轿车与6岁儿童行人不同方位碰撞中下肢损伤分析*

李海岩，李 琨，黄永强，贺丽娟，崔世海，吕文乐，阮世捷

（天津科技大学，现代汽车安全技术国际联合研究中心，天津 300222）

前言

世界卫生组织2018 年统计报告中指出，全球每年有超过135 万人在交通事故中丧生，2 000 万-5 000 万人遭受非致命性损伤，其中大部分终身残疾［1］。儿童行人在交通事故中通常被汽车前部结构所撞［2］，且最容易出现AIS2+的区域位于下肢和头部［3］。在交通事故中，对于儿童而言，由于身体发育和社会经验的局限性，他们显得更弱势。有研究表明，处于4-6 岁和7-9 岁年龄段的儿童下肢损伤占据了最大比例的AIS3+损伤［4］，分别为58%和48%。

由于伦理学原因，近年来世界上几乎没有关于儿童PMHS 的损伤机理研究。在儿童行人保护方面，Euro NCAP［5］中引入了儿童头形冲击器的冲击试验，但是法规中却没有加入儿童行人下肢冲击器的冲击试验。由于有限元仿真分析的快速发展，研究人员可以通过仿真分析的方法开展研究，因此，人体有限元模型在碰撞运动学和损伤生物力学的研究中有了很大的应用，而儿童有限元模型的构建和应用也在快速发展。日本丰田汽车公司开发了THUMS［6］家族系列有限元模型，包括3岁、6岁、10岁儿童有限元模型，以及成人有限元模型；由行业赞助和企业支持的GHBMC 开发了包括乘员和行人姿态中各种体型的详细和简化模型［7］；Nishimura 等［8］通过缩小THUMS 版本的50%美国男性整人模型开发了 6 岁和 9 岁儿童有限元模型；Okamoto 等［9］基于核磁共振扫描获取人体几何参数而开发了6 岁儿童有限元模型，但其材料须进一步改善；Mizuno等［10］通过缩小THUMS中的AM50模型开发了一个3岁的儿童模型；Meng 等［11］基于 GHBMC 开发的 5 百分位成年女性，通过缩放变形技术开发了6 岁儿童行人有限元模型，并进行了有效性验证，但该模型在大脑和胸腹部进行了简化；Ito等［12］根据SAE Technical Standards（2010）［13］对 THUMS 中 3 岁、6 岁、10 岁以及 AM50 模型的姿态进行调整，并进行碰撞试验，对车-人碰撞中的头部损伤机制进行研究。

从2020 年开始，Euro NCAP 行人模型认证技术公告TB024［14］对6 岁儿童行人模型的认证有一个单独的要求，从15 个参数对行人姿态进行要求，且须经过23 步的仿真前检查和仿真后模型响应比较。因此，应用本实验室开发的符合TB024 要求的6 岁儿童行人有限元模型与某款车进行碰撞仿真试验，对不同碰撞角度下的儿童下肢损伤进行分析，对儿童在不同情况下遭受碰撞时的下肢损伤进行深入理解，为儿童行人下肢损伤保护提供参考数据，为汽车前端部造型设计提供参考，同时也为医生处理相关患者提供理论支持。

1 试验方法

本研究使用现代汽车安全技术国际联合研究中心开发的6 岁儿童行人站姿有限元模型。该模型基于一个中国6 岁儿童医学检测CT 数据，参照解剖学结构书籍和文献，先后构建了头部、颈部、胸腹部及下肢等详细结构的有限元模型，并进行了有效性验证［15-19］，最后通过共节点，得到完整的6 岁儿童行人站姿有限元模型。该模型身高113.5 cm，体质量24.8 kg，节点数1 057 830，单元数1 558 836。参考Euro NCAP 行人模型认证技术报告中6 岁儿童行人走姿模型的各个姿态定义参数，调整得到的6 岁儿童行人走姿模型，如图1所示。

图1 6岁儿童行人走姿有限元模型

本研究采用的汽车有限元模型来自美国国家碰撞分析中心NCAC 汽车模型数据库。该款车型通过重构NCAP第3248号刚性壁障正碰实验验证了模型的有效性［20］。考虑到计算效率，在有限元前处理软件Hypermesh 中，对不相关的汽车部件进行删除，并利用集中质量替代简化部分的质量，保证简化后的模型与原始模型具有相同的质量，如图2 所示，最后获得前部结构简化的有限元模型。

