李海巖，黃盛一，李 琨，崔世海，賀麗娟，呂文樂

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

前言

行人作為弱勢道路使用者（valuable road user，VRU）在按全球道路使用者類型分布統(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］。在我國機(jī)動(dòng)車和非機(jī)動(dòng)車混行的交通模式下，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］通過對數(shù)據(jù)庫中選取的樣本進(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(jì)提供參考。

對處于生長發(fā)育期的兒童行人來說，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，甚至?xí)斐捎谰眯詺埣?，給孩子的心理和家庭帶來巨大影響。

受到倫理學(xué)限制，兒童尸體實(shí)驗(yàn)很難開展，研究人員通過建立數(shù)字模型對兒童下肢碰撞損傷機(jī)理進(jìn)行了一些研究。近20 年來，Liu 等［9］和Okamoto 等［10］應(yīng)用所開發(fā)的六歲兒童有限元模型開展了下肢損傷仿真分析。Yao 等［11］通過縮放一個(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，并開展研究工作。近年來，Meng 等［12］通過縮放變形技術(shù)開發(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-車輛碰撞是一個(gè)復(fù)雜的場景，損傷程度受到很多因素影響，如何有效地設(shè)計(jì)汽車前端部結(jié)構(gòu)，以減少兒童行人損傷風(fēng)險(xiǎn)，需要對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)代汽車安全技術(shù)國際聯(lián)合研究中心開發(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 類通用車型的簡化模型，綜合探究碰撞速度和車輛前端部形狀對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，并通過非線性回歸建立下肢損傷預(yù)測模型，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)過驗(yàn)證［21］的4 類車型汽車前端部簡化模型，其前端部特征如圖1所示。4種車型涵蓋家庭汽車（FCR）、跑車（RDS）、多用途汽車（MPV）和運(yùn)動(dòng)型多用途汽車（SUV）。表1 為4 種車型的前端結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 汽車前端結(jié)構(gòu)參數(shù)mm

圖1 汽車前端部特征示意圖

仿真行人模型采用天津科技大學(xué)現(xiàn)代汽車安全技術(shù)國際聯(lián)合研究中心開發(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)105.8萬個(gè)，單元數(shù)155.9萬個(gè)。

仿真設(shè)置行人右側(cè)為撞擊側(cè)，頭部質(zhì)心設(shè)置在車輛縱向中心線上。車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］，仿真過程在重力場g下進(jìn)行。仿真運(yùn)行時(shí)長設(shè)置為100 ms，時(shí)間步長設(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)車和非機(jī)動(dòng)車混行道路限速范圍，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 類車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)，而對撞側(cè)較為安全。RDS 車型在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。同等車速下RDS 撞擊行人對脛骨腓骨造成的損傷最小，MPV、SUV造成損傷較大。

2.2 生長板應(yīng)力

生長板是六歲兒童下肢的生理特征，其損傷將會(huì)影響兒童生長發(fā)育。32 組仿真中遠(yuǎn)近端生長板隨碰撞速度變化如圖5 所示。碰撞速度低于30 km/h 時(shí)，六歲兒童下肢生長板應(yīng)力最大處均位于對撞側(cè)股骨遠(yuǎn)心端。FCR 在碰撞速度達(dá)到50 km/h 后生長板應(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。參考生長板損傷閾值［26］可知，MPV、RDS車型分別達(dá)到45、50 km/h速度時(shí)，會(huì)有兒童生長板損傷風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 生長板最大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)碰撞模擬過程中的直線AB 和直線CD 在任意方向上的角度變化來代表膝關(guān)節(jié)彎曲角度變化。由圖6（b）和圖6（c）可見，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 車型與六歲兒童行人碰撞在撞擊側(cè)和對撞側(cè)膝關(guān)節(jié)彎曲角度均最小，同一類車型，撞擊側(cè)膝關(guān)節(jié)彎曲角度小于對撞側(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，對撞側(cè)的韌帶斷裂數(shù)量多于撞擊側(cè)，對撞側(cè)外側(cè)副韌帶LCL 最易發(fā)生損傷，對撞側(cè)MCL 損傷時(shí)刻最早。4 類車型中，RDS 對行人膝關(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 碰撞速度和車型對韌帶斷裂的影響

2.4 下肢長骨彎矩

彎矩通常被用來評(píng)價(jià)下肢長骨損傷，在最新版C-NCAP 行人測試協(xié)議中，用柔性腿型沖擊器對行人下肢股骨和脛骨進(jìn)行損傷測評(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 類車型和碰撞速度的變化關(guān)系如圖9 所示?？梢钥闯觯晒菑澗鼐晒晒沁h(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 長骨截面彎矩與碰撞速度和車型的關(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55.5 cm，4 類車型保險(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)行人右手臂與車輛接觸也對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-車碰撞中，汽車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 類車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。

