范簫翔，李 奎，劉盛雄，尹志勇

(1.重慶理工大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶 400054;2.第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所交通醫(yī)學(xué)研究所，重慶 400042)

汽車作為全世界最主要的運(yùn)載工具之一，為人類的出行帶來了方便，但是從其誕生到快速發(fā)展的今天都伴隨著交通安全問題。道路交通事故不僅給各個(gè)國(guó)家?guī)砹司薮蟮呢?cái)產(chǎn)損失，也給各個(gè)家庭帶來了不可挽回的巨大的財(cái)產(chǎn)和精神損失。由世界衛(wèi)生組織(WHO)《2009年全球道路安全形勢(shì)報(bào)告》可知:在全球178個(gè)國(guó)家的事故統(tǒng)計(jì)中，每年有超過120萬人死于道路交通事故，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)5180億美元［1］。我國(guó)2012道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)顯示:全國(guó)2012年的事故總數(shù)量為204196起，死亡人數(shù)為59997人，導(dǎo)致的直接財(cái)產(chǎn)損失高達(dá)11.7億元人民幣［2］。在汽車交通事故中，車輛與行人發(fā)生碰撞的幾率相比其他形態(tài)(如車輛與固定障礙物相撞、兩車相撞等)較高，并且行人往往是交通事故中易受傷的弱勢(shì)群體，因此汽車與行人的碰撞問題已成為當(dāng)今汽車生產(chǎn)企業(yè)、科研單位所關(guān)注和探討的熱點(diǎn)問題。自20世紀(jì)60年代以來，世界各國(guó)的研究人員針對(duì)此類事故開展了大量的研究:Michelle F.Heller，Heather N.Watson 等［3］運(yùn)用美國(guó)國(guó)家數(shù)據(jù)庫對(duì) 1998—2006年行人事故中的30721例住院病人的損傷情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)行人下肢損傷占31%，其次是頭面部傷，占 20%;Carlos Arregui-Dalmases，F(xiàn)rancisco J.Lopez-Valdes，Maria Segui-Gomez［4］則通過對(duì)歐洲8個(gè)國(guó)家的行人傷害數(shù)據(jù)的分析得出，行人傷害中有51.1%伴有骨折以及21.3%為內(nèi)傷;楊濟(jì)匡團(tuán)隊(duì)［5］對(duì)發(fā)生在中國(guó)長(zhǎng)沙的交通事故中的行人損傷進(jìn)行分析，得到行人頭部及下肢受傷幾率分別為28.4%和27.4%。研究顯示:無論在發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)家，交通事故中行人所受傷害幾率最大的兩個(gè)部位為頭部和下肢。

在車輛與行人交通事故中，行人下肢作為第二易致傷的部位，引起了世界范圍內(nèi)的高度關(guān)注。在實(shí)際轎車－行人交通事故中，由于車輛與行人接觸的邊界條件具有多樣性，導(dǎo)致行人下肢損傷的成因機(jī)制較為復(fù)雜?？偟膩砜?，行人在與車輛發(fā)生交通事故時(shí)，行人下肢往往先與車輛的前保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)罩邊緣接觸碰撞。如果車輛的速度過高，腿部所受的應(yīng)力就會(huì)越大，相應(yīng)造成的傷害也就越明顯，并且轎車相比其他車型更易造成下肢的損傷，所以轎車與行人下肢的損傷關(guān)系研究顯得尤為重要。行人下肢損傷的種類有股骨骨折、脛骨骨折、腓骨骨折、膝關(guān)節(jié)損傷、踝關(guān)節(jié)脫位和皮膚擦挫傷等［6－7］。在行人與轎車事故中，脛骨和腓骨的損傷機(jī)理主要?dú)w因于下肢脛/腓骨與轎車前保險(xiǎn)杠碰撞時(shí)造成脛/腓骨彎曲變形，當(dāng)彎曲所產(chǎn)生的拉伸和壓縮應(yīng)力超過其耐受極限時(shí)發(fā)生骨折［5］。

