行人-车辆碰撞中六岁儿童下肢损伤分析及预测 *
2023-06-25李海岩黄盛一崔世海贺丽娟吕文乐
李海岩，黄盛一，李 琨，崔世海，贺丽娟，吕文乐
（1. 天津科技大学机械工程学院， 天津 300222； 2. 现代汽车安全技术国际联合研究中心，天津 300222）
前言
行人作为弱势道路使用者（valuable road user，VRU）在按全球道路使用者类型分布统计的死亡人数中占到22%［1］。Untaroiu 等［2］发现所有AIS2 +损伤中下肢损伤占比最高，达到32.6%。行人在交通事故中通常被汽车前部结构所撞［3］。统计表明，下肢受伤的主要原因是发动机罩边缘和保险杠直接接触产生的冲击力，且近95%的行人意外交通事故发生在撞击速度低于60 km/h［4］。在我国机动车和非机动车混行的交通模式下，行人头颈部和下肢的损伤占事故总数的70%以上［5］。Wang等［6］通过对数据库中选取的样本进行方差检验和逻辑回归分析，发现撞击速度、下保险杠高度和发动机盖前缘高度越高，发生AIS 2+下肢损伤的可能性越大。张冠军等［7］通过提取77款SUV 车型特征参数，研究了SUV 车型对行人下肢损伤的影响，并为SUV 前端造型设计提供参考。
对处于生长发育期的儿童行人来说，其社会经验和交通意识不足，使其很难准确判断所处环境，突然的道路危险行为难以让驾驶员及时做出反应。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，分别为58%和48%［8］。虽然下肢损伤很少导致儿童死亡，但受伤康复期较长，甚至会造成永久性残疾，给孩子的心理和家庭带来巨大影响。
受到伦理学限制，儿童尸体实验很难开展，研究人员通过建立数字模型对儿童下肢碰撞损伤机理进行了一些研究。近20 年来，Liu 等［9］和Okamoto 等［10］应用所开发的六岁儿童有限元模型开展了下肢损伤仿真分析。Yao 等［11］通过缩放一个已被验证的成人多体模型得到一个七岁的儿童行人多体模型，并开展研究工作。近年来，Meng 等［12］通过缩放变形技术开发了六岁儿童行人有限元模型GHBMC 6Y0-PS。应用人体数字模型研究人员对影响损伤的因素进行相关研究，如发现年龄差异会造成显著的关节损伤差异［13］，碰撞速度和行人年龄是影响行人下肢严重损伤的显著性因素［14-15］。Ivarsson 等［16］结合了成人结构特性、损伤标准的比例和儿童尸体材料的试验结果，分别对下肢损伤标准进行评估，这些标准可良好地适用于六岁行人被横向撞击的模拟分析。应用具有详细解剖学结构的六岁儿童行人人体损伤模型，黄永强［17］和李海岩等［18-19］提出碰撞角度、车辆前端离地高度等因素影响胫骨、腓骨和膝关节韧带的损伤程度，且对撞侧的膝关节弯曲角度、韧带损伤和半月板损伤风险均明显高于撞击侧。这些研究对儿童行人下肢损伤的某一影响因素进行了分析，然而儿童行人-车辆碰撞是一个复杂的场景，损伤程度受到很多因素影响，如何有效地设计汽车前端部结构，以减少儿童行人损伤风险，需要对儿童行人下肢损伤机理进行更加深入地分析。
本文中采用天津科技大学现代汽车安全技术国际联合研究中心开发的六岁儿童行人损伤仿生模型（TUST IBMs 6YO-P）以及Euro NCAP 行人评价规程所列4 类通用车型的简化模型，综合探究碰撞速度和车辆前端部形状对六岁儿童行人下肢交通损伤的影响，深入分析速度与前端形状导致的损伤差异性，并通过非线性回归建立下肢损伤预测模型，为行人保护装置研发、安全法规制定、AEB作用效果评价和数字化测评提供科学依据。
