李海巖，黃盛一，李 琨，崔世海，賀麗娟，呂文樂(lè)

（1. 天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 天津 300222； 2. 現(xiàn)代汽車(chē)安全技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心，天津 300222）

前言

行人作為弱勢(shì)道路使用者（valuable road user，VRU）在按全球道路使用者類(lèi)型分布統(tǒng)計(jì)的死亡人數(shù)中占到22%［1］。Untaroiu 等［2］發(fā)現(xiàn)所有AIS2 +損傷中下肢損傷占比最高，達(dá)到32.6%。行人在交通事故中通常被汽車(chē)前部結(jié)構(gòu)所撞［3］。統(tǒng)計(jì)表明，下肢受傷的主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)罩邊緣和保險(xiǎn)杠直接接觸產(chǎn)生的沖擊力，且近95%的行人意外交通事故發(fā)生在撞擊速度低于60 km/h［4］。在我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)和非機(jī)動(dòng)車(chē)混行的交通模式下，行人頭頸部和下肢的損傷占事故總數(shù)的70%以上［5］。Wang等［6］通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中選取的樣本進(jìn)行方差檢驗(yàn)和邏輯回歸分析，發(fā)現(xiàn)撞擊速度、下保險(xiǎn)杠高度和發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前緣高度越高，發(fā)生AIS 2+下肢損傷的可能性越大。張冠軍等［7］通過(guò)提取77款SUV 車(chē)型特征參數(shù)，研究了SUV 車(chē)型對(duì)行人下肢損傷的影響，并為SUV 前端造型設(shè)計(jì)提供參考。

對(duì)處于生長(zhǎng)發(fā)育期的兒童行人來(lái)說(shuō)，其社會(huì)經(jīng)驗(yàn)和交通意識(shí)不足，使其很難準(zhǔn)確判斷所處環(huán)境，突然的道路危險(xiǎn)行為難以讓駕駛員及時(shí)做出反應(yīng)。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(jù)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(dǎo)致兒童死亡，但受傷康復(fù)期較長(zhǎng)，甚至?xí)斐捎谰眯詺埣?，給孩子的心理和家庭帶來(lái)巨大影響。

受到倫理學(xué)限制，兒童尸體實(shí)驗(yàn)很難開(kāi)展，研究人員通過(guò)建立數(shù)字模型對(duì)兒童下肢碰撞損傷機(jī)理進(jìn)行了一些研究。近20 年來(lái)，Liu 等［9］和Okamoto 等［10］應(yīng)用所開(kāi)發(fā)的六歲兒童有限元模型開(kāi)展了下肢損傷仿真分析。Yao 等［11］通過(guò)縮放一個(gè)已被驗(yàn)證的成人多體模型得到一個(gè)七歲的兒童行人多體模型，并開(kāi)展研究工作。近年來(lái)，Meng 等［12］通過(guò)縮放變形技術(shù)開(kāi)發(fā)了六歲兒童行人有限元模型GHBMC 6Y0-PS。應(yīng)用人體數(shù)字模型研究人員對(duì)影響損傷的因素進(jìn)行相關(guān)研究，如發(fā)現(xiàn)年齡差異會(huì)造成顯著的關(guān)節(jié)損傷差異［13］，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［14-15］。Ivarsson 等［16］結(jié)合了成人結(jié)構(gòu)特性、損傷標(biāo)準(zhǔn)的比例和兒童尸體材料的試驗(yàn)結(jié)果，分別對(duì)下肢損傷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估，這些標(biāo)準(zhǔn)可良好地適用于六歲行人被橫向撞擊的模擬分析。應(yīng)用具有詳細(xì)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的六歲兒童行人人體損傷模型，黃永強(qiáng)［17］和李海巖等［18-19］提出碰撞角度、車(chē)輛前端離地高度等因素影響脛骨、腓骨和膝關(guān)節(jié)韌帶的損傷程度，且對(duì)撞側(cè)的膝關(guān)節(jié)彎曲角度、韌帶損傷和半月板損傷風(fēng)險(xiǎn)均明顯高于撞擊側(cè)。這些研究對(duì)兒童行人下肢損傷的某一影響因素進(jìn)行了分析，然而兒童行人-車(chē)輛碰撞是一個(gè)復(fù)雜的場(chǎng)景，損傷程度受到很多因素影響，如何有效地設(shè)計(jì)汽車(chē)前端部結(jié)構(gòu)，以減少兒童行人損傷風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)兒童行人下肢損傷機(jī)理進(jìn)行更加深入地分析。

