基于TRL和FLEX—PLI腿型响应的下肢损伤研究

仲衍慧++韩玉环++李博++何成

文章编号：2095-6835（2017）10-0029-03

摘 要：从结构上对比和分析了TRL刚性腿冲击模型和FLEX-PLI柔性腿冲击模型，FLEX-PLI的结构设置使其能更好地模拟实际交通事故中人体腿部的受力情况。在研究过程中，建立了腿部的力学模型，并根据此模型推导了胫骨加速度、胫骨弯矩的计算公式。在实车碰撞实验中，用腿部冲击器冲击车辆前保险杠的3个不同位置，并对TRL和FLEX-PLI腿型响应以及伤害值进行了对比、分析。FLEX-PLI柔性腿对下腿部弯矩和内侧侧副韧带MCL、前十字韧带ACL和后十字韧带PCL拉伸量进行评价，更能反应人体实际受伤情况。

关键词：小腿冲击器；刚性腿冲击模型；柔性腿冲击模型；力学模型

中图分类号：U467.1+4 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.029

在车辆撞击行人而造成重伤的交通事故中，下肢是最容易受到损伤的部位。世界卫生组织统计数据显示，在道路交通事故中，行人占总死亡人数的22%.根据调查，在非致命的汽车撞击行人的事故中，40%的事故属于下肢损伤，且通常受伤严重，极易导致腿部的长期残疾。因此，多国已经将行人下肢列入考察对象，而研究行人的下肢保护具有非常重要的意义。

为此，英国TRL（Transport Research Laboratory）开发了刚性腿冲击模型（TRL）。但是，该冲击器胫骨（tibia） 和股骨（femur）采用刚性材料，膝部韧带采用钢板连接，其生物逼真性受到很大的影响，在测量伤害值方面未考虑到胫骨所受弯曲的影响，存在一定的局限性。此后，日本汽车工业协会（JAMA）和日本汽车研究所（LARI）于2000年开始针对腿部的性能进行研究，并于2002年研发了新型的腿部测试工具。这个工具被称为柔性腿冲击模型（FLEX-PLI），将其制成了较为符合人体膝关节和小腿的仿生结构，能更精确地测量出车辆保险杠对人体腿部造成的伤害等级。

最新E-NCAP行人保护实验规程已于2014年开始施行，并采用柔性腿冲击模型（FLEX-PLI）代替刚性腿冲击模型（TRL）。FLEX-PLI柔性腿将成为未来行人保护腿型实验的主要测试工具。本文进行了多次碰撞实验，并简要介绍FLEX-PLI柔性腿的伤害评估方法。

1 TRL和FLEX-PLI的对比分析

TRL的股骨和胫骨是刚性的，在撞击过程中是不变形的，只有韧带弯曲变形和膝关节相对位移。在结构和性能上，FLEX-PLI与传统的TRL相比，腿骨具有良好的柔韧性，由股骨骨节、胫骨月牙板、弹簧和张紧的钢丝绳4部分组成，弹簧和钢丝绳可模拟处于多種受力状态下的韧带。在撞击过程中，FLEX-PLI可以根据各阶段的受力情况，股骨和胫骨的变形情况，更好地模拟实际交通事故中人体腿部的受力情况。

在伤害指标上，TRL刚性腿评价的3个指标为：胫骨上端的加速度（a）、膝部弯曲角度（Bend Angle）和膝部剪切位移（Shear Displacement）。虽然这些可以反映胫骨上端骨折情况，但无法准确反映行人腿部受撞击后的真实受损情况。而FLEX-PLI柔性把腿部分为了大腿骨、膝盖和胫骨3个部分，评价指标是胫骨上端的加速度（a），4个胫骨弯矩，即上部弯矩、中上部弯矩、中下部弯矩、下部弯矩（Tibia1-4 Moment），3个膝部韧带位移量（内侧侧副韧带MCL，前十字韧带ACL和后十字韧带PCL Elongation）。FLEX-PLI在胫骨和股骨骨节处都装有弯曲力矩和加速度传感器，因此，能够更准确地反应碰撞过程中下肢的伤害情况。

2 腿部模型的运动方程和评价参数的计算方法

2.1 腿部、膝部和脚部的损伤生物力学分析

本文根据实际交通事故中车辆与行人的碰撞事故形式，对下肢损伤模式进行分析。在车辆撞击行人的事故中，主要损伤形式一般为胫骨骨折、内侧侧副韧带损伤、前十字韧带损伤和后十字韧带损伤。

发生碰撞时，车辆首先接触行人的小腿部，人体的小腿部承受横向的受力，从而产生胫骨骨折。因为胫骨处于皮下，所以，其骨折通常属于开放性骨折。大多数骨折发生在胫骨中部和末端1/3之间，此区间具有最小的横截面和最小截面惯性矩的区域。而膝关节受到的反向弯矩和过度拉伸以及胫骨上端受力，是造成前韧带损伤的主要原因。

