基于LS-DYNA的FLEX-PLI沖擊器韌帶運動成分研究

于 藍，石向云，舒 壯

(一汽豐田技術開發有限公司 天津300462)

0 引 言

近年來，交通事故中，駕駛員及乘員死亡率逐漸減少，但行人傷亡率呈逐步增高趨勢。據統計，2015年我國交通事故中行人傷亡率已占到交通事故傷亡率的1/4以上，因此行人的保護問題顯得尤為重要。

本文結合一汽豐田的某款車型，對其進行行人腿部的碰撞仿真分析，根據 CAE分析結果對 MCL(膝部內側韌帶伸長量)這一傷害值進行運動形式分解，得到每個自由度上 MCL伸長成分，將各成分加和與試驗結果對比，驗證此方法正確性，旨在為今后改善對策的提出提供可靠的理論基礎。

1 FLEX-PLI柔性腿模型

1.1 FlEX簡介

2013年開始，日本法規和 JNCAP均采用了FLEX-PLI作為行人腿型沖擊器。EuroNCAP行人保護碰撞評價也于 2014年起使用 FLEX-PLI替代TRL-LFI作為行人腿型沖擊器。人體的脛骨會因為彎曲發生骨折，但TRL下肢沖擊器的脛骨部是剛體，因此不會發生彎曲變形。為了實現脛骨和股骨的彎曲，使用 FLEXPLI柔性腿沖擊器。此韌帶模擬的是人體的右腿部分，左右不對稱，沖擊器主體由氯丁橡膠和橡膠片制成的皮膚所包裹。

FLEX-PLI仿真模型與物理模型結構和材料一致，運用有限元方法仿真，共35萬網格單元。仿真模型與物理模型經過對標試驗，可代替物理模型進行開發和研究。FLEX-PLI仿真模型如圖1所示。

1.2 行人腿部結構及傷害機理

行人小腿腿部結構中，脛骨和膝部是最容易受傷的重要部位。圖 2為膝關節的主要結構示意圖，膝部交叉韌帶，內外側副韌帶是膝部的主要 4條韌帶，也是較易受傷的膝關節軟組織。

圖1 FLEX-PLI仿真模型Fig.1 FLEX-PLI simulation model

圖2 人體膝部關節構造Fig.2 Human knee joint structure

本文主要討論膝部韌帶中在行人保護試驗中伸長量最大的韌帶 MCL，即膝部內側副韌帶。MCL起自股骨內上髁，向下附于脛骨內側髁及相鄰骨體，與膝關節囊和內側半月板相連。在 FLEX-PLI模型中，膝部的仿真情況如圖3所示。

圖3 FLEX-PLI仿真模型膝部構造Fig.3 Knee structure of FLEX-PLI simulation model

1.3 行人保護分析過程

利用 Oasys軟件建立行人保護 FLEX-PLI碰撞模型，見圖4。

提交LS-DYNA進行計算后，計算結果如圖5。

圖4 行人保護FLEX-PLI計算模型Fig.4 Pedestrian FLEX-PLI CAE model

圖5 碰撞過程截面圖Fig.5 Cross section in impact process

2 Flex腿型MCL運動成分解析

如圖6所示，腿型沖擊器在碰撞過程中受到來自保險杠、下部吸能塊、發動機艙罩前沿等車身前部的復雜載荷。碰撞初期，主要來自下部吸能塊的撞擊力向脛骨施加彎矩，此時，股骨由于受到膝部傳來的力矩與大腿部慣性力的分布產生與直接撞擊方向相反的彎曲力矩。

將以上傷害形式進行分解，按照自由度分解為6個分量，分別為繞 X、Y、Z軸轉動的彎曲變形伸長量和 X、Y、Z 3個方向平動的剪切變形伸長量。具體運動形式圖如6所示。

