摘要
为了研究汽车-自行车碰撞过程中，自行车种类及骑行姿态对骑车人下肢运动学及损伤的影响，建立共享自行车和山地自行车有限元模型，采用脚前部、脚上部和脚下部3种骑行姿态，选取碰撞速度为40 km/h，骑行速度为10 km/h，构建6种碰撞工况来考察骑车人下肢运动学响应和损伤状况的差异性. 结果表明，相比于共享自行车，带有高横杠车架结构的山地自行车使得骑车人的被撞侧腿部承受更大的弯矩，且该结构限制了骑车人下肢的移动，从而影响膝关节的运动学响应和韧带损伤. 在脚下部的骑行姿态下，骑车人承受下肢严重损伤的概率要更大，胫骨承受较大弯矩为257.5 N∙m，内侧副韧带出现最大拉伸长量为19.3 mm. 因此，自行车种类对骑车人下肢运动学响应产生较大影响，骑行姿态对下肢损伤产生较大影响.
在交通事故中，自行车骑车人由于没有良好的保护措施而导致受伤风险较
在车辆和自行车碰撞事故中，头部和下肢是骑车人最容易受伤的部
因此，为了探究两款自行车对骑车人的下肢损伤差异性的影响，本文采用有限元方法对两款自行车进行碰撞仿真设计来研究自行车种类以及骑行姿态对下肢运动学响应及损伤风险的影响. 该研究的结果旨在减小骑车人下肢受伤的风险，并为自行车骑车人下肢保护法规的建立提供理论依据.
1 材料和方法
1.1 损伤评价指标
事故统计数据表明自行车骑车人事故中，下肢是骑车人最脆弱的部位，而下肢损伤主要包含大腿、小腿和膝关节损
| 类型 | 动态耐受弯矩/（N∙m） | 平均最大弯矩/（N∙m） | （50%骨折风险）弯矩/（N∙m） | 类型 | 伸长量/mm | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 下肢长骨 | 股骨 |
373（股骨干）/275（远端1/3 |
310（男）/180（女 |
387（中段）/322（远端 |
膝关节 韧带 | LCL | — |
| 胫骨 |
310（胫骨干 |
207（男）/124（女 |
312（中段 339（近端1/3至远端1/3 | MCL |
2 | ||
| 腓骨 | — |
27（男）/17（女 | — | ACL |
1 | ||
| PCL |
1 | ||||||
综上所述，本研究选用下肢长骨弯矩和韧带伸长量作为下肢长骨损伤和膝关节损伤评估风险参数. 下肢长骨包括股骨、胫骨和腓骨，膝关节韧带包括外侧副韧带（Lateral Collateral Ligament， LCL）、内侧副韧带（Medical Collateral Ligament， MCL）、前交叉副韧带（Anterior Collateral Ligament， ACL）和后交叉副韧带（Posterior Collateral Ligament， PCL）.
1.2 模型的选取和建立
本研究所用的车辆模型为2012款丰田卡罗拉汽车有限元模型.该模型通过简化剔除后部结构，已经被用于弱势道路使用者（Vulnerable Road Users，VRU）损伤保护的研
本研究采用人体整体安全模型（Total Human Model for Safety， THUMS）50百分位成人男性有限元模型来模拟自行车骑车人，该模型身高175 cm，体质量77 kg. 该模型是由高精度的CT扫描真实尸体的全身部位及其内部结构而建立的，其运动学特征与尸体实验的结果吻合度较
本研究采用两款受众较多的中国典型自行车，分别为共享自行车、山地自行车.共享自行车选取了中国城市中较为常见的青桔自行车，而山地自行车则选取了市面上销量比较好的一款自行车，两款自行车的主要参数如
| 自行车 | 车辆 长度 | 握把 高度 | 坐垫 高度 | 中轴 高度 | 曲柄 长度 |
|---|---|---|---|---|---|
| 共享自行车 | 1 690 | 1 050 | 750+ | 290 | 180 |
| 山地自行车 | 1 700 | 980 | 780+ | 300 | 190 |
图1 自行车有限元模型
Fig.1 Bicycle finite element model
1.3 仿真工况的搭建
根据事故视频和前人的研究发现，自行车踏板曲柄轴的旋转以及骑行姿态并没有统一标
骑车人事故数据研究表明：汽车与自行车发生碰撞时，汽车速度主要在20～60 km/h 内，且80%的碰撞事故均在40 km/h 以下，而自行车速度大多在10 km/h 左
图2 汽车-自行车有限元模型
Fig.2 Car-bicycle finite element model
2 结果分析
2.1 运动学分析
当车速为40 km/h 时，6种工况下自行车骑车人每隔约20 ms下肢碰撞运动学响应如
图3 自行车骑车人下肢碰撞运动学响应
Fig.3 Kinematic response to lower extremity collision of bicyclists
在脚上部姿态，车辆的保险杠中部与自行车右踏板接触，紧接着发动机罩前缘撞击小腿近心端，由于小腿位置较高且初始状态膝关节的弯曲，最终骑车人的右腿倒向发动机罩，随后大腿和发动机罩相对滑动；对于脚前部姿态，车辆的下保险杠先与自行车右踏板接触，紧接着保险杠与骑车人的右小腿远端接触碰撞，膝关节受弯曲，然后车辆的发动机罩前缘和骑车人的膝关节接触，膝关节受剪切作用，最后骑车人的盆骨和发动机罩滑动，骑车人倒向发动机罩和挡风玻璃；在脚下部姿态，由于足部的位置低于下保险杠，骑车人下肢受到保险杠的撞击，足部嵌入到底盘限制了骑车人的滑动，从而骑车人上半身直接倒向发动机罩.
