基于人体下肢生物力学特性及事故分析的下肢冲击器模型研究
行人腿型冲击器生物力学响应分析
094 学术Academic PEDESTRIAN LEGFORM IMPACTORS一、概论车辆对行人下肢的碰撞保护越来越成为汽车行业内研究的热点与难点，包括股骨骨折、胫骨骨折、韧带断裂在内的下肢损伤，是行人与车辆碰撞中最易出现的受伤情况[1]。
因此，在许多国家或地区标准法规或NCAP 评价规程中，都对车辆对行人下肢的碰撞保护进行了评估[2-4]。
在评价车辆对行人下肢的保护时，常使用行人假人腿型冲击器撞击车辆前端相应位置，在撞击过程中采集冲击器各个传感器的信号作为伤害评估指标，从而对车辆对行人碰撞保护能力进行评价。
现阶段最常用使用的行人腿型冲击器为Flex-PLI ，ECE R127、Euro NCAP 、C-NCAP 等相关法规与规程均将Flex-PLI 作为车辆行人保护测试所使用的冲击器。
但是随着研究的深入，Flex-PLI 被发现在一些对较高车辆高度的试验中不能很好的反应实际碰撞情况，同时Flex-PLI 对于股骨损伤的评价也与实际情况存在一定差异，这是因为Flex-PLI 缺少对人体095腿型上部质量的模拟，导致生物仿真性上与真实人体存在差异。
因此，国外一些组织机构针对具有良好生物仿真性的行人腿型冲击器开展了一系列研究工作。
欧洲seniors-project 开展了对Flex-PLI/UBM （Upper Body Mass ）研究工作[5]，研究结果表明在Flex-PLI 上部增加了上体质量块UBM 的Flex-PLI/UBM 腿型冲击器在碰撞过程中运动姿态、运动轨迹相比于Flex-PLI 更接近实际人体，具有更好的生物仿真性。
除Flex-PLI/UBM 之外，另外一种先进行人腿型冲击器（advanced Pedestrian Legform Impactor, aPLI ）由日本汽车研究所（Japan Automobile Research Institute, JARI ）和日本汽车工业协会（Japan Automobile Manufacturers Association, JAMA ）完成开发设计。
人体下肢三维有限元模型在交通损伤中的应用研究进展
人体下肢三维有限元模型在交通损伤中的应用研究进展杜现平;曹立波;张冠军;张恺【摘要】下肢损伤在交通损伤中仅次于头部损伤位居第二,给社会和家庭造成沉重的负担.下肢有限元仿真模型的发展,为交通事故中下肢损伤机理研究和汽车结构参数优化提供了强有力的工具,与其它研究方法相比具有显著的优势.我国下肢有限元模型的发展尚处于起步阶段.针对国内外近20年下肢有限元模型的发展做了论述,并提出了今后构建高生物仿真度的下肢模型需要解决的问题.【期刊名称】《汽车工程学报》【年(卷),期】2014(004)004【总页数】10页(P235-244)【关键词】交通损伤;有限元模型;下肢;损伤机理【作者】杜现平;曹立波;张冠军;张恺【作者单位】湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南,长沙410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南,长沙410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南,长沙410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南,长沙410082【正文语种】中文【中图分类】U461.91世界卫生组织在2013年的报告中指出，全世界每年约有124万人死于道路交通事故，2 000～5 000万人遭受非致命伤害[1]。
根据NASS（National Automotive Sampling System）的统计数据，下肢在道路交通安全事故人体8个损伤部位（头部、面部、颈部、胸部、腹部、脊柱、下肢、上肢）中仅次于头部而居第2位。
其中，乘员占21.5% [2]，行人占85% [3]。
虽然下肢损伤一般不会产生致命性的伤害，却容易导致长期肢体功能障碍，甚至残疾，给生活带来不便，也给家庭和社会造成沉重负担。
因此，研究交通事故中下肢损伤的机理，具有重要的意义和价值。
损伤生物力学可以研究人体在外界载荷下的损伤及作用机理。
目前，研究手段主要有：物理模型、志愿者试验、动物试验、尸体试验、数学模型。
人体下肢运动力学分析与建模
III
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原创性声明
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杭州电子科技大学 硕士学位论文 人体下肢运动力学分析与建模 姓名：洪晓明 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：叶明 20091201
杭州电子科技大学硕士学位论文
摘要
研制下肢假肢是为了改善残疾人的生活质量和促进医疗福利事业的发展， 同 时智能假肢也是机器人学和生物医学工程领域深受关注的研究方向。 智能下肢假 肢通过检测穿戴者的运动状态来控制假肢运动，从而提高步态的灵活性、协调性 和安全性。我国下肢残疾者人数众多，国内在智能下肢假肢的研究水平上也明显 落后于欧美发达国家，因此为肢体残疾人提供性能优良、价格低廉的假肢器械是 残疾人事业发展的重要任务。 人体下肢运动分析和建模是研究假肢的重要内容， 本文紧密围绕国家自然科 学基金资助项目“膝上假肢的运动力学信息获取与多运动模式控制方法研究 （60705010） ” ，主要做了以下几个方面的工作： 建立人体下肢运动生物力学信息获取系统， 利用表面电极获取下肢运动肌电 信号；利用多轴加速度传感器来检测大腿和小腿的倾角，获取肢体的姿态以及膝 关节角度和角速度； 下肢的脚与地面之间接触状态和作用力等信息采用足底安装 压力传感器的方式检测。 根据人体的结构和运动学的分析，建立人体下肢运动数学模型。比较动力学 建模中通常采用的拉格朗日法、牛顿-欧拉法等的优缺点，选用拉格朗日建模方 法，从系统能量角度出发构建人体下肢的动力学模型，并进行动力学分析，得到 关节力矩。 基于 Matlab/SimMechanics 仿真工具箱人体下肢运动系统建模，选取了平地 行走、上坡、上阶梯三种不同的运动模式，每种运动模式下分为摆动期和支撑期 两个阶段，建立相应的模型，以各关节的角位移、角速度、角加速度为输入，仿 真得到各种运动模式下髋关节和膝关节力矩。在平地行走模式下，将求解拉格朗 日方程所得到的关节力矩与 Matlab/SimMechanics 建模仿真所得的力矩进行比 较，两者基本吻合，证明了建立的模型比较合理。 运用数学统计方法对下肢运动参数进行分析， 首先应用新阈值消噪方法对肌 电信号进行消噪处理，用平均值法提取特征向量，利用回归分析的方法研究表面 肌电信号与关节力矩之间的关系，通过数据分析，表明关节力矩与表面肌电信号 近似成线性关系，在此基础上得出了关节力矩与表面肌电信号的表达式。运用回 归分析中多项式拟合方法对力矩与时间的关系进行建模， 得出了各种运动模式下 关节力矩与时间的关系，为下肢假肢的控制方法研究提供了实验与理论的依据。 关键词：运动生物力学，动力学，关节力矩，SimMechanic 建模，回归分析
行人保护aPLI腿型吸能空间
行人保护aPLI腿型吸能空间作者：谭冰花，李博，王亚军，徐立笑，潘一鸣来源：《计算机辅助工程》2022年第02期摘要：為提高行人保护aPLI腿型的安全性能得分，以在整车开发预研阶段预留合理的吸能空间为目的，对aPLI腿型安全碰撞进行仿真，计算碰撞得分情况。
基于简化仿真模型，使用优化软件计算得到针对轿车的行人保护aPLI腿部保护所需吸能空间，指导新车型行人保护开发设计。
关键词： aPLI腿型; 碰撞评价; 行人保护; 吸能空间; 优化中图分类号： U467.1;TB115.1文献标志码： BaPLI energy absorption spacebased on pedestrian protectionTAN Binghua， LI Bo， WANG Yajun， XU Lixiao， PAN Yiming（Chery Automobile Co.， Ltd.， Wuhu 241006， Anhui， China）Abstract： To improve the safety performance score of aPLI （advanced pedestrian legform impactor） legform for pedestrian protection， the aPLI legform safety collision is simulated to reserve reasonable energy absorption space in the pre-research stage of vehicle development， and the collision score is calculated. Based on the simplified simulation model， the energy absorption space required for the aPLI legform protection of vehicle pedestrian protection is calculated using the optimization software， which can provide guidance for the development and design of the pedestrian protection for the new vehicle models.Key words： aPLI legform; collision evaluation; pedestrian protection; energy absorption space; optimization0引言随着人民生活水平逐步提高，汽车保有量不断增加，道路交通环境也愈加复杂。
中国人体小腿冲击仿真分析与损伤准则的研究
ｔ ｏ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ｋ ｌ ｅ ｌ ｉ ｇ ａ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｏ ｔ ｈ ｅ ｒ ｌ ｉ ｇ ａ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ａ ｒ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ｂ ｅ ａ ｍ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ．Ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｗｅ ｒ ｌ ｅ ｇ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｎ
