SAED H.A.Abusafia，蘭鳳崇，王俊峰，曾子聰，陳吉清

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 廣州 510641)

交通事故的再現(xiàn)不僅可以還原車輛碰撞事故的全過程，分析人體損傷的影響因素，獲取真實(shí)事故中的人體損傷機(jī)理以及碰撞損傷規(guī)律，而且可為事故責(zé)任的認(rèn)定提供依據(jù)，為汽車安全技術(shù)改進(jìn)提供參考[1]。基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的事故再現(xiàn)方法由于成本低、計(jì)算周期短、能提高事故鑒定效率受到交通安全領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注[2-3]。在事故碰撞模擬方面，目前主流的軟件有MYDYMO[4-5]、LS-DYNA[6]和PC-CRASH[7]等。基于PC-CRASH進(jìn)行碰撞分析運(yùn)用廣泛，可得到有效的人-車碰撞和車-車碰撞仿真結(jié)果，具有一定的適用性[8-9]。本文利用PC-CRASH，結(jié)合事故實(shí)例建立人體多剛體模型，再現(xiàn)人-車事故碰撞全過程。仿真結(jié)果與監(jiān)控錄像中行人的姿態(tài)吻合，接近事故現(xiàn)場(chǎng)模型，同時(shí)獲得了人體碰撞響應(yīng)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

為了充分考慮頭部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，精確模擬顱腦內(nèi)的應(yīng)力分布，對(duì)事故中人體頭部進(jìn)行CT掃描，建立精細(xì)化頭部生物力學(xué)模型[10-11]。以PC-CRASH事故再現(xiàn)得到的響應(yīng)數(shù)據(jù)為邊界條件，對(duì)頭部進(jìn)行損傷分析。

在頭部損傷的影響因素中，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[6]研究了夾層擋風(fēng)玻璃在行人頭部撞擊時(shí)的機(jī)械性能。文獻(xiàn)[7]使用真實(shí)世界事故數(shù)據(jù)重建摩托車駕駛員頭部損傷過程，并分析了頭盔對(duì)摩托車手頭部損傷的安全性影響。文獻(xiàn)[12]研究了不同前端形狀的車輛有限元模型及不同沖擊速度對(duì)行人受傷風(fēng)險(xiǎn)的影響。文獻(xiàn)[13]比較不同模型在行人事故中頭部運(yùn)動(dòng)學(xué)的差異。文獻(xiàn)[14] 研究了擋風(fēng)玻璃上的撞擊位置以及頭部撞擊區(qū)域?qū)δX損傷的影響。本文在分析上述研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入研究頭部損傷影響因素，從擋風(fēng)玻璃安裝角度和車速兩方面進(jìn)行分析，為減少頭部碰撞損傷和改進(jìn)車輛安全技術(shù)提供參考。

1 基于PC-CRASH實(shí)例再現(xiàn)及分析

本文基于事故實(shí)例，通過PC-CRASH仿真再現(xiàn)碰撞過程，得到力和加速度等隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)以及碰撞中的損傷部位等相關(guān)信息。

1.1 事故信息實(shí)例采集

1) 事故概況

事故現(xiàn)場(chǎng)繪制圖如圖1所示。行人位于人行橫道的北側(cè)，行進(jìn)方向?yàn)槲餍?。某轎車在機(jī)動(dòng)車道上由北往南駕駛，方向與行人運(yùn)動(dòng)方向近似垂直。由于沒有注意到行人，轎車與行人相撞，行人被拋出一段距離后倒在碰撞點(diǎn)的東南方向。行人頭部有多處鈍挫傷，顱腦嚴(yán)重受損，最后因顱腦功能性障礙導(dǎo)致死亡。

通過觀察監(jiān)控錄像，行人左下肢為第一碰撞點(diǎn)，高度為380 mm。前擋風(fēng)玻璃與行人頭部發(fā)生碰撞后破碎，碰撞點(diǎn)成蛛網(wǎng)狀，包絡(luò)線長(zhǎng)約1 800 mm。車輛損毀情況見圖2。