在MU工况下，由于山地自行车中间三角形横梁，限制了右腿的位移，同时也限制了右腿与左腿的接触，因此两腿被分离，此时右腿同时承受自行车和车辆保险杠之间的碰撞力； 而SU工况下则相反，由于没有横梁的限制，右小腿受保险杠的碰撞向左腿移动，此时右足部与左腿的膝关节碰撞.在MF工况下，右腿同样受横梁的作用导致两腿分离；而SF工况下，右小腿远心端与左腿膝关节碰撞.在SD工况下，由于没有横梁导致两腿之间接触，右小腿近心端与左腿膝关节碰撞；而MD工况下两腿分离.
此外，从
2.2 下肢损伤参数分析
2.2.1 被撞腿长骨损伤分析
本研究对自行车骑车人有限元模型的股骨、胫骨和腓骨定义了多层截面，以便于输出下肢完整的弯矩图，并且规定汽车行驶的方向为正弯矩.
（a） SU和MU工况下股骨弯矩
（b） SU和MU工况下胫骨弯矩
（c） SU和MU工况下腓骨弯矩
（d） SF和MF工况下股骨弯矩
（e） SF和MF工况下胫骨弯矩
（f） SF和MF工况下腓骨弯矩
（g） SD和MD工况下股骨弯矩
（h） SD和MD工况下胫骨弯矩
（i） SD和MD工况下腓骨弯矩
图4 不同工况下被撞腿长骨弯矩峰值分布
Fig.4 Peak bending moment of the impacted leg under different working conditions
| 仿真工况 | 损伤部位 | 弯矩/（N∙m） | 骨折风险/% |
|---|---|---|---|
| SU |
股骨（中段） 胫骨（中段） 腓骨（中段） |
-86.9～12.9 -41.9～95.7 -12.4～13.9 |
0.05 0.08 — |
| MU |
股骨（中段） 胫骨（中段） 腓骨（中段） |
-81.2～19.4 -51.0～99.0 -12.0～18.1 |
0.05 0.10 — |
| SF |
股骨（中段） 胫骨（远端） 腓骨（远端） |
-97.9～84.5 -80.4～97.0 -9.7～34.6 |
0.13 >0.09 — |
| MF |
股骨（中段） 胫骨（远端） 腓骨（远端） |
-106.4～122.5 -27.2～133.5 -6.5～35.9 |
0.53 >0.55 — |
| SD |
股骨（中段） 胫骨（近端） 腓骨（中段） |
-149.3～213.2 -59.8～235.3 -24.5～24.5 |
1.67 >12.45 — |
| MD |
股骨（中段） 胫骨（近端） 腓骨（中段） |
-155.0～280.6 -113.6～257.5 -20.6～29.4 |
8.84 >20.71 — |
对于脚上部姿态，两款自行车下股骨弯矩峰值分别为SU：86.9 N∙m， MU：81.2 N∙m；胫骨弯矩峰值分别为SU：95.7 N∙m， MU：99.0 N∙m.对比
对于脚前部姿态，山地自行车骑车人的股骨和胫骨的最大弯矩峰值均显著大于共享自行车. 具体而言，股骨正弯矩峰值分别为SF：97.9 N∙m， MF：122.5 N∙m，由于股骨中段受到发动机罩前缘的撞击，两者的最大弯矩均在股骨中段偏下， 但股骨弯矩均小于Martens
对于脚下部姿态，山地自行车骑车人的长骨弯矩峰值均显著高于共享自行车，且远高于脚上部和脚前部姿态.具体而言，两款自行车下骑车人的股骨弯矩峰值分别为SD：213.2 N∙m，MD：280.6 N∙m，骨折风险分别为SD：1.67%， MD：8.84%；胫骨弯矩峰值分别为SD： 235.3 N∙m， MD： 257.5 N∙m，由于保险杠中心撞击小腿近端使得骑车人胫骨弯矩峰值均在近端1/3处.因此，山地自行车高横杆车架约束，使得胫骨承受更高的弯矩峰值，山地自行车下骑车人的胫骨骨折风险（>20.71%）远高于共享自行车（>12.45%）.腓骨中段弯矩峰值分别为SD：24.5 N∙m， MD：29.4 N∙m，而且腓骨远端由于受到自行车底部车架的反作用力，承受着较高的负弯矩（SD： -24.5 N∙m， MD： -20.6 N∙m）. 因此，脚下部姿态腓骨的弯矩仍存在较高的骨折风险，尤其是MD工况下，腓骨弯矩已经超过腓骨耐受限度（27 N∙m）.