1 方法
本研究采用Euro NCAP 行人模型认证技术公告［20］给出的具有代表性且经过验证［21］的4 类车型汽车前端部简化模型，其前端部特征如图1所示。4种车型涵盖家庭汽车（FCR）、跑车（RDS）、多用途汽车（MPV）和运动型多用途汽车（SUV）。表1 为4 种车型的前端结构参数。
表1 汽车前端结构参数mm
图1 汽车前端部特征示意图
仿真行人模型采用天津科技大学现代汽车安全技术国际联合研究中心开发的具有高生物逼真度的六岁儿童行人损伤仿生模型（TUST IBMs 6YOP）［17］，如图2 所示。该模型具有详细的解剖学结构特征，且参照欧洲新车评价规程（Euro NCAP）颁布的行人人体模型认证技术公告TB024 进行对标验证［22］。模型身高113.5 cm，体质量24.8 kg，节点数105.8万个，单元数155.9万个。
仿真设置行人右侧为撞击侧，头部质心设置在车辆纵向中心线上。车辆与行人模型外表面的摩擦因数设置为0.3［20］，脚与地面的摩擦因数为0.58［23］，仿真过程在重力场g下进行。仿真运行时长设置为100 ms，时间步长设置为1×10-4ms，输出的时间间隔设置为0.1 ms。参考通常机动车和非机动车混行道路限速范围，碰撞速度区间定为25～60 km/h，每组相差5 km/h，共32组，初始状态如图3所示。
图3 碰撞初始状态
2 结果
2.1 下肢长骨受力
32组仿真中下肢最大接触力如图4所示。行人下肢最大接触力随碰撞速度的增加而增加。同速度下，SUV 造成的下肢接触力最大，其次为MPV、FCR，RDS最小。
图4 下肢最大接触力随碰撞速度的变化曲线
32 组仿真中撞击侧下肢长骨最大von Mises 应力云图如附录1 所示。根据文献，股骨的损伤阈值为114 MPa［24］，4 类车型与六岁儿童行人碰撞的最大von Mises应力均位于撞击侧股骨大转子附近。随着碰撞速度提高，撞击侧大转子附近有骨折的风险，而对撞侧较为安全。RDS 车型在30 km/h 的碰撞速度下就会有股骨骨折风险，而MPV、SUV 则在45 km/h及以上时FCR则为50 km/h。
同样地，如附录1 所示胫骨和腓骨最大von Mises 应力也均出现在撞击侧，且多数情况下胫骨受力大于腓骨。参照胫骨和腓骨的损伤阈值98.2 MPa［25］，可发现FCR、MPV、SUV 车型均会造成胫、腓骨骨折风险。低速碰撞中行人最大应力均位于撞击侧胫骨近心端骨头下方，随着碰撞速度提高转移到胫骨头四周。尽管RDS 车型未有骨折风险，但应力最大值出现的位置有所不同，低于45 km/h的碰撞速度时胫腓骨的最大应力位于腓骨中部，碰撞速度达到50 km/h 后位于胫骨头下端。同等车速下RDS 撞击行人对胫骨腓骨造成的损伤最小，MPV、SUV造成损伤较大。
2.2 生长板应力
生长板是六岁儿童下肢的生理特征，其损伤将会影响儿童生长发育。32 组仿真中远近端生长板随碰撞速度变化如图5 所示。碰撞速度低于30 km/h 时，六岁儿童下肢生长板应力最大处均位于对撞侧股骨远心端。FCR 在碰撞速度达到50 km/h 后生长板应力最大处位于撞击侧股骨近心端，60 km/h后位于撞击侧胫骨远心端。RDS、SUV 分别在40、60 km/h 的速度后生长板最大应力位于撞击侧股骨近心端。MPV情况较复杂，在40、45、50 km/h的速度下生长板最大应力分别位于撞击侧胫骨远心端、股骨近心端、股骨远心端，50 km/h后位于股骨近心端。参考生长板损伤阈值［26］可知，MPV、RDS车型分别达到45、50 km/h速度时，会有儿童生长板损伤风险。