2.2 腿部模型的运动方程

腿部冲击的数学模型分为大腿骨、膝部和胫骨。根据人体下肢和车辆保险杠撞击的运动模型，当腿部受到车辆撞击时，小腿部产生加速度，膝部产生弯矩和位移。

图1为大腿骨和胫骨的刚性连接模型，其中，大腿骨和胫骨的质量、惯性力矩分别为m1，I1和m2，I2，大腿骨和胫骨受到车的外力Fh、Fb和Fs。

图1 大腿骨和胫骨的刚性连接模型

根据腿部力学模型，膝部位移量为x0，大腿骨和胫骨的重心位移为x1，x2，旋转角度为θ1，θ2，所以，得到运动方程为：

3 TRL和FLEX-PLI腿型的响应性能对比分析

3.1 实验响应分析

根据TRL和FLEX-PLI这2种腿部与车辆前段接触的运动，对实验数据进行分析，得到如下结论：在腿部冲击车辆前保险杠的实验中，膝关节与前保险杠前端接触，膝部发生反向位移，小腿部受到前保险杠下端的冲击，胫骨产生弯矩。TRL刚性腿仅膝部发生弯曲，胫骨加速度的峰值时刻基本对应膝部弯曲角度的最小时刻。FLEX-PLI柔性腿的胫骨弯矩最大值发生在车辆前保险杠下部吸能缓冲件接触的Tibia4上。4个胫骨弯矩（Tibia1-4 Moment）从上（Tibia1）到下（Tibia4）的峰值呈现从大到小的递减趋势，响应时间则相反。TRL的峰值时刻提前于FLEX-PLI的峰值时刻。胫骨弯矩与内侧副韧带MCL的位移量响应曲线在形态上保持一致，在响应开始时刻和峰值时刻整体呈现提前的趋势。FLEX-PLI柔性腿前十字韧带位移量（ACL Elongation）的响应在上升沿的趋势与膝部剪切位移（Shear Displacement）的趋势基本保持一致，峰值时刻呈现接近或者提前的趋势。对于下降沿的响应持续时间，前者比后者响应时间更长。

3.2 伤害值对比分析

由于TRL和FLEX-PLI腿型在结构和传感器设置上相差甚远，直接对比实验结果十分困难。两者的风险评价情况如表1所示。美国高速公路安全管理局（NHTSA）根据2个腿型的损伤类型划分区域进行比较，得到以下位置和计算公式进行伤害对比，为2个腿型的损伤对比提供参考，并分别应用几个车型进行车辆保险杠正中间0位置的沖击对比实验。

结合在美国进行多次实验的结果，并按照计算公式计算。计算结果表明，在大多数车型中，两者的伤害值差距一般保持在25%的误差范围内，且FLEX-PLI柔性腿的3项伤害值评价指标值比TRL刚性腿的伤害值大的情况多。这说明，在车辆保险杠正中间0位置撞击行人腿部的情况下，TRL刚性腿和FLEX-PLI柔性腿的一致性还是比较统一的。

本实验机构运用相同的实验条件和方法，选取了某国内品牌的车辆进行了一次验证实验。实验分别使用TRL刚性腿和FLEX-PLI柔性腿冲击2种车型的前保险杠，冲击速度为40 km/h。TRL距离地面高度为25 mm，FLEX-PLI距离地面高度为75 mm。实验分为3组，分别冲击前保险杠-200，0，500这3个位置，并对结果进行比较、分析。图3为0位置时，以TRL刚性腿的伤害指标作为基准进行伤害值的对比情况。从图3可知，当车辆中间位置撞击行人腿部时，TRL行人腿部模型受到骨折的风险要大于FLEX-PLI，而韧带弯曲风险和韧带韧带剪切风险均小于FLEX-PLI。

当撞击位置为-200和500时，同样，TRL行人腿部模型受骨折的风险要大于FLEX-PLI。当韧带弯曲损伤风险在-200位置时，TRL要小于FLEX-PLI，500位置时两者的风险比较接近。韧带剪切损伤风险在-200位置时，两者几乎保持一致，500位

置的TRL要略大于FLEX-PLI。

本次实验表明，除了骨折风险外，在其他2项评价指标上，FLEX-PLI柔性腿和TRL刚性腿没有呈现普遍性的规律。撞击位置越靠近车辆侧边缘，TRL刚性腿和FLEX-PLI柔性腿的韧带弯曲损伤风险、韧带剪切损伤风险在数值和趋势上越能保持一致。

在撞击位置为500的实验中，TRL和FLEX-PLI的加速度值相差甚远，主要原因是车辆前保险杠高度与内部吸能刚性结构、位置有差异。在评价腿部伤害值时，不仅作用力是重要的评价因素之一，力作用的位置也很重要。在中间0位置和-200的位置上，3项评价指标都比较稳定，控制在1左右的范围；到了边缘500的位置上，TRL的胫骨上端加速度出现了较大的偏差。这说明，对于此车型，碰撞车前端中间部位时，2种腿型的一致性比较好，而到了边缘，加速度上出现了不一致的情况。-200位置伤害对比情况和500位置伤害对比情况如图4、

图5所示。

FLEX-PLI柔性腿对下腿部弯矩和内侧侧副韧带MCL、前十字韧带ACL和后十字韧带PCL拉伸量的评价，更能反映人体的实际受伤情况。现阶段，各国实验也采用FLEX-PLI柔性腿来代替TRL刚性腿。

4 结论

从使用TRL刚性腿和FLEX-PLI柔性腿的比对实验中可以看出：①胫骨加速度与保险杠的形状、刚度、位置和吸能装置的结构有很大关系，胫骨弯矩与受到车辆前段保险杠的力和撞击位置有很大关系；②碰撞位置越靠近车辆边缘，TRL刚性腿和FLEX-PLI柔性腿对骨折风险评价的差异性越大；③膝盖弯曲角度和胫骨重心部位附近所受到的外力对腿部弯矩值的影响很大；④FLEX-PLI在胫骨和股骨骨节处都装有弯曲力矩和加速度传感器，能够更准确地反映碰撞过程中下肢的伤害情况。

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作者简介：仲衍慧（1984—），女，主要从事汽车安全方面的研究。

〔编辑：白洁〕