本研究對(duì)1例轎車與行人的交通事故案例進(jìn)行下肢損傷重建研究，在確定轎車事發(fā)時(shí)車速的情況下，通過有限元仿真分析行人與轎車發(fā)生碰撞時(shí)的變化過程，以及行人下肢的生物力學(xué)響應(yīng)過程，以此來觀察行人下肢被撞時(shí)的變化過程并與相應(yīng)的尸檢損傷結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。該方法能對(duì)實(shí)際轎車－行人交通事故碰撞案例進(jìn)行有效再現(xiàn)和分析，同時(shí)可為轎車－行人交通事故的司法鑒定提供科學(xué)依據(jù)。

1 事故案例

1.1 案情簡(jiǎn)要介紹

事故案例于2013年10月某日凌晨5時(shí)發(fā)生在重慶市××區(qū)，駕駛員駕駛豐田凱美瑞(Camry)轎車由五星路往一碗水方向行駛。當(dāng)轎車行駛至雙龍某路段時(shí)，與橫穿公路的行人發(fā)生接觸碰撞，行人的倒地位置距轎車最終停駛位置3.5 m。事故現(xiàn)場(chǎng)示意圖如圖1所示。

圖1 事故現(xiàn)場(chǎng)示意圖

1.2 車輛碰撞痕跡

事故轎車為豐田凱美瑞(Camry)GTM7240VNAVI。該車與行人發(fā)生碰撞后產(chǎn)生的痕跡如圖2所示，其主要變形受損部位位于車頭處。轎車前號(hào)牌與行人右下肢小腿處接觸，導(dǎo)致前號(hào)牌變形;前“豐田”logo標(biāo)志變形，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前端邊緣凹陷變形應(yīng)是與行人大腿以及腰臀部接觸形成的;與行人胸腹部接觸產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)蓋中部刮擦痕跡;發(fā)動(dòng)機(jī)蓋后部凹陷變形應(yīng)是行人頭部撞擊形成。

圖2 事故轎車與行人發(fā)生碰撞后產(chǎn)生的痕跡

1.3 傳統(tǒng)法醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)

道路交通事故中的尸體檢驗(yàn)是明確死亡原因及損傷方式的重要手段，尸檢報(bào)告的公正準(zhǔn)確不僅有助于交通事故的成因調(diào)查，而且有利于分析事故中人體的損傷過程。該事故中死者尸檢報(bào)告顯示:尸長(zhǎng)154 cm，面色黃，右額見6.1 cm ×2.9 cm范圍內(nèi)片狀表皮剝脫伴皮下出血，枕骨大孔穿刺抽出不凝血，右眼眶周及瞼結(jié)膜見青紫、腫脹，右眼下瞼結(jié)膜見片狀出血;頸椎未捫及異?；顒?dòng);胸廓對(duì)稱無畸形，胸骨未捫及異常，右側(cè)肋骨捫及骨擦感;脊柱正常生理曲度，未捫及異?；顒?dòng)及骨擦感;盆骨捫及骨擦感;右上臂中份前側(cè)見廣泛皮下青紫，右肱骨捫及骨擦感;右小腿前側(cè)有3.5 cm×3 cm擦挫傷痕，右側(cè)脛骨上段不全性骨折，右側(cè)腓骨多發(fā)骨折。通過尸體檢驗(yàn)確定死者的死亡原因系全身多組織器官損傷死亡。死者后右下肢有明顯的骨折現(xiàn)象。

1.4 車速確定

車輛的超速行駛是導(dǎo)致交通事故的重要原因之一，速度的快慢直接影響碰撞時(shí)的嚴(yán)重程度，較高的行駛速度往往意味著駕駛員、乘客與行人有較高的損傷風(fēng)險(xiǎn)。如今車輛速度確定已得到了廣泛的重視，確定事故車輛的速度不僅有助于交通事故成因分析、交通事故與責(zé)任劃分處理，而且對(duì)于駕駛員、乘客與行人的傷情以及致傷機(jī)理的分析有著不可忽略的作用。交通事故中車輛速度確定的傳統(tǒng)方法大致可以分為以下幾種［8］:制動(dòng)痕跡、現(xiàn)場(chǎng)路試、車體散落物拋距、車輛變形程度、人體拋距、監(jiān)控視頻等。