本文中采用天津科技大學(xué)現(xiàn)代汽車(chē)安全技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心開(kāi)發(fā)的六歲兒童行人損傷仿生模型（TUST IBMs 6YO-P）以及Euro NCAP 行人評(píng)價(jià)規(guī)程所列4 類(lèi)通用車(chē)型的簡(jiǎn)化模型，綜合探究碰撞速度和車(chē)輛前端部形狀對(duì)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(dǎo)致的損傷差異性，并通過(guò)非線性回歸建立下肢損傷預(yù)測(cè)模型，為行人保護(hù)裝置研發(fā)、安全法規(guī)制定、AEB作用效果評(píng)價(jià)和數(shù)字化測(cè)評(píng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 方法

本研究采用Euro NCAP 行人模型認(rèn)證技術(shù)公告［20］給出的具有代表性且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證［21］的4 類(lèi)車(chē)型汽車(chē)前端部簡(jiǎn)化模型，其前端部特征如圖1所示。4種車(chē)型涵蓋家庭汽車(chē)（FCR）、跑車(chē)（RDS）、多用途汽車(chē)（MPV）和運(yùn)動(dòng)型多用途汽車(chē)（SUV）。表1 為4 種車(chē)型的前端結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 汽車(chē)前端結(jié)構(gòu)參數(shù)mm

圖1 汽車(chē)前端部特征示意圖

仿真行人模型采用天津科技大學(xué)現(xiàn)代汽車(chē)安全技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心開(kāi)發(fā)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(xì)的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)特征，且參照歐洲新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程（Euro NCAP）頒布的行人人體模型認(rèn)證技術(shù)公告TB024 進(jìn)行對(duì)標(biāo)驗(yàn)證［22］。模型身高113.5 cm，體質(zhì)量24.8 kg，節(jié)點(diǎn)數(shù)105.8萬(wàn)個(gè)，單元數(shù)155.9萬(wàn)個(gè)。

仿真設(shè)置行人右側(cè)為撞擊側(cè)，頭部質(zhì)心設(shè)置在車(chē)輛縱向中心線上。車(chē)輛與行人模型外表面的摩擦因數(shù)設(shè)置為0.3［20］，腳與地面的摩擦因數(shù)為0.58［23］，仿真過(guò)程在重力場(chǎng)g下進(jìn)行。仿真運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為100 ms，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1×10-4ms，輸出的時(shí)間間隔設(shè)置為0.1 ms。參考通常機(jī)動(dòng)車(chē)和非機(jī)動(dòng)車(chē)混行道路限速范圍，碰撞速度區(qū)間定為25～60 km/h，每組相差5 km/h，共32組，初始狀態(tài)如圖3所示。

圖3 碰撞初始狀態(tài)

2 結(jié)果

2.1 下肢長(zhǎng)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(cè)下肢長(zhǎng)骨最大von Mises 應(yīng)力云圖如附錄1 所示。根據(jù)文獻(xiàn)，股骨的損傷閾值為114 MPa［24］，4 類(lèi)車(chē)型與六歲兒童行人碰撞的最大von Mises應(yīng)力均位于撞擊側(cè)股骨大轉(zhuǎn)子附近。隨著碰撞速度提高，撞擊側(cè)大轉(zhuǎn)子附近有骨折的風(fēng)險(xiǎn)，而對(duì)撞側(cè)較為安全。RDS 車(chē)型在30 km/h 的碰撞速度下就會(huì)有股骨骨折風(fēng)險(xiǎn)，而MPV、SUV 則在45 km/h及以上時(shí)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(yīng)力也均出現(xiàn)在撞擊側(cè)，且多數(shù)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(fā)現(xiàn)FCR、MPV、SUV 車(chē)型均會(huì)造成脛、腓骨骨折風(fēng)險(xiǎn)。低速碰撞中行人最大應(yīng)力均位于撞擊側(cè)脛骨近心端骨頭下方，隨著碰撞速度提高轉(zhuǎn)移到脛骨頭四周。盡管RDS 車(chē)型未有骨折風(fēng)險(xiǎn)，但應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置有所不同，低于45 km/h的碰撞速度時(shí)脛腓骨的最大應(yīng)力位于腓骨中部，碰撞速度達(dá)到50 km/h 后位于脛骨頭下端。同等車(chē)速下RDS 撞擊行人對(duì)脛骨腓骨造成的損傷最小，MPV、SUV造成損傷較大。

