基于LS-DYNA的FLEX-PLI冲击器韧带运动成分研究

于 蓝，石向云，舒 壮

(一汽丰田技术开发有限公司 天津300462)

0 引 言

近年来，交通事故中，驾驶员及乘员死亡率逐渐减少，但行人伤亡率呈逐步增高趋势。据统计，2015年我国交通事故中行人伤亡率已占到交通事故伤亡率的1/4以上，因此行人的保护问题显得尤为重要。

本文结合一汽丰田的某款车型，对其进行行人腿部的碰撞仿真分析，根据 CAE分析结果对 MCL(膝部内侧韧带伸长量)这一伤害值进行运动形式分解，得到每个自由度上 MCL伸长成分，将各成分加和与试验结果对比，验证此方法正确性，旨在为今后改善对策的提出提供可靠的理论基础。

1 FLEX-PLI柔性腿模型

1.1 FlEX简介

2013年开始，日本法规和 JNCAP均采用了FLEX-PLI作为行人腿型冲击器。EuroNCAP行人保护碰撞评价也于 2014年起使用 FLEX-PLI替代TRL-LFI作为行人腿型冲击器。人体的胫骨会因为弯曲发生骨折，但TRL下肢冲击器的胫骨部是刚体，因此不会发生弯曲变形。为了实现胫骨和股骨的弯曲，使用 FLEXPLI柔性腿冲击器。此韧带模拟的是人体的右腿部分，左右不对称，冲击器主体由氯丁橡胶和橡胶片制成的皮肤所包裹。

FLEX-PLI仿真模型与物理模型结构和材料一致，运用有限元方法仿真，共35万网格单元。仿真模型与物理模型经过对标试验，可代替物理模型进行开发和研究。FLEX-PLI仿真模型如图1所示。

1.2 行人腿部结构及伤害机理

行人小腿腿部结构中，胫骨和膝部是最容易受伤的重要部位。图 2为膝关节的主要结构示意图，膝部交叉韧带，内外侧副韧带是膝部的主要 4条韧带，也是较易受伤的膝关节软组织。

图1 FLEX-PLI仿真模型Fig.1 FLEX-PLI simulation model

图2 人体膝部关节构造Fig.2 Human knee joint structure

本文主要讨论膝部韧带中在行人保护试验中伸长量最大的韧带 MCL，即膝部内侧副韧带。MCL起自股骨内上髁，向下附于胫骨内侧髁及相邻骨体，与膝关节囊和内侧半月板相连。在 FLEX-PLI模型中，膝部的仿真情况如图3所示。

图3 FLEX-PLI仿真模型膝部构造Fig.3 Knee structure of FLEX-PLI simulation model

1.3 行人保护分析过程

利用 Oasys软件建立行人保护 FLEX-PLI碰撞模型，见图4。

提交LS-DYNA进行计算后，计算结果如图5。

图4 行人保护FLEX-PLI计算模型Fig.4 Pedestrian FLEX-PLI CAE model

图5 碰撞过程截面图Fig.5 Cross section in impact process

2 Flex腿型MCL运动成分解析

如图6所示，腿型冲击器在碰撞过程中受到来自保险杠、下部吸能块、发动机舱罩前沿等车身前部的复杂载荷。碰撞初期，主要来自下部吸能块的撞击力向胫骨施加弯矩，此时，股骨由于受到膝部传来的力矩与大腿部惯性力的分布产生与直接撞击方向相反的弯曲力矩。

将以上伤害形式进行分解，按照自由度分解为6个分量，分别为绕 X、Y、Z轴转动的弯曲变形伸长量和 X、Y、Z 3个方向平动的剪切变形伸长量。具体运动形式图如6所示。

