行人腿型冲击器生物力学响应分析

郝赓 段成刚 刘俊杉

关键词：行人保护，腿型冲击器，Flex-PLI，FIex-PLI/UBM，aPLJ

一、概论

车辆对行人下肢的碰撞保护越来越成为汽车行业内研究的热点与难点，包括股骨骨折、胫骨骨折、韧带断裂在内的下肢损伤，是行人与车辆碰撞中最易出现的受伤情况[1]。因此，在许多国家或地区标准法规或NCAP评价规程中，都对车辆对行人下肢的碰撞保护进行了评估[2-4]。在评价车辆对行人下肢的保护时，常使用行人假人腿型冲击器撞击车辆前端相应位置，在撞击过程中采集冲击器各个传感器的信号作为伤害评估指标，从而对车辆对行人碰撞保护能力进行评价。

现阶段最常用使用的行人腿型冲击器为Flex-PLI，ECE R127、Euro NCAP、C-NCAP等相关法规与规程均将Flex-PLI作为车辆行人保护测试所使用的冲击器。但是随着研究的深入，Flex-PLI被发现在一些对较高车辆高度的试验中不能很好的反应实际碰撞情况，同时Flex-PLI对于股骨损伤的评价也与实际情况存在一定差异，这是因为Flex-PLI缺少对人体腿型上部质量的模拟，导致生物仿真性上与真实人体存在差异。因此，国外一些组织机构针对具有良好生物仿真性的行人腿型冲击器开展了一系列研究工作。

欧洲seniors-project开展了对Flex-PLI/UBM（Upper Body Mass）研究工作[5]，研究结果表明在Flex-PLI上部增加了上体质量块UBM的Flex-PLI/UBM腿型冲击器在碰撞过程中运动姿态、运动轨迹相比于Flex-PLI更接近实际人体，具有更好的生物仿真性。除Flex-PLI/UBM之外，另外一种先进行人腿型冲击器（advanced PedestrianLegform Impactor， aPLI）由日本汽车研究所（Japan Automobile ResearchInstitute， JARI）和日本汽车工业协会（Japan Automobile ManufacturersAssociation， JAMA）完成开发设计。研究发现[6，7]，无论车辆高度如何变化，经过优化与改进的aPLI有限元模型和实际测试工具均能有效反应人体下肢损伤情况，同样具有良好的生物仿真性。

图1 aPLI尺寸示意图（单位：mm）

二、行人腿型冲击器结构

Flex-PLI腿型冲击器由皮肤、肌肉、大腿、小腿、膝部组成。冲击器总质量为13.2kg，Flex-PLI的大腿上装有三个股骨弯矩传感器，由上至下依次为Femur-3、Femur-2、Femur-1;小腿上装有四个胫骨弯矩传感器，由上至下依次为Tibia-1、Tibia-2、Tibia-3与Tibia-4。股骨与胫骨弯矩传感器均测量腿型在X轴方向的弯矩。Flex-PLI膝部位置有4个韧带延伸量传感器，分别为内侧副韧带MCL、前交叉韧带ACL、后交叉韧带PCL和外侧副韧带LCL，其中LCL是撞击侧的韧带，通常在腿型弯曲变形时不会拉伸，因此在测试中并不对该位置的伤害值进行考察。

Flex-PLI/UBM腿型冲击器是在Flex-PLI腿型冲击器基础上增加了上体质量块UBM（Upper Body Mass），其余结构均与Flex-PLI腿型冲击器相同。冲击器总质量从Flex-PLI的13.2Kg增加到19.9Kg。

APLI腿型沖击器由皮肤、肌肉、大腿、小腿、膝部、上体模块（SimplifiedUpper Body Part，SUBP）组成，冲击器总质量为24.7kg。冲击器的外廓尺寸如图1所示。沿腿型侧视图看，大腿和小腿截面从上到下依次减小，大腿的截面比小腿大。

