基于TRL和FLEX—PLI腿型響應的下肢損傷研究

仲衍慧++韓玉環++李博++何成

文章編號：2095-6835（2017）10-0029-03

摘 要：從結構上對比和分析了TRL剛性腿沖擊模型和FLEX-PLI柔性腿沖擊模型，FLEX-PLI的結構設置使其能更好地模擬實際交通事故中人體腿部的受力情況。在研究過程中，建立了腿部的力學模型，并根據此模型推導了脛骨加速度、脛骨彎矩的計算公式。在實車碰撞實驗中，用腿部沖擊器沖擊車輛前保險杠的3個不同位置，并對TRL和FLEX-PLI腿型響應以及傷害值進行了對比、分析。FLEX-PLI柔性腿對下腿部彎矩和內側側副韌帶MCL、前十字韌帶ACL和后十字韌帶PCL拉伸量進行評價，更能反應人體實際受傷情況。

關鍵詞：小腿沖擊器；剛性腿沖擊模型；柔性腿沖擊模型；力學模型

中圖分類號：U467.1+4 文獻標識碼：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。世界衛生組織統計數據顯示，在道路交通事故中，行人占總死亡人數的22%.根據調查，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，且通常受傷嚴重，極易導致腿部的長期殘疾。因此，多國已經將行人下肢列入考察對象，而研究行人的下肢保護具有非常重要的意義。

為此，英國TRL（Transport Research Laboratory）開發了剛性腿沖擊模型（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，日本汽車工業協會（JAMA）和日本汽車研究所（LARI）于2000年開始針對腿部的性能進行研究，并于2002年研發了新型的腿部測試工具。這個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節和小腿的仿生結構，能更精確地測量出車輛保險杠對人體腿部造成的傷害等級。

最新E-NCAP行人保護實驗規程已于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腿型實驗的主要測試工具。本文進行了多次碰撞實驗，并簡要介紹FLEX-PLI柔性腿的傷害評估方法。

1 TRL和FLEX-PLI的對比分析

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節相對位移。在結構和性能上，FLEX-PLI與傳統的TRL相比，腿骨具有良好的柔韌性，由股骨骨節、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下的韌帶。在撞擊過程中，FLEX-PLI可以根據各階段的受力情況，股骨和脛骨的變形情況，更好地模擬實際交通事故中人體腿部的受力情況。

在傷害指標上，TRL剛性腿評價的3個指標為：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，但無法準確反映行人腿部受撞擊后的真實受損情況。而FLEX-PLI柔性把腿部分為了大腿骨、膝蓋和脛骨3個部分，評價指標是脛骨上端的加速度（a），4個脛骨彎矩，即上部彎矩、中上部彎矩、中下部彎矩、下部彎矩（Tibia1-4 Moment），3個膝部韌帶位移量（內側側副韌帶MCL，前十字韌帶ACL和后十字韌帶PCL Elongation）。FLEX-PLI在脛骨和股骨骨節處都裝有彎曲力矩和加速度傳感器，因此，能夠更準確地反應碰撞過程中下肢的傷害情況。

2 腿部模型的運動方程和評價參數的計算方法

2.1 腿部、膝部和腳部的損傷生物力學分析

本文根據實際交通事故中車輛與行人的碰撞事故形式，對下肢損傷模式進行分析。在車輛撞擊行人的事故中，主要損傷形式一般為脛骨骨折、內側側副韌帶損傷、前十字韌帶損傷和后十字韌帶損傷。

發生碰撞時，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，從而產生脛骨骨折。因為脛骨處于皮下，所以，其骨折通常屬于開放性骨折。大多數骨折發生在脛骨中部和末端1/3之間，此區間具有最小的橫截面和最小截面慣性矩的區域。而膝關節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 腿部模型的運動方程

