行人腿型沖擊器生物力學(xué)響應(yīng)分析

郝賡 段成剛 劉俊杉

關(guān)鍵詞：行人保護，腿型沖擊器，F(xiàn)lex-PLI，F(xiàn)Iex-PLI/UBM，aPLJ

一、概論

車輛對行人下肢的碰撞保護越來越成為汽車行業(yè)內(nèi)研究的熱點與難點，包括股骨骨折、脛骨骨折、韌帶斷裂在內(nèi)的下肢損傷，是行人與車輛碰撞中最易出現(xiàn)的受傷情況[1]。因此，在許多國家或地區(qū)標準法規(guī)或NCAP評價規(guī)程中，都對車輛對行人下肢的碰撞保護進行了評估[2-4]。在評價車輛對行人下肢的保護時，常使用行人假人腿型沖擊器撞擊車輛前端相應(yīng)位置，在撞擊過程中采集沖擊器各個傳感器的信號作為傷害評估指標，從而對車輛對行人碰撞保護能力進行評價。

現(xiàn)階段最常用使用的行人腿型沖擊器為Flex-PLI，ECE R127、Euro NCAP、C-NCAP等相關(guān)法規(guī)與規(guī)程均將Flex-PLI作為車輛行人保護測試所使用的沖擊器。但是隨著研究的深入，F(xiàn)lex-PLI被發(fā)現(xiàn)在一些對較高車輛高度的試驗中不能很好的反應(yīng)實際碰撞情況，同時Flex-PLI對于股骨損傷的評價也與實際情況存在一定差異，這是因為Flex-PLI缺少對人體腿型上部質(zhì)量的模擬，導(dǎo)致生物仿真性上與真實人體存在差異。因此，國外一些組織機構(gòu)針對具有良好生物仿真性的行人腿型沖擊器開展了一系列研究工作。

歐洲seniors-project開展了對Flex-PLI/UBM（Upper Body Mass）研究工作[5]，研究結(jié)果表明在Flex-PLI上部增加了上體質(zhì)量塊UBM的Flex-PLI/UBM腿型沖擊器在碰撞過程中運動姿態(tài)、運動軌跡相比于Flex-PLI更接近實際人體，具有更好的生物仿真性。除Flex-PLI/UBM之外，另外一種先進行人腿型沖擊器（advanced PedestrianLegform Impactor， aPLI）由日本汽車研究所（Japan Automobile ResearchInstitute， JARI）和日本汽車工業(yè)協(xié)會（Japan Automobile ManufacturersAssociation， JAMA）完成開發(fā)設(shè)計。研究發(fā)現(xiàn)[6，7]，無論車輛高度如何變化，經(jīng)過優(yōu)化與改進的aPLI有限元模型和實際測試工具均能有效反應(yīng)人體下肢損傷情況，同樣具有良好的生物仿真性。

圖1 aPLI尺寸示意圖（單位：mm）

二、行人腿型沖擊器結(jié)構(gòu)

Flex-PLI腿型沖擊器由皮膚、肌肉、大腿、小腿、膝部組成。沖擊器總質(zhì)量為13.2kg，F(xiàn)lex-PLI的大腿上裝有三個股骨彎矩傳感器，由上至下依次為Femur-3、Femur-2、Femur-1;小腿上裝有四個脛骨彎矩傳感器，由上至下依次為Tibia-1、Tibia-2、Tibia-3與Tibia-4。股骨與脛骨彎矩傳感器均測量腿型在X軸方向的彎矩。Flex-PLI膝部位置有4個韌帶延伸量傳感器，分別為內(nèi)側(cè)副韌帶MCL、前交叉韌帶ACL、后交叉韌帶PCL和外側(cè)副韌帶LCL，其中LCL是撞擊側(cè)的韌帶，通常在腿型彎曲變形時不會拉伸，因此在測試中并不對該位置的傷害值進行考察。

