胡帥帥，呂曉江，2，王鵬翔，王 淼，顧鵬云，張朋舉

（1.吉利汽車研究總院，浙江省汽車安全技術(shù)研究重點實驗室，杭州 311228；2.湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082）

前言

2011～2018年，中國交通事故深度調(diào)查（CIDAS）在長春和寧波等地共采集4 613例交通事故數(shù)據(jù)，該項數(shù)據(jù)涉及人員11 824，其中重傷1 805人，死亡997人［1］。篩選和分析該項數(shù)據(jù)得出：涉及弱勢道路使用者（vulnerable road user，VRU）的事故有3 635例，占78.8%；下肢有明顯損傷的事故有1 157例，占VRU事故總數(shù)的31.83%；在VRU損傷部位統(tǒng)計中，下肢損傷位居第2，如圖1所示。因此汽車對行人下肢碰撞保護(hù)的研究很有必要且有意義。

圖1 VRU事故人體損傷部位分布

行人下肢模型被用來評估汽車在碰撞中對行人下肢的保護(hù)性能。最早的EEVC WG17下肢模型在生物仿真度和測試結(jié)果的重復(fù)性方面存在一定的局限性，因此日本提出一種全新的下肢模型FlexPLI（flexible pedestrian leg form impactor）。2000年，JAMA和JARI開始研發(fā)FlexPLI；2002年完成初版可使用的全金屬結(jié)構(gòu)模型FlexPLI-G；2006年研發(fā)出FlexPLI-GT版本；2009年研發(fā)出全球通用的Flex-GTR版本，2011年進(jìn)行了部分修正且沿用至今。行人下肢模型FlexPLI的生物仿真度和損傷評估性能比EEVC WG17優(yōu)越，可以評估腿傷中最常見的小腿骨折和膝部韌帶伸長量，但大腿損傷評估性能較差［2］。

為更好表征下肢大腿生物力學(xué)損傷，歐洲研究項目SENIORS（safety enhanced innovation for older road users）提出新型下肢模型FlexPLIUBM（flexible pedestrian leg form impactor with upper body mass）的概念，即在下肢模型FlexPLI上端添加一質(zhì)量塊，代表人體上身質(zhì)量［3］。經(jīng)過對質(zhì)量塊質(zhì)心位置、柔性元件材料、下肢模型沖擊高度、保護(hù)套結(jié)構(gòu)等影響因子的分析研究，與THUMS人體模型對標(biāo)，確定了FlexPLIUBM的最終版本。該模型不僅可以表征大腿損傷，同時可以明顯改善模型碰撞運(yùn)動過程中的時間歷程曲線和穩(wěn)定性。

與此同時，JARI和JAMA研發(fā)了新型下肢模型aPLI（the advanced pedestrian leg form impactor），其初衷和目標(biāo)與FlexPLIUBM新型下肢模型一致，即更加貼切地體現(xiàn)和模擬出實際交通事故碰撞中下肢的運(yùn)動和損傷響應(yīng)，包括大腿損傷，且適用于所有類型的車型［4-5］。經(jīng)過與36款簡化車型（包括低車和高車）、世界范圍內(nèi)不同造型的車型、世界范圍內(nèi)4種不同版本的人體模型（JSAE HBM、GHBMC HBM、THUMS、JAMA HBM）等分析和對標(biāo)，aPLI可較好地體現(xiàn)出下肢碰撞過程的生物力學(xué)響應(yīng)，包括運(yùn)動和損傷，類似于上述FlexPLIUBM的優(yōu)勢［6］。

為更好了解兩種新型下肢模型與目前應(yīng)用中的下肢模型的區(qū)別和聯(lián)系，本文中對3種模型進(jìn)行了關(guān)鍵參數(shù)的剖析和對比，對碰撞過程進(jìn)行理論分析，并通過碰撞試驗進(jìn)行驗證，以支持未來車型前保險杠的開發(fā)工作。

1 行人下肢模型關(guān)鍵參數(shù)的對比分析

1.1 FlexPLI模型

目前全球通用的測試汽車行人下肢保護(hù)性能的行人下肢模型FlexPLI結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，質(zhì)量分布如表1所示。該行人下肢模型總質(zhì)量為13.2 kg。其中大腿骨骼質(zhì)量為2.46 kg，膝部骨骼質(zhì)量為4.28 kg，小腿骨骼質(zhì)量為2.64 kg，皮膚質(zhì)量為3.82 kg（下肢模型中的皮膚實際上包括皮膚、肌肉和血管等組織）。

