基于TRL和FLEX—PLI腿型響應(yīng)的下肢損傷研究

仲衍慧++韓玉環(huán)++李博++何成

文章編號(hào)：2095-6835（2017）10-0029-03

摘 要：從結(jié)構(gòu)上對(duì)比和分析了TRL剛性腿沖擊模型和FLEX-PLI柔性腿沖擊模型，F(xiàn)LEX-PLI的結(jié)構(gòu)設(shè)置使其能更好地模擬實(shí)際交通事故中人體腿部的受力情況。在研究過程中，建立了腿部的力學(xué)模型，并根據(jù)此模型推導(dǎo)了脛骨加速度、脛骨彎矩的計(jì)算公式。在實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)中，用腿部沖擊器沖擊車輛前保險(xiǎn)杠的3個(gè)不同位置，并對(duì)TRL和FLEX-PLI腿型響應(yīng)以及傷害值進(jìn)行了對(duì)比、分析。FLEX-PLI柔性腿對(duì)下腿部彎矩和內(nèi)側(cè)側(cè)副韌帶MCL、前十字韌帶ACL和后十字韌帶PCL拉伸量進(jìn)行評(píng)價(jià)，更能反應(yīng)人體實(shí)際受傷情況。

關(guān)鍵詞：小腿沖擊器；剛性腿沖擊模型；柔性腿沖擊模型；力學(xué)模型

中圖分類號(hào)：U467.1+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.029

在車輛撞擊行人而造成重傷的交通事故中，下肢是最容易受到損傷的部位。世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在道路交通事故中，行人占總死亡人數(shù)的22%.根據(jù)調(diào)查，在非致命的汽車撞擊行人的事故中，40%的事故屬于下肢損傷，且通常受傷嚴(yán)重，極易導(dǎo)致腿部的長期殘疾。因此，多國已經(jīng)將行人下肢列入考察對(duì)象，而研究行人的下肢保護(hù)具有非常重要的意義。

為此，英國TRL（Transport Research Laboratory）開發(fā)了剛性腿沖擊模型（TRL）。但是，該沖擊器脛骨（tibia） 和股骨（femur）采用剛性材料，膝部韌帶采用鋼板連接，其生物逼真性受到很大的影響，在測量傷害值方面未考慮到脛骨所受彎曲的影響，存在一定的局限性。此后，日本汽車工業(yè)協(xié)會(huì)（JAMA）和日本汽車研究所（LARI）于2000年開始針對(duì)腿部的性能進(jìn)行研究，并于2002年研發(fā)了新型的腿部測試工具。這個(gè)工具被稱為柔性腿沖擊模型（FLEX-PLI），將其制成了較為符合人體膝關(guān)節(jié)和小腿的仿生結(jié)構(gòu)，能更精確地測量出車輛保險(xiǎn)杠對(duì)人體腿部造成的傷害等級(jí)。

最新E-NCAP行人保護(hù)實(shí)驗(yàn)規(guī)程已于2014年開始施行，并采用柔性腿沖擊模型（FLEX-PLI）代替剛性腿沖擊模型（TRL）。FLEX-PLI柔性腿將成為未來行人保護(hù)腿型實(shí)驗(yàn)的主要測試工具。本文進(jìn)行了多次碰撞實(shí)驗(yàn)，并簡要介紹FLEX-PLI柔性腿的傷害評(píng)估方法。

1 TRL和FLEX-PLI的對(duì)比分析

TRL的股骨和脛骨是剛性的，在撞擊過程中是不變形的，只有韌帶彎曲變形和膝關(guān)節(jié)相對(duì)位移。在結(jié)構(gòu)和性能上，F(xiàn)LEX-PLI與傳統(tǒng)的TRL相比，腿骨具有良好的柔韌性，由股骨骨節(jié)、脛骨月牙板、彈簧和張緊的鋼絲繩4部分組成，彈簧和鋼絲繩可模擬處于多種受力狀態(tài)下的韌帶。在撞擊過程中，F(xiàn)LEX-PLI可以根據(jù)各階段的受力情況，股骨和脛骨的變形情況，更好地模擬實(shí)際交通事故中人體腿部的受力情況。

在傷害指標(biāo)上，TRL剛性腿評(píng)價(jià)的3個(gè)指標(biāo)為：脛骨上端的加速度（a）、膝部彎曲角度（Bend Angle）和膝部剪切位移（Shear Displacement）。雖然這些可以反映脛骨上端骨折情況，但無法準(zhǔn)確反映行人腿部受撞擊后的真實(shí)受損情況。而FLEX-PLI柔性把腿部分為了大腿骨、膝蓋和脛骨3個(gè)部分，評(píng)價(jià)指標(biāo)是脛骨上端的加速度（a），4個(gè)脛骨彎矩，即上部彎矩、中上部彎矩、中下部彎矩、下部彎矩（Tibia1-4 Moment），3個(gè)膝部韌帶位移量（內(nèi)側(cè)側(cè)副韌帶MCL，前十字韌帶ACL和后十字韌帶PCL Elongation）。FLEX-PLI在脛骨和股骨骨節(jié)處都裝有彎曲力矩和加速度傳感器，因此，能夠更準(zhǔn)確地反應(yīng)碰撞過程中下肢的傷害情況。