2.2.2 被撞腿膝关节损伤分析
膝关节韧带伸长量是评价下肢膝关节损伤的重要指标. 本研究中对骑车人有限元模型膝关节LCL、MCL、ACL和PCL定义了节点信息，以便输出节点坐标计算韧带长度.
（a） ACL
（b） MCL
（c） PCL
（d） LCL
图5 不同工况下膝关节各韧带的拉伸长量
Fig.5 Knee ligament elongation of the struck leg under different working conditions
由
对于脚上部姿态，由于骑车人右腿位置较高，车辆保险杠没有接触到膝关节而造成剪切拉伸，而且右腿相对自由，因此对膝关节韧带拉伸峰值较小，从而膝关节韧带的整体损伤风险较低.对于脚前部姿态，足部未受到车架的约束，且膝关节的位置较 高（接近发动机罩前缘高度），车辆保险杠撞击小腿远端从而导致膝关节外翻变形，小腿绕着膝关节相对于大腿转动. 在5 ms时刻，LCL开始迅速拉伸，紧接着ACL受力，但由于大腿没有限制随着小腿向被撞方向移动，所以韧带伸长量较小，膝关节韧带损伤风险较小. 然而在MF工况下，随着小腿的移动，在 20 ms时刻，膝关节内侧受到山地自行车的横梁阻挡，膝关节再次外翻，在45 ms 时刻LCL产生第2个拉伸峰值（8 mm）（LCL初始长度75 mm，拉伸应变10.6%）.对于脚下部姿态，足部和大腿受到车架底部和座椅的约束，保险杠对小腿近端的撞击使得膝关节内翻，紧接着ACL、PCL和MCL 受力拉伸，MCL在25 ms左右达到拉伸峰值（19.3 mm）（MCL初始长度105 mm，拉伸应变18.1%）. 根据Kerrigan
因此，在山地自行车下，骑车人由于受到横梁阻挡外翻导致LCL损伤风险高. 而在脚下部姿态，尽管MCL的伸长量低于法规阈值（27 mm），但由于拉伸应变处于失效应变范围内，因此MCL仍然存在较高的损伤风险.
3 结 论
本文建立了两款自行车模型，采用3种典型的骑行姿态，并参考之前对GIDAS的车辆-自行车骑车人碰撞事故的研究，确定碰撞边界条件，在6种工况下进行碰撞仿真实验. 通过下肢长骨弯矩和膝关节韧带伸长量，对比分析两款自行车结构差异和不同骑行姿态对骑车人下肢损伤的影响，得出以下结论：
1）自行车种类会显著影响骑车人下肢运动学响应和损伤风险. 相比于共享自行车，山地自行车的高横杠车架结构的约束，使得骑车人下肢承受更大的弯矩，下肢的综合损伤风险较高. 同时，山地自行车高横杠结构会碰撞膝关节内侧，从而影响膝关节LCL韧带的伸长导致不同的损伤.
2）骑车人骑行姿态是下肢损伤差异的主要原因. 脚下部姿态的股骨、胫骨弯矩峰值和膝关节韧带伸长量远大于脚上部和脚前部姿态，从而脚下部姿态的骑车人下肢损伤风险较大. 不同的是，脚前部姿态下骑车人腓骨的骨折风险高.
3）在未来，骑车人的保护法规应考虑自行车的类型及骑行姿态对骑车人下肢损伤的影响. 本研究结果对将来自行车骑车人的保护有着重要借鉴意义，为汽车安全技术研究提供参考依据.
