黃丹妮，關(guān)志偉，沈宇明，王少華

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津300222；2.天津市天通司法鑒定中心，天津300040）

基于MADYMO的車輛前碰撞事故再現(xiàn)仿真

黃丹妮1，關(guān)志偉1，沈宇明2，王少華1

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津300222；2.天津市天通司法鑒定中心，天津300040）

針對交通事故安全氣囊的鑒定具有一定復(fù)雜性和難度的問題，利用多剛體動力學(xué)仿真軟件MADYMO對一起真實的關(guān)于安全氣囊糾紛的前碰撞事故進(jìn)行事故再現(xiàn)仿真研究。在分析人體頭部合成加速度、胸部合成加速度、胸部壓縮量等人體動力學(xué)損傷標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，將仿真實驗結(jié)果與人體真實損傷情況進(jìn)行比對。結(jié)果表明：本研究建立的事故仿真模型能準(zhǔn)確地再現(xiàn)事故實際情況，該方法在對涉及車輛安全氣囊事故的鑒定方面具有一定參考價值。

MADYMO；安全氣囊；碰撞；事故再現(xiàn)

隨著我國汽車市場的蓬勃發(fā)展及道路交通狀況的不斷改善，我國機動車保有量呈現(xiàn)逐年增長的趨勢，然而我國道路交通狀況的惡化也隨之而來。安全氣囊作為汽車被動安全的重要組成部分，能夠有效防止駕乘人員因二次碰撞受到損傷。但隨著安全氣囊系統(tǒng)在機動車上的普及應(yīng)用，在其運用科技力量來保護(hù)駕乘人員免受事故帶來傷害的同時，大量研究調(diào)查顯示，對汽車乘員約束系統(tǒng)的核心部件之一——安全氣囊鑒定的需求也越來越多。目前，我國關(guān)于機動車的鑒定事項主要集中在機動車事故車速、事故發(fā)生時的行駛方向、機動車與其他車輛或物體的接觸部位及對車輛的安全技術(shù)檢驗方面，關(guān)于安全氣囊方面的鑒定事項較少，這對我國司法鑒定部門及人員提出了新的要求。本文針對一起真實的氣囊損傷事故案例，利用MADYMO軟件進(jìn)行仿真再現(xiàn)，通過人體動力學(xué)響應(yīng)參數(shù)與勘察結(jié)果進(jìn)行比對，進(jìn)而驗證模型的準(zhǔn)確性。

1　汽車碰撞模擬的理論基礎(chǔ)

目前，在對汽車碰撞進(jìn)行仿真計算中，最為常用的方法是多剛體動力學(xué)法和有限元法［1］。多剛體動力學(xué)法最具代表性的軟件是荷蘭國家科學(xué)研究院（簡稱TNO）研究開發(fā)的MADYMO軟件，它是一個基于乘員特征、乘坐環(huán)境、約束系統(tǒng)和碰撞狀態(tài)建立的由多個剛體組成的模型系統(tǒng)，系統(tǒng)中任意一對體都能夠通過一個運動鉸進(jìn)行連接。MADYMO對多剛體系統(tǒng)的動力學(xué)算法采用達(dá)朗伯-拉格朗日方程描述［2］，剛體上任一點（以P表示）的位置、速度和加速度分別如圖1所示。

圖1　多剛體坐標(biāo)系

本文對駕駛室及駕駛員的建模采用多剛體動力學(xué)法，計算方程為［2］：

式中：ω為剛體相對于慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動角速度。

有限元法是把連續(xù)體離散化，將該連續(xù)體分成若干個有限大小單元體的計算方法。在有限元法中，求解域上待求的未知場函數(shù)是由每個單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片表示，而近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)在單元各節(jié)點的數(shù)值插值得來。即通過對有限個單元作分片插值，使連續(xù)的無限自由度問題變?yōu)殡x散的有限自由度問題。

