龍永程，郝海舟，李 凡，費(fèi) 敬

（1. 汽車振動(dòng)噪聲和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶401122，中國(guó)；2. 中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶401122，中國(guó)；3. 湖南大學(xué)，長(zhǎng)沙410082，中國(guó)）

根據(jù)2018年公安部道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)，行人在全年所有事故中的死亡人數(shù)占比達(dá)到高達(dá)27%[1]。在汽車碰撞事故中，相比車內(nèi)乘員，行人沒有任何保護(hù)裝置，因而是更易受傷害的道路交通使用者。目前，針對(duì)汽車碰撞事故中的行人保護(hù)問題，許多國(guó)家相繼出臺(tái)了行人安全法規(guī)，要求汽車廠商設(shè)計(jì)行人友好的汽車前端結(jié)構(gòu)。

全球主流的行人碰撞測(cè)評(píng)規(guī)程（被動(dòng)安全）均采用子系統(tǒng)沖擊器（頭型與腿型）來模擬行人主要部位的損傷情況。在腿型沖擊器方面，2003年歐洲汽車安全委員會(huì)（European Experimental Vehicles Committee, EEVC）率先推出剛性腿型并在歐盟EC法規(guī)中實(shí)施[2]；2014年歐洲新車評(píng)價(jià)規(guī)程（European New Car Assessment Programme，Euro NCAP）中引入了柔性腿型沖擊器（flex legform impactor, Flex-PLI），2015年歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（Economic Commission for Europe），ECE R127法規(guī)中也采用了柔性腿型；但是由于柔性腿型缺乏人體上身質(zhì)量導(dǎo)致其大腿彎矩與人體存在差異，2015年歐洲新車評(píng)價(jià)規(guī)程（Euro NCAP）在8.0版本中提出了用剛性腿(transport research laboratory，TRL)進(jìn)行大腿測(cè)試的新方法。Takahiro等人[4-8]在柔性腿的基礎(chǔ)上對(duì)質(zhì)量分布、長(zhǎng)骨形狀、韌帶布置、髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、股骨彎曲剛度等6個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)，研發(fā)了新一代先進(jìn)腿型沖擊器（advanced pedestrian legform impactor, aPLI），被認(rèn)為更符合人體下肢的生物力學(xué)特性。中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程（China-New Car Assessment Program，C-NCAP）2021版引入了新一代先進(jìn)腿型[9]，將于2022年進(jìn)行行人保護(hù)腿型測(cè)評(píng)。

盡管目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)開始經(jīng)歷過上述3代腿型，但對(duì)于腿型的生物逼真度并未有深入探討。在aPLI腿型開發(fā)時(shí)均是基于車輛前部簡(jiǎn)化模型與人體進(jìn)行研究對(duì)比，簡(jiǎn)化模型與實(shí)際車輛前端結(jié)構(gòu)存在一定差異性，aPLI腿型是否能夠替代Flex-PLI和TRL腿型也未見報(bào)導(dǎo)。

本文針對(duì)這些問題，結(jié)合當(dāng)前的測(cè)評(píng)規(guī)程中腿型沖擊器測(cè)評(píng)方法，在轎車和運(yùn)動(dòng)型多功能車(sports utility vehicle, SUV)車型上與人體模型進(jìn)行對(duì)比研究，為行人下肢的腿型測(cè)評(píng)方法提供參考。

1 現(xiàn)行腿型沖擊器測(cè)評(píng)方法

ECE R127法規(guī)根據(jù)保險(xiǎn)杠下部參考線的離地高度選用Flex-PLI腿型或TRL腿型水平?jīng)_擊保險(xiǎn)杠，保險(xiǎn)杠下部參考線的離地高度小于425 mm選擇Flex-PLI，高度大于500 mm選擇TRL腿型，離地高度在425 mm到500 mm之間可選擇Flex-PLI或TRL腿型。Flex-PLI底端距離地面75 mm，以40 km/h的速度水平?jīng)_擊車輛前部，其小腿設(shè)置4個(gè)彎矩傳感器測(cè)量脛骨彎矩（Tibia-1,2,3,4）取最大值評(píng)價(jià)，膝關(guān)節(jié)設(shè)置3個(gè)韌帶傳感器：內(nèi)側(cè)副韌帶(medial collateral ligament，MCL)，前交叉韌帶 (anterior cruciate ligament，ACL)和 后 交 叉 韌 帶 (posterior cruciate ligament，PCL)。TRL腿型的沖擊位置為保險(xiǎn)杠上部和下部基準(zhǔn)線的中間位置，水平?jīng)_擊保險(xiǎn)杠。TRL腿型在中部設(shè)置3個(gè)彎矩傳感器測(cè)量股骨彎矩（Femur-1,2,3）取最大值評(píng)價(jià)，兩端設(shè)置力傳感器取合力進(jìn)行評(píng)價(jià)。歐洲新車測(cè)評(píng)規(guī)程（Euro NCAP）和中國(guó)保險(xiǎn)汽車安全指數(shù)(China Insurance Automotive Safety Index，C-IASI）在Flex-PLI的基礎(chǔ)上增加了TRL腿型沖擊包絡(luò)線（wrap around distance，WAD）775 mm的位置，碰撞方向與WAD 930和保險(xiǎn)杠內(nèi)部基準(zhǔn)線（internal bumper reference line，IBRL）的連線垂直，碰撞速度根據(jù)碰撞角度計(jì)算。