事故數(shù)據(jù)記錄器EDR(event data recorders)作為機(jī)動(dòng)車輛上的“黑匣子”，已經(jīng)在美國(guó)得到了較為廣泛的應(yīng)用［9］。EDR可以有效記錄事故發(fā)生時(shí)車輛速度的變化、剎車及油門等重要參數(shù)，因此該數(shù)據(jù)為汽車廠商分析相應(yīng)車輛的運(yùn)行狀態(tài)以及缺陷、進(jìn)而優(yōu)化車輛的設(shè)計(jì)提供重要技術(shù)支持。

本事故案例中凱美瑞轎車的EDR事故數(shù)據(jù)記錄器所記錄事故發(fā)生時(shí)5 s間車輛的數(shù)據(jù)(車輛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及制動(dòng)啟停)如圖3所示 。EDR通過車輛的減速度迅速增加或者氣囊點(diǎn)爆產(chǎn)生記錄。由數(shù)據(jù)可知:車輛制動(dòng)于－4 s，并且從－3 s開始全制動(dòng)，符合駕駛員0.4～0.8 s制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間［10］;在－4 s制動(dòng)有效前，該車的車速及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為46 km/h和2000 r/min;制動(dòng)有效時(shí)的車速為48 km/h，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1200 r/min;當(dāng)車速減至40 km/h時(shí)EDR出現(xiàn)記錄點(diǎn)。因?yàn)楫?dāng)轎車撞擊行人瞬間產(chǎn)生巨大的減速度，所以該事故中凱美瑞轎車與行人發(fā)生碰撞時(shí)的速度為EDR出現(xiàn)記錄點(diǎn)時(shí)的速度——40 km/h。

圖3 EDR數(shù)據(jù)

2 事故仿真重建

2.1 事故重建的基本理論

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在工程領(lǐng)域中的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，汽車碰撞模擬在有限元仿真領(lǐng)域具有非常重要的位置。轎車－行人碰撞過程的有限元法分析能準(zhǔn)確模擬車身和人體發(fā)生碰撞時(shí)人體各部位受載時(shí)的位移、變形、應(yīng)變和應(yīng)力［11］。因?yàn)橛邢拊惴ㄔ谟?jì)算過程中無需考慮收斂問題且在接觸算法方面具有一定優(yōu)勢(shì)，所以在人車碰撞仿真中已得到廣泛運(yùn)用。本研究選用人體有限元模型、凱美瑞轎車有限元模型以及有限元顯式算法軟件LS-DYNA進(jìn)行人體下肢生物力學(xué)響應(yīng)的精確分析［12］。

2.2 行人模型

本研究采用由豐田公司和豐田中心研究實(shí)驗(yàn)室共同開發(fā)的THUMS(total human model for safety)4.0 有限元人體模型［13－14］。該版本的模型是于2010年完成的最新模型，它由2×106個(gè)有限元單元組成，并且有人體體內(nèi)器官的模型，模型各個(gè)部分的材料屬性都根據(jù)相應(yīng)的法規(guī)要求定義。根據(jù)事故案例中行人的體型特征，在THUMS4.0人體有限元模型的基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)格縮放技術(shù)得到身高為1.54 m的行人模型。

2.3 車輛模型

車輛模型采用經(jīng)美國(guó)國(guó)家汽車碰撞分析中心(national crash analysis center，NCAC)驗(yàn)證的轎車模型。該轎車模型共有超過1670000個(gè)有限元網(wǎng)格單元，其材料和屬性的定義符合基本法規(guī)要求，可用于汽車動(dòng)力學(xué)仿真研究。

2.4 行人下肢損傷重建方法

運(yùn)用上述行人模型以及車輛模型構(gòu)建本案例事發(fā)時(shí)行人橫穿公路被車輛撞擊時(shí)的接觸形態(tài)，如圖4所示。行人與車輛的碰撞角度為行人行走方向與車輛行駛方向成90°的夾角。由案例可知:行人是從轎車車行方向的左至右行走的，所以轎車車頭應(yīng)與行人身體右側(cè)發(fā)生碰撞。另外，設(shè)置好仿真程序的初始條件，如已經(jīng)確定的轎車與行人碰撞時(shí)的速度(40 km/h)、摩擦因數(shù)(靜摩擦因數(shù)FS為0.67，動(dòng)摩擦因數(shù) FD為0.65)以及人與車輛的接觸特性等。

圖4 轎車與行人碰撞形態(tài)