2.2 生長(zhǎng)板應(yīng)力

生長(zhǎng)板是六歲兒童下肢的生理特征，其損傷將會(huì)影響兒童生長(zhǎng)發(fā)育。32 組仿真中遠(yuǎn)近端生長(zhǎng)板隨碰撞速度變化如圖5 所示。碰撞速度低于30 km/h 時(shí)，六歲兒童下肢生長(zhǎng)板應(yīng)力最大處均位于對(duì)撞側(cè)股骨遠(yuǎn)心端。FCR 在碰撞速度達(dá)到50 km/h 后生長(zhǎng)板應(yīng)力最大處位于撞擊側(cè)股骨近心端，60 km/h后位于撞擊側(cè)脛骨遠(yuǎn)心端。RDS、SUV 分別在40、60 km/h 的速度后生長(zhǎng)板最大應(yīng)力位于撞擊側(cè)股骨近心端。MPV情況較復(fù)雜，在40、45、50 km/h的速度下生長(zhǎng)板最大應(yīng)力分別位于撞擊側(cè)脛骨遠(yuǎn)心端、股骨近心端、股骨遠(yuǎn)心端，50 km/h后位于股骨近心端。參考生長(zhǎng)板損傷閾值［26］可知，MPV、RDS車(chē)型分別達(dá)到45、50 km/h速度時(shí)，會(huì)有兒童生長(zhǎng)板損傷風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 生長(zhǎng)板最大von Mises應(yīng)力隨碰撞速度的變化曲線

2.3 膝關(guān)節(jié)損傷評(píng)價(jià)

如圖6（a）所示，利用四點(diǎn)法［27］在股骨和脛骨上分別取 A、B、C、D 4 個(gè)點(diǎn)用整個(gè)碰撞模擬過(guò)程中的直線AB 和直線CD 在任意方向上的角度變化來(lái)代表膝關(guān)節(jié)彎曲角度變化。由圖6（b）和圖6（c）可見(jiàn)，膝關(guān)節(jié)彎曲角度隨著碰撞速度和前端部高度增加而增加，RDS 車(chē)型與六歲兒童行人碰撞在撞擊側(cè)和對(duì)撞側(cè)膝關(guān)節(jié)彎曲角度均最小，同一類(lèi)車(chē)型，撞擊側(cè)膝關(guān)節(jié)彎曲角度小于對(duì)撞側(cè)。

圖6 兒童下肢膝關(guān)節(jié)彎曲角度隨碰撞速度的變化

圖7 為32 組仿真中行人膝關(guān)節(jié)韌帶損傷情況。隨著碰撞速度提高，韌帶損傷風(fēng)險(xiǎn)加劇，斷裂時(shí)刻提前，對(duì)撞側(cè)的韌帶斷裂數(shù)量多于撞擊側(cè)，對(duì)撞側(cè)外側(cè)副韌帶LCL 最易發(fā)生損傷，對(duì)撞側(cè)MCL 損傷時(shí)刻最早。4 類(lèi)車(chē)型中，RDS 對(duì)行人膝關(guān)節(jié)韌帶造成的損傷最小，碰撞速度達(dá)到60 km/h 時(shí)對(duì)撞側(cè)有4 根韌帶斷裂，MPV 造成的損傷最嚴(yán)重，55 km/h 的碰撞速度下導(dǎo)致7 根韌帶斷裂。當(dāng)碰撞速度高于45 km/h 時(shí)，對(duì)撞側(cè)膝關(guān)節(jié)韌帶在41 ms內(nèi)全部發(fā)生斷裂。