圖2 車輛破損部位測(cè)量

2) 車速計(jì)算

利用監(jiān)控視頻計(jì)算車速，首先要對(duì)視頻做矯正處理。以3條斑馬線下端點(diǎn)組成矩形為參照物進(jìn)行矯正，如圖3所示，A、B、C、D為矯正矩形的端點(diǎn)，AB長(zhǎng)為6 m，AD長(zhǎng)為2.1 m。矯正計(jì)算得到圖4(a)兩條虛線間的距離為5.15 m，經(jīng)過12幀后，汽車碰撞到行人，見圖4(b)。該錄像幀數(shù)為25 FPS，經(jīng)計(jì)算得時(shí)間為0.48 s，車速為38.63 km/h。

圖3 特征點(diǎn)圖像矯正

圖4 利用監(jiān)控錄像計(jì)算車速

1.2 運(yùn)動(dòng)分析

圖5為監(jiān)控錄像與仿真的人-車碰撞位置對(duì)比顯示，仿真碰撞位置與錄像一致。

由于視頻法得到的并非精確速度值，存在一定誤差，仿真時(shí)可作為參考適當(dāng)調(diào)節(jié)。當(dāng)速度為38.5 km/h時(shí)，碰撞響應(yīng)關(guān)系與實(shí)例一致，同樣動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程與行人碰撞擋風(fēng)玻璃位置(圖6)也與事故形態(tài)吻合。為進(jìn)一步研究頭部損傷情況，建立生物力學(xué)模型進(jìn)行分析。

圖5 人-車碰撞位置對(duì)比

圖6 行人碰撞擋風(fēng)玻璃位置仿真結(jié)果

2 頭部碰撞生物力學(xué)模型建立

2.1 頭部生物力學(xué)模型

在交通事故中，頭部受傷是多種類型沖擊的共同作用，主要包括顱骨骨折、腦挫傷、硬膜下血腫等。因此，在模擬中，應(yīng)關(guān)注顱骨骨折以及腦組織的同側(cè)和對(duì)側(cè)影響。

通過人體頭部的CT掃描建立生物力學(xué)模型，如圖7所示，骨組織和軟組織模型采用實(shí)體單元。腦膜、腦幕和腦鐮等組織采用殼單元，頭部各組織特性如表1所示。

圖7 頭部有限元模型

表1 頭部各組織特性參數(shù)

面骨、顱骨和頭皮采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。該模型的優(yōu)越性在于其解剖學(xué)結(jié)構(gòu)上的精細(xì)化。如圖8所示，采用彈性流體材料模擬腦脊液液體流動(dòng)。從解剖學(xué)結(jié)構(gòu)、材料屬性和單元質(zhì)量等方面進(jìn)行優(yōu)化建模，采用Nahum顱內(nèi)壓力實(shí)驗(yàn)和Yoganandan顱骨碰撞實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行有效性驗(yàn)證，結(jié)果表明：該模型可進(jìn)行腦損傷的研究[10-11]，不僅可以模擬顱腦內(nèi)應(yīng)力分布，而且仿真結(jié)果具有較高的保真度。

圖8 腦組織生物力學(xué)模型

2.2 行人頭部模型邊界條件

頭部碰撞模型的邊界條件如圖9所示。

圖9 邊界條件

1) 汽車擋風(fēng)玻璃與水平面的夾角為安裝角度，事故實(shí)例的安裝角度為30°。

2) 車輛的碰撞速度參考多剛體模型仿真結(jié)果，以汽車驅(qū)動(dòng)方向?yàn)閄軸正方向，駕駛員左側(cè)為Y軸正方向，Z軸垂直于地面向上，負(fù)號(hào)表示與正方向相反。3個(gè)方向的速度曲線見圖10?？梢缘贸觯^部第1次與擋風(fēng)玻璃接觸的時(shí)間約為0.115 s。

圖10 人體頭部速度響應(yīng)曲線

3) 頭部尺寸

對(duì)事故中人體頭部做CT掃描并進(jìn)行等密度等應(yīng)力縮放處理，行人頭部質(zhì)量為4.2 kg，其外形尺寸見表2。為了便于研究頭部損傷，在人體重心位置增加60.8 kg的集中質(zhì)量點(diǎn)，簡(jiǎn)化為人體模型，并以剛性單元與頭部相連。

表2 實(shí)例中頭部尺寸參數(shù)