2 腿部模型的運(yùn)動(dòng)方程和評(píng)價(jià)參數(shù)的計(jì)算方法

2.1 腿部、膝部和腳部的損傷生物力學(xué)分析

本文根據(jù)實(shí)際交通事故中車輛與行人的碰撞事故形式，對(duì)下肢損傷模式進(jìn)行分析。在車輛撞擊行人的事故中，主要損傷形式一般為脛骨骨折、內(nèi)側(cè)側(cè)副韌帶損傷、前十字韌帶損傷和后十字韌帶損傷。

發(fā)生碰撞時(shí)，車輛首先接觸行人的小腿部，人體的小腿部承受橫向的受力，從而產(chǎn)生脛骨骨折。因?yàn)槊劰翘幱谄は拢裕涔钦弁ǔ儆陂_放性骨折。大多數(shù)骨折發(fā)生在脛骨中部和末端1/3之間，此區(qū)間具有最小的橫截面和最小截面慣性矩的區(qū)域。而膝關(guān)節(jié)受到的反向彎矩和過度拉伸以及脛骨上端受力，是造成前韌帶損傷的主要原因。

2.2 腿部模型的運(yùn)動(dòng)方程

腿部沖擊的數(shù)學(xué)模型分為大腿骨、膝部和脛骨。根據(jù)人體下肢和車輛保險(xiǎn)杠撞擊的運(yùn)動(dòng)模型，當(dāng)腿部受到車輛撞擊時(shí)，小腿部產(chǎn)生加速度，膝部產(chǎn)生彎矩和位移。

圖1為大腿骨和脛骨的剛性連接模型，其中，大腿骨和脛骨的質(zhì)量、慣性力矩分別為m1，I1和m2，I2，大腿骨和脛骨受到車的外力Fh、Fb和Fs。

圖1 大腿骨和脛骨的剛性連接模型

根據(jù)腿部力學(xué)模型，膝部位移量為x0，大腿骨和脛骨的重心位移為x1，x2，旋轉(zhuǎn)角度為θ1，θ2，所以，得到運(yùn)動(dòng)方程為：

3 TRL和FLEX-PLI腿型的響應(yīng)性能對(duì)比分析

3.1 實(shí)驗(yàn)響應(yīng)分析

根據(jù)TRL和FLEX-PLI這2種腿部與車輛前段接觸的運(yùn)動(dòng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：在腿部沖擊車輛前保險(xiǎn)杠的實(shí)驗(yàn)中，膝關(guān)節(jié)與前保險(xiǎn)杠前端接觸，膝部發(fā)生反向位移，小腿部受到前保險(xiǎn)杠下端的沖擊，脛骨產(chǎn)生彎矩。TRL剛性腿僅膝部發(fā)生彎曲，脛骨加速度的峰值時(shí)刻基本對(duì)應(yīng)膝部彎曲角度的最小時(shí)刻。FLEX-PLI柔性腿的脛骨彎矩最大值發(fā)生在車輛前保險(xiǎn)杠下部吸能緩沖件接觸的Tibia4上。4個(gè)脛骨彎矩（Tibia1-4 Moment）從上（Tibia1）到下（Tibia4）的峰值呈現(xiàn)從大到小的遞減趨勢，響應(yīng)時(shí)間則相反。TRL的峰值時(shí)刻提前于FLEX-PLI的峰值時(shí)刻。脛骨彎矩與內(nèi)側(cè)副韌帶MCL的位移量響應(yīng)曲線在形態(tài)上保持一致，在響應(yīng)開始時(shí)刻和峰值時(shí)刻整體呈現(xiàn)提前的趨勢。FLEX-PLI柔性腿前十字韌帶位移量（ACL Elongation）的響應(yīng)在上升沿的趨勢與膝部剪切位移（Shear Displacement）的趨勢基本保持一致，峰值時(shí)刻呈現(xiàn)接近或者提前的趨勢。對(duì)于下降沿的響應(yīng)持續(xù)時(shí)間，前者比后者響應(yīng)時(shí)間更長。

3.2 傷害值對(duì)比分析

由于TRL和FLEX-PLI腿型在結(jié)構(gòu)和傳感器設(shè)置上相差甚遠(yuǎn)，直接對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分困難。兩者的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)情況如表1所示。美國高速公路安全管理局（NHTSA）根據(jù)2個(gè)腿型的損傷類型劃分區(qū)域進(jìn)行比較，得到以下位置和計(jì)算公式進(jìn)行傷害對(duì)比，為2個(gè)腿型的損傷對(duì)比提供參考，并分別應(yīng)用幾個(gè)車型進(jìn)行車輛保險(xiǎn)杠正中間0位置的沖擊對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