圖7 碰撞速度和車(chē)型對(duì)韌帶斷裂的影響

2.4 下肢長(zhǎng)骨彎矩

彎矩通常被用來(lái)評(píng)價(jià)下肢長(zhǎng)骨損傷，在最新版C-NCAP 行人測(cè)試協(xié)議中，用柔性腿型沖擊器對(duì)行人下肢股骨和脛骨進(jìn)行損傷測(cè)評(píng)。本研究參照柔性腿沖擊器提出六歲兒童行人下肢彎矩評(píng)價(jià)方法。由于兒童下肢與成人有著明顯區(qū)別，因此參照CNCAP 中所規(guī)定的計(jì)算截面彎矩位置等比例在六歲兒童行人下肢上建立7 個(gè)位置，測(cè)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(lèi)車(chē)型和碰撞速度的變化關(guān)系如圖9 所示?？梢钥闯?，股骨彎矩均由股骨遠(yuǎn)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(xiàn)良好的正相關(guān)關(guān)系。

圖9 長(zhǎng)骨截面彎矩與碰撞速度和車(chē)型的關(guān)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(guó)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(zhǎng)55.5 cm，4 類(lèi)車(chē)型保險(xiǎn)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(xiǎn)杠主要沖擊的位置靠近撞擊側(cè)股骨近心端，隨碰撞速度提高股骨骨折風(fēng)險(xiǎn)加劇，骨折風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域位于股骨大轉(zhuǎn)子附近。而對(duì)撞側(cè)因撞擊側(cè)的緩沖作用并未有骨折風(fēng)險(xiǎn)。碰撞時(shí)行人右手臂與車(chē)輛接觸也對(duì)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(zhuǎn)子等高，碰撞初始手部與車(chē)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(xiǎn)杠較高，直接撞擊部位與股骨大轉(zhuǎn)子等高，造成大轉(zhuǎn)子處直接骨折的風(fēng)險(xiǎn)。

人-車(chē)碰撞中，汽車(chē)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(shí)，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(chē)前端持續(xù)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(lèi)車(chē)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(yīng)力更高。

生長(zhǎng)板是未成熟四肢長(zhǎng)骨的生長(zhǎng)區(qū)域，在兒童骨骼發(fā)育生長(zhǎng)過(guò)程中起著關(guān)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(huì)持續(xù)到成年以后。32 組仿真中，MPV 與RDS 車(chē)型在碰撞速度達(dá)到45 km/h 時(shí)兒童行人出現(xiàn)撞擊側(cè)股骨近心端處生長(zhǎng)板應(yīng)力超過(guò)閾值［26］。FCR 車(chē)型保險(xiǎn)杠相對(duì)擾流板和進(jìn)氣格柵較突出，主要撞擊大腿中下部，突出的保險(xiǎn)杠第一撞擊位置并不與生長(zhǎng)板平行，對(duì)生長(zhǎng)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(zhǎng)板應(yīng)力未超出損傷閾值。

行人交通事故中膝關(guān)節(jié)韌帶是最易受到損傷的部位，且較嚴(yán)重。仿真中發(fā)現(xiàn)，由于碰撞時(shí)保險(xiǎn)杠凹陷，對(duì)撞側(cè)膝關(guān)節(jié)向碰撞反方向彎曲，MCL伸長(zhǎng)過(guò)度造成斷裂。撞擊側(cè)MCL 和對(duì)撞側(cè)LCL 是由于行人雙腳離開(kāi)地面導(dǎo)致雙腿向撞擊方向彎曲，過(guò)度伸長(zhǎng)導(dǎo)致斷裂。兩側(cè)PCL和ACL都是由于隨著雙腿繼續(xù)朝撞擊側(cè)彎曲導(dǎo)致斷裂。而撞擊側(cè)LCL未發(fā)生斷裂主要是由于撞擊時(shí)對(duì)撞側(cè)膝關(guān)節(jié)并沒(méi)有向撞擊方向的反向彎曲。

仿真中測(cè)得，F(xiàn)CR、MPV、SUV 與兒童行人碰撞中撞擊側(cè)MCL 斷裂的最小膝關(guān)節(jié)彎曲角度為FCR在25 km/h 時(shí)的26.8°，而RDS 撞擊側(cè)MCL 始終未出現(xiàn)斷裂，其未斷裂的最大膝關(guān)節(jié)彎曲角度為60 km/h時(shí)的24.9°。因此，結(jié)合膝關(guān)節(jié)彎曲角度和韌帶斷裂損傷可以得出撞擊側(cè)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(cè)ACL 為38.6±0.7°，撞擊側(cè)PCL為43.2±0.2°。

