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(qiáng)，賀麗娟，崔世海，呂文樂，阮世捷

（天津科技大學(xué)，現(xiàn)代汽車安全技術(shù)國際聯(lián)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(jié)構(gòu)所撞。根據(jù)Reith 等研究顯示，行人道路交通損傷中最容易出現(xiàn)AIS2+的區(qū)域位于行人下肢。

由于倫理學(xué)的約束，兒童尸體試驗方法開展的損傷機(jī)理研究進(jìn)展較為緩慢，應(yīng)用計算模型的仿真得到了快速發(fā)展。在汽車評價規(guī)程中，Euro NCAP在最新版行人測試協(xié)議中引入了兒童頭形沖擊器的沖擊試驗，但在Euro NCAP 技術(shù)協(xié)議和ECE R127 法規(guī)中卻僅對成人下肢沖擊器外形和損傷閾值進(jìn)行規(guī)定，而在兒童行人下肢沖擊器的結(jié)構(gòu)和下肢損傷閾值并未明確規(guī)定。聶冰冰等分析了汽車前部結(jié)構(gòu)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(biāo)的車型外輪廓設(shè)計方法，并建立了髖部沖擊器與某車型發(fā)動機(jī)罩前緣碰撞模型。王丙雨等研究發(fā)現(xiàn)，碰撞速度和行人年齡是影響行人下肢嚴(yán)重?fù)p傷的顯著性因素。張冠軍等通過提取77款SUV 車型特征參數(shù)，研究了SUV 車型對行人下肢損傷的影響，并為SUV 前端造型設(shè)計提供參考。胡林等根據(jù)中國交通事故深入研究（China in-depth accident study，CIDAS）數(shù)據(jù)庫的真實行人事故案例對事故進(jìn)行重建，結(jié)果顯示年輕組和老年組損傷風(fēng)險存在差異。曲志冬等在研究行人年齡和汽車前端結(jié)構(gòu)對下肢損傷的影響時發(fā)現(xiàn)不同年齡會造成關(guān)節(jié)損傷的顯著差異；汽車前端結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)造成的下肢損傷較小。李海巖等通過構(gòu)建具有真實人體結(jié)構(gòu)的6 歲兒童有限元模型并與某一車型進(jìn)行碰撞仿真，發(fā)現(xiàn)不同碰撞方位對于兒童下肢損傷有較大影響。

現(xiàn)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(xiàn)，且考慮到現(xiàn)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(xì)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)對兒童行人損傷的差異。本文中應(yīng)用現(xiàn)代汽車安全技術(shù)國際聯(lián)合研究中心開發(fā)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(jìn)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(jìn)行深入分析，為兒童行人下肢損傷保護(hù)與評價提供參考數(shù)據(jù)，為汽車前端造型設(shè)計和行人保護(hù)裝置的研發(fā)提供依據(jù)。

1 仿真模型與條件設(shè)置

本研究以現(xiàn)代汽車安全技術(shù)國際聯(lián)合研究中心開發(fā)的6 歲兒童行人站姿有限元模型為基礎(chǔ)，該模型具有詳細(xì)的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了有效性驗證。通過調(diào)整兒童關(guān)節(jié)角度，該模型經(jīng)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(jié)點和1 576 733個單元，兒童身高1 098 mm，體質(zhì)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(shù)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(hù)規(guī)程中提出了4 種汽車前端結(jié)構(gòu)的有限元模型。表1為4種不同車型的前端結(jié)構(gòu)參數(shù)，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(jī)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(jié)構(gòu)參數(shù)

參照Euro NCAP 兒童行人保護(hù)相關(guān)技術(shù)報告要求和Klug 等所開發(fā)的一種客觀比較人體運動學(xué)的程序，在ESI 集團(tuán)開發(fā)的有限元軟件PAMCRASH8.0 中進(jìn)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(jìn)行碰撞，行人模型的右側(cè)被定義為撞擊側(cè)，行人模型的頭部質(zhì)心在車輛的縱向?qū)ΨQ面中。車輛與行人模型外表面的摩擦因數(shù)設(shè)置為0.3，腳與地面的摩擦因數(shù)為0.58。整個仿真過程均在重力場下進(jìn)行，仿真時間設(shè)為100 ms。在仿真控制方面，初始時間步長設(shè)置為1×10ms，輸出結(jié)果之間的時間間隔設(shè)為0.1 ms。行人模型應(yīng)盡可能靠近汽車。

圖2 人-車碰撞示意圖

2 仿真結(jié)果

圖3為6歲兒童行人與4種不同車型碰撞100 ms內(nèi)的運動姿態(tài)。在撞擊開始時，由于保險杠高度的原因，F(xiàn)CR、MPV 和RDS 車型碰撞中保險杠首先撞擊到兒童右側(cè)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(xù)進(jìn)行，兒童上肢開始倒向汽車的機(jī)蓋，當(dāng)肩部撞擊到汽車機(jī)蓋后，頭部相對肩部旋轉(zhuǎn)并撞擊到機(jī)蓋。

圖3 40 km/h碰撞速度下行人運動學(xué)響應(yīng)