杜现 平 ， 张冠 军 ， 曹立 波 ， 胡 跃群
（ １ ．湖南大学， 汽 车车身先进设计制造 国家重点 实验 室， 长沙 ４ １ ０ ０ ８ ２ ；２ ．中南大学湘雅三 医院放射科 ， 长沙 ４ １ ０ ０ １ ３ ）
［ 摘要 ］ 在 已开发 的中国人体 ５ ０百分位 男性小 腿有 限元 模型 的基 础上 ， 加入脚 部模型 和与踝关节 动力学特 性相关 的 １ １ 条踝关节韧带和 １ １ 束肌 肉有 限元模型 ， 以进 行踝关节动 力学特性 的研究 和肌 肉主动 力 的模拟 。采用 单点积分壳单元模拟踝关节韧带 ， 其余韧带采用梁单元模拟 。基 于乘员小腿 的碰撞损伤载荷特点 ， 采用两种 小腿轴 向冲击试验 ， 对小腿模 型进行 了验证 。结果显示 ， 小腿 轴向冲击动力学 特性 曲线与试 验吻合较好 ， 说 明模 型具有 较 高 的生物逼真度 。在此基础上 ， 利用模型 ， 对胫骨指数 （ Ｔ Ｉ ） 与修 正胫骨 指数 （ Ｒ Ｔ Ｉ ） 的损 伤预测 能力进行 评估 ， 对 比 了中国人体 与欧美人体 的差异 。结果表 明， 尽管 Ｒ Ｔ Ｉ 改善了小腿 的骨 折损伤 的预测 能力 ， 但对 于中国 ５ ０百分 位男 性小腿 ， Ｒ Ｔ Ｉ 仍然低 估了其损 伤程 度 ， 需进行相应 ］ Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ ５ ０ ｔ ｈ ｐ ｅ ｒ ｃ ｅ ｎ ｔ ｉ ｌ ｅ ｍａ ｌ ｅ ｌ ｏ ｗ ｅ ｒ － ｌ ｅ ｇ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｅ ｄ ， ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｏ ｔ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ， ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ —
中国人体小腿冲击仿真分析与损伤准则的研究
中国人体小腿冲击仿真分析与损伤准则的研究杜现平;张冠军;曹立波;胡跃群【摘要】在已开发的中国人体50百分位男性小腿有限元模型的基础上,加入脚部模型和与踝关节动力学特性相关的11条踝关节韧带和11束肌肉有限元模型,以进行踝关节动力学特性的研究和肌肉主动力的模拟.采用单点积分壳单元模拟踝关节韧带,其余韧带采用梁单元模拟.基于乘员小腿的碰撞损伤载荷特点,采用两种小腿轴向冲击试验,对小腿模型进行了验证.结果显示,小腿轴向冲击动力学特性曲线与试验吻合较好,说明模型具有较高的生物逼真度.在此基础上,利用模型,对胫骨指数(TI)与修正胫骨指数(RTI)的损伤预测能力进行评估,对比了中国人体与欧美人体的差异.结果表明,尽管RTI改善了小腿的骨折损伤的预测能力,但对于中国50百分位男性小腿,RTI仍然低估了其损伤程度,需进行相应修正.【期刊名称】《汽车工程》【年(卷),期】2016(038)011【总页数】7页(P1324-1330)【关键词】中国人体;小腿模型验证;胫骨指数;修正胫骨指数;欧美人体【作者】杜现平;张冠军;曹立波;胡跃群【作者单位】湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙410082;湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙410082;湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙410082;中南大学湘雅三医院放射科,长沙410013【正文语种】中文下肢损伤是汽车碰撞事故中人体中度损伤(abbreviated injury scale(AIS)2, AAAM)中频率最高的损伤形式[1]。
尽管下肢损伤一般不会产生致命性的伤害，但也是导致永久残疾最主要的原因之一[2]。
其中，脚部及踝关节损伤占所有下肢损伤的30%～40%[3]，Pilon骨折作为其中最严重的损伤形式，是导致下肢残疾的最主要的原因[4]。
作为各国NCAP测试中重要的评判指标，降低下肢损伤也一直是各汽车厂商的研究重点。
《基于多体动力学和有限元方法对人体下肢生物力学的研究》范文
《基于多体动力学和有限元方法对人体下肢生物力学的研究》篇一一、引言人体下肢的生物力学研究在体育科学、医学康复、运动训练等多个领域具有广泛的应用价值。
本文旨在利用多体动力学和有限元方法，对人体下肢的生物力学进行深入研究，以揭示其运动机制、动力学特性和潜在的生物力学问题。
二、研究背景及意义随着科技的发展，多体动力学和有限元方法在生物医学工程领域得到了广泛应用。
多体动力学能够有效地模拟和分析复杂系统的运动学特性，而有限元方法则能够详细地描述材料和结构的力学行为。
将这两种方法应用于人体下肢的生物力学研究，有助于更深入地了解人体下肢的运动学、动力学特性以及在各种生理、病理条件下的响应机制。
这将对提高体育训练效率、预防和治疗运动损伤等方面具有重要的实用价值。
三、研究方法本研究采用多体动力学和有限元方法相结合的方式，对人体下肢进行生物力学研究。
具体步骤如下：1. 建立人体下肢的多体动力学模型。
通过收集相关的人体尺寸数据，建立各关节、肌肉、骨骼等部位的几何模型，并利用多体动力学软件进行模型参数化。
2. 利用有限元方法对人体下肢的骨骼、肌肉等组织进行建模。
根据组织的材料属性，建立相应的有限元模型。
3. 通过多体动力学模拟人体下肢的运动过程，分析其运动学和动力学特性。
同时，将模拟结果与实际实验数据进行对比，验证模型的准确性。
4. 利用有限元方法分析人体下肢在各种生理、病理条件下的力学响应，揭示其潜在的生物力学问题。
四、研究结果1. 通过多体动力学模拟，我们发现人体下肢在运动过程中，各关节的力矩、角度等运动学参数具有明显的规律性。
这些规律性参数对于理解人体下肢的运动机制具有重要意义。
2. 有限元分析表明，人体下肢在承受外力作用时，骨骼、肌肉等组织的应力分布具有明显的特点。
这些特点有助于我们了解人体在各种生理、病理条件下的响应机制。
3. 通过对比多体动力学模拟结果和实际实验数据，我们发现模型具有较高的准确性。
这为进一步研究人体下肢的生物力学提供了可靠的依据。
人体下肢生物力学建模研究进展
第１０卷第４期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．１０№．４２０１５年８月 ＣＡＡＩＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｙｓｔｅｍｓ Ａｕｇ．２０１５ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４７８５．２０１５０３０３９网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／２３．１５３８．ｔｐ．２０１５０７０２．１１０４．００１．ｈｔｍｌ人体下肢生物力学建模研究进展邵明旭，王斐，殷腾龙，刘健（东北大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳１１０８１９）摘 要：人体下肢生物力学建模与仿真是穿戴式外骨骼机器人系统开发的一个重要内容。
对其研究所获得相关的理论与技术方法对生物动力学、康复医学、假肢及运动康复器械设计等领域的发展具有促进作用。
本文以人体下肢生物力系统为研究对象，概括和总结了国内外下肢建模与仿真技术的研究现状，就目前普遍采用的基于Ｌａｇｒａｎｇｅ方程和角动量定理的多刚体模型法、仿真软件建模法、Ｈｉｌｌ三元素法、黑箱训练等方法进行了详细的分析，并对研究趋势进行了展望。
本文所综述的动力学建模与仿真验证方法对实现穿戴式外骨骼机器人和谐自然人机交互设计具有重要的指导意义。
关键词：下肢生物力学建模；Ｌａｇｒａｎｇｅ方程；角动量定理；Ｈｉｌｌ模型；仿真软件建模；黑箱训练法中图分类号：ＴＰ３９１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３－４７８５（２０１５）０４－０５１８－１０中文引用格式：邵明旭，王斐，殷腾龙，等．人体下肢生物力学建模研究进展［Ｊ］．智能系统学报，２０１５，１０（４）：５１８－５２７．英文引用格式：ＳＨＡＯＭｉｎｇｘｕ，ＷＡＮＧＦｅｉ，ＹＩＮＴｅｎｇｌｏｎｇ，ｅｔａｌ．Ｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｈｕｍａｎｌｏｗｅｒｌｉｍｂｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇ［Ｊ］．ＣＡＡＩＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｙｓｔｅｍｓ，２０１５，１０（４）：５１８－５２７．ＲｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｔｈｅｈｕｍａｎｌｏｗｅｒｌｉｍｂｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇＳＨＡＯＭｉｎｇｘｕ，ＷＡＮＧＦｅｉ，ＹＩＮＴｅｎｇｌｏｎｇ，ＬＩＵＪｉａｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０８１９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｈｕｍａｎｌｏｗｅｒｌｉｍｂｓｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｎｔｅｎｔｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｗｅａｒａｂｌｅｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｒｏｂｏｔｓ．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓｄｅｒｉｖｅｄｆｒｏｍｔｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｃａｎｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｍｅｄｉｃｉｎｅａｎｄｐｒｏｓｔｈｅｔｉｃ／ｏｒｔｈｏｔｉｃｄｅｖｉｃｅｓ．