Flex-PLI/UBM腿型沖擊器是在Flex-PLI腿型沖擊器基礎(chǔ)上增加了上體質(zhì)量塊UBM（Upper Body Mass），其余結(jié)構(gòu)均與Flex-PLI腿型沖擊器相同。沖擊器總質(zhì)量從Flex-PLI的13.2Kg增加到19.9Kg。

APLI腿型沖擊器由皮膚、肌肉、大腿、小腿、膝部、上體模塊（SimplifiedUpper Body Part，SUBP）組成，沖擊器總質(zhì)量為24.7kg。沖擊器的外廓尺寸如圖1所示。沿腿型側(cè)視圖看，大腿和小腿截面從上到下依次減小，大腿的截面比小腿大。

同樣的，aPLI大腿部分裝有三個股骨彎矩傳感器， 由上至下依次為Femur-3、Femur-2、Femur-1;小腿上裝有四個脛骨彎矩傳感器，由上至下依次為Tibia-1、Tibia-2、Tibia-3與Tibia-4，但是傳感器具體的位置與Flex-PLI不同。股骨和脛骨彎矩傳感器測量腿型X軸方向的彎矩。膝部有5個傳感器，其中3個分別測量MCL、ACL和PCL的延伸量，以及1個加速度傳感器測量腿型Y向的碰撞力，1個角速度傳感器測量X向的偏轉(zhuǎn)量。

三、沖擊器撞擊車輛前部結(jié)構(gòu)試驗方法

為了分析三種行人腿型沖擊器的生物力學(xué)響應(yīng)情況，腿型沖擊器被發(fā)射并撞擊至車輛前部結(jié)構(gòu)相應(yīng)位置，以獲取腿型沖擊器各個傳感器采集到的傷害值，分析各項傷害指標的時間歷程曲線并結(jié)合高速攝像系統(tǒng)記錄的腿型沖擊器運動姿態(tài)。本文試驗僅被設(shè)計用于對比腿型沖擊器自身的性能，而影響腿型沖擊器傷害結(jié)果與運動姿態(tài)的因素較多，故試驗中需要排除掉這些因素的影響，如沖擊速度、沖擊目標物，沖擊位置等因素。

本試驗中，F(xiàn)lex-PLI、Flex-PLI/UBM與aPLI三種腿型沖擊器均與同一款車輛進行沖擊試驗，所選用的試驗車輛為某緊湊型SUV。試驗車輛按照C-NCAP評價規(guī)程進行試驗區(qū)域標記，車輛調(diào)整并保持在相應(yīng)的試驗姿態(tài)，同時確定腿型沖擊試驗區(qū)域，從車輛縱向中心平面開始分別向兩側(cè)以每100mm為步長標記腿部試驗網(wǎng)格點，車輛縱向中心平面的網(wǎng)格點為L0，向車輛右側(cè)依次為L+1、L+2、L+3、L+4、L+5等，向車輛左側(cè)依次為L-1、L-2、L-3、L-4、L-5等。

此外，在對比Flex-PLI、Flex-PLI/UBM與aPLI三種腿型沖擊器試驗結(jié)果時，為了消除車輛沖擊位置的影響，三種腿型沖擊器需沖擊同一個試驗位置，并進行比較，以便排除干擾因素，獲得更精確的對比結(jié)果。

試驗中，根據(jù)C-NCAP評價規(guī)程和腿型沖擊器使用手冊分別將Flex-PLI、Flex-PLI/UBM與aPLI三種腿型沖擊器撞擊車輛前部保險杠時刻的高度設(shè)置為75mm、75mm、25mm，設(shè)置腿型沖擊器撞擊時刻的速度為40km/h±0.72km/h。移動腿型發(fā)射設(shè)備調(diào)整至合適的發(fā)射位置，調(diào)整位置時應(yīng)該考慮腿型沖擊器在自由飛行過程中重力的影響，使其有足夠的自由飛行距離，以保證腿型沖擊器撞擊到車輛時刻之前保持合適的姿態(tài)。

