行人安全測試現行腿型沖擊器的生物逼真度

龍永程，郝海舟，李 凡，費 敬

（1. 汽車振動噪聲和安全技術國家重點實驗室，重慶401122，中國；2. 中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶401122，中國；3. 湖南大學，長沙410082，中國）

根據2018年公安部道路交通事故統計年報，行人在全年所有事故中的死亡人數占比達到高達27%[1]。在汽車碰撞事故中，相比車內乘員，行人沒有任何保護裝置，因而是更易受傷害的道路交通使用者。目前，針對汽車碰撞事故中的行人保護問題，許多國家相繼出臺了行人安全法規，要求汽車廠商設計行人友好的汽車前端結構。

全球主流的行人碰撞測評規程（被動安全）均采用子系統沖擊器（頭型與腿型）來模擬行人主要部位的損傷情況。在腿型沖擊器方面，2003年歐洲汽車安全委員會（European Experimental Vehicles Committee, EEVC）率先推出剛性腿型并在歐盟EC法規中實施[2]；2014年歐洲新車評價規程（European New Car Assessment Programme，Euro NCAP）中引入了柔性腿型沖擊器（flex legform impactor, Flex-PLI），2015年歐洲經濟委員會（Economic Commission for Europe），ECE R127法規中也采用了柔性腿型；但是由于柔性腿型缺乏人體上身質量導致其大腿彎矩與人體存在差異，2015年歐洲新車評價規程（Euro NCAP）在8.0版本中提出了用剛性腿(transport research laboratory，TRL)進行大腿測試的新方法。Takahiro等人[4-8]在柔性腿的基礎上對質量分布、長骨形狀、韌帶布置、髖關節、踝關節、股骨彎曲剛度等6個方面進行了改進，研發了新一代先進腿型沖擊器（advanced pedestrian legform impactor, aPLI），被認為更符合人體下肢的生物力學特性。中國新車評價規程（China-New Car Assessment Program，C-NCAP）2021版引入了新一代先進腿型[9]，將于2022年進行行人保護腿型測評。

盡管目前國內已經開始經歷過上述3代腿型，但對于腿型的生物逼真度并未有深入探討。在aPLI腿型開發時均是基于車輛前部簡化模型與人體進行研究對比，簡化模型與實際車輛前端結構存在一定差異性，aPLI腿型是否能夠替代Flex-PLI和TRL腿型也未見報導。

本文針對這些問題，結合當前的測評規程中腿型沖擊器測評方法，在轎車和運動型多功能車(sports utility vehicle, SUV)車型上與人體模型進行對比研究，為行人下肢的腿型測評方法提供參考。

1 現行腿型沖擊器測評方法

ECE R127法規根據保險杠下部參考線的離地高度選用Flex-PLI腿型或TRL腿型水平沖擊保險杠，保險杠下部參考線的離地高度小于425 mm選擇Flex-PLI，高度大于500 mm選擇TRL腿型，離地高度在425 mm到500 mm之間可選擇Flex-PLI或TRL腿型。Flex-PLI底端距離地面75 mm，以40 km/h的速度水平沖擊車輛前部，其小腿設置4個彎矩傳感器測量脛骨彎矩（Tibia-1,2,3,4）取最大值評價，膝關節設置3個韌帶傳感器：內側副韌帶(medial collateral ligament，MCL)，前交叉韌帶 (anterior cruciate ligament，ACL)和 后 交 叉 韌 帶 (posterior cruciate ligament，PCL)。TRL腿型的沖擊位置為保險杠上部和下部基準線的中間位置，水平沖擊保險杠。TRL腿型在中部設置3個彎矩傳感器測量股骨彎矩（Femur-1,2,3）取最大值評價，兩端設置力傳感器取合力進行評價。歐洲新車測評規程（Euro NCAP）和中國保險汽車安全指數(China Insurance Automotive Safety Index，C-IASI）在Flex-PLI的基礎上增加了TRL腿型沖擊包絡線（wrap around distance，WAD）775 mm的位置，碰撞方向與WAD 930和保險杠內部基準線（internal bumper reference line，IBRL）的連線垂直，碰撞速度根據碰撞角度計算。

C-NCAP 2021版采用aPLI腿型進行測試，aPLI腿型離地高度為25 mm，以40 km/h的速度水平撞擊車輛前部。其小腿設置4個彎矩傳感器取最大值評價，大腿設置3個彎矩傳感器取最大值進行評價，膝關節取MCL進行評價。各腿型沖擊器的傳感器設置如圖2所示。