Ｔｈｉｓｗｏｒｋｒｅｖｉｅｗｓｔｈｅｓｔａｔｅ－ｏｆ－ｔｈｅ－ａｒｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｆｏｒｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓｏｆｈｕｍａｎｌｏｗｅｒｌｉｍｂｓａｎｄｍａｋｅｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆｐｏｐｕｌａｒｍｅｔｈｏｄｓ，ｓｕｃｈａｓｍｕｌｔｉ－ｂｏｄｙｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｍｏｄｅｌｉｎｇ，ＨｉｌｌｔｈｒｅｅｅｌｅｍｅｎｔｓｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｂｌａｃｋｂｏｘｔｒａｉｎｉｎｇｍｏｄｅｌｉｎｇｂａｓｅｄｏｎＬａｇｒａｎｇｅｅｑｕａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｏｒｅｍｏｆａｎｇｕｌａｒｍｏｍｅｎｔｕｍ．Ｔｈｅｆｕｔｕｒｅｐｒｏｓｐｅｃｔｓｉｎｔｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｆｉｅｌｄａｒｅａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｎａｔｕｒａｌｌｙｈａｒｍｏｎｉｏｕｓｈｕｍａｎ－ｒｏｂｏｔｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｏｆｗｅａｒａｂｌｅｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｒｏｂｏｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｈｕｍａｎｌｏｗｅｒｌｉｍｂ；Ｌａｇｒａｎｇｅｅｑｕａｔｉｏｎ；ｔｈｅｏｒｅｍｏｆａｎｇｕｌａｒｍｏｍｅｎｔｕｍ；Ｈｉｌｌｍｏｄｅｌ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｂｌａｃｋｂｏｘｔｒａｉｎｉｎｇｍｏｄｅｌｉｎｇ收稿日期：２０１５－０３－２４． 网络出版日期：２０１５－０７－０２．基金项目：中央高校基础科研业务费资助项目（１２０１２４００２）；辽宁省自然科学基金资助项目（２０１３０２００４０）．通信作者：王斐．Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｆｅｉ＠ｉｓｅ．ｎｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ． 随着ＭＥＭＳ、材料、控制和计算机技术的飞速发展，以及我国快速进入老龄化社会后对康复辅助设备的旺盛需求，穿戴式外骨骼机器人技术在世界范围内引起了越来越多学者的关注。
《基于多体动力学和有限元方法对人体下肢生物力学的研究》范文
《基于多体动力学和有限元方法对人体下肢生物力学的研究》篇一一、引言人体下肢的生物力学研究在医学、体育科学、生物工程等多个领域中具有重要意义。
通过深入理解人体下肢的运动机制、力量传递和应力分布等，可以有效预防和治疗运动损伤，提高运动表现，并推动假肢、矫形器等生物医学工程领域的发展。
多体动力学和有限元方法作为现代力学分析的重要工具，为研究人体下肢生物力学提供了有效的手段。
本文将基于多体动力学和有限元方法，对人体下肢的生物力学进行研究。
二、多体动力学在人体下肢生物力学中的应用多体动力学是一种研究复杂系统运动规律的方法，适用于描述人体这种多关节、多肌肉驱动的复杂系统。
通过多体动力学模型，我们可以模拟人体下肢的运动过程，分析关节力矩、肌肉力等生物力学参数。
在人体下肢生物力学研究中，多体动力学模型可以根据人体解剖学数据和运动学数据建立。
通过该模型，我们可以分析不同运动状态下，如行走、跑步、跳跃等，人体下肢的关节角度、角速度、力矩等运动学参数。
同时，结合肌肉力学模型，可以进一步分析肌肉的收缩力和松弛力等生物力学参数。
三、有限元方法在人体下肢生物力学中的应用有限元方法是一种用于求解复杂工程问题的数值计算方法。
在人体下肢生物力学研究中，有限元方法主要用于分析人体下肢的应力分布、骨折愈合过程等问题。
通过建立人体下肢的有限元模型，我们可以模拟不同运动状态下的人体下肢受力情况，分析骨骼、肌肉、关节等部位的应力分布。
此外，有限元方法还可以用于模拟骨折愈合过程，分析骨折部位的应力变化对骨折愈合的影响。
四、多体动力学与有限元方法的结合应用多体动力学和有限元方法在人体下肢生物力学研究中各有优势，将两者结合使用可以取得更好的效果。
通过多体动力学模型，我们可以得到人体下肢的运动学参数和生物力学参数，为有限元分析提供输入数据。
而有限元分析的结果则可以验证多体动力学模型的准确性，并进一步揭示人体下肢的应力分布和损伤机制。
五、结论本文基于多体动力学和有限元方法对人体下肢的生物力学进行了研究。
人体下肢动力外骨骼模型的研究
人体下肢动力外骨骼模型的研究人体下肢动力外骨骼模型的研究近年来，随着人工智能和机器人技术的迅速发展，人体下肢动力外骨骼逐渐成为一个备受关注的研究领域。
人体下肢动力外骨骼是一种通过智能机器人技术和力学原理来辅助行走和运动的装置，被广泛应用于康复训练和辅助行动障碍者的生活。
本文将对人体下肢动力外骨骼模型的研究进行探讨。
首先，人体下肢动力外骨骼模型的研究对于改善生活质量和恢复行动能力的重要性不言而喻。
在理解人体运动机制的基础上，研究者们设计出了各种各样的外骨骼模型，旨在通过通过传感器和控制算法来模拟人体运动，从而实现对下肢的运动控制。
这些模型可以根据个体的不同需求进行定制，为使用者提供个性化的辅助行动。
其次，人体下肢动力外骨骼模型的研究涉及到多个关键技术的研发和应用。
首先是感知技术，通过传感器来感知使用者的运动意图和环境信息，实现外骨骼对使用者的准确控制。
同时，研究者们还开发了足底传感器、力矩传感器等用于测量地面反作用力和关节力矩的技术，以更好地模拟人体肌肉的运动。
另外，人体下肢动力外骨骼模型的研究还探索了多种控制算法来实现对外骨骼的精确控制。
例如，基于模型预测控制的算法可以预测使用者的运动意图，并实时调节外骨骼的助力和刚度参数以提供最佳恢复效果。
此外，研究者们还采用了神经网络和深度学习等先进的人工智能技术来实现对外骨骼的智能控制。
在人体下肢动力外骨骼模型的研究中，还有一个重要的课题是设计轻量、紧凑的机械结构。
由于需要与人体肌骨结合，外骨骼的重量和体积必须尽可能小，以便使用者能够自由行动。
研究者们通过材料选择、结构优化等手段，大大减轻了外骨骼的负重，提高了穿戴舒适度。
此外，还有一些研究者通过采用柔性材料和人体仿生设计的方法来模拟人体的运动，更好地适应人体的形态。
最后，人体下肢动力外骨骼模型的研究还面临着一些挑战和难题。
首先是与人体的协同性问题，即外骨骼在辅助行动时需要与使用者的肌骨有良好的接触和协同性。
行人保护小腿冲击器有限元模型开发
行人保护小腿冲击器有限元模型开发近年来，交通事故的发生率不断上升，其中行人被车辆撞击的情况越来越多见。
因此，对行人的保护成为了一项非常重要的工作。
行人保护小腿冲击器正是为此而开发的一项重要技术。
本文将介绍行人保护小腿冲击器的有限元模型开发。
有限元方法（Finite Element Method, FEM）是计算机辅助分析工程设计的一种先进技术。
它可以通过将结构划分为有限个小块，并在其中加以求解，从而得到整个结构的性能和应力分布情况，是一种非常有效而可靠的分析方法。
行人保护小腿冲击器的开发也是采用了有限元方法进行模拟分析。
行人保护小腿冲击器主要是为了保护行人在与车辆碰撞时，减轻对其腿部的伤害。
由于碰撞过程是一个非线性动态过程，因此需要建立一个符合实际情况的三维有限元模型。
根据小腿骨骼形态和力学特性，对其进行建模，并将其与冲击器进行耦合，在车辆撞击时对其进行力学分析。
为了确定小腿骨骼的力学特性，需要进行力学实验。
比如在实验中，可以将小腿骨骼放在机械臂之中，并通过扭转、拉伸等方式进行拉伸试验，从而得到小腿骨骼的应力应变曲线和材料参数。
通过这些参数，可以对小腿骨骼进行数值模拟分析。
接下来是模型的建立。
在模型中，小腿骨骼及其周围的软组织被建模为一系列三维有限元网格，并加入封闭型空气减震装置模拟冲击过程。
冲击器还需要考虑其内部结构对于冲击力的缓冲和分散的作用。
通过不断的迭代分析，得到符合实际情况的模型。
最后，需要进行验证实验，验证模型的准确性。
将模拟的冲击器安装在实际使用中的车辆上，并进行碰撞试验。
通过试验认证，可以确定行人保护小腿冲击器的可靠性，保证行人在与车辆碰撞时受伤率的降低。
总之，行人保护小腿冲击器的有限元模型开发是一项复杂的工程，需要以实验为基础，在此基础上，通过有限元方法构建出符合实际情况的模型。
通过此项技术的应用，可以保护行人的安全，减轻其在车辆事故中受伤的程度。
随着城市的发展和人口的增加，交通事故在日常生活中越来越常见。
乘员下肢生物力学模型与KTH正面碰撞损伤分析
乘员下肢生物力学模型与KTH正面碰撞损伤分析黄伟;兰凤崇;陈吉清;刘朝阳【摘要】为了研究汽车正面碰撞事故中乘员膝关节-大腿-髋关节(Knee-Thigh-Hip,KTH)部位的损伤机理,基于成人下肢CT影像数据建立了乘员下肢生物力学有限元模型,包括骨盆、股骨、髌骨、小腿骨、髋关节、膝关节以及皮肤、肌肉等重要解剖学结构.根据Haut、Kerrigan以及Rupp等的生物力学试验,针对该模型进行了全面的有效性验证,表明其能够准确模拟正面碰撞事故中乘员KTH的生物力学响应与损伤.同时,仿真分析了正面碰撞条件下碰撞面与乘员KTH相对碰撞角度对KTH损伤的影响.结果表明,KTH损伤风险和撞击面法线与乘员股骨轴线在水平面和矢状面上的投影角紧密相关,其损伤风险随水平面投影角绝对值的增大而降低,水平面投影角为0°时损伤风险最大;而当矢状面投影角为-10°时,乘员KTH损伤风险较高.【期刊名称】《汽车工程学报》【年(卷),期】2016(006)002【总页数】9页(P106-114)【关键词】汽车安全;乘员下肢;有限元模型;生物力学;损伤机理【作者】黄伟;兰凤崇;陈吉清;刘朝阳【作者单位】华南理工大学机械与汽车工程学院,广州510640;广东省汽车工程重点实验室,广州510640;华南理工大学机械与汽车工程学院,广州510640;广东省汽车工程重点实验室,广州510640;华南理工大学机械与汽车工程学院,广州510640;广东省汽车工程重点实验室,广州510640;华南理工大学机械与汽车工程学院,广州510640;广东省汽车工程重点实验室,广州510640【正文语种】中文【中图分类】U461.91汽车正面碰撞事故中，下肢是乘员最容易受到伤害的部位之一。
据统计，当乘员系上安全带以及汽车配有安全气囊时，下肢损伤所占比例约为头部损伤的两倍，而下肢损伤中55%的AIS2+损伤为KTH部位的损伤［1］。
人体下肢承受墩撞冲击破坏特性的模拟计算
人体下肢承受墩撞冲击破坏特性的模拟计算
姜海波;葛世荣
【期刊名称】《煤炭学报》
【年(卷),期】2008(033)002
【摘要】根据人体测量学参数建立具有骨骼和关节的人体冲击动力学参数模型,对模拟矿井墩罐事故中人体下肢各部位(足、膝、髋)的瞬时冲击载荷进行了分析计算,对人体不同下坠速度情况下所受到的冲击损伤进行评估.改变人体下肢站立姿态,通过与正常站立姿态所受载荷对比发现,下肢略有弯曲的站立姿态对于减少冲击载荷有较好的效果.以此结论预测,在事故发生时适当弯曲下肢可以起到较好的减缓冲击载荷的作用.