腿型沖擊器與車輛發(fā)生撞擊時，沖擊器發(fā)生形變，沖擊器內(nèi)傳感器采集腿型損傷指標，該時刻在傳感器數(shù)據(jù)時間歷程曲線中被定義為T0時刻。在T0時刻之前，各傳感器數(shù)據(jù)應(yīng)被控制在0數(shù)值的一定范圍內(nèi)，保證碰撞時刻腿型沖擊器處于一種自由飛行的運動狀態(tài)，這樣傳感器采集到的傷害指標才有實際意義和可對比性。通常情況下，F(xiàn)lex-PLI考察小腿脛骨的彎矩值、膝部韌帶伸長量，而不考慮大腿股骨的彎矩值。但是出于對比三種腿型沖擊器生物力學(xué)性能的需要，即便Flex-PLI對股骨損傷情況反映存在偏差，也仍有必要考察股骨彎矩，以便和另外兩種沖擊器進行對比。所以三種腿型沖擊器均采集3個股骨彎矩，4個脛骨彎矩和3個膝部韌帶伸長量。

四、L0位置試驗結(jié)果分析

本章節(jié)選取車輛腿型試驗區(qū)的中央點位，即L0點，進行三種腿型沖擊器的對比分析。三種腿型沖擊器各傳感器通道數(shù)據(jù)的時間歷程曲線如圖2所示。

圖2 L0點試驗數(shù)據(jù)曲線

在F lex- P L I試驗中，3個股骨彎矩中的最大值出現(xiàn)在Femur-3位置，為股骨上部彎矩，其最大值為226.4N·m，時間約為碰撞發(fā)生時刻T0后10ms。韌帶延伸量方面，ACL與PCL最大延伸量均在10mm以內(nèi)，在NCAP評價規(guī)程中滿足要求，故考察MCL延伸量，MCL延伸量最大值為11.5mm，且其最大值出現(xiàn)時刻約為28ms。在脛骨傷害值方面，Tibia-2彎矩為4個脛骨彎矩的最大值，即脛骨受到了最大損傷，其彎矩為215.9N·m，且彎矩達到最大值的時刻約21ms?？梢娫擖c位Flex-PLI試驗脛骨彎矩與韌帶伸長量最大值出現(xiàn)時刻較為接近，而股骨彎矩則不然，該現(xiàn)象同樣可以在高速攝像截取畫面中觀察到，如圖3所示。

圖3 L0點高速攝像截圖

由于機罩對股骨的支撐作用，股骨并未發(fā)生明顯變形，而在10ms便恢復(fù)近乎自由態(tài)，但是膝蓋部分和脛骨部分變形在20ms至30ms之間最為嚴重，這也就解釋了股骨、韌帶衍生了與脛骨傷害值最大值出現(xiàn)時間的差異。同樣，這也反應(yīng)了Flex-PLI對股骨損傷情況反映的準確性存在一定缺陷，在實際行人與車輛發(fā)生碰撞時，因為人體上肢擁有較大質(zhì)量，人體會整體向車輛發(fā)動機罩方向跌倒，股骨會隨之產(chǎn)生較大變形。而Flex-PLI因為沒有上肢質(zhì)量，股骨的碰撞變形與真實情況有一定差異，所以其生物仿真性仍有待提高。