参考文献
CRIPTON P A，DRESSLER D M，STUART C A，et al．Bicycle helmets are highly effective at preventing head injury during head impact：head-form accelerations and injury criteria for helmeted and unhelmeted impacts［J］．Accident Analysis & Prevention，2014，70：1-7． [百度学术]
Global status report on road safety 2023［R］. Switzerland： World Health Organization， 2023： 4-9. [百度学术]
樊治平， 陈忠伟， 郭栋梁， 等. B2C共享服务资源组织与优化设计：研究现状与展望［J］. 电子科技大学学报（社科版）， 2021， 23（2）： 1-17. [百度学术]
FAN Z P， CHEN Z W， GUO D L， et al. Organizations and optimization designs of B2C sharing service resources： research status and prospect［J］. Journal of University of Electronic Science and Technology of China（Social Sciences Edition）， 2021， 23（2）： 1-17. （in Chinese） [百度学术]
王亮. 骑行运动成为城市新风尚［N］. 人民日报， 2022-09-19（015）. [百度学术]
WANG L. Cycling has become a new trend in the city［N］. PRC Newspaper， 2022-09-19（015）. （in Chinese） [百度学术]
中华人民共和国公安部交通管理局. 中华人民共和国道路交通事故统计年报（2019年度）［M］. 无锡：公安部道路交通管理局， 2020. [百度学术]
Traffic Adminis-Tration Bureau of the Ministry of Public Security of the People’s Republic of China. Annual report of the People’s Republic of China on Road Traffic accident statistics 2019［M］. Wuxi： Traffic Administration Bureau of the Ministry of Public Security， 2020. （in Chinese） [百度学术]
ÖMAN M，FREDRIKSSON R，BYLUND P O，et al．Analysis of the mechanism of injury in non-fatal vehicle-to-pedestrian and vehicle-to-bicyclist frontal crashes in Sweden［J］．International Journal of Injury Control and Safety Promotion，2016，23（4）：405-412． [百度学术]
OIKAWA S，MATSUI Y，WAKABAYASHI A，et al．Severity of cyclist head injuries caused by impacts with vehicle structure and road surface［J］. Journal of Biomechanical Science and Engineering， 2016， 11（2）： 15-00613． [百度学术]
李海岩， 黄盛一， 李琨，等．行人-车辆碰撞中六岁儿童下肢损伤分析及预测［J］．汽车工程，2023，45（6）：1050-1061． [百度学术]
LI H Y，HUANG S Y，LI K，et al．Prediction and analysis of lower extremity injuries of six-year-old child pedestrian in car-pedestrian collision［J］．Automotive Engineering，2023，45（6）：1050-1061．（in Chinese） [百度学术]
WARNACK E，HEYER J，SETHI M，et al．Urban bicyclist trauma：characterizing the injuries，consequent surgeries，and essential sub-specialties providing care［J］．The American Surgeon， 2017， 83（1）： 16-22． [百度学术]
张冠军，魏嵬，曹立波，等．行人下肢有限元模型的建立与验证研究［J］．湖南大学学报（自然科学版）， 2015， 42（2）： 48-54． [百度学术]
ZHANG G J，WEI W，CAO L B，et al. Development and validation of finite element models for the lower limb of pedestrians［J］．Journal of Hunan University （Natural Sciences），2015， 42（2）： 48-54．（in Chinese） [百度学术]
李凡，雷康，周文杰，等．特定制动工况下肌肉主动力对颈部损伤的影响［J］．湖南大学学报（自然科学版），2022，49（12）：49-56． [百度学术]
LI F，LEI K，ZHOU W J，et al．Influence of muscle activation on neck injury under a specific braking condition［J］．Journal of Hunan University （Natural Sciences），2022，49（12）：49-56．（in Chinese） [百度学术]
CARDOT J，MASSON C，ARNOUX P J，et al.Finite element analysis of cyclist lower limb response in car—bicycle accident［J］. International Journal of Crashworthiness， 2006， 11（2）：115-130． [百度学术]
MIZUNO K，YAMADA H，MIZUGUCHI H，et al．The influence of lower extremity postures on kinematics and injuries of cyclists in vehicle side collisions［J］．Traffic Injury Prevention，2016， 17（6）： 618-624． [百度学术]
WU H，HAN Y，WANG B Y，et al．The difference in the kinematic and injury risk of cyclists between normal and emergency avoidance postures in vehicle collisions［J］．International Journal of Crashworthiness，2023，28（1）：82-95． [百度学术]
王丙雨，邹俊，韩勇，等．车辆和自行车碰撞事故中骑车人下肢损伤风险研究［J］．振动与冲击，2023，42（11）：324-330． [百度学术]