【总页数】3页(P218-220)
【作者】姜海波;葛世荣
【作者单位】中国矿业大学,机电工程学院,江苏,徐州,221008;中国矿业大学,材料科学与工程学院,江苏,徐州,221008
【正文语种】中文
【中图分类】TH165
【相关文献】
1.模拟舰船冲击对人体下肢骨骼轴向压缩损伤特性研究 [J], 黄建松;华宏星;周建鹏
2.人体头部承受正面和侧向冲击的颅骨应力分析 [J], 朱青安;欧阳钧
3.用两种姿势着陆时人体质心承受的冲击力 [J], 冯文树;刘铁汉;何扬举;简进章;范
建伟
4.人体头部承受正面冲击时的颅骨应力分析 [J], 朱青安;钟世镇;欧阳钧;原林;卢海俊;王以进;张云然;吴桂荣
5.采用两种跳伞着陆姿势着陆时人体主要节段承受的冲击过载 [J], 冯文树;刘铁汉;何杨举;简进章;范建伟
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基于TRL和FLEX—PLI腿型响应的下肢损伤研究
基于TRL和FLEX—PLI腿型响应的下肢损伤研究作者：仲衍慧韩玉环李博何成来源：《科技与创新》2017年第10期文章编号：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；力学模型中图分类号：U467.1+4 文献标识码：A DOI：10.15913/ki.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（Transport Research Laboratory）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。
人体下肢关节系统的生物力学行为研究
人体下肢关节系统的生物力学行为研究人体下肢关节系统是人体运动的基础，它由大量复杂的关节协同工作，使肌肉、骨骼和关节组成一个紧密的机构系统。
研究者们发现，人体下肢关节系统的生物力学行为具有很强的可塑性，在不同的负载条件下能够适应不同的环境和要求。
因此，研究人体下肢关节系统的生物力学行为具有重要的意义，可以为人们提供更有效的运动训练方法和治疗手段。
研究人体下肢关节系统的生物力学行为，需要考虑到动态力学因素，比如肌肉、骨骼和关节的力学特性，以及肌肉、骨骼和关节之间的相互作用。
在具体的研究过程中，研究者首先要建立力学模型，以更好地识别出人体下肢关节系统的生物力学特性，并将其归结为一系列的数学方程；其次，要测量人体下肢关节系统的运动特性，如加速度、力矩、压力等；最后，要将实验测量的数据与建立的数学模型进行比较，以检验模型的准确性。
在研究人体下肢关节系统的生物力学行为时，必须考虑到多种因素，例如肌肉力量、肌肉活动、关节运动、力学运动特性等。
研究者们发现，肌肉力量会影响关节运动，而关节运动又会影响肌肉活动，这就形成了一个互动的机制。
因此，研究者需要采用复杂的实验方法，深入探究人体下肢关节系统的生物力学行为，以及它们之间的相互作用。
此外，研究者还要研究人体下肢关节系统的力学运动特性，以更好地理解人体的运动行为。
这些包括负载、加速度、力矩、压力等，它们可以帮助研究者分析人体下肢关节系统的物理特性，有助于深入了解人体下肢关节系统的生物力学行为。
人体下肢关节系统的生物力学行为是一个复杂的过程，它涉及到肌肉、骨骼和关节的力学特性，以及肌肉、骨骼和关节之间的相互作用。
因此，研究人体下肢关节系统的生物力学行为，需要采用复杂的实验方法，深入探究肌肉、骨骼和关节之间的相互作用，以及它们之间的力学运动特性。
最终，研究者可以根据研究发现，制定出更有效的运动训练方法和治疗手段，从而提高人们的运动效率。
不同着地冲击模式的下肢生物力学研究
不同着地冲击模式的下肢生物力学研究张燊;傅维杰;刘宇【摘要】目的：比较主动和被动两种不同着地模式下，下肢运动学、冲击力特征、软组织振动和肌肉活化模式，以及全面理解人体下肢着地冲击的神经-肌骨系统调控机制。
方法：选取12名体育教育专业篮球专项男性运动员，受试者随机进行3种下落高度（30 cm、45 cm、60 cm）×两种下落方式的测试，每组测试重复3次。
主要选择运动学、冲击力、软组织振动以及肌电图学相关参数进行分析。
结果：3种高度条件下的触地瞬间和缓冲期，主动着地相比于被动着地，髋关节和膝关节的关节角度显著减小（P＜0．05），角速度明显增大（P＜0．05）。
3种高度条件下，主动着地的冲击力峰值（P ＜0．05）、最大负载率（P ＜0．05）、冲击力频率（P＜0．05）均显著小于被动着地。
股四头肌（除60 cm）和腘绳肌在3种高度情况下，主动着地的加速度最大振幅均显著小于被动着地（P＜0．01）。
股四头肌和腘绳肌的软组织阻尼在3种高度情况下，主动着地均显著大于被动着地（P＜0．05）。
在触地前激活、触地后激活和缓冲阶段，主动着地部分肌肉的肌电振幅均显著大于被动着地（P＜0．05）。
结论：主动着地情况下，人体可以通过积极调整肌骨系统的落地策略，有效减少冲击传递下的软组织振动，进而达到有效完成动作控制和降低运动损伤风险的作用。
相反，被动着地时，肌骨系统需要承受更大的冲击力和相应软组织的振动，进一步增加了冲击损伤的危险。
%Objective:To examine the kinematics,impact force,tissue vibration and muscle activi-ty during active landing (AL)and passive landing (PL).In addition,the aim was to under-stand the regulation mechanism of nerves-muscle skeletal system during landing.Methods:Twelve trained basketball male volunteers in physical education were required to complete threedifferent attitudes(30 cm、45 cm、60 cm)× two different landing models (AL & PL).The variables were measured including kinematic of lower extremity,impact characteristics,soft tis-sue acceleration signal and EMG signals.Results:At three different attitudes,AL showed sig-nificantly decrease the knee and hip joint angle (P <0.05),and significantly increase angle ve-locity (P <0.05)during the instantaneous moment of touchdown and cushion phase compared with PL.The peak of impact force (P<0.05),maximum loading rate (P <0.05)and impact frequency (P<0.05)were significantly reduce during AL compared with PL at three different attitudes.AL showed significantly decrease the maximum amplitude of accelerate of quadriceps femoris (except 60cm)(P < 0.01)and hamstrings (P < 0.01)at three different attitudes compared with PL.At three different attitudes,AL showed significantly increase the tissue damping (P <0.05)compared with PL.The parts of muscles showed significant increase the EMG amplitude (P < 0.05)during AL in per-activation,post-activation and cushion phase compared with PL.Conclusion:At the case of AL,the human being can adjustment the landing strategy of muscle-skeletal system,which mean effective decrease the tissue vibrate under the impact force.Eventually,the effective motor control were resulted in decrease the risk of sports injuries.On the counter,muscle-skeletal system were bear higher impact force and tissue vi-brate,and improve the risk of sports injuries.【期刊名称】《体育科学》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】8页(P59-66)【关键词】冲击力;软组织振动;肌肉活化;着地【作者】张燊;傅维杰;刘宇【作者单位】上海体育学院运动健身科技省部共建教育部重点实验室，上海200438;上海体育学院运动健身科技省部共建教育部重点实验室，上海 200438;上海体育学院运动健身科技省部共建教育部重点实验室，上海 200438【正文语种】中文【中图分类】G804.6在跑、跳和落地的过程中，每一次与地面接触，下肢都承受着2～7倍的冲击力[11,12,18]。
一个解剖基人体下肢的生物动力模型--第二部分: 数值结果
一个解剖基人体下肢的生物动力模型--第二部分：数值结果佚名
【期刊名称】《力学与实践》
【年(卷),期】2000(022)002
【摘要】表述人体下肢生物动力模型的数值技术、数值结果并将其与文献进行比较.模型显示:当人体下肢小腿受冲击外载荷作用时,在膝关节处所产生的4个主要韧带张力以及膝关节处的咬合接触力,在大腿固定不动(或运动受到约束)的情况下,要远大于大腿未受约束的情形.这与医学常识是吻合的.