增加了UBM質(zhì)量塊的Flex-PLI/UBM沖擊器試驗結(jié)果如圖3所示。L0點Flex-PLI試驗股骨彎矩最大值仍然出現(xiàn)在Femur-3位置，即股骨上部彎矩，最大值為476.1N·m，最大值時刻約為碰撞后12ms時。韌帶延伸量上，最大值出現(xiàn)時刻約為38ms，其中ACL最大值為10.8mm，PCL最大值為9.7mm，MCL最大值較大，為33.4mm。脛骨彎矩出現(xiàn)在Tibia-1位置，即脛骨上部，是最貼近膝蓋部分的脛骨彎矩測量位置，最大值為303.5N·m，出現(xiàn)時刻約為35ms。由此可見，增加了UBM質(zhì)量塊，F(xiàn)lex-PLI/UBM沖擊器的股骨彎矩、韌帶延伸量比Flex-PLI沖擊器顯著增大，脛骨彎矩也有增加，但增加幅度較小。高速攝像截取畫面也能驗證該結(jié)論，在35ms至40ms之間，沖擊器以膝蓋為中心發(fā)生嚴重彎曲，脛骨彎矩與韌帶延伸量在這段時間內(nèi)達到最大值，且脛骨彎矩最大值出現(xiàn)在貼近膝蓋的位置。

三種腿型沖擊器中，aPLI是一種不同于Flex-PLI或Flex-PLI/UBM的全新腿型沖擊器，它的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都不同于Flex-PLI，因此在相同位置的試驗結(jié)果也存在一定差異。在股骨彎矩上，雖然股骨彎矩最大值仍然出現(xiàn)在Femur-3位置，但是數(shù)值上大于Flex-PLI/UBM，達到503.6N·m，最大值出現(xiàn)的時間與Flex-PLI和Flex-PLI/UBM接近，約為碰撞后10ms。膝部韌帶延伸量上，3個韌帶約在30ms時刻達到各自伸長量最大值，MCL最大值為32.8mm，PCL最大值12.8mm，ACL最大值4.9mm，從結(jié)果上看與Flex-PLI/UBM相比，MCL伸長量均較大，但是ACL與PCL大小規(guī)律則相反，aPLI的PCL延伸量大于ACL延伸量，而Flex-PLI/UBM的PCL延伸量小于ACL延伸量。脛骨彎矩上，最大值為375.0N·m，同樣在Tibia-1位置，出現(xiàn)時刻約為碰撞后30ms。高速攝像截取畫面中亦可以觀察到，aPLI腿型沖擊器在20ms至40ms時間段內(nèi)嚴重變形，約60ms時接近恢復(fù)至平直狀態(tài)。

五、L6位置試驗結(jié)果分析

上一章節(jié)在車輛中央位置進行了三種腿型沖擊器的試驗，并進行了對比。而在實際試驗中，車輛邊緣位置由于結(jié)構(gòu)不同于車輛中央位置，并且伴隨著造型上與沖擊方向存在角度，導(dǎo)致腿型沖擊器運動姿態(tài)、傷害值大小上與中央位置的結(jié)果不同。因此在分析腿型沖擊器在碰撞過程中生物力學(xué)響應(yīng)時，是必須考慮到的情況。

該車型試驗中，最邊緣的位置為L+6與L-6位置，因為車輛左右結(jié)果對稱，出于節(jié)約樣件數(shù)量的考慮，aPLI進行了L-6位置試驗，F(xiàn)lex-PLI和Flex-PLI/UBM進行了L+6位置的試驗。

圖4 L6點試驗數(shù)據(jù)曲線

Flex-PLI在L6位置股骨彎矩最大值為157.6N·m，出現(xiàn)在Femur-2位置，時刻約為18ms;MCL、PCL、ACL最大值分別為4.2mm、3.7mm、4.4mm，但是各自最大值時刻并不相同;脛骨彎矩最大值在Tibia-2位置，為155.5N·m，時刻約為10ms。對比L0位置可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)lex-PLI試驗邊緣位置的股骨彎矩、韌帶延伸量和脛骨彎矩均小于車輛中央位置，最大值出現(xiàn)時刻也更提前，高速攝像截取畫面也能觀察到這種情況，F(xiàn)lex-PLI接觸L6位置車輛前部后，輕微變形，伴隨著車輛外形有Z軸方向上的旋轉(zhuǎn)，并迅速劃過碰撞發(fā)生區(qū)域。