图5 生长板最大von Mises应力随碰撞速度的变化曲线
2.3 膝关节损伤评价
如图6（a）所示，利用四点法［27］在股骨和胫骨上分别取 A、B、C、D 4 个点用整个碰撞模拟过程中的直线AB 和直线CD 在任意方向上的角度变化来代表膝关节弯曲角度变化。由图6（b）和图6（c）可见，膝关节弯曲角度随着碰撞速度和前端部高度增加而增加，RDS 车型与六岁儿童行人碰撞在撞击侧和对撞侧膝关节弯曲角度均最小，同一类车型，撞击侧膝关节弯曲角度小于对撞侧。
图6 儿童下肢膝关节弯曲角度随碰撞速度的变化
图7 为32 组仿真中行人膝关节韧带损伤情况。随着碰撞速度提高，韧带损伤风险加剧，断裂时刻提前，对撞侧的韧带断裂数量多于撞击侧，对撞侧外侧副韧带LCL 最易发生损伤，对撞侧MCL 损伤时刻最早。4 类车型中，RDS 对行人膝关节韧带造成的损伤最小，碰撞速度达到60 km/h 时对撞侧有4 根韧带断裂，MPV 造成的损伤最严重，55 km/h 的碰撞速度下导致7 根韧带断裂。当碰撞速度高于45 km/h 时，对撞侧膝关节韧带在41 ms内全部发生断裂。
图7 碰撞速度和车型对韧带断裂的影响
2.4 下肢长骨弯矩
弯矩通常被用来评价下肢长骨损伤，在最新版C-NCAP 行人测试协议中，用柔性腿型冲击器对行人下肢股骨和胫骨进行损伤测评。本研究参照柔性腿冲击器提出六岁儿童行人下肢弯矩评价方法。由于儿童下肢与成人有着明显区别，因此参照CNCAP 中所规定的计算截面弯矩位置等比例在六岁儿童行人下肢上建立7 个位置，测量股骨及胫骨弯矩，如图8所示。
图8 六岁儿童行人下肢截面弯矩示意图
儿童行人下肢弯矩随4 类车型和碰撞速度的变化关系如图9 所示。可以看出，股骨弯矩均由股骨远心端向股骨近心端增大，即F1
图9 长骨截面弯矩与碰撞速度和车型的关系
3 讨论与分析
研究采用的六岁儿童行人身高为113.5 cm，接近中国第50 百分位六岁女孩身高117.7 cm［28］。由于TUST IBMs 6YO-P 模型下肢长55.5 cm，4 类车型保险杠高度分别为：FCR， 546.0 mm；RDS， 502.5 mm；MPV， 587.1 mm；SUV，603.5 mm。因此，保险杠主要冲击的位置靠近撞击侧股骨近心端，随碰撞速度提高股骨骨折风险加剧，骨折风险区域位于股骨大转子附近。而对撞侧因撞击侧的缓冲作用并未有骨折风险。碰撞时行人右手臂与车辆接触也对下肢受力起到缓冲作用，RDS前端部高度最低，前端部较平，直接撞击部位与股骨大转子等高，碰撞初始手部与车辆有接触，但缓冲作用很小，大腿受力较高，股骨较FCR更易骨折。而MPV 与SUV 保险杠较高，直接撞击部位与股骨大转子等高，造成大转子处直接骨折的风险。
人-车碰撞中，汽车扰流板首先撞击行人小腿，下肢胫骨腓骨损伤主要是由扰流板造成。RDS扰流板离地高度最低，扰流板突出部位直接撞击行人小腿中部，碰撞速度低于45 km/h 时，行人损伤在小腿腓骨中部，但随着碰撞速度提高，胫骨头附近在车前端持续的冲击下受力增大，最大受力位置位于胫骨头附近。另外3 类车型扰流板离地高度更大，扰流板撞击位置更靠近小腿上部。因此，扰流板离地高度越大，小腿受力位置越靠近胫骨近心端，承受应力更高。