图2 简化的小汽车有限元模型

参考Euro NCAP 儿童行人保护相关技术报告［14］要求和Klug 等［21］所开发的一种客观比较人体运动学的程序，在PAM‑CRASH 软件中建立6 岁儿童行人-汽车碰撞仿真试验。汽车以初始碰撞速度40 km/h，侧面撞向行人；行人位于车的中心线距车3 mm 处；人与车之间设有接触，其摩擦因数为0.3［21］；人与地面的摩擦因数为 0.58［22］；在施加有重力场下的碰撞仿真试验。在Euro NCAP TB024 行人模型认证技术报告要求中，汽车-行人碰撞试验撞击位置首先发生在行人模型的右腿处，在本研究中将此碰撞方位称为0°碰撞仿真试验，在相同的仿真试验条件下设置了90°、180°和270°碰撞仿真试验，如图3 所示。0°碰撞为人体的右侧与汽车发生侧面碰撞，汽车保险杠将首先撞击右侧大腿侧面；90°为人体的正面与汽车发生正面碰撞；180°为人体的左侧与汽车发生侧面碰撞，汽车保险杠将首先撞击前侧大腿；270°为人体的背面与汽车发生碰撞。

图3 6岁儿童行人与汽车前端碰撞

2 试验结果

2.1 下肢接触力

图4 为4 种不同碰撞方位下的儿童行人下肢接触力对比。由图可见，90°碰撞试验的下肢接触力为4 组仿真试验中最大的，其数值为5.17 kN，其次为270°碰撞试验的5.14 kN，而0°和180°两组侧面碰撞试验下的下肢接触力最小，分别为4.58和4.27 kN。

2.2 股骨损伤

图 5 分别为 0°、180°、90°碰撞条件下具体的股骨骨折位置，分别位于右腿的骨骺后端处、右腿骨骺后端处和左腿股骨干骨中上部。图6 为股骨最大von Mises 应力云图。4 组试验最大应力均超过114 MPa，但是270°碰撞条件下由于超过此阈值的面积较小，未出现骨折现象。通过仿真试验发现，对于下肢的骨折情况，4 种碰撞角度下，只有270°下的碰撞没有出现骨折。对于侧面碰撞0°和180°，均出现了撞击侧的股骨骨折，但骨折位置不一样。

图4 下肢接触力对比

图5 股骨骨折部位

图6 股骨最大von Mises应力（MPa）

2.3 膝关节韧带损伤

图7 为下肢膝关节韧带损伤示意图。由图7 可见，0°和90°碰撞条件下膝关节韧带损伤最为严重。尤其是0°碰撞条件下对撞侧的膝关节MCL、LCL、ACL、PCL 全部断裂或撕裂，但撞击侧膝关节只出现了MCL 的断裂。对于90°下的膝关节韧带，左膝关节的LCL、PCL、MCL 以及右膝关节的LCL、PCL 发生断裂；对于180°碰撞下的膝关节韧带，左膝关节的LCL 以及右膝关节的 LCL、ACL、PCL 发生断裂。270°碰撞下由于儿童背对汽车，膝关节韧带并未发生断裂情况。

通过试验数据提取下肢膝关节弯曲角度，从膝关节弯曲角度来看，膝关节的损伤情况相当严重，尤其是90°碰撞下儿童行人面对汽车，造成了膝关节反向弯曲，其左膝关节的弯曲角度达到了83.3°，其余3 组试验膝关节最大弯曲角度分别为0°碰撞下左膝关节弯曲58.4°、180°碰撞下右膝关节弯曲61.4°、270°碰撞下左膝关节弯曲64.1°。

图7 不同碰撞角度下的韧带损伤

2.4 膝关节半月板损伤

图8 为4 种碰撞角度下的膝关节半月板最大von Mises 应力时间曲线。由图8 可见，0°侧面碰撞下的左膝关节（对撞侧）和180°碰撞下的右膝关节（对撞侧）的半月板应力值较大，分别为126.2 和233.4 MPa，明显大于90°碰撞下81.2 MPa 以及270°碰撞下87.5 MPa。此外，对于侧面碰撞，不管是0°还是180°，撞击侧均出现股骨骨折，而撞击侧膝关节半月板的最大应力均明显小于对撞侧的。

图8 膝关节半月板最大应力时间曲线

2.5 胫骨和腓骨损伤

图9 为4 种碰撞角度下的胫骨和腓骨的最大应力。在4 组碰撞试验中，儿童行人均没有出现胫骨和腓骨的骨折。对于胫骨，4 种碰撞角度下，均表现出右腿胫骨的最大应力大于左腿胫骨，尤其是90°正面碰撞和270°背面碰撞；最大的胫骨应力出现在背面碰撞下的右腿胫骨上，为53.5 MPa。对于腓骨，0°侧面碰撞和270°背面碰撞的应力相对较大；腓骨最大应力出现在270°背面碰撞下的左腿腓骨上，为51.1 MPa。

图9 胫骨和腓骨的最大应力

2.6 下肢生长板损伤

图10为4种不同碰撞角度下生长板的最大等效应力情况。由图10 可见，在0°碰撞条件下，下肢12块生长板中撞击侧股骨近端生长板等效应力最大，其数值为1.017 MPa；在90°碰撞条件下，左腿股骨远端处生长板等效应力最大，为0.923 MPa；在180°碰撞条件下，左腿（撞击侧）股骨远端处生长板等效应力最大，为1.288 MPa；在270°碰撞条件下，右腿股骨远端处生长板等效应力最大，为0.769 MPa。

