行人腿型沖擊器生物力學(xué)響應(yīng)分析

郝賡 段成剛 劉俊杉

關(guān)鍵詞：行人保護(hù)，腿型沖擊器，F(xiàn)lex-PLI，F(xiàn)Iex-PLI/UBM，aPLJ

一、概論

車輛對(duì)行人下肢的碰撞保護(hù)越來越成為汽車行業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)，包括股骨骨折、脛骨骨折、韌帶斷裂在內(nèi)的下肢損傷，是行人與車輛碰撞中最易出現(xiàn)的受傷情況[1]。因此，在許多國家或地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)或NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程中，都對(duì)車輛對(duì)行人下肢的碰撞保護(hù)進(jìn)行了評(píng)估[2-4]。在評(píng)價(jià)車輛對(duì)行人下肢的保護(hù)時(shí)，常使用行人假人腿型沖擊器撞擊車輛前端相應(yīng)位置，在撞擊過程中采集沖擊器各個(gè)傳感器的信號(hào)作為傷害評(píng)估指標(biāo)，從而對(duì)車輛對(duì)行人碰撞保護(hù)能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

現(xiàn)階段最常用使用的行人腿型沖擊器為Flex-PLI，ECE R127、Euro NCAP、C-NCAP等相關(guān)法規(guī)與規(guī)程均將Flex-PLI作為車輛行人保護(hù)測(cè)試所使用的沖擊器。但是隨著研究的深入，F(xiàn)lex-PLI被發(fā)現(xiàn)在一些對(duì)較高車輛高度的試驗(yàn)中不能很好的反應(yīng)實(shí)際碰撞情況，同時(shí)Flex-PLI對(duì)于股骨損傷的評(píng)價(jià)也與實(shí)際情況存在一定差異，這是因?yàn)镕lex-PLI缺少對(duì)人體腿型上部質(zhì)量的模擬，導(dǎo)致生物仿真性上與真實(shí)人體存在差異。因此，國外一些組織機(jī)構(gòu)針對(duì)具有良好生物仿真性的行人腿型沖擊器開展了一系列研究工作。

歐洲seniors-project開展了對(duì)Flex-PLI/UBM（Upper Body Mass）研究工作[5]，研究結(jié)果表明在Flex-PLI上部增加了上體質(zhì)量塊UBM的Flex-PLI/UBM腿型沖擊器在碰撞過程中運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)軌跡相比于Flex-PLI更接近實(shí)際人體，具有更好的生物仿真性。除Flex-PLI/UBM之外，另外一種先進(jìn)行人腿型沖擊器（advanced PedestrianLegform Impactor， aPLI）由日本汽車研究所（Japan Automobile ResearchInstitute， JARI）和日本汽車工業(yè)協(xié)會(huì)（Japan Automobile ManufacturersAssociation， JAMA）完成開發(fā)設(shè)計(jì)。研究發(fā)現(xiàn)[6，7]，無論車輛高度如何變化，經(jīng)過優(yōu)化與改進(jìn)的aPLI有限元模型和實(shí)際測(cè)試工具均能有效反應(yīng)人體下肢損傷情況，同樣具有良好的生物仿真性。

圖1 aPLI尺寸示意圖（單位：mm）

二、行人腿型沖擊器結(jié)構(gòu)

Flex-PLI腿型沖擊器由皮膚、肌肉、大腿、小腿、膝部組成。沖擊器總質(zhì)量為13.2kg，F(xiàn)lex-PLI的大腿上裝有三個(gè)股骨彎矩傳感器，由上至下依次為Femur-3、Femur-2、Femur-1;小腿上裝有四個(gè)脛骨彎矩傳感器，由上至下依次為Tibia-1、Tibia-2、Tibia-3與Tibia-4。股骨與脛骨彎矩傳感器均測(cè)量腿型在X軸方向的彎矩。Flex-PLI膝部位置有4個(gè)韌帶延伸量傳感器，分別為內(nèi)側(cè)副韌帶MCL、前交叉韌帶ACL、后交叉韌帶PCL和外側(cè)副韌帶LCL，其中LCL是撞擊側(cè)的韌帶，通常在腿型彎曲變形時(shí)不會(huì)拉伸，因此在測(cè)試中并不對(duì)該位置的傷害值進(jìn)行考察。

