基于Euro NCAP典型工況的兒童行人下肢損傷評估方法研究*

李海巖，李 琨，黃永強，賀麗娟，崔世海，呂文樂，阮世捷

（天津科技大學，現代汽車安全技術國際聯合研究中心，天津 300222）

前言

道路交通傷害是所有年齡組死亡的第8 大原因，是5～29 歲兒童和年輕人的首要死亡原因。行人在交通事故中通常被汽車前部結構所撞。根據Reith 等研究顯示，行人道路交通損傷中最容易出現AIS2+的區域位于行人下肢。

由于倫理學的約束，兒童尸體試驗方法開展的損傷機理研究進展較為緩慢，應用計算模型的仿真得到了快速發展。在汽車評價規程中，Euro NCAP在最新版行人測試協議中引入了兒童頭形沖擊器的沖擊試驗，但在Euro NCAP 技術協議和ECE R127 法規中卻僅對成人下肢沖擊器外形和損傷閾值進行規定，而在兒童行人下肢沖擊器的結構和下肢損傷閾值并未明確規定。聶冰冰等分析了汽車前部結構造型因素對行人髖部碰撞的影響，提出了以降低碰撞能量輸入為目標的車型外輪廓設計方法，并建立了髖部沖擊器與某車型發動機罩前緣碰撞模型。王丙雨等研究發現，碰撞速度和行人年齡是影響行人下肢嚴重損傷的顯著性因素。張冠軍等通過提取77款SUV 車型特征參數，研究了SUV 車型對行人下肢損傷的影響，并為SUV 前端造型設計提供參考。胡林等根據中國交通事故深入研究（China in-depth accident study，CIDAS）數據庫的真實行人事故案例對事故進行重建，結果顯示年輕組和老年組損傷風險存在差異。曲志冬等在研究行人年齡和汽車前端結構對下肢損傷的影響時發現不同年齡會造成關節損傷的顯著差異；汽車前端結構影響行人下肢損傷的部位，且較小的離地間隙和較寬的前端結構造成的下肢損傷較小。李海巖等通過構建具有真實人體結構的6 歲兒童有限元模型并與某一車型進行碰撞仿真，發現不同碰撞方位對于兒童下肢損傷有較大影響。

現階段的仿真主要集中在成年行人下肢損傷研究中，兒童尸體試驗的禁令使兒童尸體試驗的測試研究不可能實現，且考慮到現如今市場中汽車類型更加多元化，因此非常有必要通過具有詳細解剖學結構的高生物仿真度兒童行人有限元模型，研究不同類型汽車前端結構對兒童行人損傷的差異。本文中應用現代汽車安全技術國際聯合研究中心開發的符合Euro NCAP TB024要求的6 歲兒童行人有限元模型與Euro NCAP 所提供的4 種不同車型進行碰撞仿真，對兒童在4 種典型工況下遭受碰撞時的下肢損傷進行深入分析，為兒童行人下肢損傷保護與評價提供參考數據，為汽車前端造型設計和行人保護裝置的研發提供依據。

1 仿真模型與條件設置

本研究以現代汽車安全技術國際聯合研究中心開發的6 歲兒童行人站姿有限元模型為基礎，該模型具有詳細的解剖學結構，并進行了有效性驗證。通過調整兒童關節角度，該模型經過驗證符合Euro NCAP TB024要求，如圖1所示。該模型包含1 092 366個節點和1 576 733個單元，兒童身高1 098 mm，體質量26.8 kg，其中下肢全長567 mm。

圖1 6歲兒童行人走姿有限元模型

Euro NCAP 通過對歐洲市場的每種車輛類別參數求取中值，從而得到4 種具有代表性的不同車輛類別的中值車輛形狀，分別為家庭轎車（FCR）、多用途車（MPV）、跑車（RDS）和運動型多用途車（SUV），在行人保護規程中提出了4 種汽車前端結構的有限元模型。表1為4種不同車型的前端結構參數，在4 種車型中，RDS 車型擾流板的離地間隙最小，為193.2 mm；MPV車型的保險杠寬度最大，為104.9 mm；而SUV車型的機蓋前緣離地高度最大，為904.1 mm；從行人與汽車的接觸長度來看，SUV 車型的接觸長度最大，為615 mm。

