行人-車輛碰撞中六歲兒童下肢損傷分析及預測 *

李海巖，黃盛一，李 琨，崔世海，賀麗娟，呂文樂

（1. 天津科技大學機械工程學院， 天津 300222； 2. 現代汽車安全技術國際聯合研究中心，天津 300222）

前言

行人作為弱勢道路使用者（valuable road user，VRU）在按全球道路使用者類型分布統計的死亡人數中占到22%［1］。Untaroiu 等［2］發現所有AIS2 +損傷中下肢損傷占比最高，達到32.6%。行人在交通事故中通常被汽車前部結構所撞［3］。統計表明，下肢受傷的主要原因是發動機罩邊緣和保險杠直接接觸產生的沖擊力，且近95%的行人意外交通事故發生在撞擊速度低于60 km/h［4］。在我國機動車和非機動車混行的交通模式下，行人頭頸部和下肢的損傷占事故總數的70%以上［5］。Wang等［6］通過對數據庫中選取的樣本進行方差檢驗和邏輯回歸分析，發現撞擊速度、下保險杠高度和發動機蓋前緣高度越高，發生AIS 2+下肢損傷的可能性越大。張冠軍等［7］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。

對處于生長發育期的兒童行人來說，其社會經驗和交通意識不足，使其很難準確判斷所處環境，突然的道路危險行為難以讓駕駛員及時做出反應。有研究表明，處于4-6 歲和7-9 歲年齡段的兒童下肢損傷占據了最大比例的AIS3+損傷，分別為58%和48%［8］。雖然下肢損傷很少導致兒童死亡，但受傷康復期較長，甚至會造成永久性殘疾，給孩子的心理和家庭帶來巨大影響。

受到倫理學限制，兒童尸體實驗很難開展，研究人員通過建立數字模型對兒童下肢碰撞損傷機理進行了一些研究。近20 年來，Liu 等［9］和Okamoto 等［10］應用所開發的六歲兒童有限元模型開展了下肢損傷仿真分析。Yao 等［11］通過縮放一個已被驗證的成人多體模型得到一個七歲的兒童行人多體模型，并開展研究工作。近年來，Meng 等［12］通過縮放變形技術開發了六歲兒童行人有限元模型GHBMC 6Y0-PS。應用人體數字模型研究人員對影響損傷的因素進行相關研究，如發現年齡差異會造成顯著的關節損傷差異［13］，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［14-15］。Ivarsson 等［16］結合了成人結構特性、損傷標準的比例和兒童尸體材料的試驗結果，分別對下肢損傷標準進行評估，這些標準可良好地適用于六歲行人被橫向撞擊的模擬分析。應用具有詳細解剖學結構的六歲兒童行人人體損傷模型，黃永強［17］和李海巖等［18-19］提出碰撞角度、車輛前端離地高度等因素影響脛骨、腓骨和膝關節韌帶的損傷程度，且對撞側的膝關節彎曲角度、韌帶損傷和半月板損傷風險均明顯高于撞擊側。這些研究對兒童行人下肢損傷的某一影響因素進行了分析，然而兒童行人-車輛碰撞是一個復雜的場景，損傷程度受到很多因素影響，如何有效地設計汽車前端部結構，以減少兒童行人損傷風險，需要對兒童行人下肢損傷機理進行更加深入地分析。

本文中采用天津科技大學現代汽車安全技術國際聯合研究中心開發的六歲兒童行人損傷仿生模型（TUST IBMs 6YO-P）以及Euro NCAP 行人評價規程所列4 類通用車型的簡化模型，綜合探究碰撞速度和車輛前端部形狀對六歲兒童行人下肢交通損傷的影響，深入分析速度與前端形狀導致的損傷差異性，并通過非線性回歸建立下肢損傷預測模型，為行人保護裝置研發、安全法規制定、AEB作用效果評價和數字化測評提供科學依據。

1 方法

本研究采用Euro NCAP 行人模型認證技術公告［20］給出的具有代表性且經過驗證［21］的4 類車型汽車前端部簡化模型，其前端部特征如圖1所示。4種車型涵蓋家庭汽車（FCR）、跑車（RDS）、多用途汽車（MPV）和運動型多用途汽車（SUV）。表1 為4 種車型的前端結構參數。