Flex-PLI/UBM腿型沖擊器是在Flex-PLI腿型沖擊器基礎(chǔ)上增加了上體質(zhì)量塊UBM（Upper Body Mass），其余結(jié)構(gòu)均與Flex-PLI腿型沖擊器相同。沖擊器總質(zhì)量從Flex-PLI的13.2Kg增加到19.9Kg。

APLI腿型沖擊器由皮膚、肌肉、大腿、小腿、膝部、上體模塊（SimplifiedUpper Body Part，SUBP）組成，沖擊器總質(zhì)量為24.7kg。沖擊器的外廓尺寸如圖1所示。沿腿型側(cè)視圖看，大腿和小腿截面從上到下依次減小，大腿的截面比小腿大。

同樣的，aPLI大腿部分裝有三個(gè)股骨彎矩傳感器， 由上至下依次為Femur-3、Femur-2、Femur-1;小腿上裝有四個(gè)脛骨彎矩傳感器，由上至下依次為Tibia-1、Tibia-2、Tibia-3與Tibia-4，但是傳感器具體的位置與Flex-PLI不同。股骨和脛骨彎矩傳感器測(cè)量腿型X軸方向的彎矩。膝部有5個(gè)傳感器，其中3個(gè)分別測(cè)量MCL、ACL和PCL的延伸量，以及1個(gè)加速度傳感器測(cè)量腿型Y向的碰撞力，1個(gè)角速度傳感器測(cè)量X向的偏轉(zhuǎn)量。

三、沖擊器撞擊車輛前部結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法

為了分析三種行人腿型沖擊器的生物力學(xué)響應(yīng)情況，腿型沖擊器被發(fā)射并撞擊至車輛前部結(jié)構(gòu)相應(yīng)位置，以獲取腿型沖擊器各個(gè)傳感器采集到的傷害值，分析各項(xiàng)傷害指標(biāo)的時(shí)間歷程曲線并結(jié)合高速攝像系統(tǒng)記錄的腿型沖擊器運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。本文試驗(yàn)僅被設(shè)計(jì)用于對(duì)比腿型沖擊器自身的性能，而影響腿型沖擊器傷害結(jié)果與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的因素較多，故試驗(yàn)中需要排除掉這些因素的影響，如沖擊速度、沖擊目標(biāo)物，沖擊位置等因素。

本試驗(yàn)中，F(xiàn)lex-PLI、Flex-PLI/UBM與aPLI三種腿型沖擊器均與同一款車輛進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，所選用的試驗(yàn)車輛為某緊湊型SUV。試驗(yàn)車輛按照C-NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)區(qū)域標(biāo)記，車輛調(diào)整并保持在相應(yīng)的試驗(yàn)姿態(tài)，同時(shí)確定腿型沖擊試驗(yàn)區(qū)域，從車輛縱向中心平面開始分別向兩側(cè)以每100mm為步長(zhǎng)標(biāo)記腿部試驗(yàn)網(wǎng)格點(diǎn)，車輛縱向中心平面的網(wǎng)格點(diǎn)為L(zhǎng)0，向車輛右側(cè)依次為L(zhǎng)+1、L+2、L+3、L+4、L+5等，向車輛左側(cè)依次為L(zhǎng)-1、L-2、L-3、L-4、L-5等。

此外，在對(duì)比Flex-PLI、Flex-PLI/UBM與aPLI三種腿型沖擊器試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，為了消除車輛沖擊位置的影響，三種腿型沖擊器需沖擊同一個(gè)試驗(yàn)位置，并進(jìn)行比較，以便排除干擾因素，獲得更精確的對(duì)比結(jié)果。

試驗(yàn)中，根據(jù)C-NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程和腿型沖擊器使用手冊(cè)分別將Flex-PLI、Flex-PLI/UBM與aPLI三種腿型沖擊器撞擊車輛前部保險(xiǎn)杠時(shí)刻的高度設(shè)置為75mm、75mm、25mm，設(shè)置腿型沖擊器撞擊時(shí)刻的速度為40km/h±0.72km/h。移動(dòng)腿型發(fā)射設(shè)備調(diào)整至合適的發(fā)射位置，調(diào)整位置時(shí)應(yīng)該考慮腿型沖擊器在自由飛行過程中重力的影響，使其有足夠的自由飛行距離，以保證腿型沖擊器撞擊到車輛時(shí)刻之前保持合適的姿態(tài)。