生長板是未成熟四肢長骨的生長區(qū)域，在兒童骨骼發(fā)育生長過程中起著關(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)股骨近心端處生長板應(yīng)力超過閾值［26］。FCR 車型保險(xiǎn)杠相對擾流板和進(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板平行，對生長板損傷影響較小。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，對撞側(cè)膝關(guān)節(jié)向碰撞反方向彎曲，MCL伸長過度造成斷裂。撞擊側(cè)MCL 和對撞側(cè)LCL 是由于行人雙腳離開地面導(dǎo)致雙腿向撞擊方向彎曲，過度伸長導(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)對撞側(cè)膝關(guān)節(jié)并沒有向撞擊方向的反向彎曲。

仿真中測得，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°。

在車輛-行人碰撞的復(fù)雜工況中，行人下肢直接與車輛前端部接觸，因此汽車前端部結(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，對彎曲角度進(jìn)行預(yù)測，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)測模型可以反推出各車型導(dǎo)致3種韌帶斷裂時(shí)的碰撞速度，將預(yù)測的韌帶斷裂速度區(qū)間與仿真中各車型的韌帶斷裂速度區(qū)間進(jìn)行比較，以此來驗(yàn)證該預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。預(yù)測結(jié)果與仿真結(jié)果對比如表2 所示。該預(yù)測模型精準(zhǔn)度高達(dá)75%，擁有良好的預(yù)測精準(zhǔn)度，能用來預(yù)測撞擊側(cè)膝關(guān)節(jié)彎曲角度，從而通過膝關(guān)節(jié)彎曲角度判斷六歲兒童行人與汽車碰撞時(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)力分析下肢長骨損傷存在差異。von Mises應(yīng)力通過單元節(jié)點(diǎn)失效評(píng)價(jià)損傷，彎矩通過長骨截面動(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)下肢長骨的損傷情況。因此，在對兒童下肢長骨進(jìn)行損傷分析時(shí)，綜合兩種因素分析，將更有效地預(yù)測兒童下肢長骨損傷。通過兩種評(píng)價(jià)方法可以判斷FCR、MPV、SUV 對股骨、脛骨造成骨折風(fēng)險(xiǎn)的速度均為25 km/h，RDS 對股骨、脛骨造成骨折風(fēng)險(xiǎn)的速度分別為25、30 km/h。因此，可以參考下肢長骨是否損傷來評(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)測模型具有良好的擬合精度，4 個(gè)截面彎矩預(yù)測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)測模型

為驗(yàn)證該結(jié)果的準(zhǔn)確性，另外選取一種實(shí)車模型進(jìn)行驗(yàn)證，如圖12所示。該實(shí)車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)測結(jié)果對比如表3 所示。多數(shù)預(yù)測結(jié)果與仿真結(jié)果誤差均控制在15%以內(nèi)，可以較好地預(yù)測出行人小腿脛骨各點(diǎn)所受彎矩。通過脛骨動(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)測模型可為兒童柔性腿的開發(fā)、行人安全法規(guī)制定和數(shù)字化測評(píng)提供參考依據(jù)。

表3 對比結(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 類通用車型的簡化模型，設(shè)置32 組六歲兒童行人-車輛碰撞仿真，綜合探究碰撞速度和車輛前端部高度對六歲兒童行人下肢交通損傷的影響，并通過預(yù)測模型探究損傷評(píng)價(jià)方法，得到以下結(jié)論。

（1）由于兒童身高特征，碰撞速度和汽車復(fù)雜前端部形狀對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骨骨折和膝關(guān)節(jié)損傷程度。當(dāng)碰撞速度超過45 km/h時(shí)，兒童生長板有損傷的風(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)測模型，并通過反求驗(yàn)證該模型精準(zhǔn)度高達(dá)75%，擁有良好的預(yù)測精準(zhǔn)度，應(yīng)用該預(yù)測模型可對膝關(guān)節(jié)損傷進(jìn)行預(yù)測。

（3）基于仿真數(shù)據(jù)，建立兒童下肢長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骨骨折。通過擬合小腿彎矩?cái)?shù)據(jù)，建立了精度較高的六歲兒童行人小腿彎矩預(yù)測模型，結(jié)合下肢長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)字化測評(píng)提供科學(xué)依據(jù)。

附錄1 下肢長骨最大von Mises 應(yīng)力云圖