在車(chē)輛-行人碰撞的復(fù)雜工況中，行人下肢直接與車(chē)輛前端部接觸，因此汽車(chē)前端部結(jié)構(gòu)形狀直接影響行人碰撞的運(yùn)動(dòng)學(xué)及下肢各部位的損傷。對(duì)32 組仿真數(shù)據(jù)綜合分析發(fā)現(xiàn)，碰撞速度與前端結(jié)構(gòu)對(duì)膝關(guān)節(jié)彎曲角度和膝關(guān)節(jié)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(cè)膝關(guān)節(jié)彎曲角度與碰撞速度和前保險(xiǎn)杠高度的關(guān)系，對(duì)彎曲角度進(jìn)行預(yù)測(cè)，判斷撞擊側(cè)韌帶的損傷風(fēng)險(xiǎn)。最終采用冪函數(shù)與線性函數(shù)復(fù)合形式得到預(yù)測(cè)函數(shù)表達(dá)式：

式中：xh為前保險(xiǎn)杠高度；xv為碰撞速度。圖10顯示了三維預(yù)測(cè)模型圖，該模型P-Value 為3.19 × 10-27，相關(guān)系數(shù)為0.802，均方根誤差RMSE為3.82，展現(xiàn)出較高的擬合精準(zhǔn)度。

圖10 膝關(guān)節(jié)彎曲角度預(yù)測(cè)模型

基于前文總結(jié)出撞擊側(cè)MCL 斷裂角度為25.9±0.9°，撞擊側(cè)ACL 為38.6±0.7°，撞擊側(cè)PCL 為43.2±0.2°。使用預(yù)測(cè)模型可以反推出各車(chē)型導(dǎo)致3種韌帶斷裂時(shí)的碰撞速度，將預(yù)測(cè)的韌帶斷裂速度區(qū)間與仿真中各車(chē)型的韌帶斷裂速度區(qū)間進(jìn)行比較，以此來(lái)驗(yàn)證該預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性。預(yù)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如表2 所示。該預(yù)測(cè)模型精準(zhǔn)度高達(dá)75%，擁有良好的預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度，能用來(lái)預(yù)測(cè)撞擊側(cè)膝關(guān)節(jié)彎曲角度，從而通過(guò)膝關(guān)節(jié)彎曲角度判斷六歲兒童行人與汽車(chē)碰撞時(shí)撞擊側(cè)膝關(guān)節(jié)韌帶的損傷風(fēng)險(xiǎn)。

表2 驗(yàn)證結(jié)果

Ivarsson 等［8］通過(guò)靜動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換系數(shù)將尸體實(shí)驗(yàn)靜態(tài)彎矩轉(zhuǎn)換到動(dòng)態(tài)彎矩，得到六歲兒童股骨、脛骨動(dòng)態(tài)斷裂彎矩閾值分別為73.3 和57.6 N·m。應(yīng)用該損傷閾值分析224 個(gè)彎矩值，發(fā)現(xiàn)4 種車(chē)型均在25 km/h以上的碰撞速度會(huì)產(chǎn)生股骨骨折的風(fēng)險(xiǎn)，而脛骨只有RDS 在30 km/h 以上的碰撞速度會(huì)有骨折風(fēng)險(xiǎn)，其余均為25 km/h，這與應(yīng)用von Mises 應(yīng)力分析下肢長(zhǎng)骨損傷存在差異。von Mises應(yīng)力通過(guò)單元節(jié)點(diǎn)失效評(píng)價(jià)損傷，彎矩通過(guò)長(zhǎng)骨截面動(dòng)態(tài)斷裂彎矩評(píng)價(jià)損傷，二者雖評(píng)價(jià)方式不同，但均可以良好地體現(xiàn)下肢長(zhǎng)骨的損傷情況。因此，在對(duì)兒童下肢長(zhǎng)骨進(jìn)行損傷分析時(shí)，綜合兩種因素分析，將更有效地預(yù)測(cè)兒童下肢長(zhǎng)骨損傷。通過(guò)兩種評(píng)價(jià)方法可以判斷FCR、MPV、SUV 對(duì)股骨、脛骨造成骨折風(fēng)險(xiǎn)的速度均為25 km/h，RDS 對(duì)股骨、脛骨造成骨折風(fēng)險(xiǎn)的速度分別為25、30 km/h。因此，可以參考下肢長(zhǎng)骨是否損傷來(lái)評(píng)價(jià)AEB（autonomous emergency braking）系統(tǒng)的作用效果。