圖2 FlexPLI結(jié)構(gòu)尺寸

表1 FlexPLI質(zhì)量分布 kg

由于FlexPLI物理模型不好拆分和裁剪稱重，而其有限元模型是加密模型，無法通過直接測量或仿真獲得質(zhì)量、質(zhì)心等信息，所以基于下肢模型FlexPLI仿真結(jié)果，根據(jù)動能定理即式（1）逆向計算出皮膚各部位的質(zhì)量。推算得出：大腿皮膚質(zhì)量為2.32 kg，膝部皮膚質(zhì)量為0.38 kg，小腿皮膚為1.12 kg。因此考慮皮膚后，大腿質(zhì)量為4.78 kg，膝部質(zhì)量為4.66 kg，小腿質(zhì)量為3.76 kg。

式中：Ek為動能；m為質(zhì)量；v為速度。

下肢模型FlexPLI骨骼各部位質(zhì)心分布如表2所示［2］。表中骨骼質(zhì)心位置的數(shù)值表示對應(yīng)部位骨骼的質(zhì)心離其上端的距離。

表2 FlexPLI骨骼質(zhì)心位置 mm

模型假設(shè)大腿、膝部和小腿的皮膚沿其長度方向均勻分布，因此可將各部位皮膚的質(zhì)心設(shè)定在其長度的中點位置。結(jié)合式（2）質(zhì)心分布公式，可推算出大腿模型FlexPLI各部位質(zhì)心分布，如表3所示。

式中：mn為n個物體的總質(zhì)量；xc為n個物體的總質(zhì)心坐標(biāo)；mi為第i個物體的質(zhì)量；xi為第i個物體的質(zhì)心坐標(biāo)。

表3 FlexPLI質(zhì)量質(zhì)心分布

基于上述對結(jié)構(gòu)、尺寸、質(zhì)量和質(zhì)心的分析，可從不同角度，將FlexPLI劃分為多連桿結(jié)構(gòu)。

（1）根據(jù)下肢部位，可將FlexPLI劃分為三連桿結(jié)構(gòu)，如圖3（a）所示。大腿長336 mm，質(zhì)心距離大腿上端167 mm；膝部長191 mm，質(zhì)心距離膝部上端95 mm；小腿長401 mm，質(zhì)心距離小腿上端201.6 mm。

（2）由于下肢模型FlexPLI膝部中間連接處彎曲剛度較小，其余部分連接處（如大腿各骨骼塊之間、小腿各骨骼塊之間、大小腿與膝部之間）彎曲剛度較大。因此若要分析膝部韌帶伸長量，可將該下肢模型劃分為二連桿結(jié)構(gòu)。根據(jù)大腿、膝部和小腿的質(zhì)量和質(zhì)心位置，結(jié)合式（2），可得該二連桿的質(zhì)量與質(zhì)心位置分布，如圖3（b）所示。二連桿上部（代表大腿）長433 mm，質(zhì)量7.23 kg，質(zhì)心距離上端240.5 mm；下部（代表小腿）長495 mm，質(zhì)量5.97 kg，質(zhì)心距離上端204.3 mm。

（3）若要關(guān)注大小腿彎矩的趨勢和變化，可將下肢模型按照傳感器位置進(jìn)行分段，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)、尺寸和傳感器位置等信息如圖3（c）所示。

圖3 FlexPLI不同分段方式示意圖（單位：mm）

1.2 FlexPLIUBM模型

SENIORS提出的FlexPLIUBM結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示。該行人下肢模型總質(zhì)量為19.83 kg，考慮皮膚后，各部位質(zhì)量分布如表4所示。

圖4 FlexPLIUBM結(jié)構(gòu)尺寸

表4 FlexPLIUBM質(zhì)量分布 kg

與下肢模型FlexPLI相似，可將FlexPLIUBM按照3種方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)分段。

（1）按照人體下肢部位進(jìn)行分段，可劃分為四連桿結(jié)構(gòu)?；诟鞑课毁|(zhì)量和密度分布，結(jié)合式（2），計算出各段質(zhì)量和質(zhì)心位置，如圖5（a）所示。上身質(zhì)量塊高134.5 mm，質(zhì)量為6.93 kg，質(zhì)心距離質(zhì)量塊上端51 mm，轉(zhuǎn)動中心距離上端81 mm；大腿長317 mm，質(zhì)量為4.48 kg，質(zhì)心距離大腿上端162 mm；膝部長191 mm，質(zhì)量4.66 kg，質(zhì)心距離膝部上端95 mm；小腿長401 mm，質(zhì)量3.76 kg，質(zhì)心距離小腿上端201.6 mm。

