基于Euro NCAP典型工况的儿童行人下肢损伤评估方法研究*

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

道路交通伤害是所有年龄组死亡的第8 大原因，是5～29 岁儿童和年轻人的首要死亡原因。行人在交通事故中通常被汽车前部结构所撞。根据Reith 等研究显示，行人道路交通损伤中最容易出现AIS2+的区域位于行人下肢。

由于伦理学的约束，儿童尸体试验方法开展的损伤机理研究进展较为缓慢，应用计算模型的仿真得到了快速发展。在汽车评价规程中，Euro NCAP在最新版行人测试协议中引入了儿童头形冲击器的冲击试验，但在Euro NCAP 技术协议和ECE R127 法规中却仅对成人下肢冲击器外形和损伤阈值进行规定，而在儿童行人下肢冲击器的结构和下肢损伤阈值并未明确规定。聂冰冰等分析了汽车前部结构造型因素对行人髋部碰撞的影响，提出了以降低碰撞能量输入为目标的车型外轮廓设计方法，并建立了髋部冲击器与某车型发动机罩前缘碰撞模型。王丙雨等研究发现，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。张冠军等通过提取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。胡林等根据中国交通事故深入研究（China in-depth accident study，CIDAS）数据库的真实行人事故案例对事故进行重建，结果显示年轻组和老年组损伤风险存在差异。曲志冬等在研究行人年龄和汽车前端结构对下肢损伤的影响时发现不同年龄会造成关节损伤的显著差异；汽车前端结构影响行人下肢损伤的部位，且较小的离地间隙和较宽的前端结构造成的下肢损伤较小。李海岩等通过构建具有真实人体结构的6 岁儿童有限元模型并与某一车型进行碰撞仿真，发现不同碰撞方位对于儿童下肢损伤有较大影响。

现阶段的仿真主要集中在成年行人下肢损伤研究中，儿童尸体试验的禁令使儿童尸体试验的测试研究不可能实现，且考虑到现如今市场中汽车类型更加多元化，因此非常有必要通过具有详细解剖学结构的高生物仿真度儿童行人有限元模型，研究不同类型汽车前端结构对儿童行人损伤的差异。本文中应用现代汽车安全技术国际联合研究中心开发的符合Euro NCAP TB024要求的6 岁儿童行人有限元模型与Euro NCAP 所提供的4 种不同车型进行碰撞仿真，对儿童在4 种典型工况下遭受碰撞时的下肢损伤进行深入分析，为儿童行人下肢损伤保护与评价提供参考数据，为汽车前端造型设计和行人保护装置的研发提供依据。

1 仿真模型与条件设置

本研究以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为基础，该模型具有详细的解剖学结构，并进行了有效性验证。通过调整儿童关节角度，该模型经过验证符合Euro NCAP TB024要求，如图1所示。该模型包含1 092 366个节点和1 576 733个单元，儿童身高1 098 mm，体质量26.8 kg，其中下肢全长567 mm。

图1 6岁儿童行人走姿有限元模型

Euro NCAP 通过对欧洲市场的每种车辆类别参数求取中值，从而得到4 种具有代表性的不同车辆类别的中值车辆形状，分别为家庭轿车（FCR）、多用途车（MPV）、跑车（RDS）和运动型多用途车（SUV），在行人保护规程中提出了4 种汽车前端结构的有限元模型。表1为4种不同车型的前端结构参数，在4 种车型中，RDS 车型扰流板的离地间隙最小，为193.2 mm；MPV车型的保险杠宽度最大，为104.9 mm；而SUV车型的机盖前缘离地高度最大，为904.1 mm；从行人与汽车的接触长度来看，SUV 车型的接触长度最大，为615 mm。

