大腿弯矩试验数据分析

从表６中提取出表７，由表可见：

（１）对于ＦｌｅｘＰＬＩ和ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ，ＡＣＬ和ＰＣＬ

峰值差距（Ｄｉｓｔａｎｃｅ）不超过２０％，相对不明显；而

ａＰＬＩ中，ＰＣＬ峰值总比ＡＣＬ大，且均超过６０％，相对

较明显；

（２）针对ＭＣＬ峰值，ＦｌｅｘＰＬＩ、ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ和

ａＰＬＩ依次升高。

从而验证了第２大节关于膝部韧带伸长量的碰

撞分析。

表７　冲击试验韧带伸长量数据

冲击点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胡帅帅，等：行人下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ、ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ与ａＰＬＩ对比分析·１　２３９·

不考虑下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ和ａＰＬＩ的弯曲刚

＋－

度，由表６可见，针对Ｌ．１和Ｌ．３点，ａＰＬＩ的大腿

各弯矩峰值均大于ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ，在一定程度上验证

大节中关于大腿弯矩的推测。了第２

点，设计相应合理的造型和结构。

参考文献

［１］　中国交通事故深度调查工作组．ＣＩＤＡＳ数据事故分析［Ｒ］．天

２０１８津，

ＷｏｒｋｉｎｇＧｒｏｕｐｏｆＣｈｉｎａＩｎｄｅｐｔｈＡｃｃｉｄｅｎｔＳｔｕｄｙ．ＣＩＤＡＳｄａｔａａｃ

ｃｉｄｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ［Ｒ］．Ｔｉａｎｊｉｎ，２０１８

［２］　ＨＵＭＡＮＥＴＩＣＳ．ＦｌｅｘＰＬＩＧＴＲｕｓｅｒｍａｎｕａｌ［Ｒ］．ＵＳＡ：Ｐｌｕ

ｍｏｕｔｈ，２０１６．　

［３］　ＳＥＮＩＯＲＳ．Ｕｐｄａｔｅｄｉｎｊｕｒｙｃｒｉｔｅｒｉａｆｏｒｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｔｅｓｔｔｏｏｌｓ［Ｒ］．Ｄｅ

ｌｉｖｅｒａｂｌｅ２５ｂ．２０１８．

［４］　ＩＳＳＨＩＫＩＴ，ＫＯＮＯＳＵＡ，ＴＡＫＡＨＡＳＨＩＹ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｎａｐ

ｐｒｏｐｒｉａｔｅｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｌｅｇｆｏｒｍｉｍｐａｃｔｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｗｈｉｃｈｃａｎｂｅｕｓｅｄ

ｆｏｒａｌｌｔｙｐｅｓｏｆｖｅｈｉｃｌｅｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｈｉｇｈｂｕｍｐｅｒｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｃ］．ＩＲ

，Ｇｅｒｍａｎｙ，２０１４．ＣＯＢＩＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｂｅｒｌｉｎ

［５］　ＩＳＳＨＩＫＩＴ，ＫＯＮＯＳＵＡ，ＴＡＫＡＨＡＳＨＩＹ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｅｖａｌ

ｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｌｅｇｆｏｒｍｉｍｐａｃｔｏｒｐｒｏｔｏｔｙｐｅｗｈｉｃｈ

ｃａｎｂｅａｐｐｌｉｃａｂｌｅｔｏａｌｌｔｙｐｅｓｏｆｖｅｈｉｃｌｅｓｒｅｇａｒｄｌｅｓｓｏｆｂｕｍｐｅｒ

ｈｅｉｇｈｔ［Ｃ］．ＩＲＣＯＢＩＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｂｅｒｌｉｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ，２０１６．　

［６］　ＲＯＴＨＦ，ＴＡＫＡＨＡＳＨＩＹ，ＩＮＳＥＬＯ．ａＰＬＩｔｈｅｎｅｗｌｅｇｆｏｒｍｉｍ

［Ｃ］．ＢｅｒｇｉｓｃｈＧｌａｄｂａｃｈ，Ｇｅｒｍａｎｙ，２０１９．ｐａｃｔｏｒ

［７］　ＩＳＳＨＩＫＩＴ，ＡＮＴＯＮＡＭＡＫＯＳＨＩＪ，ＫＯＮＯＳＵＡ．Ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ

ｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｌｅｇｆｏｒｍ

－－

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

４　结论

对目前正在应用的行人下肢模型ＦｌｅｘＰＬＩ和两

ｌｅｘＰＬＩＵＢＭ、ａＰＬＩ进行结构、尺寸种新型下肢模型Ｆ

和质量分配等关键参数的剖析与对比；基于各模型

对模型碰撞过程进与某Ａ级车前保险杠碰撞工况，

行运动学和力学方面的基础分析；最后通过试验对

分析结论进行验证。结果表明，对于同一模型，碰撞

中须关注Ｔｉｂｉａ１和小腿挡板附近的弯矩值，其余小

腿弯矩一般较小；针对ＦｌｅｘＰＬＩ、ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ和ａＰＬＩ

３种下肢模型，同一工况下，小腿最大弯矩值依次提

升；ＦｌｅｘＰＬＩ的韧带伸长量ＡＣＬ和ＰＣＬ峰值接近，且

相对较小；ａＰＬＩ的韧带伸长量ＰＣＬ明显大于ＡＣＬ，

ａＰＬＩ的大腿弯矩普遍明显大于且峰值均相对较大；

ＦｌｅｘＰＬＩＵＢＭ。基于不同下肢模型进行车辆前保险

杠设计时，要考虑上述不同模型之间的特征和风险

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

（上接第１２３１页）

［７］　ＬＩＮＣＭ，ＬＩＨＹ．Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｈｙｂｒｉｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｆｏｒａｎｔｉ

ｌｏｃｋｂｒａｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓｕｓｉｎｇｅｌｆｏｒｇａｎｉｚｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎｌｉｎｋｆｕｚｚｙｃｅｒｅ

［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎｂｅｌｌａｒｍｏｄｅｌａｒｔｉｃｕｌａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ

－

ＦｕｚｚｙＳｙｓｔｅｍｓ，２０１３，２１（６）：１０４４１０５５．

［８］　ＤＩＮＧＳＨ，ＬＩＵＬ，ＺＨＥＮＧＷＸ．Ｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｄｉｒｅｃｔｙａｗｍｏｍｅｎｔ

ｃｏｎｔｒｏｌｄｅｓｉｇｎｆｏｒｉｎｈｅｅｌｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ

－

，２０１７，６４（８）：６７５２６７６２．ｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ

［９］　高伟，倪媛媛，丁世宏．基于终端滑模和扰动观测的Ｂｕｃｋ型变

－

换器复合控制技术［Ｊ］．农业机械学报，２０１８，４９（１２）：３８７３９２．

［１０］　郑宏宇，杨硕，文良浒，等．基于电控制动系统的客车防侧翻

－

控制车辆［Ｊ］．吉林大学学报（工学版），２０１６，４６（４）：１０３８

１０４３．　　

［１１］　宗长富，韩小健，赵伟强，等．基于动态ＬＴＲ的客车防侧翻控

－

制［Ｊ］．中国公路学报，２０１６，２９（９）：１３６１４２．

［１２］　靳立强，石冠男，于雅静，等．基于零力矩点位置和模糊控制的

－

商用车防侧翻控制［Ｊ］．汽车工程，２０１７，３９（９）：１０６２１０６７．

［１３］　ＶＵＶＴ，ＳＥＮＡＭＥＯ，ＤＵＧＡＲＤＬ，ｅｔａｌ．Ｅｎｈａｎｃｉｎｇｒｏｌｌ

ｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｈｅａｖｙｖｅｈｉｃｌｅｂｙＬＱＲａｃｔｉｖｅａｎｔｉｒｏｌｌｂａｒｃｏｎｔｒｏｌｕｓｉｎｇ

［Ｊ］．ＶｅｈｉｃｌｅＳｙｓｔｅｍＤｙｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｅｒｖｏｖａｌｖｅｈｙｄｒａｕｌｉｃａｃｔｕａｔｏｒｓ

－

ｎａｍｉｃｓ，２０１９，５５（９）：１４０５１４２９．

［１４］　徐中明，于海兴，贺岩松，等．ＳＵＶ车辆差动制动防侧翻控制研

－

究［Ｊ］．汽车工程，２０１４，３６（５）：５６６５７２．

［１５］　贺宜，褚端峰，吴超仲，等．基于ＭＰＣ的大型车辆防侧翻控制

－

方法［Ｊ］．交通运输系统工程与信息，２０１５，１５（３）：１００９６７４４．

［１６］　ＪＩＮＺＪ，ＺＨＡＮＧＬ，ＺＨＡＮＧＪＺ，ｅｔａｌ．Ｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｄ

Ｈｏｎｔｒｏｌｏｆｔｒｉｐｐｅｄａｎｄｕｎｔｒｉｐｐｅｄｖｅｈｉｃｌｅｒｏｌｌｏｖｅｒ［Ｊ］．Ｖｅｈｉｃｌｅ

∞

ｃ

－

ＳｙｓｔｅｍＤｙｎａｍｉｃｓ，２０１６，５４（１０）：１４０５１４２７．

［１７］　刘金琨．滑模变结构控制ＭＡＴＬＡＢ仿真［Ｍ］．北京：清华大学

出版社，２０１５．

［１８］　肖仲仲．大型客车侧倾横摆联合控制策略开发及验证［Ｄ］．长

春：吉林大学，２０１８．