2.1 上下膝部繞Y軸方向轉動的運動形式分解

將腿型繞 Y軸方向轉動的運動形式投影至 X-Z平面。討論轉動角的正負進行伸長量分解，如圖 7所示。

當沿 Y軸正方向轉動時，MCL伸長量計算公式如下：

圖6 沖擊器運動形式匯總Fig.6 Summary of impactor motion forms

圖7 沖擊器繞Y軸轉動運動分解Fig.7 Decomposition of rotation motion of impactor around Y axis

當沿 Y軸負方向轉動時，MCL伸長量計算公式如下：

式中：l0為MCL原長，l1為轉動后長度，yθ為上膝相對下膝繞Y軸的轉動角度。

2.2 上下膝部繞Z軸方向轉動的運動形式分解

將腿型繞 Z軸方向轉動的運動形式投影至 X-Y平面。討論轉動角的正負進行伸長量分解，如圖 8所示。

當沿 Z軸正方向轉動時，MCL伸長量計算公式如下：

圖8 沖擊器繞Z軸轉動運動分解Fig.8 Decomposition of rotation motion of impactor around Z axis

當沿 Z軸負方向轉動時，MCL伸長量計算公式如下：

式中：l0為MCL原長，l2為轉動后長度，zθ為上膝相對下膝繞Z軸的轉動角度。

2.3 上下膝部繞X軸方向轉動的運動形式分解

將腿型繞 X軸方向轉動的運動形式投影至 Y-Z平面。討論轉動角的正負進行伸長量分解，如圖 9所示。

圖9 沖擊器繞X軸轉動運動分解Fig.9 Decomposition of rotation motion of impactor around X axis

當沿 X軸正方向轉動時，MCL伸長量計算公式如下：

當沿 X軸負方向轉動時，MCL伸長量計算公式如下：

式中：l0為MCL原長，l3為轉動后長度，xθ為上膝相對下膝繞X軸的轉動角度。

2.4 上下膝部沿X軸方向平動的運動形式分解

若 FLEX沖擊器上下膝沿 X方向相對平動，見圖 10。

其MCL伸長量計算公式如下：

式中：l0為 MCL原長，l4為平動后長度，Δx為上膝相對下膝沿X軸方向的平動距離。

圖10 沖擊器沿X軸平動運動分解Fig.10 Decomposition of translation motion of impactor around X axis

2.5 上下膝部沿Y軸方向平動的運動形式分解

若 FLEX沖擊器上下膝沿 Y方向相對平動，見圖 11。

圖11 沖擊器沿Y軸平動運動分解Fig.11 Decomposition of translation motion of impactor around Y axis

MCL伸長量計算公式如下：

式中：l0為 MCL原長，l5為平動后長度，Δy為上膝相對下膝沿Y軸方向的平動距離。

2.6 上下膝部沿Z軸方向平動的運動形式分解

若 FLEX沖擊器上下膝沿 Z方向相對平動，見圖12。

圖12 沖擊器沿Z軸平動運動分解Fig.12 Decomposition of translation motion of impactor around Z axis

其MCL伸長量計算公式如下：

式中：l0為 MCL原長，l6為平動后長度，Δz為上膝相對下膝沿Z軸方向的平動距離。

3 運動形式合成結果與CAE結果對比

結合某車型的3個碰撞點結果，按照以上自由度分解方法進行合成的 MCL伸長量與實際仿真結果進行對比，驗證此分解方法的正確性。3個碰撞點位置及合成曲線圖見圖13—圖16。

圖13 碰撞點位置Fig.13 Impact point

圖14 W0碰撞點MCL伸長量對比Fig.14 MCL elongation at W0 impact point

圖15 W242碰撞點MCL伸長量對比Fig.15 MCL elongation at W242 impact point

圖16 W548碰撞點MCL伸長量對比Fig16 MCL elongation at W548 impact point

對于以上車輛上不同位置的3個撞擊點，此方法與試驗結果的擬合效果好，驗證了此 MCL伸長量的運動形式分解研究是可靠準確的。

4 結論及展望

本文將膝部內側韌帶 MCL的復雜運動過程分解為6個自由度上的單一運動形式，將復雜運動分解為平動和轉動。通過與試驗結果對比，驗證了此方法的正確性。未來可參考此方法對膝部交叉韌帶 ACL和 PCL進行類似的分解研究。另外，可將此方法應用于性能預測和傷害值改善研究，為預測結果的精度提高提供了理論基礎。