圖2 腿型沖擊器傳感器設置

各評價規程所用腿型沖擊器的評價限值如表1-3所示。

表1 TRL腿型沖擊WAD775的評價限值

表3 TRL水平沖擊和柔性腿腿型的評價限值

2 現行腿型沖擊器生物逼真度研究

2.1 生物逼真度評價方法

腿型生物逼真度的評價，需比較相同碰撞條件下腿型動力學響應與真實人體動力學響應的差異。由于倫理等問題，真實人體實驗難于開展，故本文采用人體模型碰撞仿真來代替人體實驗。人體有限元模型采用豐田開發THUMS 4.0版本50百分位行人模型，該模型包含完整的人體下肢解剖學結構,模型各部位與尸體試驗進行對標驗證，具有較高生物逼真度[10-12]。生物逼真度對比的輸入條件為：車輛以40 km/h的速度撞擊THUMS右腿或腿型沖擊器以同樣速度撞擊車輛前端，碰撞位置相同。本文所選車型的保險杠下部參考線的離地高度均小于425 mm，故不考慮TRL腿型水平沖擊保險杠的工況。

各腿型沖擊器按圖1中測評規程規定的位置以40 km/h的速度撞擊車輛中心線位置，按表2的規定輸出各沖擊器的損傷參數。本文所用Flex-PLI有限元模型為首美公司開發的1.0.2版本商業化模型，aPLI有限元模型為ATD公司開發的2.0.6版商業化模型，模型均經過了對標驗證。

圖1 各測評規程中所用腿型沖擊器示意

表2 aPLI腿型沖擊器的評價限值

車輛以40 km/h的速度撞擊人體右腿，右腿垂直站立在地面上，鞋底厚度為25 mm。為了減小在碰撞過程中兩腿接觸的影響，左腿向前抬起與右腿呈20°夾角，如圖3所示。這種步態被認為是與車輛初次碰撞一側下肢最嚴格的負荷條件，日本、歐洲和聯合國使用的行人下肢保護法規中也假設了同樣的負荷條件[6,8,11]。

圖3 人體站姿調整

根據圖2中aPLI腿型彎矩傳感器到膝關節中心的位置在THUMS模型上的下肢建立相應的傳感器，如圖4所示。THUMS中MCL以體單元建模，在體單元上附加一圈彈簧單元測量MCL的拉伸量[10]。由于沖擊器模型中未設定失效參數，為了進行對比在仿真中關閉所有失效設置。

圖4 THUMS模型中下肢傳感器設置

2.2 動力學響應分析

圖5 為THUMS、aPLI和Flex-PLI模型在轎車和SUV車型上動力學響應情況。轎車車型中，在碰撞初始時刻車輛前保險杠首先與膝關節和小腿接觸，隨后大腿中部接觸到發罩前緣，人體發生繞轉骨盆接觸到發罩上部。在整個碰撞過程中，人體小腿始終與保險杠下部接觸。在20 ms后，腳底離開地面，腳掌繞踝關節發生旋轉。在0～20 ms內，兩種腿型沖擊器的姿態基本與人體相近。在30 ms后兩種腿型下部發生反彈，腿型姿態與人體模型差異較大。

圖5 3種模型、2種車型的碰撞過程

SUV車型中，在碰撞初始時刻車輛前保險杠首先下肢接觸，隨后骨盆接觸到發罩前緣。在整個碰撞過程中，人體小腿始終與保險杠下部接觸。在20 ms后，腳底離開地面，腳掌繞踝關節發生旋轉。在0～30 ms內，aPLI腿型的姿態與人體一致。在30 ms后aPLI腿型下部發生反彈，而人體小腿未發生反彈，腿型姿態與人體模型產生差異。而Flex-PLI由于缺乏上部質量，導致大腿過早反彈，與人體產生明顯差異。

綜上所述，在動力學響應方面，aPLI模型與人體更為接近，但仍需進一步解決小腿反彈的問題。

2.3 損傷響應分析

輸出各沖擊器傳感器與人體模型下肢對應各部位的損傷值進行對比，同時比較發罩前緣處的變形情況。

2.3.1 脛骨彎矩

圖6 為沖擊器和THUMS模型在轎車和SUV車型上小腿的4個彎矩Mt對比。在2種車型上aPLI腿型的小腿彎矩均大于人體模型，在轎車車型脛骨最大彎矩與THUMS模型差異為49%，在SUV車型上差異為23%，脛骨彎矩在轎車上的差異性更大。

圖6 小腿彎矩對比

脛骨彎矩產生差異的主要原因有2個方面：第一是由于腿型沖擊器和THUMS模型的膝關節中心高度存在差異，THUMS模型的膝關節高度更低；第二是腿型沖擊器和THUMS模型在膝關節處的剛度存在差異。圖7為25 ms時，在 轎車中THUMS、aPLI和Flex-PLI的變形情況對比。從圖中可以看到THUMS模型中金屬吸能件變形較小。THUMS模型在膝關節處的剛度相對于沖擊器偏小，導致膝關節的彎曲角度和剪切位移偏大，小腿上部彎矩偏小。