本文對安全氣囊的模擬采用了有限元技術(shù)。在一定沖擊條件下，汽車安全氣囊的展開過程是典型的大變形、非線性大位移問題，要對非彈性物體和結(jié)構(gòu)求解。因此，采用顯式算法的有限元方式建立安全氣囊模型是目前通常采用的方法。

2　乘員約束系統(tǒng)建模

本文利用多剛體動力學(xué)仿真軟件MADYMO再現(xiàn)該事故駕駛員側(cè)前碰撞仿真模型，主要包括駕駛室模型、HybridⅢ50th假人模型、安全帶模型以及安全氣囊模型。

（1）駕駛室模型采用以定義各種鉸的運動來描述車身碰撞變形的方式，本文所建立的駕駛室模型主要包括前擋風(fēng)、地板、前圍板、腳踏板、方向盤、轉(zhuǎn)向柱及座椅［3］，具體模型如圖2所示。

（2）駕駛員模型是MADYMO正面碰撞仿真中普遍使用的HybridⅢ50th男性假人模型，如圖3所示。

圖2　駕駛室模型

圖3　HybridⅢ50th假人模型

調(diào)入假人模型后，通過視覺直觀調(diào)整假人模型坐姿和預(yù)模擬相結(jié)合的方法，調(diào)整假人H點（Dummy_jnt）、膝部（KneeL_jnt、KneeR_jnt）、臀部（HipL_jnt、HipR_jnt）、踝部（AnkleL_jnt、AnkleR_jnt）等位置，使假人在車體模型中達(dá)到正常的坐姿，預(yù)調(diào)坐姿后將假人置于重力場進(jìn)行預(yù)處理［4］，調(diào)整坐姿后如圖4所示。

圖4　調(diào)整坐姿后假人模型

（3）考慮到交通事故分析的時效性，本文安全帶模型采用的是計算量較小的標(biāo)準(zhǔn)多體式安全帶。

（4）安全氣囊模型建立的準(zhǔn)確與否對整個模型的仿真精度具有十分重要的影響。通過SYSTEM.MODEL下的FE_MODEL實現(xiàn)安全氣囊的初始化定義，同時要定義INITIAL.FE_MODEL將其固定于方向盤上。點火時間通過在FE_MODEL外部定義SWITCH.TIME來實現(xiàn)，初步設(shè)定安全氣囊點火時刻為20 ms［5］。

（5）通過CONTACT.MB_MB［6］設(shè)置模型間的接觸定義，包括假人模型與方向盤、風(fēng)擋玻璃、座椅靠背、坐墊間的接觸；安全氣囊模型與假人模型頭部、頸部、肩部、胸部、腹部、上肢、方向盤的接觸；假人模型自身不同部位間的接觸［7］。

（6）根據(jù)實地車輛勘察結(jié)果，該車前部塑性變形量最大處深度為117 cm。由汽車正面碰撞有效速度與變形量公式，可得事故中汽車碰撞時的行駛速度為123 km/h，計算式為：

式中：v為車輛正面碰撞有效碰撞速度；x為車輛塑性變形量。

將車體看作靜止?fàn)顟B(tài)，碰撞過程轉(zhuǎn)換為假人受力的過程，在碰撞中以直接施加給假人力（通過加速度實現(xiàn)）的形式模擬車輛碰撞過程，具體事故駕駛員側(cè)正面碰撞初始模型如圖5所示。

圖5　駕駛員側(cè)正面碰撞模型

3　前碰撞事故模擬

3.1事故案例

某日凌晨，一名男性駕駛一輛小型轎車在由公路北側(cè)向公路南側(cè)的行駛過程中，不慎與公路南側(cè)的電線桿發(fā)生碰撞，而后又與公路旁商店的墻體和停放的小型普通客車發(fā)生碰撞，造成車輛嚴(yán)重?fù)p毀，駕駛員及后排左側(cè)乘員搶救無效死亡，后排右側(cè)乘員重傷。