2.5 有限元碰撞仿真結(jié)果

轎車以40 km/h的速度與行人發(fā)生碰撞。仿真過程中在0，20，40，100 ms時(shí)的情景如圖5所示，其中:在t=0 ms時(shí)為下肢還未與轎車車頭發(fā)生接觸時(shí)的原始狀態(tài);在t=20 ms時(shí)，轎車前保險(xiǎn)杠與行人左側(cè)大腿、小腿發(fā)生碰撞，與尸檢報(bào)告右小腿前側(cè)有3.5 cm×3 cm擦挫傷痕，右側(cè)脛骨上段不全性骨折，右側(cè)腓骨多發(fā)骨折的傷情吻合;在t=40 ms時(shí)，當(dāng)轎車前保險(xiǎn)杠與行人左側(cè)大腿、小腿接觸的同時(shí)，人體軀干部位由于慣性作用往轎車引擎蓋方向傾側(cè);在t=100 ms時(shí)，行人顱腦左側(cè)方向與發(fā)動(dòng)機(jī)引擎蓋發(fā)生碰撞，左側(cè)胸腰部、背臀部與引擎罩完全接觸，同時(shí)下肢與前保險(xiǎn)杠分離并向上運(yùn)動(dòng)，與尸檢報(bào)告的傷情相吻合。

圖5 仿真碰撞過程

圖6為行人右下肢的脛骨與轎車車頭接觸碰撞時(shí)脛骨和腓骨von Mises等效應(yīng)力云圖。其中:脛骨在碰撞發(fā)生后第25 ms的von Mises等效應(yīng)力達(dá)到最大值198 MPa;在與脛骨發(fā)生碰撞后的相同時(shí)刻，脛骨的von Mises等效應(yīng)力也在25 ms時(shí)達(dá)到最大值243 MPa。

圖6 脛、腓骨von Mises等效應(yīng)力云圖

由于脛骨和腓骨中段的von Mises等效應(yīng)力(198，243 MPa)超過脛、腓骨的失效應(yīng)力(100～125 MPa)［15］最大值，因此行人右下肢脛、腓骨出現(xiàn)骨折現(xiàn)象。該仿真結(jié)果與醫(yī)院的CT掃描影像圖(如圖7)顯示的結(jié)果一致。由此可見:行人下肢有限元仿真的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)符合行人與轎車發(fā)生碰撞的情況。

圖7 骨折CT圖

3 結(jié)束語

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)于汽車交通事故事發(fā)過程以及事故中受害人的身體損傷的分析起著越來越重要的作用。有限元仿真方法已經(jīng)被視為最為有效且可靠的研究交通事故中人體損傷機(jī)制和車輛損壞情況的技術(shù)［6－15］。研究人員可以通過事故發(fā)生后有限的線索如事故現(xiàn)場(chǎng)圖、現(xiàn)場(chǎng)照片或者是視頻資料片段等對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行仿真再現(xiàn)，之后根據(jù)事故參與方的散落物、痕跡以及最終停駛位置來還原整個(gè)事發(fā)過程。事故再現(xiàn)還能提供事故過程中的重要數(shù)據(jù)參數(shù)和證據(jù)，例如碰撞時(shí)的車輛速度、車輛損毀過程和具體受力作用點(diǎn)、車外或車內(nèi)人體所受損傷的位置和作用力的變化過程等。

本文根據(jù)1例行人－轎車交通事故案例中的數(shù)據(jù)記錄器EDR、法醫(yī)學(xué)尸檢報(bào)告、事故現(xiàn)場(chǎng)圖和現(xiàn)場(chǎng)照片，科學(xué)有效地得到了事故轎車的碰撞速度、車輛受損的部位以及行人的受傷部位的嚴(yán)重程度。采用綜合對(duì)比研究的方法，在THUMS4.0人體有限元模型的基礎(chǔ)上同時(shí)構(gòu)建車輛有限元模型，成功地再現(xiàn)了車輛與行人碰撞時(shí)人體的整個(gè)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過程，所得到的人體仿真應(yīng)力分布與實(shí)際損傷一致。本研究進(jìn)一步表明:EDR、尸檢報(bào)告及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的綜合運(yùn)用可在真實(shí)交通事故成因分析及司法鑒定中發(fā)揮重要作用。

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