【总页数】4页(P52-55)
【正文语种】中文
【中图分类】O3
【相关文献】
1.中国解剖学会第6届护理解剖学研讨会解剖学教学课件大奖赛人体解剖学模型展通知 [J],
2.一个解剖基人体下肢的生物动力模型--第一部分: 模型描述 [J],
3.一个解剖基人体下肢的生物动力模型--第三部分:肌肉效应 [J],
4.人体下肢有限元动力学分析模型的建立和验证 [J], 杨济匡;方海峰
5.具有解剖基下颌的人体头部有限元模型的建立 [J], 马春生;张海钟;杜汇良;黄世霖;张金换
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小腿冲击器动力学分析简化模型
小腿冲击器动力学分析简化模型黄晨晖【摘要】针对行人与车辆碰撞中行人小腿的保护问题,建立基于MCKF模型和简单梁理论的新型小腿冲击器二维多体动力学模型.用柔性体模拟韧带以满足小腿冲击器对膝关节建模的较高精度要求；将不同阻尼系数和刚度系数引入多体模型以满足某些连接部位的阻尼和刚性要求.参考ECRNo.631/2009中的小腿冲击器动态试验并改进原始的刚性冲击锤的材料,将由此建立的MCKF模型与LSTC公司建立的模型进行对比,结果表明:MCKF模型可准确预测小腿冲击器加速度、弯曲角度和剪切位移,EA曲线的趋势与LSTC公司的模型类似.MCKF模型可辅助设计师完成车辆前部结构的前期开发工作.【期刊名称】《计算机辅助工程》【年(卷),期】2011(020)002【总页数】8页(P67-74)【关键词】小腿冲击器;MCKF模型;简单梁理论;EA曲线【作者】黄晨晖【作者单位】上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心,上海200438【正文语种】中文【中图分类】U461.91;TB115.10 引言行人保护的相关研究始于20世纪80年代，最早在欧洲开展，并迅速扩展至世界各地.目前，欧盟、日本、韩国和中国等国家和地区都已制定行人保护标准.随着我国汽车行业飞速发展，汽车保有量快速增长，但我国道路仍属于混合型交通，机动车、行人多处于同一道路，增加我国行人与机动车碰撞事故发生的概率.我国交通事故死亡人数连续数年居世界首位，并一度超过10万人/年，其中行人的死亡比例超过40%.因此，我国推进行人保护法规的实施刻不容缓.同时，由于我国自主品牌汽车飞速发展，各大厂商纷纷拓展国外市场，为避免遭遇国外市场的技术壁垒，开展行人保护研究也至关重要.在行人保护的相关研究中，涉及的范围主要包括车辆对行人头部、大腿和小腿的保护等3部分(见图1)，其中，头部碰撞区域又细分为成人头部碰撞区域和儿童头部碰撞区域2种.图1 现行行人保护考虑的区域Fig.1 Currently considered pedestrian protection areas在国内外众多文献中，提及较多的是对行人头部的保护，这是由于在各国的统计数据中因头部与车辆的发动机罩、挡风玻璃以及A柱周围碰撞导致死亡的比例要远大于其余2个部分(见图2).但同时由于碰撞导致重伤的交通事故也占相当大的比例，由图3可知，在行人与车辆碰撞导致的重伤部位中下肢占的比例最大.图2 日本每1 000个行人事故中致死部位和死亡人数Fig.2 Body parts resulting in death and death toll per 1 000 pedestrians in car-pedestrian traffic accidents in Japan图3 日本每1 000个行人事故中致重伤部位和重伤人数Fig.3 Body parts resulting in serious injury and number of serious injuries per 1 000 pedestrians in carpedestrion traffic accidents in JapanIHRA/PS WG 2001［1］对各国行人受伤部位的统计见表1，可知，在人体受到AIS2-6级伤害的部位中下肢占32.6%，超过头部伤害，居第一位.可见，为从整体上降低行人死亡及受重伤的数量，除应对行人头部保护建立相关的法规外，对行人的下肢保护也应建立起一套完善的国家法规.在借鉴国外同等法规的前提下，我国于2009年10月30日颁布《汽车对行人的碰撞保护》GB/T 24550—2009的推荐性标准，并于2010年7月1日开始正式实施.表1 各国行人受伤部位统计Tab.1 Statistics for injured body regions of pedestrian身体部位、区域美国德国日本澳大利亚1994—1999年1985—1998年1987—1998年1999—2000所有国家年头部/% 32.7 29.9 28.9 39.3 31.4脸部/% 3.7 5.2 2.2 3.7 4.2颈部/% 0.0 1.7 4.7 3.1 1.4胸部/% 9.4 11.7 8.6 10.4 10.3腹部/% 7.7 3.4 4.7 4.9 5.4骨盆/% 5.3 7.9 4.4 4.9 6.3手臂/% 7.9 8.2 9.2 8.0 8.2下肢/% 33.3 31.6 37.3 25.7 32.6未知部分/% 0.0 0.4 0.0 0.0 0.21 计算机仿真模拟1.1 小腿冲击器有限元模型小腿冲击器的有限元模型见图4，是LSTC公司基于欧洲委员会法规No.631/2009中对行人腿部保护要求建立的模型，包含47 409个节点，33 664个实体单元，2 960个薄壳单元和2个梁单元.图4 小腿冲击器有限元模型Fig.4 Finite element model of lower leg impactor 模型由29个部件组成，分为大腿和小腿2个部分，通过膝关节处的韧带连接.大腿和小腿由一层泡沫覆盖，其材料为氯丁(二烯)橡胶，用于模拟腿部皮肤层.小腿动态试验的要求为用一个质量9 kg的冲击器以7.5 m/s速度撞击小腿近膝盖处，考核小腿的加速度、弯曲角度和剪切位移等.考核结果应符合以下要求:小腿上端最大加速度不小于120g且不大于250g;最大弯曲角度不小于6.2°且不大于8.2°;最大剪切位移不小于 3.5 mm且不大于6.0 mm.1.2 模拟分析结果动态试验中小腿的速度、小腿弯曲角度和小腿剪切位移见图5，显示3项指标均符合法规的要求.值得注意的是，LSTC公司最新的小腿模型在处理小腿最大加速度值离散方面已进行很大的改进.［2］图5 动态试验中小腿加速度、弯曲角度和剪切位移Fig.5 Acceleration，bending angle and shear displacement of lower leg in dynamic test2 MCKF二维小腿冲击器模型2.1 背景有限元小腿模型虽然能比较精确地还原小腿受到冲击时的姿态以及损伤程度，但未掌握有限元法和有限元分析软件的从事汽车造型以及前舱总布置的设计人员面临许多未知因素，如有限元小腿模型的获取、汽车前期设计中材料参数的获取、行人保护有限元模型的调试等，这些在汽车概念设计阶段都难以解决.此外，行人保护法规针对传统的汽车前脸设计也提出新的造型要求，当造型人员想快速验证设计方案的可行性时，CAE分析往往很难跟得上进度，因为CAE分析需占用大量的建模时间.为配合新法规对设计的要求，基于动力学分析的MCKF二维小腿冲击模型应运而生.2.2 有限元小腿冲击器的结构参考LSTC小腿冲击器有限元模型的构造以及YASUKI等［3］对人体小腿的研究，构建的有限元小腿模型截面和内部构造见图6和7.模型的主要构件为剪切梁、韧带、与剪切梁相连的阻尼器、加速度计、弹簧以及大腿小腿泡沫和刚性部件等.在物理实验中，为测量小腿的加速度，在小腿近膝盖的非碰撞侧需安装一个单轴的加速度计;而在有限元小腿冲击器中，为解决数值振动的问题，需指定一个局部坐标系并在该局部坐标系处安装一个类似于物理实验中具有压电传感器功能的*element_seatbelt_accelerometer单元，用于提取小腿的加速度信息.为测量膝部的的弯曲角度，在物理实验中需使用复杂的测量仪器并采用三角法测量，工作量比较繁重;相对来说，在有限元小腿冲击器中测量工作就简单许多，只需安装一个旋转弹簧(*element_discrete)就可通过测量这个旋转弹簧获得碰撞前、后的相对转角.