同样的，aPLI大腿部分装有三个股骨弯矩传感器， 由上至下依次为Femur-3、Femur-2、Femur-1;小腿上装有四个胫骨弯矩传感器，由上至下依次为Tibia-1、Tibia-2、Tibia-3与Tibia-4，但是传感器具体的位置与Flex-PLI不同。股骨和胫骨弯矩传感器测量腿型X轴方向的弯矩。膝部有5个传感器，其中3个分别测量MCL、ACL和PCL的延伸量，以及1个加速度传感器测量腿型Y向的碰撞力，1个角速度传感器测量X向的偏转量。

三、冲击器撞击车辆前部结构试验方法

为了分析三种行人腿型冲击器的生物力学响应情况，腿型冲击器被发射并撞击至车辆前部结构相应位置，以获取腿型冲击器各个传感器采集到的伤害值，分析各项伤害指标的时间历程曲线并结合高速摄像系统记录的腿型冲击器运动姿态。本文试验仅被设计用于对比腿型冲击器自身的性能，而影响腿型冲击器伤害结果与运动姿态的因素较多，故试验中需要排除掉这些因素的影响，如冲击速度、冲击目标物，冲击位置等因素。

本试验中，Flex-PLI、Flex-PLI/UBM与aPLI三种腿型冲击器均与同一款车辆进行冲击试验，所选用的试验车辆为某紧凑型SUV。试验车辆按照C-NCAP评价规程进行试验区域标记，车辆调整并保持在相应的试验姿态，同时确定腿型冲击试验区域，从车辆纵向中心平面开始分别向两侧以每100mm为步长标记腿部试验网格点，车辆纵向中心平面的网格点为L0，向车辆右侧依次为L+1、L+2、L+3、L+4、L+5等，向车辆左侧依次为L-1、L-2、L-3、L-4、L-5等。

此外，在对比Flex-PLI、Flex-PLI/UBM与aPLI三种腿型冲击器试验结果时，为了消除车辆冲击位置的影响，三种腿型冲击器需冲击同一个试验位置，并进行比较，以便排除干扰因素，获得更精确的对比结果。

试验中，根据C-NCAP评价规程和腿型冲击器使用手册分别将Flex-PLI、Flex-PLI/UBM与aPLI三种腿型冲击器撞击车辆前部保险杠时刻的高度设置为75mm、75mm、25mm，设置腿型冲击器撞击时刻的速度为40km/h±0.72km/h。移动腿型发射设备调整至合适的发射位置，调整位置时应该考虑腿型冲击器在自由飞行过程中重力的影响，使其有足够的自由飞行距离，以保证腿型冲击器撞击到车辆时刻之前保持合适的姿态。

腿型冲击器与车辆发生撞击时，冲击器发生形变，冲击器内传感器采集腿型损伤指标，该时刻在传感器数据时间历程曲线中被定义为T0时刻。在T0时刻之前，各传感器数据应被控制在0数值的一定范围内，保证碰撞时刻腿型冲击器处于一种自由飞行的运动状态，这样传感器采集到的伤害指标才有实际意义和可对比性。通常情况下，Flex-PLI考察小腿胫骨的弯矩值、膝部韧带伸长量，而不考虑大腿股骨的弯矩值。但是出于对比三种腿型冲击器生物力学性能的需要，即便Flex-PLI对股骨损伤情况反映存在偏差，也仍有必要考察股骨弯矩，以便和另外两种冲击器进行对比。所以三种腿型冲击器均采集3个股骨弯矩，4个胫骨弯矩和3个膝部韧带伸长量。

四、L0位置试验结果分析

本章节选取车辆腿型试验区的中央点位，即L0点，进行三种腿型冲击器的对比分析。三种腿型冲击器各传感器通道数据的时间历程曲线如图2所示。

图2 L0点试验数据曲线

在F lex- P L I试验中，3个股骨弯矩中的最大值出现在Femur-3位置，为股骨上部弯矩，其最大值为226.4N·m，时间约为碰撞发生时刻T0后10ms。韧带延伸量方面，ACL与PCL最大延伸量均在10mm以内，在NCAP评价规程中满足要求，故考察MCL延伸量，MCL延伸量最大值为11.5mm，且其最大值出现时刻约为28ms。在胫骨伤害值方面，Tibia-2弯矩为4个胫骨弯矩的最大值，即胫骨受到了最大损伤，其弯矩为215.9N·m，且弯矩达到最大值的时刻约21ms。可见该点位Flex-PLI试验胫骨弯矩与韧带伸长量最大值出现时刻较为接近，而股骨弯矩则不然，该现象同样可以在高速摄像截取画面中观察到，如图3所示。