2.1 股骨應(yīng)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(yīng)力分布云圖。由圖可見，4 組仿真最大von Mises 應(yīng)力均集中在撞擊側(cè)股骨大轉(zhuǎn)子附近，其中RDS 車型碰撞所造成的von Mises 應(yīng)力最大，為114.0 MPa，達(dá)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(fā)現(xiàn)達(dá)到失效應(yīng)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(yīng)力分別為FCR 113.6 MPa，MPV 113.9 MPa，SUV 91.8 MPa，均未達(dá)到單元失效應(yīng)力，3 組仿真股骨均未發(fā)生骨折現(xiàn)象。

圖4 下肢股骨von Mises應(yīng)力分布云圖

2.2 脛骨和腓骨應(yīng)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(yīng)力分布云圖。其中MPV 和SUV 仿真脛骨von Mises 應(yīng)力相對較大，其應(yīng)力集中位置均出現(xiàn)在撞擊側(cè)脛骨頭處，數(shù)值分別為80.3和79.9 MPa，F(xiàn)CR 仿真最大von Mises 應(yīng)力集中位置出現(xiàn)在撞擊側(cè)脛骨頭下方，數(shù)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(yīng)力出現(xiàn)在撞擊側(cè)腓骨中部位置，其數(shù)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(xiàn)骨折現(xiàn)象。

圖5 下肢脛骨和腓骨von Mises應(yīng)力分布云圖

2.3 膝關(guān)節(jié)韌帶損傷

韌帶損傷是一種較常見的膝關(guān)節(jié)損傷，仿真結(jié)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(guān)節(jié)韌帶損傷最輕，僅在對撞側(cè)膝關(guān)節(jié)MCL、LCL 和ACL 出現(xiàn)斷裂，其余3 組仿真中對撞側(cè)膝關(guān)節(jié)MCL、LCL、PCL、ACL 和撞擊側(cè)MCL 均發(fā)生斷裂，且發(fā)現(xiàn)FCR、MPV 和SUV 仿真中膝關(guān)節(jié)韌帶斷裂順序完全一致。

圖6 膝關(guān)節(jié)韌帶損傷情況

表2 膝關(guān)節(jié)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(xié)議中，對于成人柔性腿型沖擊器的股骨和脛骨最大彎矩規(guī)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(fā)現(xiàn)沖擊器的股骨和脛骨分別被進(jìn)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(qū)別，故參照Euro NCAP 中所規(guī)定的計算截面彎矩位置對6 歲兒童行人股骨和脛骨進(jìn)行劃分，對應(yīng)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(jié)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(yuǎn)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(yuǎn)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(guān)節(jié)彎曲角度

由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在膝關(guān)節(jié)韌帶損傷方面，RDS 車型對兒童行人膝關(guān)節(jié)韌帶損傷程度最小，僅對撞側(cè)膝關(guān)節(jié)MCL、LCL和ACL發(fā)生斷裂，為此對這一現(xiàn)象進(jìn)一步分析，提取了4 組仿真下肢膝關(guān)節(jié)最大彎曲角度，如表4所示。

由表4 可見，RDS 車型仿真的膝關(guān)節(jié)彎曲角度最小，而MPV 車型仿真中膝關(guān)節(jié)彎曲角度最大。根據(jù)運動學(xué)圖像可以發(fā)現(xiàn)，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(guān)節(jié)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(fā)生轉(zhuǎn)動，故膝關(guān)節(jié)并未出現(xiàn)很大的彎曲角度。

表4 膝關(guān)節(jié)彎曲角度（°）

3 分析討論

4 組碰撞仿真中，RDS 車型撞擊側(cè)股骨最大von Mises應(yīng)力及其分布面積最大，且由于股骨應(yīng)力超過損傷閾值，最終造成股骨大轉(zhuǎn)子位置出現(xiàn)骨折。通過提取股骨3 個位置的截面彎矩可以發(fā)現(xiàn)，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(xué)角度說明了撞擊側(cè)股骨骨折現(xiàn)象的產(chǎn)生。通過對RDS 車型前端參數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)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(cè)股骨大轉(zhuǎn)子位置處的彎矩和應(yīng)力集中較大，進(jìn)而在該位置出現(xiàn)骨折現(xiàn)象。通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，其他3 組車型的保險杠位置較高，且機(jī)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(cè)股骨骨折的發(fā)生。

根據(jù)Euro NCAP行人測試協(xié)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(shè)置的限值。本文中，應(yīng)用經(jīng)過驗證的6 歲兒童行人走姿有限元模型進(jìn)行碰撞仿真，RDS 車型使兒童行人撞擊側(cè)股骨出現(xiàn)骨折，位置在股骨大轉(zhuǎn)子處，骨折位置最大von Mises 應(yīng)力為114 MPa，骨折時股骨截面最大彎矩為124.4 N·m。該數(shù)值對于后續(xù)不同工況下的研究具有重要意義。

4 結(jié)論

在現(xiàn)階段車身設(shè)計中，不同車型的前端結(jié)構(gòu)辨識度越來越高，但應(yīng)該注意到前端結(jié)構(gòu)的設(shè)計對于碰撞過程中的行人保護(hù)非常重要。研究發(fā)現(xiàn)，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(yán)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(guān)節(jié)韌帶的損傷更為嚴(yán)重。本研究面向兒童行人保護(hù)為汽車前端結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)兒童下肢股骨和頸骨彎矩可以反映出其von Mises 應(yīng)力的變化，進(jìn)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(fā)與數(shù)字測評技術(shù)方法提供參考。