結(jié)合在美國進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，并按照計(jì)算公式計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，在大多數(shù)車型中，兩者的傷害值差距一般保持在25%的誤差范圍內(nèi)，且FLEX-PLI柔性腿的3項(xiàng)傷害值評(píng)價(jià)指標(biāo)值比TRL剛性腿的傷害值大的情況多。這說明，在車輛保險(xiǎn)杠正中間0位置撞擊行人腿部的情況下，TRL剛性腿和FLEX-PLI柔性腿的一致性還是比較統(tǒng)一的。

本實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)用相同的實(shí)驗(yàn)條件和方法，選取了某國內(nèi)品牌的車輛進(jìn)行了一次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分別使用TRL剛性腿和FLEX-PLI柔性腿沖擊2種車型的前保險(xiǎn)杠，沖擊速度為40 km/h。TRL距離地面高度為25 mm，F(xiàn)LEX-PLI距離地面高度為75 mm。實(shí)驗(yàn)分為3組，分別沖擊前保險(xiǎn)杠-200，0，500這3個(gè)位置，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較、分析。圖3為0位置時(shí)，以TRL剛性腿的傷害指標(biāo)作為基準(zhǔn)進(jìn)行傷害值的對(duì)比情況。從圖3可知，當(dāng)車輛中間位置撞擊行人腿部時(shí)，TRL行人腿部模型受到骨折的風(fēng)險(xiǎn)要大于FLEX-PLI，而韌帶彎曲風(fēng)險(xiǎn)和韌帶韌帶剪切風(fēng)險(xiǎn)均小于FLEX-PLI。

當(dāng)撞擊位置為-200和500時(shí)，同樣，TRL行人腿部模型受骨折的風(fēng)險(xiǎn)要大于FLEX-PLI。當(dāng)韌帶彎曲損傷風(fēng)險(xiǎn)在-200位置時(shí)，TRL要小于FLEX-PLI，500位置時(shí)兩者的風(fēng)險(xiǎn)比較接近。韌帶剪切損傷風(fēng)險(xiǎn)在-200位置時(shí)，兩者幾乎保持一致，500位

置的TRL要略大于FLEX-PLI。

本次實(shí)驗(yàn)表明，除了骨折風(fēng)險(xiǎn)外，在其他2項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)上，F(xiàn)LEX-PLI柔性腿和TRL剛性腿沒有呈現(xiàn)普遍性的規(guī)律。撞擊位置越靠近車輛側(cè)邊緣，TRL剛性腿和FLEX-PLI柔性腿的韌帶彎曲損傷風(fēng)險(xiǎn)、韌帶剪切損傷風(fēng)險(xiǎn)在數(shù)值和趨勢上越能保持一致。

在撞擊位置為500的實(shí)驗(yàn)中，TRL和FLEX-PLI的加速度值相差甚遠(yuǎn)，主要原因是車輛前保險(xiǎn)杠高度與內(nèi)部吸能剛性結(jié)構(gòu)、位置有差異。在評(píng)價(jià)腿部傷害值時(shí)，不僅作用力是重要的評(píng)價(jià)因素之一，力作用的位置也很重要。在中間0位置和-200的位置上，3項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)都比較穩(wěn)定，控制在1左右的范圍；到了邊緣500的位置上，TRL的脛骨上端加速度出現(xiàn)了較大的偏差。這說明，對(duì)于此車型，碰撞車前端中間部位時(shí)，2種腿型的一致性比較好，而到了邊緣，加速度上出現(xiàn)了不一致的情況。-200位置傷害對(duì)比情況和500位置傷害對(duì)比情況如圖4、

圖5所示。

FLEX-PLI柔性腿對(duì)下腿部彎矩和內(nèi)側(cè)側(cè)副韌帶MCL、前十字韌帶ACL和后十字韌帶PCL拉伸量的評(píng)價(jià)，更能反映人體的實(shí)際受傷情況。現(xiàn)階段，各國實(shí)驗(yàn)也采用FLEX-PLI柔性腿來代替TRL剛性腿。

4 結(jié)論

從使用TRL剛性腿和FLEX-PLI柔性腿的比對(duì)實(shí)驗(yàn)中可以看出：①脛骨加速度與保險(xiǎn)杠的形狀、剛度、位置和吸能裝置的結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，脛骨彎矩與受到車輛前段保險(xiǎn)杠的力和撞擊位置有很大關(guān)系；②碰撞位置越靠近車輛邊緣，TRL剛性腿和FLEX-PLI柔性腿對(duì)骨折風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的差異性越大；③膝蓋彎曲角度和脛骨重心部位附近所受到的外力對(duì)腿部彎矩值的影響很大；④FLEX-PLI在脛骨和股骨骨節(jié)處都裝有彎曲力矩和加速度傳感器，能夠更準(zhǔn)確地反映碰撞過程中下肢的傷害情況。

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作者簡介：仲衍慧（1984—），女，主要從事汽車安全方面的研究。

〔編輯：白潔〕