3.1.1車輛損毀情況

根據(jù)事故勘察結(jié)果［8］，事故車輛為一輛白色小型轎車。事故發(fā)生時，事故車輛先后與電線桿、墻壁和停放的小型普通客車發(fā)生碰撞，造成車前保險杠及鋼梁缺失，發(fā)動機罩缺失，發(fā)動機脫落；左右前翼子板均向后彎折變形，上有刮擦痕，距地高20～110cm；前風(fēng)窗玻璃破碎，車頂彎折變形；左前門缺失；駕駛員位置下部護(hù)板破碎，并向前彎折變形；駕駛員位置氣囊有血跡附著；儀表臺破損；左后門缺失；左前輪外側(cè)胎壁及輪輞有刮擦痕；左后輪脫落，輪輞破損，外側(cè)胎壁及輪輞有刮擦痕。該車前部塑性變形量最大處深為117 cm。事故車輛損壞情況如圖6和圖7所示。

圖6　事故車外部損毀情況

圖7　事故車車內(nèi)損毀情況

3.1.2人員損傷情況

根據(jù)事故后醫(yī)院診斷結(jié)果及司法鑒定部門尸體檢驗結(jié)果，駕駛員為男性，經(jīng)醫(yī)院搶救無效死亡，尸表損傷散在分布于全身各部，以皮下出血伴擦傷為主，并伴有裂創(chuàng)，骨折見于顱骨、左側(cè)鎖骨、雙側(cè)肋骨、左側(cè)肱骨及右側(cè)股骨。因本文主要對正面碰撞駕駛員側(cè)乘員約束系統(tǒng)進(jìn)行研究，故在此只陳述駕駛員損傷情況。司法鑒定部門尸檢結(jié)果如表1所示。

表1　駕駛員尸檢結(jié)果

3.2基于MADYMO的前碰撞事故模擬

事故模型建立后，通過不斷調(diào)試安全氣囊起爆時間，發(fā)現(xiàn)將安全氣囊起爆時間設(shè)置為54 ms時，乘員身體各部位的損傷情況與實際事故案例最為符合。事故碰撞過程仿真再現(xiàn)如圖8所示。

圖8　乘員仿真動態(tài)圖

圖8較為直觀地顯示出事故發(fā)生后短時間內(nèi)乘員的運動及接觸情況。t=0 ms時為仿真初始狀態(tài)；t= 50 ms時，由于車體與電線桿碰撞產(chǎn)生的慣性使假人模型向前運動，假人右膝與儀表盤下方接觸；t=54 ms時，安全氣囊打開并開始充氣；t=68 ms時，假人右大腿負(fù)荷達(dá)到峰值；t=78 ms時，假人胸部合成加速度達(dá)到峰值；t=80 ms時，由于假人胸部與方向盤接觸，以方向盤為支點使頭部與其發(fā)生接觸碰撞，頭部合成加速度達(dá)到峰值，此時安全氣囊雖已完全打開，但不能提供很好的緩沖作用。

4　對比分析

4.1人體動力學(xué)損傷標(biāo)準(zhǔn)

目前國際上通常使用頭部傷害指標(biāo)（head injury criterion，HIC）作為鑒定頭部損傷程度的依據(jù)。其表達(dá)式為［9］：

式中：t1、t2為碰撞過程中使HIC取最大值的時刻；R（t）為頭部質(zhì)心合成加速度；2.5為通過實驗得到頭部的權(quán)重指標(biāo)。國內(nèi)外評定標(biāo)準(zhǔn)中，通常把HIC=1 000作為頭部損傷的安全界限。

碰撞事故中往往伴隨人體軀干部與汽車、地面的沖擊，且其致命程度較高。國際上通常把3 ms內(nèi)軀干部合成加速度值60 g作為安全閥值。

4.2人體動力學(xué)損傷分析

通過將MADYMO動力學(xué)仿真結(jié)果的頭部損傷、胸部損傷及下肢損傷與真實事故中的人體損傷情況進(jìn)行比對，驗證仿真模型的準(zhǔn)確性。