表1 汽車前端結構參數mm

圖1 汽車前端部特征示意圖

仿真行人模型采用天津科技大學現代汽車安全技術國際聯合研究中心開發的具有高生物逼真度的六歲兒童行人損傷仿生模型（TUST IBMs 6YOP）［17］，如圖2 所示。該模型具有詳細的解剖學結構特征，且參照歐洲新車評價規程（Euro NCAP）頒布的行人人體模型認證技術公告TB024 進行對標驗證［22］。模型身高113.5 cm，體質量24.8 kg，節點數105.8萬個，單元數155.9萬個。

仿真設置行人右側為撞擊側，頭部質心設置在車輛縱向中心線上。車輛與行人模型外表面的摩擦因數設置為0.3［20］，腳與地面的摩擦因數為0.58［23］，仿真過程在重力場g下進行。仿真運行時長設置為100 ms，時間步長設置為1×10-4ms，輸出的時間間隔設置為0.1 ms。參考通常機動車和非機動車混行道路限速范圍，碰撞速度區間定為25～60 km/h，每組相差5 km/h，共32組，初始狀態如圖3所示。

圖3 碰撞初始狀態

2 結果

2.1 下肢長骨受力

32組仿真中下肢最大接觸力如圖4所示。行人下肢最大接觸力隨碰撞速度的增加而增加。同速度下，SUV 造成的下肢接觸力最大，其次為MPV、FCR，RDS最小。

圖4 下肢最大接觸力隨碰撞速度的變化曲線

32 組仿真中撞擊側下肢長骨最大von Mises 應力云圖如附錄1 所示。根據文獻，股骨的損傷閾值為114 MPa［24］，4 類車型與六歲兒童行人碰撞的最大von Mises應力均位于撞擊側股骨大轉子附近。隨著碰撞速度提高，撞擊側大轉子附近有骨折的風險，而對撞側較為安全。RDS 車型在30 km/h 的碰撞速度下就會有股骨骨折風險，而MPV、SUV 則在45 km/h及以上時FCR則為50 km/h。

同樣地，如附錄1 所示脛骨和腓骨最大von Mises 應力也均出現在撞擊側，且多數情況下脛骨受力大于腓骨。參照脛骨和腓骨的損傷閾值98.2 MPa［25］，可發現FCR、MPV、SUV 車型均會造成脛、腓骨骨折風險。低速碰撞中行人最大應力均位于撞擊側脛骨近心端骨頭下方，隨著碰撞速度提高轉移到脛骨頭四周。盡管RDS 車型未有骨折風險，但應力最大值出現的位置有所不同，低于45 km/h的碰撞速度時脛腓骨的最大應力位于腓骨中部，碰撞速度達到50 km/h 后位于脛骨頭下端。同等車速下RDS 撞擊行人對脛骨腓骨造成的損傷最小，MPV、SUV造成損傷較大。

2.2 生長板應力

生長板是六歲兒童下肢的生理特征，其損傷將會影響兒童生長發育。32 組仿真中遠近端生長板隨碰撞速度變化如圖5 所示。碰撞速度低于30 km/h 時，六歲兒童下肢生長板應力最大處均位于對撞側股骨遠心端。FCR 在碰撞速度達到50 km/h 后生長板應力最大處位于撞擊側股骨近心端，60 km/h后位于撞擊側脛骨遠心端。RDS、SUV 分別在40、60 km/h 的速度后生長板最大應力位于撞擊側股骨近心端。MPV情況較復雜，在40、45、50 km/h的速度下生長板最大應力分別位于撞擊側脛骨遠心端、股骨近心端、股骨遠心端，50 km/h后位于股骨近心端。參考生長板損傷閾值［26］可知，MPV、RDS車型分別達到45、50 km/h速度時，會有兒童生長板損傷風險。