（2）按照彎曲剛度大小，可劃分為3段，構(gòu)成三連桿結(jié)構(gòu)。上部長134.5 mm，質(zhì)量6.93 kg，質(zhì)心距離上端51 mm，轉(zhuǎn)動中心距離上端81mm；中部長414 mm，質(zhì)量6.93 kg，質(zhì)心距離中部上端233.8 mm；下部長495 mm，質(zhì)量5.97 kg，質(zhì)心距離下部上端204.3 mm。

（3）按照測量傳感器位置進(jìn)行分段，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)、尺寸和傳感器位置如圖5（c）所示。

圖5 FlexPLIUBM不同分段方式示意圖

1.3 aPLI模型

JARI和JAMA研發(fā)出的新型下肢模型aPLI結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6（a）為物理模型，圖6（b）為有限元模型，圖6（c）為幾何模型結(jié)構(gòu)尺寸和傳感器位置示意圖。

圖6 aPLI物理、有限元和幾何模型

新型下肢模型aPLI總質(zhì)量約24.5 kg，參考Takahiro Isshiki等的研究文獻(xiàn)［7］，可將下肢模型FlexPLI總質(zhì)量視為12.9 kg，F(xiàn)lexPLIUBM總質(zhì)量視為19.83 kg（不同版本或不同批次的下肢模型總質(zhì)量存在一定的容差）。對人體模型下肢質(zhì)量和3種下肢模型的下肢質(zhì)量進(jìn)行對比（不含上身質(zhì)量塊），如圖7所示。

圖7 4種下肢模型質(zhì)量分布圖

基于圖7，對包括人體的4種下肢模型的質(zhì)量按照上身質(zhì)量塊、大腿和小腿的方式分段分析，如表5所示。FlexPLI和FlexPLIUBM模型下肢結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分配大致相同，大腿質(zhì)量比人體模型大腿小，小腿質(zhì)量比人體模型大；aPLI模型下肢質(zhì)量分配與人體模型十分接近，相對于FlexPLI和FlexPLIUBM模型，aPLI大腿質(zhì)量加大1.1 kg，增大15.71%，aPLI小腿質(zhì)量減小1.2 kg，減小20.34%；4種模型下肢總質(zhì)量基本一致，aPLI模型略小0.1 kg；aPLI模型上身質(zhì)量塊比FlexPLIUBM大4.77 kg，大68.83%。

表5 4種下肢模型質(zhì)量對比 kg

2 行人下肢模型碰撞響應(yīng)對比分析

2.1 行人下肢碰撞工況

對于目前正在應(yīng)用中的下肢模型FlexPLI，碰撞試驗工況如下：模型與車輛前保險杠碰撞零時刻，下端離地間隙為75 mm；模型長度方向與Z軸平行；沖擊方向沿著車身坐標(biāo)系X軸正向，即車身尾端方向；沖擊速度為40 km／h。

新型下肢模型FlexPLIUBM和aPLI碰撞零時刻，模型下端離地間隙25 mm，其余工況條件與FlexPLI相同，如圖8所示。

圖8 下肢模型沖擊試驗工況

FlexPLI的碰撞試驗可以測出：大腿彎矩Femur1、Femur2、Femur3；韌帶伸長量ACL、PCL、MCL；小腿彎矩Tibia1、Tibia2、Tibia3、Tibia4。但由于FlexPLI模型生物力學(xué)和運(yùn)動學(xué)仿真度有限，試驗后只采納韌帶伸長量和小腿彎矩。新型下肢模型FlexPLIUBM和aPLI試驗可測出的指標(biāo)與FlexPLI相同，但該兩種模型所測的指標(biāo)值可全部采納。

2.2 小腿彎矩對比分析

基于某A級轎車，分析3種下肢模型的沖擊碰撞過程。3種下肢模型大腿、膝部和小腿傳感器與各模型下端的Z向距離一致。然而3種下肢模型沖擊時刻的離地間隙不同，導(dǎo)致各模型傳感器高度和相對于車輛前保險杠的位置不一致，如圖9所示。9.1所示區(qū)域代表韌帶伸長量傳感器的位置；9.1區(qū)域上方3條橫虛線代表大腿彎矩傳感器的位置，從上到下依次為Femur3、Femur2和Femur1；9.1區(qū)域下方4條橫虛線代表小腿彎矩傳感器的位置，從上到下依次是Tibia1、Tibia2、Tibia3和Tibia4。韌帶伸長量傳感器共有3個，分別測量前十字韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）、后十字韌帶（posterior cruciate ligament，PCL）和內(nèi)側(cè)副韌帶（medial vollateral ligament，MCL）的伸長量，如圖10所示。