WANG B Y，ZOU J，HAN Y，et al．A study on bicyclist lower extremity injury risk in car-bicycle collisions［J］. Journal of Vibration and Shock，2023，42（11）：324-330．（in Chinese） [百度学术]
TAKAHASHI Y， KIKUCHI Y， KONOSU A， et al. Development and validation of the finite element model for the human lower limb of pedestrians［C］// Proceedings of the 44th Stapp Car Crash Conference，Novernber 6-8，2000. Atlanta Georgia：Society of Automotive Engineers （SAE）， 2000： 335-355. [百度学术]
KERRIGAN J R，DRINKWATER D C，KAM C Y，et al．Tolerance of the human leg and thigh in dynamic latero-medial bending［J］．International Journal of Crashworthiness， 2004， 9（6）： 607-623． [百度学术]
BOSE D P，BHALLA K S，UNTAROIU C D，et al．Injury tolerance and moment response of the knee joint to combined valgus bending and shear loading［J］．Journal of Biomechanical Engineering， 2008， 130（3）： 031008． [百度学术]
TAN Z，GUO Y F，LI G B，et al. Kinematics and injury mechanism of cyclist lower limb in vehicle-to-bicycle collisions［J］. Journal of Mechanics in Medicine and Biology，2020， 20（6）： 2050035． [百度学术]
ISSHIKI T， ANTONA-MAKOSHI J， KONOSU A， et al. Consolidated technical specifications for the advanced pedestrian legform impactor（aPLI）［C］//Proceedings of the IRCOBI Conference，September 12-14，2018. Athens：International Research Council on the Biomechanics of Injury， 2018： 284-301. [百度学术]
EURO NCAP. Assessment protocol-vulnerable road user protection［EB/OL］.（2023-10-20）［2023-12-07］. https：//www.euroncap.com/media/79885/euro-ncap-assessment-protocol-vru-v114.pdf. [百度学术]
C-NCAP 管理规则（2021修订版）［EB/OL］. （2023-10-20）［2023-12-07］.https：//www.c-ncap.org.cn/guicheng/cncap？columnId=cb6014a591dd4b2fb7192367fec9012b&childindex=1.C-NCAP Administrative rules （revision 2021）［EB/OL］. （2023-10-20）［2023-12-07］. https：//www.c-ncap.org.cn/guicheng/cncap？columnId=cb6014a591dd4b2fb7192367fec9012b&childindex=1.（in Chinese） [百度学术]
MARTENS M，VAN AUDEKERCKE R，DE MEESTER P，et al．Mechanical behaviour of femoral bones in bending loading［J］．Journal of Biomechanics，1986，19（6）：443-454． [百度学术]
LEVINE R S．Injury to the extremities［M］//Accidental Injury．New York，NY：Springer New York，2002：491-522． [百度学术]
FUNK J R，KERRIGAN J R，CRANDALL J R．Dynamic bending tolerance and elastic-plastic material properties of the human femur［J］. Association for the Advancement of Automotive Medicine， 2004， 48： 215-233． [百度学术]
MO F H， ARNOUX P J，JURE J J， et al．Injury tolerance of tibia for the car-pedestrian impact［J］. Accident Analysis & Prevention， 2012， 46： 18-25． [百度学术]
UN Regulation No 127-Uniform provisions concerning the approval of motor vehicle with regard to their pedestrian safety performance［S］. Geneva： United Nations Economic Commission for Europe，2020： 4-30． [百度学术]
韩勇，林丽雅，何勇，等．电动两轮车骑车人紧急避让姿态对损伤风险的影响研究［J］．汽车工程，2022，44（5）：764-770． [百度学术]
HAN Y，LIN L Y，HE Y，et al．Research on the effects of emergent avoidance postures of electric two-wheeler riders on their injury risk［J］．Automotive Engineering，2022，44（5）：764-770．（in Chinese） [百度学术]
ITO D， YAMADA H， OIDA K， et al. Finite element analysis of kinematic behavior of cyclist and performance of cyclist helmet for human head injury in vehicle-to-cyclist collision［C］// Proceedings of the IRCOBI Conference，September 10-12，2014. Berlin：International Research Council on the Biomechanics of Injury，2014：119-131. [百度学术]
KERRIGAN J， IVARSSON B， BOSE D， et al. Rate-sensitive constitutive and failure properties of human collateral knee ligaments［C］//Proceedings of the IRCOBI Conference，September 25-26，2003. Lisbon： International Research Council on the Biomechanics of Injury， 2003： 177-190. [百度学术]