C-NCAP 2021版采用aPLI腿型進(jìn)行測(cè)試，aPLI腿型離地高度為25 mm，以40 km/h的速度水平撞擊車輛前部。其小腿設(shè)置4個(gè)彎矩傳感器取最大值評(píng)價(jià)，大腿設(shè)置3個(gè)彎矩傳感器取最大值進(jìn)行評(píng)價(jià)，膝關(guān)節(jié)取MCL進(jìn)行評(píng)價(jià)。各腿型沖擊器的傳感器設(shè)置如圖2所示。

圖2 腿型沖擊器傳感器設(shè)置

各評(píng)價(jià)規(guī)程所用腿型沖擊器的評(píng)價(jià)限值如表1-3所示。

表1 TRL腿型沖擊WAD775的評(píng)價(jià)限值

表3 TRL水平?jīng)_擊和柔性腿腿型的評(píng)價(jià)限值

2 現(xiàn)行腿型沖擊器生物逼真度研究

2.1 生物逼真度評(píng)價(jià)方法

腿型生物逼真度的評(píng)價(jià)，需比較相同碰撞條件下腿型動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與真實(shí)人體動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的差異。由于倫理等問題，真實(shí)人體實(shí)驗(yàn)難于開展，故本文采用人體模型碰撞仿真來代替人體實(shí)驗(yàn)。人體有限元模型采用豐田開發(fā)THUMS 4.0版本50百分位行人模型，該模型包含完整的人體下肢解剖學(xué)結(jié)構(gòu),模型各部位與尸體試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)標(biāo)驗(yàn)證，具有較高生物逼真度[10-12]。生物逼真度對(duì)比的輸入條件為：車輛以40 km/h的速度撞擊THUMS右腿或腿型沖擊器以同樣速度撞擊車輛前端，碰撞位置相同。本文所選車型的保險(xiǎn)杠下部參考線的離地高度均小于425 mm，故不考慮TRL腿型水平?jīng)_擊保險(xiǎn)杠的工況。

各腿型沖擊器按圖1中測(cè)評(píng)規(guī)程規(guī)定的位置以40 km/h的速度撞擊車輛中心線位置，按表2的規(guī)定輸出各沖擊器的損傷參數(shù)。本文所用Flex-PLI有限元模型為首美公司開發(fā)的1.0.2版本商業(yè)化模型，aPLI有限元模型為ATD公司開發(fā)的2.0.6版商業(yè)化模型，模型均經(jīng)過了對(duì)標(biāo)驗(yàn)證。

圖1 各測(cè)評(píng)規(guī)程中所用腿型沖擊器示意

表2 aPLI腿型沖擊器的評(píng)價(jià)限值

車輛以40 km/h的速度撞擊人體右腿，右腿垂直站立在地面上，鞋底厚度為25 mm。為了減小在碰撞過程中兩腿接觸的影響，左腿向前抬起與右腿呈20°夾角，如圖3所示。這種步態(tài)被認(rèn)為是與車輛初次碰撞一側(cè)下肢最嚴(yán)格的負(fù)荷條件，日本、歐洲和聯(lián)合國(guó)使用的行人下肢保護(hù)法規(guī)中也假設(shè)了同樣的負(fù)荷條件[6,8,11]。

圖3 人體站姿調(diào)整

根據(jù)圖2中aPLI腿型彎矩傳感器到膝關(guān)節(jié)中心的位置在THUMS模型上的下肢建立相應(yīng)的傳感器，如圖4所示。THUMS中MCL以體單元建模，在體單元上附加一圈彈簧單元測(cè)量MCL的拉伸量[10]。由于沖擊器模型中未設(shè)定失效參數(shù)，為了進(jìn)行對(duì)比在仿真中關(guān)閉所有失效設(shè)置。