腿部沖擊的數學模型分為大腿骨、膝部和脛骨。根據人體下肢和車輛保險杠撞擊的運動模型，當腿部受到車輛撞擊時，小腿部產生加速度，膝部產生彎矩和位移。

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

根據腿部力學模型，膝部位移量為x0，大腿骨和脛骨的重心位移為x1，x2，旋轉角度為θ1，θ2，所以，得到運動方程為：

3 TRL和FLEX-PLI腿型的響應性能對比分析

3.1 實驗響應分析

根據TRL和FLEX-PLI這2種腿部與車輛前段接觸的運動，對實驗數據進行分析，得到如下結論：在腿部沖擊車輛前保險杠的實驗中，膝關節與前保險杠前端接觸，膝部發生反向位移，小腿部受到前保險杠下端的沖擊，脛骨產生彎矩。TRL剛性腿僅膝部發生彎曲，脛骨加速度的峰值時刻基本對應膝部彎曲角度的最小時刻。FLEX-PLI柔性腿的脛骨彎矩最大值發生在車輛前保險杠下部吸能緩沖件接觸的Tibia4上。4個脛骨彎矩（Tibia1-4 Moment）從上（Tibia1）到下（Tibia4）的峰值呈現從大到小的遞減趨勢，響應時間則相反。TRL的峰值時刻提前于FLEX-PLI的峰值時刻。脛骨彎矩與內側副韌帶MCL的位移量響應曲線在形態上保持一致，在響應開始時刻和峰值時刻整體呈現提前的趨勢。FLEX-PLI柔性腿前十字韌帶位移量（ACL Elongation）的響應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，峰值時刻呈現接近或者提前的趨勢。對于下降沿的響應持續時間，前者比后者響應時間更長。

3.2 傷害值對比分析

由于TRL和FLEX-PLI腿型在結構和傳感器設置上相差甚遠，直接對比實驗結果十分困難。兩者的風險評價情況如表1所示。美國高速公路安全管理局（NHTSA）根據2個腿型的損傷類型劃分區域進行比較，得到以下位置和計算公式進行傷害對比，為2個腿型的損傷對比提供參考，并分別應用幾個車型進行車輛保險杠正中間0位置的沖擊對比實驗。

結合在美國進行多次實驗的結果，并按照計算公式計算。計算結果表明，在大多數車型中，兩者的傷害值差距一般保持在25%的誤差范圍內，且FLEX-PLI柔性腿的3項傷害值評價指標值比TRL剛性腿的傷害值大的情況多。這說明，在車輛保險杠正中間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一的。

本實驗機構運用相同的實驗條件和方法，選取了某國內品牌的車輛進行了一次驗證實驗。實驗分別使用TRL剛性腿和FLEX-PLI柔性腿沖擊2種車型的前保險杠，沖擊速度為40 km/h。TRL距離地面高度為25 mm，FLEX-PLI距離地面高度為75 mm。實驗分為3組，分別沖擊前保險杠-200，0，500這3個位置，并對結果進行比較、分析。圖3為0位置時，以TRL剛性腿的傷害指標作為基準進行傷害值的對比情況。從圖3可知，當車輛中間位置撞擊行人腿部時，TRL行人腿部模型受到骨折的風險要大于FLEX-PLI，而韌帶彎曲風險和韌帶韌帶剪切風險均小于FLEX-PLI。

當撞擊位置為-200和500時，同樣，TRL行人腿部模型受骨折的風險要大于FLEX-PLI。當韌帶彎曲損傷風險在-200位置時，TRL要小于FLEX-PLI，500位置時兩者的風險比較接近。韌帶剪切損傷風險在-200位置時，兩者幾乎保持一致，500位

置的TRL要略大于FLEX-PLI。

本次實驗表明，除了骨折風險外，在其他2項評價指標上，FLEX-PLI柔性腿和TRL剛性腿沒有呈現普遍性的規律。撞擊位置越靠近車輛側邊緣，TRL剛性腿和FLEX-PLI柔性腿的韌帶彎曲損傷風險、韌帶剪切損傷風險在數值和趨勢上越能保持一致。

在撞擊位置為500的實驗中，TRL和FLEX-PLI的加速度值相差甚遠，主要原因是車輛前保險杠高度與內部吸能剛性結構、位置有差異。在評價腿部傷害值時，不僅作用力是重要的評價因素之一，力作用的位置也很重要。在中間0位置和-200的位置上，3項評價指標都比較穩定，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了較大的偏差。這說明，對于此車型，碰撞車前端中間部位時，2種腿型的一致性比較好，而到了邊緣，加速度上出現了不一致的情況。-200位置傷害對比情況和500位置傷害對比情況如圖4、

圖5所示。

FLEX-PLI柔性腿對下腿部彎矩和內側側副韌帶MCL、前十字韌帶ACL和后十字韌帶PCL拉伸量的評價，更能反映人體的實際受傷情況。現階段，各國實驗也采用FLEX-PLI柔性腿來代替TRL剛性腿。

4 結論

從使用TRL剛性腿和FLEX-PLI柔性腿的比對實驗中可以看出：①脛骨加速度與保險杠的形狀、剛度、位置和吸能裝置的結構有很大關系，脛骨彎矩與受到車輛前段保險杠的力和撞擊位置有很大關系；②碰撞位置越靠近車輛邊緣，TRL剛性腿和FLEX-PLI柔性腿對骨折風險評價的差異性越大；③膝蓋彎曲角度和脛骨重心部位附近所受到的外力對腿部彎矩值的影響很大；④FLEX-PLI在脛骨和股骨骨節處都裝有彎曲力矩和加速度傳感器，能夠更準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〕