圖5 生長板最大von Mises應力隨碰撞速度的變化曲線

2.3 膝關節損傷評價

如圖6（a）所示，利用四點法［27］在股骨和脛骨上分別取 A、B、C、D 4 個點用整個碰撞模擬過程中的直線AB 和直線CD 在任意方向上的角度變化來代表膝關節彎曲角度變化。由圖6（b）和圖6（c）可見，膝關節彎曲角度隨著碰撞速度和前端部高度增加而增加，RDS 車型與六歲兒童行人碰撞在撞擊側和對撞側膝關節彎曲角度均最小，同一類車型，撞擊側膝關節彎曲角度小于對撞側。

圖6 兒童下肢膝關節彎曲角度隨碰撞速度的變化

圖7 為32 組仿真中行人膝關節韌帶損傷情況。隨著碰撞速度提高，韌帶損傷風險加劇，斷裂時刻提前，對撞側的韌帶斷裂數量多于撞擊側，對撞側外側副韌帶LCL 最易發生損傷，對撞側MCL 損傷時刻最早。4 類車型中，RDS 對行人膝關節韌帶造成的損傷最小，碰撞速度達到60 km/h 時對撞側有4 根韌帶斷裂，MPV 造成的損傷最嚴重，55 km/h 的碰撞速度下導致7 根韌帶斷裂。當碰撞速度高于45 km/h 時，對撞側膝關節韌帶在41 ms內全部發生斷裂。

圖7 碰撞速度和車型對韌帶斷裂的影響

2.4 下肢長骨彎矩

彎矩通常被用來評價下肢長骨損傷，在最新版C-NCAP 行人測試協議中，用柔性腿型沖擊器對行人下肢股骨和脛骨進行損傷測評。本研究參照柔性腿沖擊器提出六歲兒童行人下肢彎矩評價方法。由于兒童下肢與成人有著明顯區別，因此參照CNCAP 中所規定的計算截面彎矩位置等比例在六歲兒童行人下肢上建立7 個位置，測量股骨及脛骨彎矩，如圖8所示。

圖8 六歲兒童行人下肢截面彎矩示意圖

兒童行人下肢彎矩隨4 類車型和碰撞速度的變化關系如圖9 所示?？梢钥闯?，股骨彎矩均由股骨遠心端向股骨近心端增大，即F1T2>T3>T4，且各截面彎矩與碰撞速度呈現良好的正相關關系。

圖9 長骨截面彎矩與碰撞速度和車型的關系

3 討論與分析

研究采用的六歲兒童行人身高為113.5 cm，接近中國第50 百分位六歲女孩身高117.7 cm［28］。由于TUST IBMs 6YO-P 模型下肢長55.5 cm，4 類車型保險杠高度分別為：FCR， 546.0 mm；RDS， 502.5 mm；MPV， 587.1 mm；SUV，603.5 mm。因此，保險杠主要沖擊的位置靠近撞擊側股骨近心端，隨碰撞速度提高股骨骨折風險加劇，骨折風險區域位于股骨大轉子附近。而對撞側因撞擊側的緩沖作用并未有骨折風險。碰撞時行人右手臂與車輛接觸也對下肢受力起到緩沖作用，RDS前端部高度最低，前端部較平，直接撞擊部位與股骨大轉子等高，碰撞初始手部與車輛有接觸，但緩沖作用很小，大腿受力較高，股骨較FCR更易骨折。而MPV 與SUV 保險杠較高，直接撞擊部位與股骨大轉子等高，造成大轉子處直接骨折的風險。

人-車碰撞中，汽車擾流板首先撞擊行人小腿，下肢脛骨腓骨損傷主要是由擾流板造成。RDS擾流板離地高度最低，擾流板突出部位直接撞擊行人小腿中部，碰撞速度低于45 km/h 時，行人損傷在小腿腓骨中部，但隨著碰撞速度提高，脛骨頭附近在車前端持續的沖擊下受力增大，最大受力位置位于脛骨頭附近。另外3 類車型擾流板離地高度更大，擾流板撞擊位置更靠近小腿上部。因此，擾流板離地高度越大，小腿受力位置越靠近脛骨近心端，承受應力更高。