圖4 THUMS模型中下肢傳感器設(shè)置

2.2 動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析

圖5 為THUMS、aPLI和Flex-PLI模型在轎車和SUV車型上動(dòng)力學(xué)響應(yīng)情況。轎車車型中，在碰撞初始時(shí)刻車輛前保險(xiǎn)杠首先與膝關(guān)節(jié)和小腿接觸，隨后大腿中部接觸到發(fā)罩前緣，人體發(fā)生繞轉(zhuǎn)骨盆接觸到發(fā)罩上部。在整個(gè)碰撞過程中，人體小腿始終與保險(xiǎn)杠下部接觸。在20 ms后，腳底離開地面，腳掌繞踝關(guān)節(jié)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。在0～20 ms內(nèi)，兩種腿型沖擊器的姿態(tài)基本與人體相近。在30 ms后兩種腿型下部發(fā)生反彈，腿型姿態(tài)與人體模型差異較大。

圖5 3種模型、2種車型的碰撞過程

SUV車型中，在碰撞初始時(shí)刻車輛前保險(xiǎn)杠首先下肢接觸，隨后骨盆接觸到發(fā)罩前緣。在整個(gè)碰撞過程中，人體小腿始終與保險(xiǎn)杠下部接觸。在20 ms后，腳底離開地面，腳掌繞踝關(guān)節(jié)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。在0～30 ms內(nèi)，aPLI腿型的姿態(tài)與人體一致。在30 ms后aPLI腿型下部發(fā)生反彈，而人體小腿未發(fā)生反彈，腿型姿態(tài)與人體模型產(chǎn)生差異。而Flex-PLI由于缺乏上部質(zhì)量，導(dǎo)致大腿過早反彈，與人體產(chǎn)生明顯差異。

綜上所述，在動(dòng)力學(xué)響應(yīng)方面，aPLI模型與人體更為接近，但仍需進(jìn)一步解決小腿反彈的問題。

2.3 損傷響應(yīng)分析

輸出各沖擊器傳感器與人體模型下肢對(duì)應(yīng)各部位的損傷值進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)比較發(fā)罩前緣處的變形情況。

2.3.1 脛骨彎矩

圖6 為沖擊器和THUMS模型在轎車和SUV車型上小腿的4個(gè)彎矩Mt對(duì)比。在2種車型上aPLI腿型的小腿彎矩均大于人體模型，在轎車車型脛骨最大彎矩與THUMS模型差異為49%，在SUV車型上差異為23%，脛骨彎矩在轎車上的差異性更大。

圖6 小腿彎矩對(duì)比

脛骨彎矩產(chǎn)生差異的主要原因有2個(gè)方面：第一是由于腿型沖擊器和THUMS模型的膝關(guān)節(jié)中心高度存在差異，THUMS模型的膝關(guān)節(jié)高度更低；第二是腿型沖擊器和THUMS模型在膝關(guān)節(jié)處的剛度存在差異。圖7為25 ms時(shí)，在 轎車中THUMS、aPLI和Flex-PLI的變形情況對(duì)比。從圖中可以看到THUMS模型中金屬吸能件變形較小。THUMS模型在膝關(guān)節(jié)處的剛度相對(duì)于沖擊器偏小，導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)的彎曲角度和剪切位移偏大，小腿上部彎矩偏小。

圖7 轎車25 ms時(shí)變形對(duì)比

2.3.2 股骨彎矩

圖8 為沖擊器和THUMS模型在轎車和SUV車型上大腿的3個(gè)彎矩Mf對(duì)比。在2個(gè)車型上，F(xiàn)lex-PLI的大腿彎矩均比人體模型的小，并且最大差異達(dá)到200 Nm，其主要原因是上體質(zhì)量的影響。TRL腿型最大股骨彎矩在轎車車型上與THUMS模型差異為8.6%，在SUV上差異為22%，在SUV車型上差異更大。差異性產(chǎn)生的原因主要是TRL腿型沒有小腿和上體質(zhì)量，而在轎車上發(fā)動(dòng)機(jī)罩在大腿上的支撐點(diǎn)位置更靠下，小腿質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力矩相對(duì)要小。而在SUV上發(fā)動(dòng)罩的支撐點(diǎn)位置更靠上，導(dǎo)致小腿質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力矩更大，所以相對(duì)來說TRL腿型的大腿彎矩在SUV車型上與THUMS的股骨彎矩的差異性偏大。

圖8 大腿彎矩對(duì)比

aPLI腿型大腿彎矩的最大值在轎車和SUV上與THUMS差異分別2.4%和5.2%，相比于TRL腿型與THUMS模型更為一致，因此在大腿彎矩的評(píng)估中用aPLI腿型的生物逼真度最好。