圖7 轎車25 ms時變形對比

2.3.2 股骨彎矩

圖8 為沖擊器和THUMS模型在轎車和SUV車型上大腿的3個彎矩Mf對比。在2個車型上，Flex-PLI的大腿彎矩均比人體模型的小，并且最大差異達到200 Nm，其主要原因是上體質量的影響。TRL腿型最大股骨彎矩在轎車車型上與THUMS模型差異為8.6%，在SUV上差異為22%，在SUV車型上差異更大。差異性產生的原因主要是TRL腿型沒有小腿和上體質量，而在轎車上發動機罩在大腿上的支撐點位置更靠下，小腿質量產生的慣性力矩相對要小。而在SUV上發動罩的支撐點位置更靠上，導致小腿質量產生的慣性力矩更大，所以相對來說TRL腿型的大腿彎矩在SUV車型上與THUMS的股骨彎矩的差異性偏大。

圖8 大腿彎矩對比

aPLI腿型大腿彎矩的最大值在轎車和SUV上與THUMS差異分別2.4%和5.2%，相比于TRL腿型與THUMS模型更為一致，因此在大腿彎矩的評估中用aPLI腿型的生物逼真度最好。

2.3.3 膝關節

圖9 為2種腿型沖擊器和THUMS模型MCL拉伸量的對比。MCL與膝關節彎曲角度密切相關，可近似用膝關節彎曲角度進行評估[13-14]，如圖10定義腿型在車輛縱向垂直平面內順時針旋轉為正、逆時針旋轉為負，大、小腿旋轉角度差值即為膝關節的彎曲角度θ。

圖10 腿型旋轉角度定義

圖11 為在轎車和SUV車型上，沖擊器和THUMS模型小腿和大腿部位旋轉角度的對比。

結合圖9和圖11可知，在該轎車車型上，25 ms前aPLI和Flex-PLI差異性不大，25 ms后由于Flex-PLI大腿反彈導致MCL迅速減小，而兩種沖擊器的小腿部分均反彈較早導致MCL與THUMS模型偏小。在SUV車型上，Flex-PLI由于缺乏腳踝部分導致小腿的旋轉角度較小，并且缺乏上部質量導致大腿部分反彈過早，所以Flex-PLI的MCL較小。aPLI在30 ms之前與人體的MCL基本相同，在30 ms之后由于大腿發生反彈，導致MCL迅速降低。

圖9 MCL對比

圖11 旋轉角度對比

總體來看，aPLI腿型的MCL響應更接近與THUMS模型，生物逼真度更高。

2.3.4 骨盆

根據Snedeker等人[11]的研究結果，發罩前緣是造成人體骨盆骨折的主要原因。在TRL腿型中的評價指標中，彎矩跟股骨骨折密切相關，合力跟骨盆骨折密切相關[12]。圖12為各腿型在發動機罩前緣處最大變形量對比，在轎車車型中4種腿型的最大變形基本都達到鎖銷位置，而在SUV車型上aPLI腿型的最大變形達到了鎖銷位置，與THUMS模型差異性較大。

圖12 前緣最大侵入量對比

圖13 為TRL腿型合力對比，其中在SUV車型的合力為6.2 kN，超過了TRL腿型評價區間（5～6 kN），預測骨盆有很大的損傷風險。

圖13 TRL腿型合力對比

如圖14所示：在碰撞過程中，THUMS模型中髖臼處的塑性應變ε達到10%，超過THUMS模型骨盆骨折預測應變1%[13]，即髖骨存在很大骨折風險。THUMS骨盆損傷的主要原因為SUV發罩前緣直接撞擊股骨上段，股骨頭接觸髖臼窩，造成髖骨骨折（見圖15）。由此可知：在SUV車型上，aPLI腿型對發動機罩前緣對人體骨盆造成的損傷評估不全面。

圖14 SUV車型中髖骨塑性應變

圖15 SUV車型撞擊到骨盆位置

3 結 論

通過對比腿型沖擊器和THUMS模型在轎車和SUV上動力學響應和損傷響應可知，aPLI腿型的動力學響應與THUMS模型更為一致，Flex-PLI由于缺乏下部腳踝結構以及上部質量塊導致小腿和大腿過早地出現反彈。

在損傷響應方面，aPLI和Flex-PLI腿型的脛骨彎矩和MCL均與THUMS模型存在差異，主要原因是膝關節的高度差以及剛度的差異造成的，但是aPLI腿型與THUMS更為接近生物逼真度更好。aPLI腿型的大腿彎矩相比于TRL腿型與THUMS更為一致。通過仿真發現aPLI腿型對SUV發動機罩前緣對骨盆處產生的損傷評估不全面，所以在aPLI腿型測試時，保留TRL上腿型的骨盆評價對行人的損傷評估更為全面。