圖3 L0点高速摄像截图

由于机罩对股骨的支撑作用，股骨并未发生明显变形，而在10ms便恢复近乎自由态，但是膝盖部分和胫骨部分变形在20ms至30ms之间最为严重，这也就解释了股骨、韧带衍生了与胫骨伤害值最大值出现时间的差异。同样，这也反应了Flex-PLI对股骨损伤情况反映的准确性存在一定缺陷，在实际行人与车辆发生碰撞时，因为人体上肢拥有较大质量，人体会整体向车辆发动机罩方向跌倒，股骨会随之产生较大变形。而Flex-PLI因为没有上肢质量，股骨的碰撞变形与真实情况有一定差异，所以其生物仿真性仍有待提高。

增加了UBM质量块的Flex-PLI/UBM冲击器试验结果如图3所示。L0点Flex-PLI试验股骨弯矩最大值仍然出现在Femur-3位置，即股骨上部弯矩，最大值为476.1N·m，最大值时刻约为碰撞后12ms时。韧带延伸量上，最大值出现时刻约为38ms，其中ACL最大值为10.8mm，PCL最大值为9.7mm，MCL最大值较大，为33.4mm。胫骨弯矩出现在Tibia-1位置，即胫骨上部，是最贴近膝盖部分的胫骨弯矩测量位置，最大值为303.5N·m，出现时刻约为35ms。由此可见，增加了UBM质量块，Flex-PLI/UBM冲击器的股骨弯矩、韧带延伸量比Flex-PLI冲击器显著增大，胫骨弯矩也有增加，但增加幅度较小。高速摄像截取画面也能验证该结论，在35ms至40ms之间，冲击器以膝盖为中心发生严重弯曲，胫骨弯矩与韧带延伸量在这段时间内达到最大值，且胫骨弯矩最大值出现在贴近膝盖的位置。

三种腿型冲击器中，aPLI是一种不同于Flex-PLI或Flex-PLI/UBM的全新腿型冲击器，它的外形和内部结构都不同于Flex-PLI，因此在相同位置的试验结果也存在一定差异。在股骨弯矩上，虽然股骨弯矩最大值仍然出现在Femur-3位置，但是数值上大于Flex-PLI/UBM，达到503.6N·m，最大值出现的时间与Flex-PLI和Flex-PLI/UBM接近，约为碰撞后10ms。膝部韧带延伸量上，3个韧带约在30ms时刻达到各自伸长量最大值，MCL最大值为32.8mm，PCL最大值12.8mm，ACL最大值4.9mm，从结果上看与Flex-PLI/UBM相比，MCL伸长量均较大，但是ACL与PCL大小规律则相反，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。胫骨弯矩上，最大值为375.0N·m，同样在Tibia-1位置，出现时刻约为碰撞后30ms。高速摄像截取画面中亦可以观察到，aPLI腿型冲击器在20ms至40ms时间段内严重变形，约60ms时接近恢复至平直状态。

五、L6位置试验结果分析

上一章节在车辆中央位置进行了三种腿型冲击器的试验，并进行了对比。而在实际试验中，车辆边缘位置由于结构不同于车辆中央位置，并且伴随着造型上与冲击方向存在角度，导致腿型冲击器运动姿态、伤害值大小上与中央位置的结果不同。因此在分析腿型冲击器在碰撞过程中生物力学响应时，是必须考虑到的情况。

该车型试验中，最边缘的位置为L+6与L-6位置，因为车辆左右结果对称，出于节约样件数量的考虑，aPLI进行了L-6位置试验，Flex-PLI和Flex-PLI/UBM进行了L+6位置的试验。

