基于TRL和FLEXPLI腿型响应的下肢损伤研究仲衍慧++韩玉环++李博++何成：2095-6835（2017）10-0029-03摘要：从结构上对比和分析了TRL刚性腿冲击模型和FLEX-PLI柔性腿冲击模型，FLEX-PLI的结构设置使其能更好地模拟实际交通事故中人体腿部的受力情况。在研究过程中，建立了腿部的力学模型，并根据此模型推导了胫骨加速度、胫骨弯矩的计算公式。在实车碰撞实验中，用腿部冲击器冲击车辆前保险杠的3个不同位置，并对TRL和FLEX-PLI腿型响应以及伤害值进行了对比、分析。FLEX-PLI柔性腿对下腿部弯矩和内侧侧副韧带MCL、前十字韧带ACL和后十字韧带PCL拉伸量进行评价，更能反应人体实际受伤情况。关键词：小腿冲击器；刚性腿冲击模型；柔性腿冲击模型；力学模型：U467.1+4：ADOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.029在车辆撞击行人而造成重伤的交通事故中，下肢是最容易受到损伤的部位。世界卫生组织统计数据显示，在道路交通事故中，行人占总死亡人数的22%.根据调查，在非致命的汽车撞击行人的事故中，40%的事故属于下肢损伤，且通常受伤严重，极易导致腿部的长期残疾。因此，多国已经将行人下肢列入考察对象，而研究行人的下肢保护具有非常重要的意义。为此，英国TRL（TransportResearchLaboratory）开发了刚性腿冲击模型（TRL）。但是，该冲击器胫骨（tibia）和股骨（femur）采用刚性材料，膝部韧带采用钢板连接，其生物逼真性受到很大的影响，在测量伤害值方面未考虑到胫骨所受弯曲的影响，存在一定的局限性。此后，日本汽车工业协会（JAMA）和日本汽车研究所（LARI）于2000年开始针对腿部的性能进行研究，并于2002年研发了新型的腿部测试工具。这个工具被称为柔性腿冲击模型（FLEX-PLI），将其制成了较为符合人体膝关节和小腿的仿生结构，能更精确地测量出车辆保险杠对人体腿部造成的伤害等级。最新E-NCAP行人保护实验规程已于2014年开始施行，并采用柔性腿冲击模型（FLEX-PLI）代替刚性腿冲击模型（TRL）。FLEX-PLI柔性腿将成为未来行人保护腿型实验的主要测试工具。本文进行了多次碰撞实验，并简要介绍FLEX-PLI柔性腿的伤害评估方法。1TRL和FLEX-PLI的对比分析TRL的股骨和胫骨是刚性的，在撞击过程中是不变形的，只有韧带弯曲变形和膝关节相对位移。在结构和性能上，FLEX-PLI与传统的TRL相比，腿骨具有良好的柔韧性，由股骨骨节、胫骨月牙板、弹簧和张紧的钢丝绳4部分组成，弹簧和钢丝绳可模拟处于多種受力状态下的韧带。在撞击过程中，FLEX-PLI可以根据各阶段的受力情况，股骨和胫骨的变形情况，更好地模拟实际交通事故中人体腿部的受力情况。在伤害指标上，TRL刚性腿评价的3个指标为：胫骨上端的加速度（a）、膝部弯曲角度（BendAngle）和膝部剪切位移（ShearDisplacement）。虽然这些可以反映胫骨上端骨折情况，但无法准确反映行人腿部受撞击后的真实受损情况。而FLEX-PLI柔性把腿部分为了大腿骨、膝盖和胫骨3个部分，评价指标是胫骨上端的加速度（a），4个胫骨弯矩，即上部弯矩、中上部弯矩、中下部弯矩、下部弯矩（Tibia1-4Moment），3个膝部韧带位移量（内侧侧副韧带MCL，前十字韧带ACL和后十字韧带PCLElongation）。FLEX-PLI在胫骨和股骨骨节处都装有弯曲力矩和加速度传感器，因此，能够更准确地反应碰撞过程中下肢的伤害情况。2腿部模型的运动方程和评价参数的计算方法2.1腿部、膝部和脚部的损伤生物力学分析本文根据实际交通事故中车辆与行人的碰撞事故形式，对下肢损伤模式进行分析。在车辆撞击行人的事故中，主要损伤形式一般为胫骨骨折、内侧侧副韧带损伤、前十字韧带损伤和后十字韧带损伤。发生碰撞时，车辆首先接触行人的小腿部，人体的小腿部承受横向的受力，从而产生胫骨骨折。因为胫骨处于皮下，所以，其骨折通常属于开放性骨折。大多数骨折发生在胫骨中部和末端1/3之间，此区间具有最小的横截面和最小截面惯性矩的区域。而膝关节受到的反向弯矩和过度拉伸以及胫骨上端受力，是造成前韧带损伤的主要原因。2.2腿部模型的运动方程腿部冲击的数学模型分为大腿骨、膝部和胫骨。根据人体下肢和车辆保险杠撞击的运动模型，当腿部受到车辆撞击时，小腿部产生加速度，膝部产...