生長板是未成熟四肢長骨的生長區域，在兒童骨骼發育生長過程中起著關鍵作用，也是兒童骨骼最薄弱和最易骨折的部位，其損傷的影響往往會持續到成年以后。32 組仿真中，MPV 與RDS 車型在碰撞速度達到45 km/h 時兒童行人出現撞擊側股骨近心端處生長板應力超過閾值［26］。FCR 車型保險杠相對擾流板和進氣格柵較突出，主要撞擊大腿中下部，突出的保險杠第一撞擊位置并不與生長板平行，對生長板損傷影響較小。SUV 前端部較高，在撞擊的瞬間行人整體與前端相撞，受力均勻，生長板應力未超出損傷閾值。

行人交通事故中膝關節韌帶是最易受到損傷的部位，且較嚴重。仿真中發現，由于碰撞時保險杠凹陷，對撞側膝關節向碰撞反方向彎曲，MCL伸長過度造成斷裂。撞擊側MCL 和對撞側LCL 是由于行人雙腳離開地面導致雙腿向撞擊方向彎曲，過度伸長導致斷裂。兩側PCL和ACL都是由于隨著雙腿繼續朝撞擊側彎曲導致斷裂。而撞擊側LCL未發生斷裂主要是由于撞擊時對撞側膝關節并沒有向撞擊方向的反向彎曲。

仿真中測得，FCR、MPV、SUV 與兒童行人碰撞中撞擊側MCL 斷裂的最小膝關節彎曲角度為FCR在25 km/h 時的26.8°，而RDS 撞擊側MCL 始終未出現斷裂，其未斷裂的最大膝關節彎曲角度為60 km/h時的24.9°。因此，結合膝關節彎曲角度和韌帶斷裂損傷可以得出撞擊側MCL 的臨界彎曲角度為25.9±0.9°，采用相同的方法可得撞擊側ACL 為38.6±0.7°，撞擊側PCL為43.2±0.2°。

在車輛-行人碰撞的復雜工況中，行人下肢直接與車輛前端部接觸，因此汽車前端部結構形狀直接影響行人碰撞的運動學及下肢各部位的損傷。對32 組仿真數據綜合分析發現，碰撞速度與前端結構對膝關節彎曲角度和膝關節韌帶損傷有直接影響。研究采用非線性回歸方法分析撞擊側膝關節彎曲角度與碰撞速度和前保險杠高度的關系，對彎曲角度進行預測，判斷撞擊側韌帶的損傷風險。最終采用冪函數與線性函數復合形式得到預測函數表達式：

式中：xh為前保險杠高度；xv為碰撞速度。圖10顯示了三維預測模型圖，該模型P-Value 為3.19 × 10-27，相關系數為0.802，均方根誤差RMSE為3.82，展現出較高的擬合精準度。

圖10 膝關節彎曲角度預測模型

基于前文總結出撞擊側MCL 斷裂角度為25.9±0.9°，撞擊側ACL 為38.6±0.7°，撞擊側PCL 為43.2±0.2°。使用預測模型可以反推出各車型導致3種韌帶斷裂時的碰撞速度，將預測的韌帶斷裂速度區間與仿真中各車型的韌帶斷裂速度區間進行比較，以此來驗證該預測模型的準確性。預測結果與仿真結果對比如表2 所示。該預測模型精準度高達75%，擁有良好的預測精準度，能用來預測撞擊側膝關節彎曲角度，從而通過膝關節彎曲角度判斷六歲兒童行人與汽車碰撞時撞擊側膝關節韌帶的損傷風險。