圖4 L6点试验数据曲线

Flex-PLI在L6位置股骨弯矩最大值为157.6N·m，出现在Femur-2位置，时刻约为18ms;MCL、PCL、ACL最大值分别为4.2mm、3.7mm、4.4mm，但是各自最大值时刻并不相同;胫骨弯矩最大值在Tibia-2位置，为155.5N·m，时刻约为10ms。对比L0位置可以发现，Flex-PLI试验边缘位置的股骨弯矩、韧带延伸量和胫骨弯矩均小于车辆中央位置，最大值出现时刻也更提前，高速摄像截取画面也能观察到这种情况，Flex-PLI接触L6位置车辆前部后，轻微变形，伴随着车辆外形有Z轴方向上的旋转，并迅速划过碰撞发生区域。

图5 L6点高速摄像截图

Flex-PLI/UBM在L6位置试验的股骨最大弯矩出现在Femur-3位置，大小为379.2N·m，出现时刻约为23ms;韧带延伸量最大值统一出现在约48ms;MCL、PCL、ACL最大值分别为19.3mm、7.3mm、5.7mm;胫骨弯矩出现两次明显的波峰，结合高速摄像可以发现在碰撞过程中，腿型冲击器沿Z轴仍有轻微自转，导致胫骨弯矩出现2次波峰。其中第一个峰时间跨度较窄，而第二个峰历时较长，最大值在第二个峰的Tibia-1位置，为185.8N·m。对比Flex-PLI，Flex-PLI/UBM伤害值均有增加，且冲击器与车辆接触碰撞时间变长，冲击器自身旋转减轻。

aPLI的L6位置试验中， 股骨弯矩最大值依然出现在Femur-3，约19ms时刻，大小为432.5N·m;MCL、PCL、ACL在约40ms达到各自最大值，分别为23.6mm、9.5mm、3.8mm;胫骨弯矩同样存在两个波峰，但是第二个波峰明显高于第一个波峰且波峰时间跨度接近，最大值在Tibia-1位置，约35ms时达到244.3N·m。高速摄像画面中可以看到，在20ms至40ms间整个腿型冲击器严重变形，但是自转并不明显。

六、小结

本文设计试验在同一款SUV中进行了车辆中央位置与车辆边缘位置两个试验点位的行人腿型冲击试验，使用Flex-PLI、Flex-PLI/UBM和aPLI三种腿型冲击器，对2个试验点位分别进行了试验。采集腿型冲击器在碰撞过程中各传感器通道的损伤指标，研究三种腿型冲击器伤害指标的时间历程曲线，并使用高速摄像辅助观察腿型冲击器运动姿态与形变情况，对这三种腿型冲击器碰撞生物力学响应情况进行对比分析。

对比结果发现，Flex-PLI由于缺少人体上肢质量导致股骨损伤情况与实际情况存在一定差异，股骨变形程度小、弯矩小，并且整个腿型冲击器的弯曲变形的持续时间较短。此外，在车辆边缘点位的试验中还发现Flex-PLI沿自身Z轴方向有自转现象，这也是边缘点位伤害值偏小的一部分原因。

F lex -PLI/UBM是在F lex -PLI上部增加了上体质量块（UBM）。在增加该质量块后，腿型冲击器在UBM的影响下，股骨弯曲变形情况加剧，比Flex-PLI更接近真实情况。试验结果显示，股骨弯矩和韧带延伸量均大幅度高于Flex-PLI的结果，胫骨弯矩有一定程度增加。同时，高速摄像观察到碰撞中Flex-PLI/UBM腿型整体变形严重，弯曲变形持续时间较长，但是在边缘点位试验中仍有轻微的自转现象发生。

APLI是一种全新的腿型冲击器，外形与内部结构均不同于Flex-PLI或Flex-PLI/UBM。对aPLI的试验结果分析可看出，aPLI的股骨损伤情况同样比较严重，股骨变形程度很大，弯矩数值较大，膝盖韧带也因整体变形严重而被严重拉长，腿型整体变形严重且变形持续时间较长。在aPLI冲击车辆边缘目标点试验中，腿型在Z轴方向上的自转并不明显。