表1 汽车前端结构参数

参照Euro NCAP 儿童行人保护相关技术报告要求和Klug 等所开发的一种客观比较人体运动学的程序，在ESI 集团开发的有限元软件PAMCRASH8.0 中进行6 岁儿童行人-汽车碰撞仿真，如图2 所示。4 种不同车型以40 km/h 车速对6 岁儿童行人有限元模型进行碰撞，行人模型的右侧被定义为撞击侧，行人模型的头部质心在车辆的纵向对称面中。车辆与行人模型外表面的摩擦因数设置为0.3，脚与地面的摩擦因数为0.58。整个仿真过程均在重力场下进行，仿真时间设为100 ms。在仿真控制方面，初始时间步长设置为1×10ms，输出结果之间的时间间隔设为0.1 ms。行人模型应尽可能靠近汽车。

图2 人-车碰撞示意图

2 仿真结果

图3为6岁儿童行人与4种不同车型碰撞100 ms内的运动姿态。在撞击开始时，由于保险杠高度的原因，FCR、MPV 和RDS 车型碰撞中保险杠首先撞击到儿童右侧股骨位置，而SUV 车型由于前端保险杠较高，首先撞击到儿童髋部位置；随着碰撞的持续进行，儿童上肢开始倒向汽车的机盖，当肩部撞击到汽车机盖后，头部相对肩部旋转并撞击到机盖。

图3 40 km/h碰撞速度下行人运动学响应

2.1 股骨应力分布

图4 为4 种不同车型碰撞仿真儿童股骨最大von Mises 应力分布云图。由图可见，4 组仿真最大von Mises 应力均集中在撞击侧股骨大转子附近，其中RDS 车型碰撞所造成的von Mises 应力最大，为114.0 MPa，达到了本试验中6 岁儿童下肢股骨损伤阈值114.0 MPa，因此造成了股骨单元失效，且通过云图可以发现达到失效应力的面积比其他3 组大，因而在该位置造成骨折。其余3 组碰撞最大von Mises 应力分别为FCR 113.6 MPa，MPV 113.9 MPa，SUV 91.8 MPa，均未达到单元失效应力，3 组仿真股骨均未发生骨折现象。

图4 下肢股骨von Mises应力分布云图

2.2 胫骨和腓骨应力分布

图5 为4 组仿真中儿童行人下肢胫骨和腓骨最大von Mises 应力分布云图。其中MPV 和SUV 仿真胫骨von Mises 应力相对较大，其应力集中位置均出现在撞击侧胫骨头处，数值分别为80.3和79.9 MPa，FCR 仿真最大von Mises 应力集中位置出现在撞击侧胫骨头下方，数值为69.4 MPa，与其他3 组仿真不同的是，在RDS 仿真中，下肢胫、腓骨最大von Mises 应力出现在撞击侧腓骨中部位置，其数值是4组中最小的，为66.9 MPa。4 组仿真中下肢胫骨和腓骨均未超过损伤阈值98.2 MPa，未出现骨折现象。

图5 下肢胫骨和腓骨von Mises应力分布云图

2.3 膝关节韧带损伤

韧带损伤是一种较常见的膝关节损伤，仿真结果如表2 和图6 所示。由表2 和图6 可见，RDS 车型碰撞仿真中儿童行人下肢膝关节韧带损伤最轻，仅在对撞侧膝关节MCL、LCL 和ACL 出现断裂，其余3 组仿真中对撞侧膝关节MCL、LCL、PCL、ACL 和撞击侧MCL 均发生断裂，且发现FCR、MPV 和SUV 仿真中膝关节韧带断裂顺序完全一致。