生长板是未成熟四肢长骨的生长区域，在儿童骨骼发育生长过程中起着关键作用，也是儿童骨骼最薄弱和最易骨折的部位，其损伤的影响往往会持续到成年以后。32 组仿真中，MPV 与RDS 车型在碰撞速度达到45 km/h 时儿童行人出现撞击侧股骨近心端处生长板应力超过阈值［26］。FCR 车型保险杠相对扰流板和进气格栅较突出，主要撞击大腿中下部，突出的保险杠第一撞击位置并不与生长板平行，对生长板损伤影响较小。SUV 前端部较高，在撞击的瞬间行人整体与前端相撞，受力均匀，生长板应力未超出损伤阈值。
行人交通事故中膝关节韧带是最易受到损伤的部位，且较严重。仿真中发现，由于碰撞时保险杠凹陷，对撞侧膝关节向碰撞反方向弯曲，MCL伸长过度造成断裂。撞击侧MCL 和对撞侧LCL 是由于行人双脚离开地面导致双腿向撞击方向弯曲，过度伸长导致断裂。两侧PCL和ACL都是由于随着双腿继续朝撞击侧弯曲导致断裂。而撞击侧LCL未发生断裂主要是由于撞击时对撞侧膝关节并没有向撞击方向的反向弯曲。
仿真中测得，FCR、MPV、SUV 与儿童行人碰撞中撞击侧MCL 断裂的最小膝关节弯曲角度为FCR在25 km/h 时的26.8°，而RDS 撞击侧MCL 始终未出现断裂，其未断裂的最大膝关节弯曲角度为60 km/h时的24.9°。因此，结合膝关节弯曲角度和韧带断裂损伤可以得出撞击侧MCL 的临界弯曲角度为25.9±0.9°，采用相同的方法可得撞击侧ACL 为38.6±0.7°，撞击侧PCL为43.2±0.2°。
在车辆-行人碰撞的复杂工况中，行人下肢直接与车辆前端部接触，因此汽车前端部结构形状直接影响行人碰撞的运动学及下肢各部位的损伤。对32 组仿真数据综合分析发现，碰撞速度与前端结构对膝关节弯曲角度和膝关节韧带损伤有直接影响。研究采用非线性回归方法分析撞击侧膝关节弯曲角度与碰撞速度和前保险杠高度的关系，对弯曲角度进行预测，判断撞击侧韧带的损伤风险。最终采用幂函数与线性函数复合形式得到预测函数表达式：
式中：xh为前保险杠高度；xv为碰撞速度。图10显示了三维预测模型图，该模型P-Value 为3.19 × 10-27，相关系数为0.802，均方根误差RMSE为3.82，展现出较高的拟合精准度。
图10 膝关节弯曲角度预测模型
基于前文总结出撞击侧MCL 断裂角度为25.9±0.9°，撞击侧ACL 为38.6±0.7°，撞击侧PCL 为43.2±0.2°。使用预测模型可以反推出各车型导致3种韧带断裂时的碰撞速度，将预测的韧带断裂速度区间与仿真中各车型的韧带断裂速度区间进行比较，以此来验证该预测模型的准确性。预测结果与仿真结果对比如表2 所示。该预测模型精准度高达75%，拥有良好的预测精准度，能用来预测撞击侧膝关节弯曲角度，从而通过膝关节弯曲角度判断六岁儿童行人与汽车碰撞时撞击侧膝关节韧带的损伤风险。
表2 验证结果