腿型沖擊器與車輛發(fā)生撞擊時(shí)，沖擊器發(fā)生形變，沖擊器內(nèi)傳感器采集腿型損傷指標(biāo)，該時(shí)刻在傳感器數(shù)據(jù)時(shí)間歷程曲線中被定義為T0時(shí)刻。在T0時(shí)刻之前，各傳感器數(shù)據(jù)應(yīng)被控制在0數(shù)值的一定范圍內(nèi)，保證碰撞時(shí)刻腿型沖擊器處于一種自由飛行的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這樣傳感器采集到的傷害指標(biāo)才有實(shí)際意義和可對(duì)比性。通常情況下，F(xiàn)lex-PLI考察小腿脛骨的彎矩值、膝部韌帶伸長(zhǎng)量，而不考慮大腿股骨的彎矩值。但是出于對(duì)比三種腿型沖擊器生物力學(xué)性能的需要，即便Flex-PLI對(duì)股骨損傷情況反映存在偏差，也仍有必要考察股骨彎矩，以便和另外兩種沖擊器進(jìn)行對(duì)比。所以三種腿型沖擊器均采集3個(gè)股骨彎矩，4個(gè)脛骨彎矩和3個(gè)膝部韌帶伸長(zhǎng)量。

四、L0位置試驗(yàn)結(jié)果分析

本章節(jié)選取車輛腿型試驗(yàn)區(qū)的中央點(diǎn)位，即L0點(diǎn)，進(jìn)行三種腿型沖擊器的對(duì)比分析。三種腿型沖擊器各傳感器通道數(shù)據(jù)的時(shí)間歷程曲線如圖2所示。

圖2 L0點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

在F lex- P L I試驗(yàn)中，3個(gè)股骨彎矩中的最大值出現(xiàn)在Femur-3位置，為股骨上部彎矩，其最大值為226.4N·m，時(shí)間約為碰撞發(fā)生時(shí)刻T0后10ms。韌帶延伸量方面，ACL與PCL最大延伸量均在10mm以內(nèi)，在NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程中滿足要求，故考察MCL延伸量，MCL延伸量最大值為11.5mm，且其最大值出現(xiàn)時(shí)刻約為28ms。在脛骨傷害值方面，Tibia-2彎矩為4個(gè)脛骨彎矩的最大值，即脛骨受到了最大損傷，其彎矩為215.9N·m，且彎矩達(dá)到最大值的時(shí)刻約21ms。可見該點(diǎn)位Flex-PLI試驗(yàn)脛骨彎矩與韌帶伸長(zhǎng)量最大值出現(xiàn)時(shí)刻較為接近，而股骨彎矩則不然，該現(xiàn)象同樣可以在高速攝像截取畫面中觀察到，如圖3所示。

圖3 L0點(diǎn)高速攝像截圖

由于機(jī)罩對(duì)股骨的支撐作用，股骨并未發(fā)生明顯變形，而在10ms便恢復(fù)近乎自由態(tài)，但是膝蓋部分和脛骨部分變形在20ms至30ms之間最為嚴(yán)重，這也就解釋了股骨、韌帶衍生了與脛骨傷害值最大值出現(xiàn)時(shí)間的差異。同樣，這也反應(yīng)了Flex-PLI對(duì)股骨損傷情況反映的準(zhǔn)確性存在一定缺陷，在實(shí)際行人與車輛發(fā)生碰撞時(shí)，因?yàn)槿梭w上肢擁有較大質(zhì)量，人體會(huì)整體向車輛發(fā)動(dòng)機(jī)罩方向跌倒，股骨會(huì)隨之產(chǎn)生較大變形。而Flex-PLI因?yàn)闆]有上肢質(zhì)量，股骨的碰撞變形與真實(shí)情況有一定差異，所以其生物仿真性仍有待提高。