雖然保險(xiǎn)杠主要撞擊位置均為兒童行人股骨，但每輛車(chē)保險(xiǎn)杠高度與形狀均不同且撞擊點(diǎn)有差距，導(dǎo)致受力方向改變，截面彎矩情況復(fù)雜。而脛骨主要與擾流板撞擊，每輛車(chē)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(guī)律性。因此，本研究應(yīng)用規(guī)律性較好的脛骨截面彎矩與擾流板離地高度、碰撞速度來(lái)進(jìn)行非線性回歸分析。最優(yōu)回歸結(jié)果如圖11 所示。預(yù)測(cè)模型具有良好的擬合精度，4 個(gè)截面彎矩預(yù)測(cè)模型均采用一次函數(shù)與二次函數(shù)組合形式，其具體公式為

圖11 脛骨截面彎矩預(yù)測(cè)模型

為驗(yàn)證該結(jié)果的準(zhǔn)確性，另外選取一種實(shí)車(chē)模型進(jìn)行驗(yàn)證，如圖12所示。該實(shí)車(chē)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(shè)置與32組仿真相同，仿真結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比如表3 所示。多數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果誤差均控制在15%以?xún)?nèi)，可以較好地預(yù)測(cè)出行人小腿脛骨各點(diǎn)所受彎矩。通過(guò)脛骨動(dòng)態(tài)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(yù)測(cè)模型可為兒童柔性腿的開(kāi)發(fā)、行人安全法規(guī)制定和數(shù)字化測(cè)評(píng)提供參考依據(jù)。

表3 對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)論

采用具有詳細(xì)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)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(rèn)證技術(shù)公告給出的4 類(lèi)通用車(chē)型的簡(jiǎn)化模型，設(shè)置32 組六歲兒童行人-車(chē)輛碰撞仿真，綜合探究碰撞速度和車(chē)輛前端部高度對(duì)六歲兒童行人下肢交通損傷的影響，并通過(guò)預(yù)測(cè)模型探究損傷評(píng)價(jià)方法，得到以下結(jié)論。

（1）由于兒童身高特征，碰撞速度和汽車(chē)復(fù)雜前端部形狀對(duì)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(xiǎn)杠高度直接影響下肢長(zhǎng)骨骨折和膝關(guān)節(jié)損傷程度。當(dāng)碰撞速度超過(guò)45 km/h時(shí)，兒童生長(zhǎng)板有損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）分析撞擊側(cè)膝關(guān)節(jié)彎曲角度和韌帶斷裂數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膝關(guān)節(jié)彎曲角度為25.9±0.9°、38.6±0.7°、43.2±0.2°，撞擊側(cè)MCL、ACL、PCL 相繼發(fā)生斷裂。采用非線性回歸方法研究了碰撞速度、前保險(xiǎn)杠高度對(duì)膝關(guān)節(jié)彎曲角度的影響，得到冪函數(shù)與線性函數(shù)復(fù)合形式的預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)反求驗(yàn)證該模型精準(zhǔn)度高達(dá)75%，擁有良好的預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度，應(yīng)用該預(yù)測(cè)模型可對(duì)膝關(guān)節(jié)損傷進(jìn)行預(yù)測(cè)。

（3）基于仿真數(shù)據(jù)，建立兒童下肢長(zhǎng)骨骨折綜合判斷方法，發(fā)現(xiàn)碰撞速度在25 km/h以上將造成六歲兒童行人長(zhǎng)骨骨折。通過(guò)擬合小腿彎矩?cái)?shù)據(jù)，建立了精度較高的六歲兒童行人小腿彎矩預(yù)測(cè)模型，結(jié)合下肢長(zhǎng)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(fēng)險(xiǎn)，該結(jié)果可用于對(duì)AEB系統(tǒng)防護(hù)作用效果的評(píng)價(jià)。

綜上，該研究將為行人安全法規(guī)制定、行人保護(hù)裝置研發(fā)、AEB 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和數(shù)字化測(cè)評(píng)提供科學(xué)依據(jù)。

附錄1 下肢長(zhǎng)骨最大von Mises 應(yīng)力云圖