圖9 沖擊時刻各模型傳感器位置示意圖

圖10 韌帶伸長量傳感器布置圖

對于同一下肢模型，小腿彎矩一般在兩種情況下出現(xiàn)最大值：（1）傳感器附近存在硬點，沖擊硬點的過程中出現(xiàn)彎矩最大值；（2）反彈過程中，由于下肢模型大小腿不同部位反彈時刻和反彈力等不一致，導(dǎo)致小腿彎曲引起較大的彎矩值。

基于該A級轎車，下肢模型FlexPLI沖擊時，小腿擋板撞擊位置（圖9中虛線圓圈）在傳感器Tibia3和Tibia4之間，靠近Tibia4；FlexPLIUBM和aPLI沖擊時，小腿擋板撞擊位置在傳感器Tibia3和Tibia4之間，但靠近Tibia3。FlexPLIUBM與FlexPLI相比，下肢結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分配一致，但由于FlexPLIUBM中Tibia3距離小腿擋板較近，因此FlexPLIUBM中的Tibia3測量值定比FlexPLI大；FlexPLI中的Tibia4靠近小腿擋板，F(xiàn)lexPLIUBM中的Tibia3靠近小腿擋板，然而由于FLexPLIUBM中Tibia3下側(cè)部分較長，即碰撞過程中下方有效力臂和質(zhì)量較大，根據(jù)式（3），F(xiàn)lexPLIUBM中Tibia3的測量值應(yīng)比FlexPLI中的Tibia4測量值大。

式中：M為彎矩；F為力；L為力臂。

對于同一下肢模型，在小腿反彈過程中，下肢模型整體呈“C”狀，彎曲中心位于彎曲剛度最小的膝部，即圖9中的9.1區(qū)域。因此越接近彎曲中心位置，彎曲角度和彎矩都相對越大；其次，小腿所有彎矩傳感器中，Tibia1所在區(qū)域的下方，有效力臂和質(zhì)量相對較大，根據(jù)式（3），Tibia1所受彎矩較大。因此，在反彈過程中Tibia1彎矩傳感器測量值較大。

張仲平掃視四周，又仰頭往樓上看，他不禁感慨道：“這就是勝利大廈。只要一拍賣，這樓馬上就不姓左了?！闭f著要從徐藝手里拿過那個旅行包。

2.3 韌帶伸長量的分析

下肢模型FlexPLI和FlexPLIUBM的膝部結(jié)構(gòu)相同。若以膝部為轉(zhuǎn)動中心，根據(jù)前面分析，F(xiàn)lex-PLIUBM比FlexPLI多一個497.5 mm×6.93 kg的有效彎矩，相對于膝部的彎矩大約提升了237.44%。然而下肢大腿與前保險杠中上方碰撞中，其轉(zhuǎn)動存在阻礙，同時由于FlexPLIUBM沖擊時刻離地間隙較小，所以大腿轉(zhuǎn)動被阻礙的部分相對較多。因此與該A級轎車碰撞過程中，F(xiàn)lexPLIUBM韌帶伸長量各指標(biāo)比FlexPLI大，但不會成倍提升。

下肢模型FlexPLI和FlexPLIUBM的韌帶ACL和PCL屬于相互十字交叉韌帶，因此膝部彎曲過程中兩指標(biāo)測量值相差不會太大。

下肢模型aPLI的ACL和PCL兩傳感器布置方式改變。相對于ACL，PCL位于轉(zhuǎn)動中心遠(yuǎn)端，所在區(qū)域轉(zhuǎn)動半徑較大，因此其伸長量必大于ACL。

2.4 大腿彎矩的分析

下肢模型FlexPLIUBM和aPLI各傳感器相對于模型下端的高度相同，兩者沖擊時刻離地間隙相同。即在沖擊過程中，兩個模型各傳感器相對于車輛前保險杠的位置相同。由于大腿和小腿之間膝部的緩沖，小腿的慣性力給大腿帶來的影響相對較小；根據(jù)前面分析可知，aPLI大腿質(zhì)量較大，且其上身質(zhì)量塊質(zhì)量較大，質(zhì)心較高，因此在碰撞沖擊過程中，aPLI大腿的沖擊能量較大，相對于某一截面的慣性力和力臂較大。因此基于同一車型碰撞，若FlexPLIUBM和aPLI的彎曲剛度一致，則aPLI大腿各彎矩傳感器測量值相對較大。