最后，为获得小腿的剪切位移，物理实验通过使用一个关于测量角度的方程获得;而在有限元小腿模型中，通过膝关节处的一个位移弹簧就可得到小腿的剪切位移.图6 有限元小腿模型截面，mmFig.6 Section of finite element model of lower leg，mm图7 有限元小腿模型内部构造Fig.7 Inner configuration of finite element model of lower leg通过上述2种不同方法对测量的要求可知，物理实验需针对不同的测量参数安装不同的传感器，并且需要后期的一些数值转换才能得到所需的数据，相对于有限元法，直接通过单元提取数据的方法有些繁琐.此外，在物理试验中，膝关节处的韧带材料(见图8)在试验中会发生塑性变形［4］，每次试验都需更换，且价格不菲，所以，目前很多公司都采用有限元模拟替代物理实验.但是，有限元模拟也需要前期投入，不仅需要购买分析软件，而且还需要购买合适的有限元小腿模型，同时还需要有一批具有CAE分析能力的工程师，对于刚开展行人保护工作的公司来说并不是一条很经济的途径.此外，RAMET等［5］曾研究小腿在准静态时受到侧向力的响应，但没有涉及动力学问题.鉴于此，本文对在与车辆碰撞过程中小腿运动姿态以及力学特性深入剖析的基础上另辟蹊径，引入一个基于MCKF的方法，即通常意义上说的系统动力学方程，其中M，C，K和F分别表示系统质量矩阵、系统阻尼矩阵、系统刚度矩阵以及外力向量.同时，大量的物理试验以及有限元分析表明，小腿在受到车辆撞击时基本处于同一个平面内，可将问题简化为平面内的系统动力学问题.图8 小腿韧带截面尺寸，mmFig.8 Section size of lower leg ligament，mm2.2 MCKF小腿冲击器力学模型二维小腿力学模型见图9.其中:X1～X8分别为质心或联结点处位移;θ1～θ3分别为质心或联结点处转角;F1～F4分别为车辆前端的冲击力;M1～M3分别为刚体质量;I1～I3分别为刚体的转动惯量;Fb和Fc分别为剪切梁两端剪切力;Tb和Tc分别为剪切梁两端弯矩;Fd为阻尼衰减力;f为旋转塑性弹簧的剪切力;T为旋转塑性弹簧的扭矩，旋转塑性弹簧用于输出剪切力以及扭矩，但其本身无刚性.图9 二维小腿力学模型Fig.9 2D mechanics model of lower leg在参考实际的物理模型以及有限元小腿模型的前提下，小腿的二维力学模型可简化为如图9所示的几个主要部分，分别为刚性大腿(M1)、刚性小腿(M3)、刚性膝部骨骼(M2)、剪切梁、阻尼器以及旋转塑性弹簧等.比较有限元模型对测量数据的标定位置，分别用柔性剪切梁输出小腿的动态剪切位移，借助旋转塑性弹簧输出小腿动态弯曲角度以及用小腿近膝盖中心处66 mm的点输出小腿动态加速度.［6］这样可按照不同的位置建立平衡方程，最后将这些平衡方程组装成系统运动方程. 系统的坐标系见图9，旋转方向以逆时针为正.大腿部平动平衡方程为大腿部旋转平衡方程为剪切梁下部的位移平衡方程为剪切梁下部的旋转平衡方程为小腿部位移平衡方程为小腿部旋转平衡方程为剪切梁上的力和弯矩分别为式中:k2，k4，k6和k12分别为剪切梁刚度矩阵分量，由剪切梁上力与弯矩以及剪切梁端点的位移与转角的关系得到，见图10.图10 剪切梁力学构造Fig.10 Mechanics configuration of shear beam剪切梁的载荷与位移的关系可表示为式中阻尼衰减力式中:c为衰减阻尼系数.从属自由度根据式(1)～(12)，可得质量矩阵刚度矩阵阻尼矩阵力向量位移向量根据可得利用式(14)可进行逐次迭代计算.2.3 迟滞判别算法根据小腿受到保险杠等处冲击时的力学特性，MCKF动力学方程可用迟滞判别的方法进行迭代计算.典型的迟滞模型见图11，其中实线表示加载过程，虚线表示卸载过程.图11 典型的迟滞模型Fig.11 Typical hysteresis model由图11可知，迭代的关键在于确定某处位移时模型处于加载阶段h(t)=0还是卸载阶段h(t)=1.图12显示整个模型的迭代过程.图12 迟滞模型迭代流程Fig.12 Iteration process of hysteresis model在进入当前子步前先判定模型前一个子步是否处于加载阶段，如果处于加载阶段且位移增加，则可据此判定目前处于加载阶段，可利用式(14)中代表前一时刻的X以及X′计算出目前时刻的X″，同时进入子程序SUB1，依据载荷点是否触底计算出目前时刻的载荷.其中，子程序SUB1的流程见图13.图13 触底判定流程Fig.13 Judgement process of bottoming out3 MCKF二维小腿冲击器数值模拟3.1 MCKF模型参数获取和初始条件设定参考小腿冲击器动态试验的有限元模型，并将其简化为MCKF模型(见图14).在动态试验中，冲击小腿的冲击器为刚体，为使其更具有普遍性，并且可模拟出小腿冲击保险杠的载荷条件，可将保险杠处吸能材料的属性赋予冲击器［7］.由冲击点的位置可以对MCKF方法导出的模型进行力向量的简化，由图14可知，小腿动态试验中只考虑保险杠的冲击力F3，而没有考虑发动机罩的撞击力F1，栅格的撞击力F2以及保险杠下部的撞击力 F4，因此可从式(14)的力向量F中将对应的F1，F2和F4删除，从而简化分析程序.图14 有限元小腿冲击器模型和MCKF模型Fig.14 Finite element model of lower leg impactor and MCKF model程序中需要输入的参数包括大腿、小腿、骨关节处的质量、质心位置、旋转惯量、阻尼系数、剪切梁的长度、截面特性等以及撞击点高度和车上撞击点处材料的EA曲线即材料的F-S曲线.其中，腿部的属性可通过实际测量或参考有限元模型获得，撞击点高度可按照法规要求设定.测量有限元小腿模型各部分得到的参数见表2.表2 有限元小腿模型参数Tab.2 Parameters of finite element model of lower leg部位重量/kg 转动惯量/(kg·m2) 重心高度/mm大腿部泡沫0.56 0.009 472 710.0大腿外筒7.05 0.094 178 724.0梁的大腿侧0.48 0.001 152 71.08剪切梁0.95梁的小腿侧0.48 0.000 152 598.3梁下部质量0.33 0.000 039 529.0小腿4.30 0.120 001 261.0小腿泡沫0.64 0.013 887 247.0剪切梁刚度矩阵中的参数 k2，k4，k6，k12与杨氏模量和截面惯性矩有关，同样可通过测量有限元小腿模型获取.在LSTC小腿冲击器中，相对应剪切梁的杨氏模量和惯性矩分别为E=2.058E+11 N/m2和I=9.483E-9 m4，梁长 l=0.225 m.经计算，剪切梁刚度矩阵中的参数值分别为k2=17 348 N·m，k4= 34 696 N·m，k6= 34 696 N·m，k12=2 056 065 N·m，衰减阻尼系数c=784 N·s/m.车上撞击点处材料的EA曲线可通过两种方式获得:一种是通过零件级的物理试验，如用一个单轴的冲击锤冲击试件就可从压电传感器中读出加速度，由于冲击锤的质量一定，可很容易得到F-S曲线.该方法的优势在于节省物理试验的耗材费用，因为获得试验车上某处试件的F-S曲线即刚度曲线的成本远小于小腿韧带消耗的成本.另一种是通过有限元分析直接提取试验车某处的刚度曲线，但前提是必须获得足够精确的材料属性.该方法可用在概念设计的前期开发中，因为前期开发的工程师往往会改变汽车前部零件的刚性和形状，由此可根据原有的数据如保险杠泡沫吸收能量的大小估算出各部分的刚度.这些原始的数据可作为MCKF模型的力的输入，从而快速、便捷地计算出腿部加速度、腿部剪切位移以及腿部弯曲角度的初算数据.这些数据可用于指导设计人员的进一步开发.3.2 有限元数值模拟确定冲击器的EA曲线有限元模型EA曲线与MCKF模型EA曲线见图15，其中曲线包含加载和卸载区段.