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(shù)開發(fā)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(jù)統(tǒng)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(jié)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(jù) CAE分析結(jié)果對 MCL(膝部內(nèi)側(cè)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(jié)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(chǔ)。

1 FLEX-PLI柔性腿模型

1.1 FlEX簡介

2013年開始，日本法規(guī)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(fā)生骨折，但TRL下肢沖擊器的脛骨部是剛體，因此不會發(fā)生彎曲變形。為了實現(xiàn)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(jié)構(gòu)和材料一致，運用有限元方法仿真，共35萬網(wǎng)格單元。仿真模型與物理模型經(jīng)過對標試驗，可代替物理模型進行開發(fā)和研究。FLEX-PLI仿真模型如圖1所示。

1.2 行人腿部結(jié)構(gòu)及傷害機理

行人小腿腿部結(jié)構(gòu)中，脛骨和膝部是最容易受傷的重要部位。圖 2為膝關(guān)節(jié)的主要結(jié)構(gòu)示意圖，膝部交叉韌帶，內(nèi)外側(cè)副韌帶是膝部的主要 4條韌帶，也是較易受傷的膝關(guān)節(jié)軟組織。

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

圖2 人體膝部關(guān)節(jié)構(gòu)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(nèi)側(cè)副韌帶。MCL起自股骨內(nèi)上髁，向下附于脛骨內(nèi)側(cè)髁及相鄰骨體，與膝關(guān)節(jié)囊和內(nèi)側(cè)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(gòu)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(jié)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(fā)動機艙罩前沿等車身前部的復(fù)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(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動的運動形式分解

將腿型繞 Y軸方向轉(zhuǎn)動的運動形式投影至 X-Z平面。討論轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動運動分解Fig.7 Decomposition of rotation motion of impactor around Y axis

當沿 Y軸負方向轉(zhuǎn)動時，MCL伸長量計算公式如下：

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

2.2 上下膝部繞Z軸方向轉(zhuǎn)動的運動形式分解

將腿型繞 Z軸方向轉(zhuǎn)動的運動形式投影至 X-Y平面。討論轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動時，MCL伸長量計算公式如下：

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

當沿 Z軸負方向轉(zhuǎn)動時，MCL伸長量計算公式如下：

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

2.3 上下膝部繞X軸方向轉(zhuǎn)動的運動形式分解

將腿型繞 X軸方向轉(zhuǎn)動的運動形式投影至 Y-Z平面。討論轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動運動分解Fig.9 Decomposition of rotation motion of impactor around X axis

當沿 X軸正方向轉(zhuǎn)動時，MCL伸長量計算公式如下：

當沿 X軸負方向轉(zhuǎn)動時，MCL伸長量計算公式如下：

式中：l0為MCL原長，l3為轉(zhuǎn)動后長度，xθ為上膝相對下膝繞X軸的轉(zhuǎn)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(jié)果與CAE結(jié)果對比

結(jié)合某車型的3個碰撞點結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)論及展望

本文將膝部內(nèi)側(cè)韌帶 MCL的復(fù)雜運動過程分解為6個自由度上的單一運動形式，將復(fù)雜運動分解為平動和轉(zhuǎn)動。通過與試驗結(jié)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(yīng)用于性能預(yù)測和傷害值改善研究，為預(yù)測結(jié)果的精度提高提供了理論基礎(chǔ)。