根据《2015年道路交通事故统计年报》^[1]，2015年我国行人碰撞造成的事故高达41 496起，占交通事故总数的22.10%. 《道路安全全球现状报告》^[2]广泛评估了178个国家的道路安全状况，报告中显示：死于交通事故总人数中有46%为步行者和两轮车使用者; 在行人与汽车碰撞过程中，腿部伤害在行人伤害中所占比例最大，为39%^[3]，因而对行人腿部的保护尤为重要.

目前，国际上通行的行人保护法规均参考冲击器模拟行人伤害最严重部位的“打点式”试验方法^[4]，其中大腿部行人保护试验主要采用大腿冲击器进行.大腿冲击器模型主要包括橡胶皮肤、泡沫肌[JP2]肉、前面部件、后面部件和相应的测量元器件(图 1).[JP]行人保护大腿试验主要考核大腿受到的冲击力和弯矩，对于弯矩的测量，分别在前面部件中间截面和中间截面两侧50 mm位置的3个平面(M₁、M₂和M₃)定义关键字*DATABASE_CROSS_SECTION来测量^[5]; 对于冲击力的测量，在腿部上下位置设置刚度系数很大的拉伸弹簧来测量.显然，大腿冲击器的生物仿真度是大腿伤害评价的基础，它直接决定了行人腿部伤害的评估准确性和可靠性，试验结果也将影响车型设计对行人腿部的保护效果.但是采用单独的大腿模型评估大腿伤害，人体其他部位的运动和接触是否对大腿的受力和运动产生响应影响，是值得认真研究讨论和分析的.为此，Yasuhiro等^[6]、Yutaka等^[7]对比了大腿冲击器试验和车辆撞击行人假人试验; Snedeker等^[8]还对比了大腿冲击器试验结果和实际交通事故中行人大腿伤害情况，研究表明：大腿冲击器初始碰撞能量偏高，伤害评价结果也偏高，试验方法对车辆前端的变化考虑不足; 研究对大腿试验方法的改进起到了一定的作用，但是行人假人与真实人体仍然存在较大的差异，同时真实交通事故中行人大腿初始碰撞条件也存在不确定性，此问题需要深入研究.

随着人体有限元模型的飞速发展，人们开始运用有限元模型研究大腿损伤^[9-12]，THUMS人体模型因其较高的生物仿真度，在汽车安全研究领域内被广泛应用. THUMS人体模型是由丰田汽车公司与丰田中央研究所共同开发的有限元模型，它以人体CT扫描数据为基础，对人体身体结构进行了精确建模，并且已经经过一系列碰撞冲击试验的验证^[13]，可以较为准确模拟出行人交通事故中行人的动力学响应和损伤情况^[14]，如图 2所示.

本文采用THUMS人体有限元模型对某SUV行人交通事故进行了模拟，尝试根据行人大腿初始碰撞条件建立大腿冲击器碰撞仿真模型，通过对比行人大腿与大腿冲击器的动态响应和伤害情况对大腿冲击器生物仿真度进行了研究; 同时为了减少冲击器与行人大腿碰撞角度的差异，根据行人大腿能量最小时刻的碰撞角度对大腿冲击器生物仿真度做了进一步的研究.

1 评价标准和方法

本文通过对比大腿冲击器和THUMS人体模型大腿所受到的最大瞬间冲击力和最大弯矩，来评价大腿冲击器的生物仿真度.为了和大腿冲击器模型保持一致，在THUMS人体模型大腿对应位置设置与冲击器相同的伤害输出.由于无法直接从THUMS人体模型中输出大腿股骨所受侧向冲击力，假定合力作用在大腿中心^[15]，因此在THUMS人体模型大腿的中间位置设置*CROSS_SECTION_FORCE来测试THUMS人体模型大腿所受合力，如图 3所示.

2 分析方法及结果 2.1 THUMS人体模型仿真

首先建立THUMS人体模型与某SUV的碰撞模型，模拟行人交通事故.在THUMS人体模型碰撞仿真中，THUMS人体模型处于车辆前方中间位置，面向于车辆纵向平面垂直的方向，左脚和右手向前，模拟行走姿态^[16](图 4); 碰撞速度40 km/h，行人事故动态模拟如图 5所示.

从图 5可以看出，行人与SUV前端碰撞过程中，行人大腿首先与保险杠接触，碰撞最低位置与人体膝盖齐平; 碰撞初期SUV与行人主要接触面积在行人大腿上，大腿所受冲击力逐渐增加，19 ms时大腿所受冲击力达到峰值2.9 kN(图 6)，此时行人上身由于惯性迟滞作用仍然保持站立姿势; 随后行人下肢接触保险杠横梁，在集中剪力和自身惯性的作用下，小腿开始朝着车底运动，大腿和上身开始绕着车辆前端外形旋转，行人大腿上端和下端运动的不协调，使得大腿弯矩逐渐增加，30 ms时行人大腿所受弯矩达到最大值328.8 N·m(图 7); 最后行人腰部开始与SUV发动机罩前端接触并成为新的旋转支点，行人下肢开始脱离与SUV前端的接触.