Ivarsson 等［8］通过静动态转换系数将尸体实验静态弯矩转换到动态弯矩，得到六岁儿童股骨、胫骨动态断裂弯矩阈值分别为73.3 和57.6 N·m。应用该损伤阈值分析224 个弯矩值，发现4 种车型均在25 km/h以上的碰撞速度会产生股骨骨折的风险，而胫骨只有RDS 在30 km/h 以上的碰撞速度会有骨折风险，其余均为25 km/h，这与应用von Mises 应力分析下肢长骨损伤存在差异。von Mises应力通过单元节点失效评价损伤，弯矩通过长骨截面动态断裂弯矩评价损伤，二者虽评价方式不同，但均可以良好地体现下肢长骨的损伤情况。因此，在对儿童下肢长骨进行损伤分析时，综合两种因素分析，将更有效地预测儿童下肢长骨损伤。通过两种评价方法可以判断FCR、MPV、SUV 对股骨、胫骨造成骨折风险的速度均为25 km/h，RDS 对股骨、胫骨造成骨折风险的速度分别为25、30 km/h。因此，可以参考下肢长骨是否损伤来评价AEB（autonomous emergency braking）系统的作用效果。
虽然保险杠主要撞击位置均为儿童行人股骨，但每辆车保险杠高度与形状均不同且撞击点有差距，导致受力方向改变，截面弯矩情况复杂。而胫骨主要与扰流板撞击，每辆车的扰流板形状相似，且胫骨为第二撞击位置，受缓冲后有一定规律性。因此，本研究应用规律性较好的胫骨截面弯矩与扰流板离地高度、碰撞速度来进行非线性回归分析。最优回归结果如图11 所示。预测模型具有良好的拟合精度，4 个截面弯矩预测模型均采用一次函数与二次函数组合形式，其具体公式为
图11 胫骨截面弯矩预测模型
为验证该结果的准确性，另外选取一种实车模型进行验证，如图12所示。该实车模型扰流板离地间隙为279.6 mm。选取42.5 km/h作为初始碰撞速度，其余设置与32组仿真相同，仿真结果与预测结果对比如表3 所示。多数预测结果与仿真结果误差均控制在15%以内，可以较好地预测出行人小腿胫骨各点所受弯矩。通过胫骨动态断裂弯矩阈值57.6 N·m可以反求出造成小腿骨折的最低碰撞速度为17.94 km/h。该方法和预测模型可为儿童柔性腿的开发、行人安全法规制定和数字化测评提供参考依据。
表3 对比结果
4 结论
采用具有详细解剖学结构特征的六岁儿童行人损伤仿生模型（TUST IBMs 6YO-P）以及Euro NCAP行人模型认证技术公告给出的4 类通用车型的简化模型，设置32 组六岁儿童行人-车辆碰撞仿真，综合探究碰撞速度和车辆前端部高度对六岁儿童行人下肢交通损伤的影响，并通过预测模型探究损伤评价方法，得到以下结论。
（1）由于儿童身高特征，碰撞速度和汽车复杂前端部形状对六岁儿童行人下肢损伤有显著影响。碰撞速度和前端部及保险杠高度直接影响下肢长骨骨折和膝关节损伤程度。当碰撞速度超过45 km/h时，儿童生长板有损伤的风险。
（2）分析撞击侧膝关节弯曲角度和韧带断裂数据发现，当膝关节弯曲角度为25.9±0.9°、38.6±0.7°、43.2±0.2°，撞击侧MCL、ACL、PCL 相继发生断裂。采用非线性回归方法研究了碰撞速度、前保险杠高度对膝关节弯曲角度的影响，得到幂函数与线性函数复合形式的预测模型，并通过反求验证该模型精准度高达75%，拥有良好的预测精准度，应用该预测模型可对膝关节损伤进行预测。
（3）基于仿真数据，建立儿童下肢长骨骨折综合判断方法，发现碰撞速度在25 km/h以上将造成六岁儿童行人长骨骨折。通过拟合小腿弯矩数据，建立了精度较高的六岁儿童行人小腿弯矩预测模型，结合下肢长骨骨折综合判断方法反求出碰撞速度高于17.94 km/h 有小腿骨折的风险，该结果可用于对AEB系统防护作用效果的评价。
综上，该研究将为行人安全法规制定、行人保护装置研发、AEB 系统设计和数字化测评提供科学依据。
附录1 下肢长骨最大von Mises 应力云图
