行人腿部保护试验装置开发分析

01、行人保护的背景及法规
交通事故面前，生命薄如蝉翼。
由于行人直接暴露于各种交通环境中，在汽车交通事故中往往受到的伤害最严重，我国道路的死亡人数也一直维持在10万人左右，而行人的死亡率是驾乘人员的9倍，且28%为无过失死亡，基于上述原因，加强安全措施以保护弱势行人已被列入全球各大重要市场对汽车制造商的标准要求，各种涉及行人保护的汽车安全法规相继出台。

2003年欧洲新车评价规程（EuroNCAP）和澳大利亚新车评价规程（ANCAP）将行人碰撞保护加入新车评价规程，2004年，JNCAP将行人头部碰撞纳入新车评价规范，2018年7月，行人保护将被正式纳入C-NCAP评价规范。

02、交通事故中人体伤害分布
交通事故中，人体各部位损伤几率如图 1所示，各部位中头部（33.4%）、胸部（14.4%）和四肢（42.6%）的损伤几率较高，其中下肢的损伤几率为 (29.1%)，仅次于头部。头部和胸部损伤是造成行人或乘员死亡的主要原因，下肢损伤尽管通常不会直接危及生命，却是使人致残的主要因素，且康复周期长，将会给伤者和社会带来沉重的负担。因此，对行人下肢的保护是汽车安全及损伤防护的重要环节之一。

图1 交通事故中人体各部位损伤几率

在行人与汽车的碰撞事故中，下肢的主要损伤方式有：骨盆损伤、大腿损伤（股骨骨折）、小腿损伤（胫骨骨折、腓骨骨折）及膝关节损伤（包括股骨骨节骨折、胫骨骨节骨折、髌骨骨折及膝关节韧带撕裂），如图2所示。

图2 行人下肢主要损伤类型

03、行人下肢结构及伤害机理
行人下肢结构主要由股骨，膝关节，胫骨及包括其上的肌肉组成。
行人下肢结构中，股骨、胫骨和膝部是最容易受伤的重要部位。股骨和胫骨是下肢支撑结构的主要构成，而膝关节内部结构复杂，多条韧带交织于关节腔内，连接骨骼和肌肉，上述部位功能的丧失会严重影响人的站立和行走功能。图3所示为膝关节的数学模型及解剖示意图，前十字韧带（ACL）、后十字韧带(PCL)、内侧副韧带(MCL)和外侧副韧带(LCL)是膝部主要的韧带，也是较易受伤的膝关节软组织。

    图3 膝关节数学模型及解剖示意图
行人碰撞事故中，碰撞产生的力作用在皮肤、肌肉、韧带、骨骼等部位。一旦相应部位的受力超过限值，就会造成骨折、韧带断裂、肌肉损伤等伤害。当碰撞产生的弯矩导致腿骨所受应力超出股骨和胫骨强度极限时，就会发生骨折，如图4所示，因此，行人碰撞器需充分考虑腿部的弯曲变形，并且能够测量碰撞过程中腿部的弯曲应力或所受到的弯矩，才能更为有效地评价行人腿部的受伤程度。

图4 胫骨，腓骨骨折示意图
对于膝部，当碰撞发生时，行人上下腿先后接触车辆，从而导致膝关节受到较大的剪切作用力，进而拉伸韧带；另外，行人与车辆发生正面碰撞后，膝关节的弯曲方向与其自由运动方向相反，导致韧带承受巨大的拉力。当韧带的拉伸应力超过其强度时就会导致韧带断裂，如图5所示。因此，对行人碰撞器的膝部应有特殊设计，以测定碰撞过程中，膝关节的弯曲角度、剪切位移，进而依据生物力学特性，评价行人膝部的受伤程度。

图5 膝部韧带撕裂示意图

04、腿型冲击器发展
各国评价车辆对行人下肢保护性能的最直接评价方法就是用腿型冲击器撞击车辆来模拟车辆撞行人的行为。 2003年，欧洲率先使用TRL-LFI腿型（如图6）冲击器作为下肢冲击器，通过测量膝关节剪切位移、膝关节弯曲角度和胫骨上端加速度来评价车型前部结构对行人下肢的保护性能，但是由于TRL腿型冲击器采用刚性管柱模拟人体骨骼，刚度过大、胫骨和股骨部分在撞击中不能变形，很难有效模拟腿部变形。

图6 TRL冲击器示意图

2002年，JARI和JAMA开始共同研究与人体生物力学特性更为接近的柔性腿型冲击器(FLEX-PLI, FLEX Pedestrian Legform Impactor)，经多次讨论与改进，FLEX-PLI最终定型。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行人保碰撞护评价也于2014年起使用FLEX-PLI替代TRL-LFI作为行人腿型冲击器。
在设计方式上FLEX-PLI整体采用了可变性的弹性体而TRL-LFI则采用了部分可变形的刚性体。图7所示两种腿型冲击器与人体腿部结构的对比。可见，FLEX-PLI具有更多的柔性可变形关节，且具有更多的骨骼测量通道和膝部韧带测量通道。

图7 FLEX-PLI与TRL-LFI结构示意图

05、FLEX-PLI标定
柔性腿作为计量设备，为保证计量结果的精度，法规规定也需要定期进行标定。
5.1.1标定时，环境温度应为 20℃±2℃，将包裹好肌肉和皮肤的下腿型自由悬挂在设备上，见图8；

图8 下腿型动态冲击标定

5.1.2直线导向的蜂窝铝冲击器以 11.1m/s±0.2m/s 的速度冲击自由悬挂的 FLEX-PLI；
5.1.3蜂窝铝表面覆盖厚度不超过 1mm 薄纸衣；
5.1.4、蜂窝铝冲击器第一接触时刻起 10ms 内，腿型应处于自由飞行状态；
5.1.5蜂窝铝宽 200mm±5mm，高 160mm±5mm，厚 60mm±2mm，其压溃强度为0.517×（1±10%）Mpa。蜂窝铝蜂窝尺寸为6.35mm 或4.76mm，密度分别为为36.8kg/m3 或32 kg/m3。5.1.6蜂窝铝上边缘与直线导向冲击器刚性板在一条直线上。第一接触时刻蜂窝铝上边缘与膝部中心线在一条直线上，垂直误差±2mm。冲击试验前蜂窝铝不应变形；
5.1.7 第一接触时刻，FLEX-PLI 侧倾角（绕Y 轴旋转）和蜂窝铝冲击器速度矢量在车辆横向垂直平面内的偏差为±2°。FLEX-PLI 俯仰角（绕X 轴旋转）和蜂窝铝冲击器的俯仰角在车辆纵向垂直平面的偏差为±2°。FLEX-PLI 偏航角（绕Z 轴旋转）和蜂窝铝冲击器速度矢量偏航角偏差为±2°。

06、总结

作为国内领先的安全试验室的重要组成部分，上汽行人保护试验室拥有先进的试验台架，可完成行人保护试验和零部件冲击试验。试验台可以实现X/Y/Z三轴的自由移动，同时主塔可进行180°的旋转，通过更换冲击模块实现不同功能的测试能力。同时，自主开发了FLEX-PLI柔性腿的标定设备。为自主品牌车辆360度全方位安全提供了测试和开发的试验平台。 、