2.2 大腿冲击器模型仿真

为了研究大腿冲击器的生物仿真度，需要保证大腿冲击器与行人大腿有相同的初始碰撞条件，给予大腿冲击器与行人大腿相同的初始碰撞角度和初始能量，同时保证大腿冲击器中间截面与行人大腿中间截面保持一致.由8可知，行人大腿初始能量为382 J，大腿冲击器质量为10.5 kg，通过换算可得大腿冲击器的冲击速度为8.54 m/s.建立大腿冲击器的仿真模型，其碰撞仿真动态如图 9所示.

对比冲击器碰撞仿真和行人事故仿真动态可以看出，大腿冲击器与行人大腿动态响应存在较大区别.在大腿冲击器与SUV前端碰撞过程中，冲击器中部首先与保险杠上端接触，冲击器上下两端差不多的动能使得冲击器几乎维持初始碰撞角度向前运动，使应力集中在大腿冲击器中部碰撞点处，冲击器中部弯矩逐渐增大，15 ms时大腿冲击器中部所受弯矩达到峰值159.4 N·m(图 10); 然后随着保险杠变形量的增加，冲击器上端开始与SUV格栅接触，而下端始终未与SUV前端接触，导致冲击器下端开始绕保险杠旋转，同时接触面积的增加也使得冲击器中部弯矩开始减小; 最后，随着冲击器动能的减少，大腿冲击器开始反弹.几乎与此同时，31 ms时大腿冲击器所受冲击力达到峰值3.2 kN(图 11).与行人大腿相比，行人膝盖和小腿上端与SUV保险杠下端的接触对行人下肢起到了一定的支撑作用，最终行人大腿所受最大弯矩出现在大腿下端，而大腿冲击器由于自身的局部化，使得剪力集中点出现在了冲击器中部，最终最大弯矩也出现在大腿冲击器中部; 虽然大腿冲击器初始能量和行人大腿初始能量相同，但是行人上身和小腿更大的能量使得行人下肢受到更大的集中剪力，车辆前端变形更加的严重，大腿旋转角度也明显更大，以至于行人大腿所受瞬时最大弯矩相对于大腿冲击器偏高; 但是行人腰部、腹部和小腿也使得碰撞仿真中接触面积大大增加，最终行人大腿所受最大冲击力相对于大腿冲击器偏低; 行人大腿和大腿冲击器碰撞仿真动态的差异，也使得瞬时冲击力和弯矩曲线存在较大差别.

另一方面，为了减小行人大腿和大腿冲击器碰撞角度的差异，同时尽可能减少行人上身和小腿对大腿运动的影响，本文对大腿冲击器生物仿真度做了进一步的研究.考虑到行人大腿能量最低时刻，行人大腿相对静止，车辆大腿碰撞位置充分变形，碰撞角度变化小，行人上身和小腿对大腿伤害的影响也相当小，行人大腿最小能量发生在33.5 ms时刻，其碰撞角度如图 12所示.

此时给予大腿冲击器与行人大腿相同的初始碰撞能量，同理换算后大腿冲击器碰撞速度为8.54 m/s; 并保证大腿冲击器中间截面与行人大腿中间截面保持一致，冲击器仿真模型如图 13所示，其碰撞仿真动态如图 14所示.

从大腿冲击器仿真动态图 14可以看出：大腿冲击器与SUV前端碰撞过程中，冲击器中部和上端几乎同时分别与保险杠上端和格栅接触，碰撞初期冲击器较大的动能使得冲击器几乎保持初始碰撞角度向前运动; 然后冲击器上端因为格栅的阻碍动能逐渐减少，而下端由于始终未与SUV前端接触，大腿冲击器开始绕保险杠旋转，使得应力开始大量集中在冲击器中下端; 最后，随着冲击器动能的减少，冲击器所受冲击力和弯矩逐渐增加，27 ms时冲击器受到冲击力达到峰值3.05 kN(图 15)，32.5 ms时冲击器下端所受弯矩达到峰值157.5 N·m(图 16)，几乎与此同时，冲击器开始反弹.与行人大腿相比，大腿冲击器和行人大腿瞬时冲击力和弯矩达到峰值的时间和曲线趋势均有类似之处，但是行人更大碰撞接触面积仍使得行人大腿瞬时最大冲击力相对于大腿冲击器偏低，行人上身和小腿更大的动能仍使得大腿在碰撞过程中受到的最大弯矩相对于大腿冲击器偏高，但是最大弯矩均出现在下端.

3 结论

1) 相同的初始碰撞条件下，相对THUMS人体模型而言，大腿冲击器最大瞬时冲击力偏高，最大弯矩偏低，动态响应差别较大，最大弯矩发生位置也存在较大差异.行人大腿在最低能量状态下，大腿冲击器最大瞬时冲击力仍然偏高，最大弯矩仍然偏低，但冲击器最大弯矩出现位置与人体模型一致，瞬时冲击力和弯矩达到峰值的时间和曲线趋势与人体模型也有类似之处.

2) 人体小腿和上身的运动和接触，对大腿部位的接触力和最大弯矩的产生存在一定的影响.因此将大腿作为独立部件来评估行人的腿部伤害还有待进一步研究，大腿冲击器的生物仿真度有待进一步提高.

3) 本文的局限和不足之处在于车辆的前端造型单一，以及只针对50位男性人体模型进行了研究，车辆前端造型和人体模型均存在局限性; 在以后的研究中可以针对这两个方面做进一步的研究.