表1 汽車前端結構參數

參照Euro NCAP 兒童行人保護相關技術報告要求和Klug 等所開發的一種客觀比較人體運動學的程序，在ESI 集團開發的有限元軟件PAMCRASH8.0 中進行6 歲兒童行人-汽車碰撞仿真，如圖2 所示。4 種不同車型以40 km/h 車速對6 歲兒童行人有限元模型進行碰撞，行人模型的右側被定義為撞擊側，行人模型的頭部質心在車輛的縱向對稱面中。車輛與行人模型外表面的摩擦因數設置為0.3，腳與地面的摩擦因數為0.58。整個仿真過程均在重力場下進行，仿真時間設為100 ms。在仿真控制方面，初始時間步長設置為1×10ms，輸出結果之間的時間間隔設為0.1 ms。行人模型應盡可能靠近汽車。

圖2 人-車碰撞示意圖

2 仿真結果

圖3為6歲兒童行人與4種不同車型碰撞100 ms內的運動姿態。在撞擊開始時，由于保險杠高度的原因，FCR、MPV 和RDS 車型碰撞中保險杠首先撞擊到兒童右側股骨位置，而SUV 車型由于前端保險杠較高，首先撞擊到兒童髖部位置；隨著碰撞的持續進行，兒童上肢開始倒向汽車的機蓋，當肩部撞擊到汽車機蓋后，頭部相對肩部旋轉并撞擊到機蓋。

圖3 40 km/h碰撞速度下行人運動學響應

2.1 股骨應力分布

圖4 為4 種不同車型碰撞仿真兒童股骨最大von Mises 應力分布云圖。由圖可見，4 組仿真最大von Mises 應力均集中在撞擊側股骨大轉子附近，其中RDS 車型碰撞所造成的von Mises 應力最大，為114.0 MPa，達到了本試驗中6 歲兒童下肢股骨損傷閾值114.0 MPa，因此造成了股骨單元失效，且通過云圖可以發現達到失效應力的面積比其他3 組大，因而在該位置造成骨折。其余3 組碰撞最大von Mises 應力分別為FCR 113.6 MPa，MPV 113.9 MPa，SUV 91.8 MPa，均未達到單元失效應力，3 組仿真股骨均未發生骨折現象。

圖4 下肢股骨von Mises應力分布云圖

2.2 脛骨和腓骨應力分布

圖5 為4 組仿真中兒童行人下肢脛骨和腓骨最大von Mises 應力分布云圖。其中MPV 和SUV 仿真脛骨von Mises 應力相對較大，其應力集中位置均出現在撞擊側脛骨頭處，數值分別為80.3和79.9 MPa，FCR 仿真最大von Mises 應力集中位置出現在撞擊側脛骨頭下方，數值為69.4 MPa，與其他3 組仿真不同的是，在RDS 仿真中，下肢脛、腓骨最大von Mises 應力出現在撞擊側腓骨中部位置，其數值是4組中最小的，為66.9 MPa。4 組仿真中下肢脛骨和腓骨均未超過損傷閾值98.2 MPa，未出現骨折現象。

圖5 下肢脛骨和腓骨von Mises應力分布云圖

2.3 膝關節韌帶損傷

韌帶損傷是一種較常見的膝關節損傷，仿真結果如表2 和圖6 所示。由表2 和圖6 可見，RDS 車型碰撞仿真中兒童行人下肢膝關節韌帶損傷最輕，僅在對撞側膝關節MCL、LCL 和ACL 出現斷裂，其余3 組仿真中對撞側膝關節MCL、LCL、PCL、ACL 和撞擊側MCL 均發生斷裂，且發現FCR、MPV 和SUV 仿真中膝關節韌帶斷裂順序完全一致。