2.1 上下膝部绕Y轴方向转动的运动形式分解

将腿型绕 Y轴方向转动的运动形式投影至 X-Z平面。讨论转动角的正负进行伸长量分解，如图 7所示。

当沿 Y轴正方向转动时，MCL伸长量计算公式如下：

图6 冲击器运动形式汇总Fig.6 Summary of impactor motion forms

图7 冲击器绕Y轴转动运动分解Fig.7 Decomposition of rotation motion of impactor around Y axis

当沿 Y轴负方向转动时，MCL伸长量计算公式如下：

式中：l0为MCL原长，l1为转动后长度，yθ为上膝相对下膝绕Y轴的转动角度。

2.2 上下膝部绕Z轴方向转动的运动形式分解

将腿型绕 Z轴方向转动的运动形式投影至 X-Y平面。讨论转动角的正负进行伸长量分解，如图 8所示。

当沿 Z轴正方向转动时，MCL伸长量计算公式如下：

图8 冲击器绕Z轴转动运动分解Fig.8 Decomposition of rotation motion of impactor around Z axis

当沿 Z轴负方向转动时，MCL伸长量计算公式如下：

式中：l0为MCL原长，l2为转动后长度，zθ为上膝相对下膝绕Z轴的转动角度。

2.3 上下膝部绕X轴方向转动的运动形式分解

将腿型绕 X轴方向转动的运动形式投影至 Y-Z平面。讨论转动角的正负进行伸长量分解，如图 9所示。

图9 冲击器绕X轴转动运动分解Fig.9 Decomposition of rotation motion of impactor around X axis

当沿 X轴正方向转动时，MCL伸长量计算公式如下：

当沿 X轴负方向转动时，MCL伸长量计算公式如下：

式中：l0为MCL原长，l3为转动后长度，xθ为上膝相对下膝绕X轴的转动角度。

2.4 上下膝部沿X轴方向平动的运动形式分解

若 FLEX冲击器上下膝沿 X方向相对平动，见图 10。

其MCL伸长量计算公式如下：

式中：l0为 MCL原长，l4为平动后长度，Δx为上膝相对下膝沿X轴方向的平动距离。

图10 冲击器沿X轴平动运动分解Fig.10 Decomposition of translation motion of impactor around X axis

2.5 上下膝部沿Y轴方向平动的运动形式分解

若 FLEX冲击器上下膝沿 Y方向相对平动，见图 11。

图11 冲击器沿Y轴平动运动分解Fig.11 Decomposition of translation motion of impactor around Y axis

MCL伸长量计算公式如下：

式中：l0为 MCL原长，l5为平动后长度，Δy为上膝相对下膝沿Y轴方向的平动距离。

2.6 上下膝部沿Z轴方向平动的运动形式分解

若 FLEX冲击器上下膝沿 Z方向相对平动，见图12。

图12 冲击器沿Z轴平动运动分解Fig.12 Decomposition of translation motion of impactor around Z axis

其MCL伸长量计算公式如下：

式中：l0为 MCL原长，l6为平动后长度，Δz为上膝相对下膝沿Z轴方向的平动距离。

3 运动形式合成结果与CAE结果对比

结合某车型的3个碰撞点结果，按照以上自由度分解方法进行合成的 MCL伸长量与实际仿真结果进行对比，验证此分解方法的正确性。3个碰撞点位置及合成曲线图见图13—图16。

图13 碰撞点位置Fig.13 Impact point

图14 W0碰撞点MCL伸长量对比Fig.14 MCL elongation at W0 impact point

图15 W242碰撞点MCL伸长量对比Fig.15 MCL elongation at W242 impact point

图16 W548碰撞点MCL伸长量对比Fig16 MCL elongation at W548 impact point

对于以上车辆上不同位置的3个撞击点，此方法与试验结果的拟合效果好，验证了此 MCL伸长量的运动形式分解研究是可靠准确的。

4 结论及展望

本文将膝部内侧韧带 MCL的复杂运动过程分解为6个自由度上的单一运动形式，将复杂运动分解为平动和转动。通过与试验结果对比，验证了此方法的正确性。未来可参考此方法对膝部交叉韧带 ACL和 PCL进行类似的分解研究。另外，可将此方法应用于性能预测和伤害值改善研究，为预测结果的精度提高提供了理论基础。