图15 有限元模型和MCKF模型的EA曲线Fig.15 EA curves of finite element model and MCKF model将该EA曲线输入到程序中，然后通过引入卸载判定与触底判定的迭代算法计算出小腿加速度、弯曲角度和剪切位移，见图16，可知，用MCKF模型预计最大加速度、最大弯曲角度和最大剪切位移都具有相当的准确度.与此同时，曲线的趋势也与有限元小腿冲击器模型的结果相近，但与用有限元法计算一个30 ms的碰撞事件需要花费几小时不同的是，MCKF模型只需花费不到1 min的时间.图16 计算得到的小腿加速度、弯曲角度和剪切位移Fig.16 Acceleration，bending angle and shear displacement of lower leg obtained by calculation欧盟行人保护法规EC78/2009中第2阶段的技术要求规定膝部最大动态弯曲角度应小于等于19°，膝部动态剪切位移应该小于等于6 mm，胫骨上端最大加速度小于等于170g.本文的保险杠参数达到法规要求.通过对比MCKF模型，计算获得小腿冲击器的最后变形图以及有限元结果(见图17)证明MCKF模型与有限元模型具有相同的变形姿态，但MCKF模型中保险杠材料在卸载过程中与有限元模型的EA曲线有所不同(见图15)，导致剪切位移在后半段有所差异(见图16(c))，这是由保险杠材料回弹［8］造成的.图17 MCKF模型(左)与有限元模型(右)的变形姿态Fig.17 Deformation of MCKF model(left)and finite element model(right)4 结论通过建立一种全新的介于试验与有限元模型之间的MCKF小腿模型，解决目前行人保护中小腿撞击的两大问题:(1)基于最新的行人保护法规设计新型车辆的前部结构，需进行大量相关试验，而耗材的费用(如小腿韧带)占设计的绝大部分开支，MCKF模型在免去实际小腿试验的前提下，通过对碰撞点材料EA特性的分析获得与有限元分析近似的结果，从而有效简化设计者的开发过程，节约前期的试验投入.(2)有限元模型虽然能获得良好的计算精度，但需要一定的前期硬件投入，如购买有限元分析软件以及有限元分析模型等，而且还需要一批有分析经验的工程师，MCKF模型是基于二维的多体动力学方法并且在材料计算上引入卸载判定与触底判定的迭代算法，在获得材料参数方面具有很灵活的特性，对材料EA特性的要求可通过低成本的材料试验或有限元计算方式获得.在国内行人保护法规推出之际，MCKF模型可取代小腿试验以及有限元假人模拟，辅助设计师完成车辆前部结构的前期开发工作.参考文献:【相关文献】［1］ Euro-Ncap.EURO-NCAP’s pedestrian impact tests［EB/OL］.(2011-01)［2011-04］..［2］ MATSUI Y，TAKABAYASHI M.Factor causing scatter in dynamic certification test results for compliance with EEVC WG17 legform impactor standard［J］.Int J Crashworthiness，2004，9(1):5-13.［3］ YASUKI T，YAMAMAE Y.A study on behavior of legform impactor［J］.Trans Soc Automotive Engineers Japan，2005，36(6):219-223.［4］ YAMADA H.Strength of biological materials［M］.Baltimore:Williams＆ Wilkines，1970.［5］ RAMET M，BOUQUT R，BERMOND F，et al.Shearing and bending human kneejoint tests in quasi-static lateral load［C］//Proc IRCOBI Conf Biomechanics Impacts，Brunnen，Switzerland，1995:93-105.［6］ JANUSZ K，GÜNTER S，HIROTOSHI I，et al.Shearing and bending effects at the knee joint at high speed lateral loading，973326［C］//Proc 41st Stapp Car Crash Conf，Lake Buena Vista，USA，1997.［7］ MATSUI Y，ISHIKAWA H，SASAKI A，et al.Impact response and biofidelity of pedestrian legform impactors［C］ //Proc IRCOBI Conf Biomechanics Impact，Barcelona，Spain，1999:343-354.［8］ YASUKI T.A survey on the biofidelity of the knee bending angle of the TRL lower leg impactor，050101［C］//Proc 19th ESV Conf，Washington D.C.，USA，2005.。
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罔３删向自ｌ载（山，力矩）和载荷 作用时问对峙骨骨折的影响
２００６中国救车＆全＆术目日、研ｌｊ台
载时间超过４ｍｓ，就能造成胫骨骨折
２．２膝关节损伤
Ｒａｍｅｔ等人采用Ｆ脏生物样本对人体膝戈前的耐竖限度进行了研究，建议在准静态载衙 条件下人体膝关节横向剪切的耐受限度为２０ｒａｍ…。‰ｌｚｅｒ等人研究了人体下肢标本庄高速 （４０ｋｍ／ｈ）碰撞Ｆ的生物山学响应，膝芙节横向剪切位移平均值选到１６ｒａｔａ时骺骨骨折，
特性不芷。
尽管ＪＡＭＡ．ＪＡＰｄ下肢冲击器的生物力学特性忧于ＴＩＬＬ冲击器，但其膝部韧带的实验 可重复性水太，且无法确定朦关节弯曲和剪切变形对其损伤的影响，仍小能完好地模拟人体 下肢。且Ｐ述冲击器都没有考虑＾体上身质最、脚与地面的接触情况等对安验结果的影响。 实际上，采用ｒ胺冲击器来评价汽车与行人下肢的碰撞安全性能．其结果土要应该能够 反映不同汽车前郎结构对行人下胜的碰撞损伤程度的好坏．从而用于指导改进汽车前部的结 构设计。因此，过分追求冲击嚣的牛物力学结构与人体下肢相近也许并非培好的办法。如果 采用简单结构能够达到该目的，则其实验的重复性及町靠性将更高。术文在ＥＥＶＣ冲击器 结构的摹础上，通过修改其邮分参数值，探讨了提高其评价性能的斤法。
为２
５－８ｋＮ ７”。Ｎｙｑｕｉ
ｓｔ等人通过动态三点弯曲实验，得出
７±ｌ
男性胫骨骨折的碰撞力峰值为４
４¨，弯曲力矩为
３１７±８８ｘｌⅡ＝立性则分别为４ １±Ｉ ２ｋＮ和２７８±３０Ｎｍ’。 Ｙａｎｇ则认为造成腿骨丹始骨折的力的大小取决于载荷
的加载速度及作用的时问。胫骨骨折与载荷的大小及作用时 间的关系如图３所示１。胫骨受到的力越』＝、作用时间越长，
图５冲击器与车碰撞实验布置
表４仿真实验输出的损伤风险值 一奎型 ．．实验搓型 至曲角匿
１．２５ １．９０
一最太剪切位整
０．８５ １．６５
．．加速度
０．５３ ０．６１
．
金让
２．６３ ４．１６
Ａ珏！｜ＴＲＬ冲击器 一 新冲击器
下肢冲击器参数改进研究
本文根据国外损伤生物力学研究得到的下 肢膝关节剪切、弯曲变形特性ｕ划，修改新建下 肢冲击器模型中模拟膝关节剪切、弯曲变形的 平移铰链和旋转铰链刚度定义。修改前后的剪 切特性加载函数定义曲线如图６所示。修改前 的加载函数位移值小于１０ｍｍ，且随着剪切位移 的增大，力大幅度增加。修改后的加载函数剪 切位移定义范围扩大到３５ｍｍ以上，且随着剪切 位移的增加，力变化较平缓，当位移较大时甚 至有所减小，可以模拟较大的膝关节相对位移。
２００６中国汽车宜全技术国际研讨会
基于人体下肢生物力学特性及事故分析的 下肢冲击器模型研究
曾立波，张冠军，危海烟，白中浩
湖南大学，现代车身技术教育部重董宴验室，湖南长沙４１
００８２