表2 驗證結果

Ivarsson 等［8］通過靜動態轉換系數將尸體實驗靜態彎矩轉換到動態彎矩，得到六歲兒童股骨、脛骨動態斷裂彎矩閾值分別為73.3 和57.6 N·m。應用該損傷閾值分析224 個彎矩值，發現4 種車型均在25 km/h以上的碰撞速度會產生股骨骨折的風險，而脛骨只有RDS 在30 km/h 以上的碰撞速度會有骨折風險，其余均為25 km/h，這與應用von Mises 應力分析下肢長骨損傷存在差異。von Mises應力通過單元節點失效評價損傷，彎矩通過長骨截面動態斷裂彎矩評價損傷，二者雖評價方式不同，但均可以良好地體現下肢長骨的損傷情況。因此，在對兒童下肢長骨進行損傷分析時，綜合兩種因素分析，將更有效地預測兒童下肢長骨損傷。通過兩種評價方法可以判斷FCR、MPV、SUV 對股骨、脛骨造成骨折風險的速度均為25 km/h，RDS 對股骨、脛骨造成骨折風險的速度分別為25、30 km/h。因此，可以參考下肢長骨是否損傷來評價AEB（autonomous emergency braking）系統的作用效果。

雖然保險杠主要撞擊位置均為兒童行人股骨，但每輛車保險杠高度與形狀均不同且撞擊點有差距，導致受力方向改變，截面彎矩情況復雜。而脛骨主要與擾流板撞擊，每輛車的擾流板形狀相似，且脛骨為第二撞擊位置，受緩沖后有一定規律性。因此，本研究應用規律性較好的脛骨截面彎矩與擾流板離地高度、碰撞速度來進行非線性回歸分析。最優回歸結果如圖11 所示。預測模型具有良好的擬合精度，4 個截面彎矩預測模型均采用一次函數與二次函數組合形式，其具體公式為

圖11 脛骨截面彎矩預測模型

為驗證該結果的準確性，另外選取一種實車模型進行驗證，如圖12所示。該實車模型擾流板離地間隙為279.6 mm。選取42.5 km/h作為初始碰撞速度，其余設置與32組仿真相同，仿真結果與預測結果對比如表3 所示。多數預測結果與仿真結果誤差均控制在15%以內，可以較好地預測出行人小腿脛骨各點所受彎矩。通過脛骨動態斷裂彎矩閾值57.6 N·m可以反求出造成小腿骨折的最低碰撞速度為17.94 km/h。該方法和預測模型可為兒童柔性腿的開發、行人安全法規制定和數字化測評提供參考依據。

表3 對比結果

4 結論

采用具有詳細解剖學結構特征的六歲兒童行人損傷仿生模型（TUST IBMs 6YO-P）以及Euro NCAP行人模型認證技術公告給出的4 類通用車型的簡化模型，設置32 組六歲兒童行人-車輛碰撞仿真，綜合探究碰撞速度和車輛前端部高度對六歲兒童行人下肢交通損傷的影響，并通過預測模型探究損傷評價方法，得到以下結論。

（1）由于兒童身高特征，碰撞速度和汽車復雜前端部形狀對六歲兒童行人下肢損傷有顯著影響。碰撞速度和前端部及保險杠高度直接影響下肢長骨骨折和膝關節損傷程度。當碰撞速度超過45 km/h時，兒童生長板有損傷的風險。

（2）分析撞擊側膝關節彎曲角度和韌帶斷裂數據發現，當膝關節彎曲角度為25.9±0.9°、38.6±0.7°、43.2±0.2°，撞擊側MCL、ACL、PCL 相繼發生斷裂。采用非線性回歸方法研究了碰撞速度、前保險杠高度對膝關節彎曲角度的影響，得到冪函數與線性函數復合形式的預測模型，并通過反求驗證該模型精準度高達75%，擁有良好的預測精準度，應用該預測模型可對膝關節損傷進行預測。

（3）基于仿真數據，建立兒童下肢長骨骨折綜合判斷方法，發現碰撞速度在25 km/h以上將造成六歲兒童行人長骨骨折。通過擬合小腿彎矩數據，建立了精度較高的六歲兒童行人小腿彎矩預測模型，結合下肢長骨骨折綜合判斷方法反求出碰撞速度高于17.94 km/h 有小腿骨折的風險，該結果可用于對AEB系統防護作用效果的評價。

綜上，該研究將為行人安全法規制定、行人保護裝置研發、AEB 系統設計和數字化測評提供科學依據。

附錄1 下肢長骨最大von Mises 應力云圖