增加了UBM質(zhì)量塊的Flex-PLI/UBM沖擊器試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。L0點(diǎn)Flex-PLI試驗(yàn)股骨彎矩最大值仍然出現(xiàn)在Femur-3位置，即股骨上部彎矩，最大值為476.1N·m，最大值時(shí)刻約為碰撞后12ms時(shí)。韌帶延伸量上，最大值出現(xiàn)時(shí)刻約為38ms，其中ACL最大值為10.8mm，PCL最大值為9.7mm，MCL最大值較大，為33.4mm。脛骨彎矩出現(xiàn)在Tibia-1位置，即脛骨上部，是最貼近膝蓋部分的脛骨彎矩測(cè)量位置，最大值為303.5N·m，出現(xiàn)時(shí)刻約為35ms。由此可見，增加了UBM質(zhì)量塊，F(xiàn)lex-PLI/UBM沖擊器的股骨彎矩、韌帶延伸量比Flex-PLI沖擊器顯著增大，脛骨彎矩也有增加，但增加幅度較小。高速攝像截取畫面也能驗(yàn)證該結(jié)論，在35ms至40ms之間，沖擊器以膝蓋為中心發(fā)生嚴(yán)重彎曲，脛骨彎矩與韌帶延伸量在這段時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值，且脛骨彎矩最大值出現(xiàn)在貼近膝蓋的位置。

三種腿型沖擊器中，aPLI是一種不同于Flex-PLI或Flex-PLI/UBM的全新腿型沖擊器，它的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都不同于Flex-PLI，因此在相同位置的試驗(yàn)結(jié)果也存在一定差異。在股骨彎矩上，雖然股骨彎矩最大值仍然出現(xiàn)在Femur-3位置，但是數(shù)值上大于Flex-PLI/UBM，達(dá)到503.6N·m，最大值出現(xiàn)的時(shí)間與Flex-PLI和Flex-PLI/UBM接近，約為碰撞后10ms。膝部韌帶延伸量上，3個(gè)韌帶約在30ms時(shí)刻達(dá)到各自伸長(zhǎng)量最大值，MCL最大值為32.8mm，PCL最大值12.8mm，ACL最大值4.9mm，從結(jié)果上看與Flex-PLI/UBM相比，MCL伸長(zhǎng)量均較大，但是ACL與PCL大小規(guī)律則相反，aPLI的PCL延伸量大于ACL延伸量，而Flex-PLI/UBM的PCL延伸量小于ACL延伸量。脛骨彎矩上，最大值為375.0N·m，同樣在Tibia-1位置，出現(xiàn)時(shí)刻約為碰撞后30ms。高速攝像截取畫面中亦可以觀察到，aPLI腿型沖擊器在20ms至40ms時(shí)間段內(nèi)嚴(yán)重變形，約60ms時(shí)接近恢復(fù)至平直狀態(tài)。

五、L6位置試驗(yàn)結(jié)果分析

上一章節(jié)在車輛中央位置進(jìn)行了三種腿型沖擊器的試驗(yàn)，并進(jìn)行了對(duì)比。而在實(shí)際試驗(yàn)中，車輛邊緣位置由于結(jié)構(gòu)不同于車輛中央位置，并且伴隨著造型上與沖擊方向存在角度，導(dǎo)致腿型沖擊器運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、傷害值大小上與中央位置的結(jié)果不同。因此在分析腿型沖擊器在碰撞過程中生物力學(xué)響應(yīng)時(shí)，是必須考慮到的情況。

該車型試驗(yàn)中，最邊緣的位置為L(zhǎng)+6與L-6位置，因?yàn)檐囕v左右結(jié)果對(duì)稱，出于節(jié)約樣件數(shù)量的考慮，aPLI進(jìn)行了L-6位置試驗(yàn)，F(xiàn)lex-PLI和Flex-PLI/UBM進(jìn)行了L+6位置的試驗(yàn)。

圖4 L6點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

Flex-PLI在L6位置股骨彎矩最大值為157.6N·m，出現(xiàn)在Femur-2位置，時(shí)刻約為18ms;MCL、PCL、ACL最大值分別為4.2mm、3.7mm、4.4mm，但是各自最大值時(shí)刻并不相同;脛骨彎矩最大值在Tibia-2位置，為155.5N·m，時(shí)刻約為10ms。對(duì)比L0位置可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)lex-PLI試驗(yàn)邊緣位置的股骨彎矩、韌帶延伸量和脛骨彎矩均小于車輛中央位置，最大值出現(xiàn)時(shí)刻也更提前，高速攝像截取畫面也能觀察到這種情況，F(xiàn)lex-PLI接觸L6位置車輛前部后，輕微變形，伴隨著車輛外形有Z軸方向上的旋轉(zhuǎn)，并迅速劃過碰撞發(fā)生區(qū)域。