摘要车文对人体Ｆ肢的牛物力学特性进行Ｔｎ纳分析。通过建立种不同时期的典型牟型模型， 进行仿真宜嘧．井与事敞统＂分析结粜进行对№，表明￡Ｅ虻标准中果用的ＴＲＬ ｒ脏冲击８的实验结粜 不能很好地用ｒ评忻不同汽车前部结构对打人Ｆ肢的保护性能。通过恬政下肢冲出嚣的参数定义．建 ｉＴ新的Ｆ啦冲击器模掣井进行７帽虚的仿真分析．得到７鞍好的仿真蛮验结粜，Ⅲ“川干指导新Ｆ
情况。 然而，由于ＴＲＬ下肢冲击器中大腿和小腿采
用刚性结构，与＾体腿骨币同，不能模拟腿骨弯 曲运动。虽然胫骨上瑞的加速度传感器可以反映
三ｑ
目２ ＪＡＭＡ－ＪＡＲＩ
Ｆ肢冲击％
胫骨上端受力情况．｜＿日当碰撞部位改变时，Ｂ口使加速度传感器测晕值很小也会产生骨折现象，
崮而该装置不能准确反映其它受撞击部位受损情况。膝关节由刚性弯曲板组成，模拟的韧带 刚度太火，使腺关节弯曲变形量较人体实际变形量偏小。受弹簧剪切变形的限制．该冲击器 只能评估２０％以上的过载量ｎ因此．该冲击器存模拟膝关节损伤及腿骨变形时生物力学
ＡＥＣＡ（ＰＡＲＴＡｌ ＡＥＣＡ（ＰＡＲＴＢｌ
２ｍ／ｓ
３基于事故统计分析的仿真模型建立
为了分析聚用ＴＲＬ冲击器进行宴骂盎的结果是否能反映不同车型对行人Ｆ肢的碰撞损伤
表２ ｆⅢ前部土ｇ寥数 １型 Ａ型（７０年代） Ｂ型１９０年代） 保险杠』二端岛虚
０ ５３６ｍ
裳础机早前瑞高度
０ ７７６ｍ
０ ７４５ｍ
雠睑札－，发动机罩ｍ离
击器可测量胫骨加速度、膝关口弯曲角度和剪切
位移，并设置，阻尼元件米减少模型震动，增强 实验的稳定性和町重复性…。
豁１Ｉ
圈Ｉ ＥＥＶＣ（＂ＩＸＬ）下肢冲击＃
２００６中田汽车安全技术目断研讨会
日本汽车制造协会（ＪＡＭＡ）和同本汽车研究所（ＪＡＲＩ）从２０００年开始研究开发具有较
高生物特性的下肢冲击器，２００２年研究出Ｉ均ＪＡＭＡ－ＪＡＲＩ Ｆ肢冲击器改进了腿骨的柔韧性和
位移／－
…一１＂ＲＩ．冲击嚣——新冲击器
图６修改前后剪切特性刚度加载函数 力一位移曲线对比
．８９．
２００６中国汽车安全技术国际研讨会
修改前后弯曲特性加载函数定义如图７所 示。修改前后曲线波形及变化趋势相似，只是 修改后的加载函数中力的数值明显减小，即刚 度减小，弯曲变形幅度增加。在模拟弯曲变形 时，还定义了卸载函数，随着加载函数的改变， 卸载函数也做了相应的修改。另外，为了模拟
肢≯¨ｉ＃结构的Ｊｆ发。
关键宇：汽车与行人碰撞．人体下腔＋臃关节，损伤７－物山学，Ｆ肢冲由器＋仿真
Ｓｔｕｄｙ ｏｎＬｅｇｆｏｒｍｌｍｐａｃｔｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎＡｃｃｉｄｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ＢｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＨｕｍａｎＬｏｗｅｒＬｉｍｂｓ
ＬｉｂｏＣａｏ，ＧｕａｊｕｎＺｈｎｇ，Ｈａｉｙ ａＴｌＷｅｉ，ＺｈｏｎｇＨａｏＢａｉ
２
行人下肢损伤生物力学
当发生汽乍与行＾碰撞事故时，外部载荷通过汽车前部与人体接触传递到人体下胜。当
下肢的生物力学响应超过了人体下肢的损伤耐受限度时，就会导致下肢生物组织的损伤和正 常生理功能构破坏。行人下肢损伤形式主要有般骨骨折、胫骨和腓骨骨折及膝关节损伤等“。
２Ｉ腿骨骨折
由于生物力学实验条件的限制，不同研究者通过实验得到的结果有较大差别。Ｋｒｅｓｓ等 人通过实验得到股骨骨折的碰撞力峰值为３－ｌＯｋＮ，力矩为 ３２０Ｎｍ…。Ｋｒａｍｅｒ等人通过实验得到胫骨骨折的碰撞力峰值
膝关节的结构，且有较好的生物特性，如图２所示‘”。／ｄ＝ＪＡＭＡ．ＪＡＲＩ ２００３下肢冲击器 （ＦＩｅｘ．ＰＬｌ２００３）中ｏ”，腿骨被分成组多节，每节
都用螺蝗钉从外部拧紧。同时，该冲击器模拟， 大腿骨节、胫骨月牙板、阻及用螺旋弹簧张紧的
钢丝绳表示的四条膝关节韧带，因而较好地模拟 了人体膝关节。该模型每多有１５个测量通道可以 测量腿骨的应变、韧带的延长咀及膝部骨头横向 和内侧载荷．园而可蚍确定整个腿骨的裁荷分布
较大的弯曲变形，刚度定义中的阻尼系数也适
当进行了调整。 为了验证新冲击器模型，本文同样采用不
弯曲角度／ｆａｄｓ
图７修改前后弯曲特性刚度加载函数 弯曲角度一力曲线对比
同时期的三种车型进行碰撞仿真分析，其结果如表３、表４所示。新冲击器的弯曲角度逐次
减小，最大剪切位移也逐次减小，损伤综合评价值随着车型变化明显，变化规律与事故统计
弯曲角度约为８—１３度”。
ＥＥＶＣＷＧＩ
７制定的利用下肢冲击器对行人下肢损伤进行评价的标准要求如袁Ｉ所示。由
表ｌ可知．评价标准中辫切位移限值太小，对应丁ＴＲＬ冲击器的剪切刚性太太。欧洲新车评 价程序（ＳＣＡＰ）十２００４年制定的新车评价标准采用丁ＥＥＶＣ提出的实验评价指标对新车型进＝ｆ＿＿＿ 评价。由于¨前的许多车型难以全面达到要求．欧洲汽车工业协会（ＡＣＥＡ）对该实验方法提出 了部分修改，分为两个阶段对车型进行评价，现阶段土要要求满足ＡＣＥＡ（ＰＡＲＴ Ａ）的评价 标准， ２０１０年后才逐步满足Ｂ部分的要求”。
ｉｍｐａｃｔｏｒ
ｐｒｅｆｅｒａｂｌｅ
Ｋｅｙｗｏｒａｓ：ｃ”ｐｅｄｅｓｍａｎ ｓｌｍｕ｛ａｔｉｏｎ
ｉｍｌｘａｅｔ，ｂ…１０ｗ日ｌｉｍｂ，ｋｚｅｅ
ｇｉｔ Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ห้องสมุดไป่ตู้
ｏｆｎｅｗｌｅｇｔｈｍｉｍ坤ｃｔｏｒｗｉｌｌ
ＪｏｌｎＬ
ｂｅｎｅｆｉ，ｆｒｏｍｔｈｅ＂ｓｕｌ“
ｉ【ｌ｝ｍｙ ｂｉｏｍｅｃｈ∞ｉｅｓ，ｌｅｇｔｈｍ ｎｐ＂ｔｏ‘
Ｋｅｙ【ａ的ｍｔｏⅣｏｆＡｄｖ∞ｅｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＶｅｈｉｃｌｅＢｏｄｙ
Ｈｕｎａｎ
Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕ缸ｔ哪ｏｆｔｈｅＭｉｎｉｓｔｒｙ
ｏｆＥｄｕｃｔｉｏｎ・
Ｕｎｉｖｅ＾ｉ％Ｃｈｍ９５ｈａ，Ｈ…４１００８２，Ｃｈｉｎａ
ｏｆｈ帅ｎｌｏｗｅ［１ｉｍｂｓ
ａｍ
Ａｂｎｒａｃｔ：Ｂｉｏｍｅｅｈａｍｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｎｓｔｉｃｓ
达到２８ｒａｍ时骨干／干骺端骨折”。ＴＩＬＬ报告指出，在２０％的损伤几率下，Ｒａｍｅｔ Ｋａｊｚｃｒ ｅＩｄ研究数据显示的膝关节横向剪切位移分别为１６４ｒａｍ和ｌＳｍｍ’。 根据１５ ２０ｋｍ／ｈ碰撞速度Ｆ膝若节的横向剪切响应，存碰撞的第一个１０ｍｓ内．横向错
ｅｔ
ａｌ和
位峰值为９－１Ｉ肌。当膝关节１５—２０ｋｍ／ｈ碰撞速度Ｆ受侧向弯矩作用时．碰捕后２０ｍｓ内侧向
０１１５ｍ
０１９５ｍ
Ｏ ５０５ｍ
嗣鏖■
Ｏ
ａ）Ａ型车００年代）
Ｏ‘’
ｂ）Ｂ型乍（９０年代） 图４ Ｔ同年代车型及其仿真模型
Ｏ
ｃ）Ｃ型车（Ⅸ代）
２００６中国汽车安全技术国际研讨会
特性，本文采用了德国的交通事故损伤统计数据。Ｏｔｔｅ等人列举了三种不同时期的车型对行 人下肢的损伤统计数据。在行人与７０年代车型发生碰撞时，行人膝关节损伤占３１．７％１在 行人与９０年代车型发生碰撞时，行人膝关节损伤占２６．６％；而在与现代车型发生碰撞时， 行人膝关节损伤减少为２３．０％ｎ副。现代车型由于采用圆滑、 光顺、较软的前部结构，对行人下肢的损伤明显减小。本文 在对各种车型前部进行参数统计的基础上，建立了三种不同 时期的车型的多刚体仿真模型，各车型前部主要尺寸如表２ 所示，仿真模型如图４所示。冲击器与汽车碰撞仿真按照ＮＣＡＰ 规定的下肢冲击器实验的布置形式，如图５所示，车处于静 止状态，冲击器通过释放装置发射后自由运动，以ｌ １．１ｍ／ｓ 的速度水平撞击汽车前保险杠。 下肢冲击器模型与三种不同时期车型进行碰撞仿真实验结果如表３所示。把表３中的损 伤峰值除以相应的评价标准值，即剪切位移６ｍｍ，加速度２００９，弯曲角度２ｌ。，并把同一 次实验的损伤比值相加，定义其为下肢损伤风险，结果如表４所示。 从表３可知，对应于Ａ型、Ｂ型和Ｃ型车，冲击器的弯曲角度逐次减小，最大剪切位移 有增有减，冲击加速度也有增有减，难以反映不同时期的车型对行人下肢的保护性能好坏。 若采用损伤风险值来进行评价，其结果则与实际情况相符。