3 行人下肢模型碰撞試驗

3.1 小腿彎矩試驗數(shù)據(jù)分析

基于上述A級轎車，選擇車輛前保險杠L.＋1和L.-3位置，利用上述3種下肢模型進(jìn)行碰撞試驗，碰撞工況與2.1節(jié)相同。

各下肢模型碰撞L.＋1點試驗過程如圖11～圖13所示。由于上身質(zhì)量塊增加碰撞能量的原因，F(xiàn)LexPLIUBM和aPLI的沖擊碰撞過程比FlexPLI時間長；由于aPLI上身質(zhì)量塊質(zhì)量比FlexPLIUBM大，且aPLI下肢屬于下細(xì)上粗的形式，所以aPLI沖擊碰撞過程中“C”型的彎曲角度略大于FlexPLIUBM。

圖11 FlexPLI沖擊過程

3種下肢模型碰撞試驗后，各傳感器測量的有效峰值數(shù)據(jù)如表6所示，表中A代表下肢模型Flex-PLI，B代表FlexPLIUBM，C代表aPLI。

圖12 FlexPLIUBM沖擊過程

圖13 aPLI沖擊過程

（1）對于L.＋1和L.-3點，F(xiàn)lexPLIUBM中的Tibia3明顯大于FlexPLI；

（2）FlexPLIUBM中的Tibia3大于Tibia4；

（3）FlexPLI小腿彎矩中，Tibia1最大；對于Flex-PLIUBM，L.＋1中Tibia3最大，L.-3中Tibia1最大；aPLI小腿彎矩中Tibia1最大；

（4）以FlexPLI和aPLI為例，從圖11～圖13可以看出，F(xiàn)lexPLI小腿的反彈時間大約為25～50 ms，aPLI小腿的反彈時間大約為25～60 ms，結(jié)合圖14可知，在兩種下肢模型小腿的反彈過程中，Tibia1～Tibia4測量值依次減小。

圖14 小腿彎矩曲線

以上的分析驗證了第2大節(jié)中對小腿彎矩分析的結(jié)論。

表6 3種下肢模型沖擊試驗數(shù)據(jù)

3.2 韌帶伸長量和大腿彎矩試驗數(shù)據(jù)分析

從表6中提取出表7，由表可見：

（1）對于FlexPLI和FlexPLIUBM，ACL和PCL峰值差距（Distance）不超過20%，相對不明顯；而aPLI中，PCL峰值總比ACL大，且均超過60%，相對較明顯；

（2）針對MCL峰值，F(xiàn)lexPLI、FlexPLIUBM和aPLI依次升高。

從而驗證了第2大節(jié)關(guān)于膝部韌帶伸長量的碰撞分析。

表7 沖擊試驗韌帶伸長量數(shù)據(jù)

不考慮下肢模型FlexPLIUBM和aPLI的彎曲剛度，由表6可見，針對L.＋1和L.-3點，aPLI的大腿各彎矩峰值均大于FlexPLIUBM，在一定程度上驗證了第2大節(jié)中關(guān)于大腿彎矩的推測。

4 結(jié)論

對目前正在應(yīng)用的行人下肢模型FlexPLI和兩種新型下肢模型FlexPLIUBM、aPLI進(jìn)行結(jié)構(gòu)、尺寸和質(zhì)量分配等關(guān)鍵參數(shù)的剖析與對比；基于各模型與某A級車前保險杠碰撞工況，對模型碰撞過程進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和力學(xué)方面的基礎(chǔ)分析；最后通過試驗對分析結(jié)論進(jìn)行驗證。結(jié)果表明，對于同一模型，碰撞中須關(guān)注Tibia1和小腿擋板附近的彎矩值，其余小腿彎矩一般較?。会槍lexPLI、FlexPLIUBM和aPLI 3種下肢模型，同一工況下，小腿最大彎矩值依次提升；FlexPLI的韌帶伸長量ACL和PCL峰值接近，且相對較??；aPLI的韌帶伸長量PCL明顯大于ACL，且峰值均相對較大；aPLI的大腿彎矩普遍明顯大于FlexPLIUBM?；诓煌轮Ｐ瓦M(jìn)行車輛前保險杠設(shè)計時，要考慮上述不同模型之間的特征和風(fēng)險點，設(shè)計相應(yīng)合理的造型和結(jié)構(gòu)。