图6 膝关节韧带损伤情况

表2 膝关节韧带损伤

2.4 下肢长骨弯矩

弯矩通常被用来评价人体下肢长骨损伤情况，在最新版的Euro NCAP 行人测试协议中，对于成人柔性腿型冲击器的股骨和胫骨最大弯矩规定为400 N·m。参照Euro NCAP 成人下肢冲击试验中腿型冲击器，可以发现冲击器的股骨和胫骨分别被进行了八等分和十等分。本文中，由于儿童下肢与成人有明显区别，故参照Euro NCAP 中所规定的计算截面弯矩位置对6 岁儿童行人股骨和胫骨进行划分，对应找到提取弯矩的截面位置，如图7 所示。在6 岁儿童行人下肢共7 个位置处提取了股骨和胫骨弯矩，仿真结果如表3 所示。由表3 可见，在4 组仿真中，胫骨4 个位置处的截面弯矩由近端到远端逐渐减小，每个位置处MPV 车型仿真的胫骨弯矩均为4组中最大，为87.3 N·m，而RDS车型仿真中胫骨弯矩为4 组中最小，为41.7 N·m。在股骨弯矩方面，4 组仿真股骨截面弯矩均由股骨远端向股骨近端逐渐增大，其中RDS 车型在股骨近端位置弯矩为4 组中最大，为124.4 N·m，而SUV 车型在3 个位置处的股骨弯矩均为4组仿真中最小，为76.4 N·m。

表3 下肢股骨和胫骨弯矩

图7 下肢长骨弯矩测量点示意图

2.5 膝关节弯曲角度

由仿真结果可以发现，在膝关节韧带损伤方面，RDS 车型对儿童行人膝关节韧带损伤程度最小，仅对撞侧膝关节MCL、LCL和ACL发生断裂，为此对这一现象进一步分析，提取了4 组仿真下肢膝关节最大弯曲角度，如表4所示。

由表4 可见，RDS 车型仿真的膝关节弯曲角度最小，而MPV 车型仿真中膝关节弯曲角度最大。根据运动学图像可以发现，RDS 车型由于离地间隙较小，在碰撞过程中儿童下肢更少卷入扰流板下，因此膝关节弯曲角度较小，韧带损伤程度相对较低；SUV车型离地间隙最大，但由于保险杠撞击股骨位置较高，在碰撞过程中下肢相对于髋部整体发生转动，故膝关节并未出现很大的弯曲角度。

表4 膝关节弯曲角度（°）

3 分析讨论

4 组碰撞仿真中，RDS 车型撞击侧股骨最大von Mises应力及其分布面积最大，且由于股骨应力超过损伤阈值，最终造成股骨大转子位置出现骨折。通过提取股骨3 个位置的截面弯矩可以发现，RDS 车型仿真在股骨近端的截面弯矩是4 组中最大的，这也从力学角度说明了撞击侧股骨骨折现象的产生。通过对RDS 车型前端参数进行分析，发现保险杠上缘距地面502.5 mm，下缘距地面360.1 mm，保险杠撞击到行人股骨中下部；由于撞击位置较低，而人体上肢和髋部因惯性的作用倒向汽车，造成了撞击侧股骨大转子位置处的弯矩和应力集中较大，进而在该位置出现骨折现象。通过数据发现，其他3 组车型的保险杠位置较高，且机盖前缘高度也均要高于RDS车型，对儿童上肢和髋部起到了约束作用，避免了撞击侧股骨骨折的发生。

根据Euro NCAP行人测试协议，在上腿型碰撞试验中股骨在3个位置处的弯矩不能超过400 N·m，不过这只是针对成人腿型测试所设置的限值。本文中，应用经过验证的6 岁儿童行人走姿有限元模型进行碰撞仿真，RDS 车型使儿童行人撞击侧股骨出现骨折，位置在股骨大转子处，骨折位置最大von Mises 应力为114 MPa，骨折时股骨截面最大弯矩为124.4 N·m。该数值对于后续不同工况下的研究具有重要意义。

4 结论

在现阶段车身设计中，不同车型的前端结构辨识度越来越高，但应该注意到前端结构的设计对于碰撞过程中的行人保护非常重要。研究发现，RDS车型的保险杠位置对于6 岁儿童行人的下肢损伤最为严重，MPV 和SUV 车型由于扰流板离地间隙较大，对于下肢胫骨、腓骨和膝关节韧带的损伤更为严重。本研究面向儿童行人保护为汽车前端结构的设计提供了基础数据。研究发现儿童下肢股骨和颈骨弯矩可以反映出其von Mises 应力的变化，进而可推测出下肢长骨损伤情况，很好地为儿童腿型冲击器研发与数字测评技术方法提供参考。