仿真計算得出的乘員頭部合成加速度時間歷程曲線如圖9所示。t=80 ms時，頭部合成加速度峰值為1 101 m/s2，由于假人胸部與方向盤接觸，以方向盤為支點使頭部瞬間受到一個外力。根據(jù)式（5）計算得出頭部HIC=2 007，遠(yuǎn)高于安全閾值1 000。這與尸檢報告中所記錄的下顱骨觸之有異?；顒樱钦垡娪陲B骨相吻合。

圖9　頭部合成加速度時間歷程曲線

假人胸部合成加速度時間歷程、胸部壓縮量時間歷程曲線分別如圖10和圖11所示。由圖10可知，假人胸部3 ms合成加速度為664 m/s2（約67.8 g），大于安全閾值60 g，這將對胸腹部造成嚴(yán)重?fù)p傷。由圖11可知，事故中胸部壓縮量的峰值為0.048 m。根據(jù)FMVSS214規(guī)定，正面碰撞中胸部擠壓變形耐受度為0.04～0.09 m。該事故仿真中所得的胸部壓縮量達(dá)到胸部損傷安全閾值。尸體檢驗報告中描述“左胸皮下出血伴擦傷，皮膚觸之有握雪感，肋骨觸之有反?；顒印?，仿真結(jié)果驗證了這一點。

圖10　胸部合成加速度時間歷程曲線

假人左大腿及右大腿負(fù)荷時間歷程曲線如圖12和圖13所示。

圖11　胸部壓縮量時間歷程曲線

圖12　左大腿負(fù)荷時間歷程曲線

圖13　右大腿負(fù)荷時間歷程曲線

乘員在事故二次碰撞中，由于慣性作用，身體向前運動與車內(nèi)部件接觸。由圖12可知，t=66ms時，左大腿負(fù)荷峰值為2 100 N；由圖13可知，t=68 ms時，右大腿負(fù)荷峰值為2 300 N。這與事故過程中駕駛員位置下部護(hù)板破碎，并向前彎折變形，假人左膝及右膝分別與儀表盤下方車內(nèi)部件接觸并受到損傷相對應(yīng)。

通過將仿真輸出結(jié)果與事故實際人體損傷情況進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與實際人員損傷情況很好地吻合，充分驗證了該事故模型的適用性。

5　結(jié)束語

本文利用多剛體動力學(xué)仿真軟件MADYMO對一起真實的前碰撞安全氣囊糾紛事故案例進(jìn)行仿真再現(xiàn)。通過搭建事故車輛乘員約束系統(tǒng)模型并進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，結(jié)合人體動力學(xué)響應(yīng)參數(shù)對人體損傷部位及損傷程度進(jìn)行驗證。仿真結(jié)果與實際人員損傷情況很好地吻合，充分驗證了該模型的準(zhǔn)確性，本研究為涉及安全氣囊的事故鑒定提供了良好的解決方案，具有一定的應(yīng)用價值。

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Reconstruction simulation for vehicle front-impact accident based on MADYMO

HUANG Dan-ni1，GUAN Zhi-wei1，SHEN Yu-ming2，WANG Shao-hua1
（1.School of Automobile and Transportation，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；2.Tianjin Tiantong Judicial Authentication Center，Tianjin 300040，China）

As to the problem that identification of ABRS has difficulties in traffic accidents，simulation software MADYMO is used to simulate and reconstruct a real front impact accident involving airbag dispute.On the basis of analyzing dynamics of human injury standard such as the head synthetic acceleration，chest synthetic acceleration and chest compression quantity，simulation experiment and the real situations are compared.The result shows that The accident simulation model established in this paper can accurately reproduce the actual situation of the accident，which has a certain reference value for the identification of vehicle accidents.

MADYMO；airbag；impact；accident reconstruction

U491.31

A

2095－0926（2016）03－0019－05

2016-07-05

公安理論及軟科學(xué)研究計劃項目（2012LLYJTJSJ077）；天津市自然科學(xué)基金重點項目（16JCZDJC38200）.

黃丹妮（1992—），女，碩士研究生；關(guān)志偉（1970—），男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為交通環(huán)境與安全技術(shù).