圖5 L6點(diǎn)高速攝像截圖

Flex-PLI/UBM在L6位置試驗(yàn)的股骨最大彎矩出現(xiàn)在Femur-3位置，大小為379.2N·m，出現(xiàn)時(shí)刻約為23ms;韌帶延伸量最大值統(tǒng)一出現(xiàn)在約48ms;MCL、PCL、ACL最大值分別為19.3mm、7.3mm、5.7mm;脛骨彎矩出現(xiàn)兩次明顯的波峰，結(jié)合高速攝像可以發(fā)現(xiàn)在碰撞過程中，腿型沖擊器沿Z軸仍有輕微自轉(zhuǎn)，導(dǎo)致脛骨彎矩出現(xiàn)2次波峰。其中第一個(gè)峰時(shí)間跨度較窄，而第二個(gè)峰歷時(shí)較長(zhǎng)，最大值在第二個(gè)峰的Tibia-1位置，為185.8N·m。對(duì)比Flex-PLI，F(xiàn)lex-PLI/UBM傷害值均有增加，且沖擊器與車輛接觸碰撞時(shí)間變長(zhǎng)，沖擊器自身旋轉(zhuǎn)減輕。

aPLI的L6位置試驗(yàn)中， 股骨彎矩最大值依然出現(xiàn)在Femur-3，約19ms時(shí)刻，大小為432.5N·m;MCL、PCL、ACL在約40ms達(dá)到各自最大值，分別為23.6mm、9.5mm、3.8mm;脛骨彎矩同樣存在兩個(gè)波峰，但是第二個(gè)波峰明顯高于第一個(gè)波峰且波峰時(shí)間跨度接近，最大值在Tibia-1位置，約35ms時(shí)達(dá)到244.3N·m。高速攝像畫面中可以看到，在20ms至40ms間整個(gè)腿型沖擊器嚴(yán)重變形，但是自轉(zhuǎn)并不明顯。

六、小結(jié)

本文設(shè)計(jì)試驗(yàn)在同一款SUV中進(jìn)行了車輛中央位置與車輛邊緣位置兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)位的行人腿型沖擊試驗(yàn)，使用Flex-PLI、Flex-PLI/UBM和aPLI三種腿型沖擊器，對(duì)2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)位分別進(jìn)行了試驗(yàn)。采集腿型沖擊器在碰撞過程中各傳感器通道的損傷指標(biāo)，研究三種腿型沖擊器傷害指標(biāo)的時(shí)間歷程曲線，并使用高速攝像輔助觀察腿型沖擊器運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與形變情況，對(duì)這三種腿型沖擊器碰撞生物力學(xué)響應(yīng)情況進(jìn)行對(duì)比分析。

對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)lex-PLI由于缺少人體上肢質(zhì)量導(dǎo)致股骨損傷情況與實(shí)際情況存在一定差異，股骨變形程度小、彎矩小，并且整個(gè)腿型沖擊器的彎曲變形的持續(xù)時(shí)間較短。此外，在車輛邊緣點(diǎn)位的試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)Flex-PLI沿自身Z軸方向有自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這也是邊緣點(diǎn)位傷害值偏小的一部分原因。

F lex -PLI/UBM是在F lex -PLI上部增加了上體質(zhì)量塊（UBM）。在增加該質(zhì)量塊后，腿型沖擊器在UBM的影響下，股骨彎曲變形情況加劇，比Flex-PLI更接近真實(shí)情況。試驗(yàn)結(jié)果顯示，股骨彎矩和韌帶延伸量均大幅度高于Flex-PLI的結(jié)果，脛骨彎矩有一定程度增加。同時(shí)，高速攝像觀察到碰撞中Flex-PLI/UBM腿型整體變形嚴(yán)重，彎曲變形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，但是在邊緣點(diǎn)位試驗(yàn)中仍有輕微的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生。

APLI是一種全新的腿型沖擊器，外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)均不同于Flex-PLI或Flex-PLI/UBM。對(duì)aPLI的試驗(yàn)結(jié)果分析可看出，aPLI的股骨損傷情況同樣比較嚴(yán)重，股骨變形程度很大，彎矩?cái)?shù)值較大，膝蓋韌帶也因整體變形嚴(yán)重而被嚴(yán)重拉長(zhǎng)，腿型整體變形嚴(yán)重且變形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。在aPLI沖擊車輛邊緣目標(biāo)點(diǎn)試驗(yàn)中，腿型在Z軸方向上的自轉(zhuǎn)并不明顯。