大多数的胫骨伤害都归因于保 险杠碰撞而引起的弯曲力矩，弯曲 导致胫骨在发生撞击的一侧出现压 缩应力，而另一侧则出现拉伸应 力。当应力超过极限时，胫骨发生
图１ 行人下肢伤害的主要模式
骨折。股骨和腓骨也具有同样的伤 害机理。
Ｋａｊｚｅｒ对膝关节受到横向碰撞 时的伤害机理进行了详细的研究， 指出膝关节伤害主要是由于横向平 移位移导致的剪切以及角位移导致 的弯曲两种伤害机理造成的。行人 腿部膝关节位置通常是直接受到车 辆保险杠的撞击，由于股骨运动的 滞后使得关节面间发生剪切错位。 这种剪切错位导致了膝关节韧带的 拉伸，并在股骨髁和胫骨髁间隆凸 间产生横向压缩力。横向压缩力导 致关节接触表面出现集中应力，当 应力超过其容忍极限时，胫骨髁间 隆凸或股骨髁就会发生横向骨折。 当膝关节横向弯曲时，关节一侧的 韧带受到拉伸力的作用发生拉伸变 形，与此同时，关节表面的另一侧 则会受到轴向压缩力作用，导致集 中应力的出现。当集中应力超过骨 的压缩强度时，也会出现骨折伤 害，如图 ２ 所示。
综 述
行人碰撞腿部保护研究
郑 巍
内容提要：本文从生物力学角度综合分析了行人与车辆碰撞过程中其腿部的伤害机理，并根据ＥＥＶＣ 行 人碰撞保护试验法规建立了腿部撞击器的有限元模型。利用该数值模型，本文针对某国产轿车进行了行人腿 部保护的相关研究，并提出了相应的结构改进方案。计算结果表明，通过对保险杠的结构改进可以有效地减 轻车辆对行人腿部的伤害，具有较高的可行性。
分析车身保险杠的结构可以发 现，整个保险杠结构类似于一根简 支梁，最外层为保险杠蒙皮，它通 过螺钉固定在保险杠骨架上，保险 杠骨架又通过保险杠支架与车身前 纵梁相连接。无疑，在梁支承处的 撞击工况相对于其它位置的碰撞而 言更为恶劣，而Ｌ２碰撞位置正位于 保险杠支架（梁支承处）附近。
为了限制碰撞过程中胫骨加速 度的峰值，从而避免骨折的伤害， 车身保险杠首先必须具有足够的变 形空间来减速腿部撞击器，同时还 必须吸收足够多的碰撞能量来防止 腿部撞击器的回弹。Ｄａｖｉｅｓ Ｒ．和 Ｃｌｅｍｏ Ｋ． 利用“半正弦”波形减 速度曲线对保险杠所需变形空间进 行了估计，得出胫骨加速度峰值小 于 １５０ｇ保险杠所需的理论变形距 离为 ６６ｍｍ。
验以及动态碰撞试验的有限元计算，
图４ 腿部撞击器结构示意图
并与 ＧＭ 建立的腿部撞击器模型的
ＥＥＶＣ 采用 Ｃｏｎｆｏｒ（ｔｍ）泡沫来 计算结果进行了对比，计算结果参
模拟人体的肌肉组织，是因其具有 见图 ７、图 ８ 和图 ９。
比较独特的材料特性，并且与人体
从图中可以看出，本文建立的
肌 肉 的 生 物 力 学 特 性 较 为 接 近 。 腿部撞击器模型不仅很好地满足了
图３ ＥＥＶＣ行人保护子系统试验 腿部撞击器模型由英国ＴＲＬ公
司开发，由２个刚性段组成，分别代 表人体的股骨（大腿）和胫骨（小 腿），其间利用一个弹簧和阻力器组 成的结构连接两个刚性段，以模拟 人体的膝关节。刚性段外覆盖一层
学相似性，按照 ＥＥＶＣ 试验法规的
要求，对腿部撞击器计算模型分别
进行了静态弯曲试验、静态剪切试
限值１５°。
保护的相关研究，并提出了行之有
分析碰撞过程发现，膝关节剪 效的保险杠结构改进方案。
综 述
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URBAN VEHICLES (Bimonthly)
May. 2004 (S erial No.90) (Since 1983)
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S PECIAL FOCUS
模型，如图 ６ 所示。刚性胫骨段和 模型，本文针对某国产轿车车身前
股骨段均采用壳单元建模，泡沫和 部保险杠，共选择了 ３ 个碰撞点
橡胶采用了体单元建模，利用“非 （Ｌ１、Ｌ２ 和 Ｌ３）分别进行了 ＥＥＶＣ
线性六自由度弹性 ／ 阻尼器单元” 行人碰撞保护腿部撞击器试验的有
来模拟膝关节弯曲和剪切的生物力 限元计算，如图１０所示，计算结果
吸能泡沫
保小在很大程度上依
赖于撞击力作用点的
位置以及撞击力的分
布情况，从另一个角
保险杠蒙皮
保险杠蒙皮
度而言，其大小与保 保险杠支架 险杠的高度以及形状
吸能式
缓冲式
密切相关。为了限值
图１２ 典型的保险杠结构
膝关节的弯曲，保险
６０ｍｍ，并将其改为吸能式结构，即 在保险杠蒙皮和骨架间填充了 ６０ｍｍ 的 ＰＵＲ 泡沫（密度为 ６０ｇ／ Ｌ）用于吸收腿部撞击器的碰撞能 量，如图 １３ 所示。
对改进后的结构进行腿部撞击 且，该方案对整车结构的改动也非 器碰撞试验计算，撞击点仍然选择 常小，具有较高的可行性。
在保险杠支架位置。计算结果表明， 将保险杠变形空间增大到 ６０ｍｍ，
４ 结束结
并采用泡沫材料吸收碰撞能量有效
行人与车辆的碰撞过程中，其
地降低了碰撞过程中腿部撞击器的 腿部是最容易受到的部位之一。本
２ 行人碰撞保护腿部撞击器