2.3.3 膝關(guān)節(jié)

圖9 為2種腿型沖擊器和THUMS模型MCL拉伸量的對(duì)比。MCL與膝關(guān)節(jié)彎曲角度密切相關(guān)，可近似用膝關(guān)節(jié)彎曲角度進(jìn)行評(píng)估[13-14]，如圖10定義腿型在車輛縱向垂直平面內(nèi)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為負(fù)，大、小腿旋轉(zhuǎn)角度差值即為膝關(guān)節(jié)的彎曲角度θ。

圖10 腿型旋轉(zhuǎn)角度定義

圖11 為在轎車和SUV車型上，沖擊器和THUMS模型小腿和大腿部位旋轉(zhuǎn)角度的對(duì)比。

結(jié)合圖9和圖11可知，在該轎車車型上，25 ms前aPLI和Flex-PLI差異性不大，25 ms后由于Flex-PLI大腿反彈導(dǎo)致MCL迅速減小，而兩種沖擊器的小腿部分均反彈較早導(dǎo)致MCL與THUMS模型偏小。在SUV車型上，F(xiàn)lex-PLI由于缺乏腳踝部分導(dǎo)致小腿的旋轉(zhuǎn)角度較小，并且缺乏上部質(zhì)量導(dǎo)致大腿部分反彈過早，所以Flex-PLI的MCL較小。aPLI在30 ms之前與人體的MCL基本相同，在30 ms之后由于大腿發(fā)生反彈，導(dǎo)致MCL迅速降低。

圖9 MCL對(duì)比

圖11 旋轉(zhuǎn)角度對(duì)比

總體來看，aPLI腿型的MCL響應(yīng)更接近與THUMS模型，生物逼真度更高。

2.3.4 骨盆

根據(jù)Snedeker等人[11]的研究結(jié)果，發(fā)罩前緣是造成人體骨盆骨折的主要原因。在TRL腿型中的評(píng)價(jià)指標(biāo)中，彎矩跟股骨骨折密切相關(guān)，合力跟骨盆骨折密切相關(guān)[12]。圖12為各腿型在發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣處最大變形量對(duì)比，在轎車車型中4種腿型的最大變形基本都達(dá)到鎖銷位置，而在SUV車型上aPLI腿型的最大變形達(dá)到了鎖銷位置，與THUMS模型差異性較大。

圖12 前緣最大侵入量對(duì)比

圖13 為TRL腿型合力對(duì)比，其中在SUV車型的合力為6.2 kN，超過了TRL腿型評(píng)價(jià)區(qū)間（5～6 kN），預(yù)測(cè)骨盆有很大的損傷風(fēng)險(xiǎn)。

圖13 TRL腿型合力對(duì)比

如圖14所示：在碰撞過程中，THUMS模型中髖臼處的塑性應(yīng)變?chǔ)胚_(dá)到10%，超過THUMS模型骨盆骨折預(yù)測(cè)應(yīng)變1%[13]，即髖骨存在很大骨折風(fēng)險(xiǎn)。THUMS骨盆損傷的主要原因?yàn)镾UV發(fā)罩前緣直接撞擊股骨上段，股骨頭接觸髖臼窩，造成髖骨骨折（見圖15）。由此可知：在SUV車型上，aPLI腿型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣對(duì)人體骨盆造成的損傷評(píng)估不全面。

圖14 SUV車型中髖骨塑性應(yīng)變

圖15 SUV車型撞擊到骨盆位置

3 結(jié) 論

通過對(duì)比腿型沖擊器和THUMS模型在轎車和SUV上動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和損傷響應(yīng)可知，aPLI腿型的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與THUMS模型更為一致，F(xiàn)lex-PLI由于缺乏下部腳踝結(jié)構(gòu)以及上部質(zhì)量塊導(dǎo)致小腿和大腿過早地出現(xiàn)反彈。

在損傷響應(yīng)方面，aPLI和Flex-PLI腿型的脛骨彎矩和MCL均與THUMS模型存在差異，主要原因是膝關(guān)節(jié)的高度差以及剛度的差異造成的，但是aPLI腿型與THUMS更為接近生物逼真度更好。aPLI腿型的大腿彎矩相比于TRL腿型與THUMS更為一致。通過仿真發(fā)現(xiàn)aPLI腿型對(duì)SUV發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣對(duì)骨盆處產(chǎn)生的損傷評(píng)估不全面，所以在aPLI腿型測(cè)試時(shí)，保留TRL上腿型的骨盆評(píng)價(jià)對(duì)行人的損傷評(píng)估更為全面。