3 讨论与结论

表1 列出了4 组仿真试验中下肢损伤情况。从表1 可见，4 种碰撞角度下，除背面碰撞条件，其他3种碰撞角度下均出现股骨骨折。两种侧面碰撞角度下，撞击侧的股骨均出现骨折，但骨折位置不一样，这可能与腿部的运动状态有关，0°碰撞角度下，撞击的是主要承重腿右腿。90°碰撞角度下，虽然保险杠先撞击的是左腿，但右腿的股骨出现骨折且骨折位置与0°碰撞下的一样。表明正面碰撞下，右腿即主要承重腿将受到保险杠更大的冲击，更易发生骨折。而背面碰撞角度下，即使保险杠先撞击的是右腿，但两侧股骨均没出现骨折。综上，表明不同方向的冲击载荷对股骨的损伤有很大影响。

图10 生长板最大等效应力云图（MPa）

从膝关节弯曲角度来看，膝关节的损伤情况相当严重，尤其是90°碰撞下儿童行人面对汽车，造成了膝关节反向弯曲，其左膝关节的弯曲角度达到83.3°。股骨骨折侧的膝关节韧带损伤相比于对侧的膝关节韧带损伤均更轻，尤其是0°碰撞和90°碰撞条件下的韧带损伤；0°碰撞下的对撞侧的膝关节MCL、LCL、ACL、PCL 全部断裂或撕裂，但撞击侧膝关节因为股骨的骨折，从而对膝关节的约束减小，进而韧带损伤较小，只出现了MCL 的断裂。另外，韧带损伤原因也不同，90°碰撞下的韧带损伤是因为过度伸展造成的，而0°碰撞和180°碰撞下的韧带损伤是由侧面碰撞导致的膝关节内翻或外翻导致的；270°碰撞条件下没有出现膝关节韧带的损伤。

表1 下肢损伤分析

从膝关节半月板应力峰值来看，0°碰撞条件下的对撞侧膝关节和180°碰撞条件下的对撞侧膝关节的半月板出现了非常大的应力值，分别为126.2 和233.4 MPa，明显大于其他碰撞角度下的应力峰值。这表明侧面碰撞条件下的对撞侧膝关节半月板有很大的损伤风险。另外，不管是0°碰撞还是180°碰撞条件下，撞击侧膝关节半月板的最大应力均明显小于对撞侧半月板，这是因为在侧面碰撞下，当撞击侧股骨骨折后，该侧膝关节的约束减小，导致撞击侧弯曲角度小于对撞侧，因而等效应力值也较小。

对于胫骨，在270°碰撞下的胫骨加速度最大，为192.8g。通过试验数据发现，主要承受上肢质量的右腿胫骨最大应力均大于左腿。胫骨的最大应力出现在270°碰撞下的右腿胫骨上，为53.5 MPa。对于腓骨，0°侧面碰撞和270°背面碰撞条件下的等效应力相对较大；腓骨最大应力出现在270°背面碰撞下的左腿腓骨上，为51.1 MPa。270°背面碰撞下的下肢虽然没有出现股骨骨折和韧带的损伤，但相对其他3 种碰撞角度，其右腿胫骨和左腿腓骨有最大的损伤风险。

生长板是儿童特有的一种生理结构，它存在于长骨骨骺和干骺端之间，只存在单向软骨增殖与成骨活动，是生长期骨骼的生长发育部位。儿童骨折中15%～30%为生长板损伤［23］。Williams 等［24］在生长板的拉伸力学试验中，测得生长板的平均正切模量为4.26 MPa，极限拉应力为0.98±0.29 MPa。4种不同角度的碰撞仿真试验中，180°碰撞条件下撞击侧股骨远端生长板处等效应力最大，为1.288 MPa，超过了损伤阈值。根据分析，撞击侧股骨近端处生长板在最大等效应力出现的位置发生破坏，由于破坏面积较小且未出现连续破坏，故推断此时生长板会出现第Ⅴ型生长板骨折，这种损伤形式会导致后期股骨骨骼生长出现缺陷，且这类损伤在早期检查中不易被发现，易错过最佳治疗时期［25-26］。

本研究应用符合Euro NCAP 要求的6 岁儿童有限元模型模拟不同碰撞方位下儿童与轿车前端碰撞，旨在探讨汽车行人碰撞过程中6 岁儿童下肢损伤的特点。应用儿童整人有限元模型进行碰撞试验，填补了儿童腿型冲击器试验的空缺，更好地展现儿童在碰撞过程中下肢的运动学过程，且可以更好地对儿童下肢的损伤进行研究。研究发现背面碰撞条件下6 岁儿童下肢受到的伤害是最小的，这可能与下肢关节处的约束作用有较大关系。本研究为儿童行人的保护和儿童下肢损伤的治疗提供了理论依据，为儿童下肢损伤提供了可行的研究方法，为汽车安全技术的研发以及汽车前端部的设计提供数据支持，同时也为行人测试协议中的下肢碰撞评价提供更多的参考。