ＥＥＶＣ 行人保护试验法规采用 了子系统试验（Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｓｔ） 的方法来评价车身在行人碰撞保护 方面的相关性能。所谓的子系统试 验是指采用单独的试验部件——撞 击器（Ｉｍｐａｃｔｏｒ）对车身前部的典 型部位进行碰撞试验。撞击器代表 了行人身体最容易受到伤害的部位， 并具有与行人相应身体部位类似的 生物力学特性，共分为成人和儿童 头部撞击器（Ｈ ｅ ａ ｄ ｆ ｏ ｒ ｍ Ｉｍｐａｃｔｏｒ）、腿部撞击器（Ｌｅｇｆｏｒｍ Ｉｍｐａｃｔｏｒ）以及大腿撞击器（Ｕｐｐｅｒ Ｌｅｇｆｏｒｍ Ｉｍｐａｃｔｏｒ）４种撞击器，如 图 ３ 所示。
Ankai Bus on the growth ........................................................ (6) JiangHuai Bus, interacts with consumers in sincerity .......... (8) Sortie after deliberation, Huatai cuts a slice off bus marketi .. (10) New release of GreatWall-Flower Whisper Bus ................. (13) Volvo flagship sets sail ............................................................................ (14) Mercedes-Benz Truck on the road of continuous success .... (17) Whole-hearted ÒChaoYueÓ, accompanies you during the
鉴于行人碰撞保护的重要性， 欧洲车辆安全性委员会（ＥＥＶＣ）成 立了专门的“行人安全性工作组” （ Ｗ Ｇ １ ７ ）， 并 提 出 了 相 应 的 行 人 碰 撞保护试验法规——“ＥｕｒｏＮＣＡＰ
Ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ”。该 试验法规将于２００５年起在欧盟开始 正式实施，成为欧盟新车评价强制 性试验法规的一项重要内容。如何 从汽车设计的角度出发来保护行 人，有效地减轻其与车辆发生碰撞 时的伤害正逐渐成为汽车安全性研 究的最新领域和焦点问题。
杠碰撞力作用点应可能靠近股骨段 和胫骨段的重心，避免集中作用在 膝关节附近；而限值膝关节的剪切 位移又需要碰撞力在膝关节两侧均 匀分布，避免其集中作用在膝关节 的一端。因此，将原来完整的吸能
泡沫替换成阶梯状泡沫，并将保险
杠变形空间增大至 １２０ｍｍ，如图１４
所示。这样，在碰撞的初期，碰撞
力不再集中作用在膝关节位置，而
学特性。
参见图１１。试验法规规定的碰撞伤
为了验证撞击器模型的生物力 害指标参见表１。
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综 述
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从图 １１中可以看出，３次碰撞 的膝关 节 剪 切 位 移 均 小 于 ６ｍｍ，满 足法规的要求，其中Ｌ２位置碰撞剪 切位移最大，为 ５．２ｍｍ；膝关节弯 曲角度，Ｌ２位置碰撞的值最大，达 到了约 ２０°，Ｌ１ 位置碰撞的值最 小，为１５．５°，但是也超过了法规 规定的限值。至于胫骨上端加速 度，同样是 Ｌ２位 置 碰 撞 的 值 最 大 ， 约为 ２００ｇ，而 Ｌ１ 碰撞和 Ｌ３碰撞均 小于 １５０ｇ，满足法规要求。
是靠近胫骨的重心，当保险杠蒙皮
变形与上端泡沫接触时，下端的泡
沫已经吸收了一定的碰撞能量，而
上端泡沫的作用除了吸收后期的碰
撞能量外，还可以防止膝关节过度
的剪切变形。计算结果参见图１５所
示。
计算结果表明，保险杠采用
１２０ｍｍ阶梯状吸能泡沫的结构改进
方案对行人腿部以及膝关节保护效
图 １３ 保险杠结构改进（６０ｍｍ吸能泡沫） 果是十分明显的，各项伤害指标均 很好地满足了试验法规的要求。而
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综 述
图２ 膝关节伤害机理 而膝关节韧带的伤害则主要来 源于关节弯曲转动时韧带内的拉伸 力。当拉伸载荷超过韧带的拉伸强 度时，韧带束就会发生撕裂或断裂。
２５ｍｍ 厚的 ＣＦ－４５ 型 Ｃｏｎｆｏｒ（ｔｍ）泡 沫，代表了人体的肌肉组织。最外层 为一层 ６ｍｍ厚的氯丁橡胶，代表了 人体的皮肤。膝关节处安装有传感 器用于测量膝关节的弯曲角度和剪 切位移。一个单向加速度传感器安 装在胫骨段不受撞击的一侧，其测 量轴向为碰撞方向。撞击器的具体 结构和相应的尺寸参见图４。
胫骨加速度，其峰值从最初的２００ｇ 文综合分析了行人腿部伤害的生物
降低至１４５ｇ，已经满足了试验法规 力学机理，并根据 ＥＥＶＣ 行人碰撞
的要求。然而，膝关节剪切位移和 保护试验法规建立了腿部撞击器的
弯曲角度并没有太大的改善，膝关 有限元模型。利用该计算模型，本