圖6 膝關節韌帶損傷情況

表2 膝關節韌帶損傷

2.4 下肢長骨彎矩

彎矩通常被用來評價人體下肢長骨損傷情況，在最新版的Euro NCAP 行人測試協議中，對于成人柔性腿型沖擊器的股骨和脛骨最大彎矩規定為400 N·m。參照Euro NCAP 成人下肢沖擊試驗中腿型沖擊器，可以發現沖擊器的股骨和脛骨分別被進行了八等分和十等分。本文中，由于兒童下肢與成人有明顯區別，故參照Euro NCAP 中所規定的計算截面彎矩位置對6 歲兒童行人股骨和脛骨進行劃分，對應找到提取彎矩的截面位置，如圖7 所示。在6 歲兒童行人下肢共7 個位置處提取了股骨和脛骨彎矩，仿真結果如表3 所示。由表3 可見，在4 組仿真中，脛骨4 個位置處的截面彎矩由近端到遠端逐漸減小，每個位置處MPV 車型仿真的脛骨彎矩均為4組中最大，為87.3 N·m，而RDS車型仿真中脛骨彎矩為4 組中最小，為41.7 N·m。在股骨彎矩方面，4 組仿真股骨截面彎矩均由股骨遠端向股骨近端逐漸增大，其中RDS 車型在股骨近端位置彎矩為4 組中最大，為124.4 N·m，而SUV 車型在3 個位置處的股骨彎矩均為4組仿真中最小，為76.4 N·m。

表3 下肢股骨和脛骨彎矩

圖7 下肢長骨彎矩測量點示意圖

2.5 膝關節彎曲角度

由仿真結果可以發現，在膝關節韌帶損傷方面，RDS 車型對兒童行人膝關節韌帶損傷程度最小，僅對撞側膝關節MCL、LCL和ACL發生斷裂，為此對這一現象進一步分析，提取了4 組仿真下肢膝關節最大彎曲角度，如表4所示。

由表4 可見，RDS 車型仿真的膝關節彎曲角度最小，而MPV 車型仿真中膝關節彎曲角度最大。根據運動學圖像可以發現，RDS 車型由于離地間隙較小，在碰撞過程中兒童下肢更少卷入擾流板下，因此膝關節彎曲角度較小，韌帶損傷程度相對較低；SUV車型離地間隙最大，但由于保險杠撞擊股骨位置較高，在碰撞過程中下肢相對于髖部整體發生轉動，故膝關節并未出現很大的彎曲角度。

表4 膝關節彎曲角度（°）

3 分析討論

4 組碰撞仿真中，RDS 車型撞擊側股骨最大von Mises應力及其分布面積最大，且由于股骨應力超過損傷閾值，最終造成股骨大轉子位置出現骨折。通過提取股骨3 個位置的截面彎矩可以發現，RDS 車型仿真在股骨近端的截面彎矩是4 組中最大的，這也從力學角度說明了撞擊側股骨骨折現象的產生。通過對RDS 車型前端參數進行分析，發現保險杠上緣距地面502.5 mm，下緣距地面360.1 mm，保險杠撞擊到行人股骨中下部；由于撞擊位置較低，而人體上肢和髖部因慣性的作用倒向汽車，造成了撞擊側股骨大轉子位置處的彎矩和應力集中較大，進而在該位置出現骨折現象。通過數據發現，其他3 組車型的保險杠位置較高，且機蓋前緣高度也均要高于RDS車型，對兒童上肢和髖部起到了約束作用，避免了撞擊側股骨骨折的發生。

根據Euro NCAP行人測試協議，在上腿型碰撞試驗中股骨在3個位置處的彎矩不能超過400 N·m，不過這只是針對成人腿型測試所設置的限值。本文中，應用經過驗證的6 歲兒童行人走姿有限元模型進行碰撞仿真，RDS 車型使兒童行人撞擊側股骨出現骨折，位置在股骨大轉子處，骨折位置最大von Mises 應力為114 MPa，骨折時股骨截面最大彎矩為124.4 N·m。該數值對于后續不同工況下的研究具有重要意義。

4 結論

在現階段車身設計中，不同車型的前端結構辨識度越來越高，但應該注意到前端結構的設計對于碰撞過程中的行人保護非常重要。研究發現，RDS車型的保險杠位置對于6 歲兒童行人的下肢損傷最為嚴重，MPV 和SUV 車型由于擾流板離地間隙較大，對于下肢脛骨、腓骨和膝關節韌帶的損傷更為嚴重。本研究面向兒童行人保護為汽車前端結構的設計提供了基礎數據。研究發現兒童下肢股骨和頸骨彎矩可以反映出其von Mises 應力的變化，進而可推測出下肢長骨損傷情況，很好地為兒童腿型沖擊器研發與數字測評技術方法提供參考。