圖5 L6點高速攝像截圖

Flex-PLI/UBM在L6位置試驗的股骨最大彎矩出現(xiàn)在Femur-3位置，大小為379.2N·m，出現(xiàn)時刻約為23ms;韌帶延伸量最大值統(tǒng)一出現(xiàn)在約48ms;MCL、PCL、ACL最大值分別為19.3mm、7.3mm、5.7mm;脛骨彎矩出現(xiàn)兩次明顯的波峰，結(jié)合高速攝像可以發(fā)現(xiàn)在碰撞過程中，腿型沖擊器沿Z軸仍有輕微自轉(zhuǎn)，導(dǎo)致脛骨彎矩出現(xiàn)2次波峰。其中第一個峰時間跨度較窄，而第二個峰歷時較長，最大值在第二個峰的Tibia-1位置，為185.8N·m。對比Flex-PLI，F(xiàn)lex-PLI/UBM傷害值均有增加，且沖擊器與車輛接觸碰撞時間變長，沖擊器自身旋轉(zhuǎn)減輕。

aPLI的L6位置試驗中， 股骨彎矩最大值依然出現(xiàn)在Femur-3，約19ms時刻，大小為432.5N·m;MCL、PCL、ACL在約40ms達到各自最大值，分別為23.6mm、9.5mm、3.8mm;脛骨彎矩同樣存在兩個波峰，但是第二個波峰明顯高于第一個波峰且波峰時間跨度接近，最大值在Tibia-1位置，約35ms時達到244.3N·m。高速攝像畫面中可以看到，在20ms至40ms間整個腿型沖擊器嚴重變形，但是自轉(zhuǎn)并不明顯。

六、小結(jié)

本文設(shè)計試驗在同一款SUV中進行了車輛中央位置與車輛邊緣位置兩個試驗點位的行人腿型沖擊試驗，使用Flex-PLI、Flex-PLI/UBM和aPLI三種腿型沖擊器，對2個試驗點位分別進行了試驗。采集腿型沖擊器在碰撞過程中各傳感器通道的損傷指標，研究三種腿型沖擊器傷害指標的時間歷程曲線，并使用高速攝像輔助觀察腿型沖擊器運動姿態(tài)與形變情況，對這三種腿型沖擊器碰撞生物力學(xué)響應(yīng)情況進行對比分析。

對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)lex-PLI由于缺少人體上肢質(zhì)量導(dǎo)致股骨損傷情況與實際情況存在一定差異，股骨變形程度小、彎矩小，并且整個腿型沖擊器的彎曲變形的持續(xù)時間較短。此外，在車輛邊緣點位的試驗中還發(fā)現(xiàn)Flex-PLI沿自身Z軸方向有自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這也是邊緣點位傷害值偏小的一部分原因。

F lex -PLI/UBM是在F lex -PLI上部增加了上體質(zhì)量塊（UBM）。在增加該質(zhì)量塊后，腿型沖擊器在UBM的影響下，股骨彎曲變形情況加劇，比Flex-PLI更接近真實情況。試驗結(jié)果顯示，股骨彎矩和韌帶延伸量均大幅度高于Flex-PLI的結(jié)果，脛骨彎矩有一定程度增加。同時，高速攝像觀察到碰撞中Flex-PLI/UBM腿型整體變形嚴重，彎曲變形持續(xù)時間較長，但是在邊緣點位試驗中仍有輕微的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生。

APLI是一種全新的腿型沖擊器，外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)均不同于Flex-PLI或Flex-PLI/UBM。對aPLI的試驗結(jié)果分析可看出，aPLI的股骨損傷情況同樣比較嚴重，股骨變形程度很大，彎矩數(shù)值較大，膝蓋韌帶也因整體變形嚴重而被嚴重拉長，腿型整體變形嚴重且變形持續(xù)時間較長。在aPLI沖擊車輛邊緣目標點試驗中，腿型在Z軸方向上的自轉(zhuǎn)并不明顯。