類似地，將轎車模型也簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量點(diǎn)，整車質(zhì)量為1 350 kg，同樣采用剛性單元與擋風(fēng)玻璃的外邊緣相連。簡(jiǎn)化碰撞模型見圖11。擋風(fēng)玻璃材料等其他參數(shù)見表3。

表3 擋風(fēng)玻璃材料等參數(shù)

圖11 頭部碰撞簡(jiǎn)化模型

3 頭部損傷及影響因素分析

3.1 頭部損傷分析

圖12～13列出了碰撞接觸力和質(zhì)心加速度隨時(shí)間變化的響應(yīng)曲線。頭部的接觸力與加速度響應(yīng)趨勢(shì)基本吻合，均在10 ms內(nèi)出現(xiàn)兩次峰值，在10～20 ms內(nèi)接觸力在7～11 kN范圍波動(dòng)。

圖12 碰撞接觸力-時(shí)間響應(yīng)曲線

圖13 頭部質(zhì)心加速度-時(shí)間響應(yīng)曲線

圖14顯示了不同時(shí)間模擬顱內(nèi)壓應(yīng)力的分布。由14(b)可見，開始碰撞到2 ms時(shí)，最大正壓應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在大腦和小腦的后交界處，約0.787 MPa。如圖15所示，到8 ms時(shí)，最大負(fù)壓應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在大腦前端，約為0.499 MPa，之后顱腦內(nèi)部壓應(yīng)力開始減少。顱內(nèi)可能損傷部位見圖16。

圖14 不同時(shí)刻顱腦壓力分布云圖

圖15 顱腦負(fù)壓應(yīng)力峰值區(qū)域(t=8 ms)

圖16 顱腦易損傷部位

經(jīng)仿真計(jì)算得到頭部的HIC值高達(dá)915(文中HIC默認(rèn)為HIC15)，接近耐受極限值，頭部嚴(yán)重?fù)p傷的風(fēng)險(xiǎn)較高，這與事故實(shí)例中行人顱腦損傷嚴(yán)重的情況一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

3.2 頭部損傷影響因素分析

3.2.1不同擋風(fēng)玻璃角度下頭部損傷分析

人-車碰撞時(shí)擋風(fēng)玻璃的不同安裝角度會(huì)改變頭部的碰撞部位和接觸方式。為研究擋風(fēng)玻璃的角度對(duì)頭部的損傷影響，假設(shè)車速、行人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以及行走方向等條件不變，基于實(shí)例中汽車擋風(fēng)玻璃角度30°，向上向下調(diào)整10°來模擬不同角度，即取20°、30°、40°模擬不同的安裝角度。研究主要從4個(gè)方面進(jìn)行：頭部碰撞接觸力，頭部質(zhì)心加速度，HIC值和顱內(nèi)正負(fù)壓力。

圖17、18分別為車速10 m/s時(shí)不同安裝角度條件下頭部的碰撞力和質(zhì)心加速度隨時(shí)間變化的響應(yīng)曲線?？梢缘贸觯?0°時(shí)響應(yīng)曲線與30°和40°時(shí)相比差異較大，頭部接觸力在7 ms時(shí)達(dá)到峰值，接觸力增長(zhǎng)趨勢(shì)相對(duì)較緩慢，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；30°和40°兩種曲線的響應(yīng)趨勢(shì)基本一致，接觸力在2 ms和5 ms時(shí)各出現(xiàn)1次峰值，且40°時(shí)接觸力峰值幾乎為30°的2倍。不同角度的模擬結(jié)果表明：質(zhì)心加速度和顱腦壓應(yīng)力均在1～4 ms內(nèi)達(dá)到峰值，因此在1～4 ms內(nèi)分析顱腦壓應(yīng)力。

圖17 碰撞接觸力-時(shí)間響應(yīng)曲線

圖18 頭部質(zhì)心加速度-時(shí)間響應(yīng)曲線

以安裝角度20°為例進(jìn)行分析。圖 19為1～4 ms內(nèi)顱腦內(nèi)的壓應(yīng)力分布云圖。1 ms時(shí)，頭部接觸擋風(fēng)玻璃，之后顱內(nèi)正壓應(yīng)力值不斷增大，而負(fù)壓應(yīng)力達(dá)到峰值后趨于穩(wěn)定，且該區(qū)域逐漸縮小。到3 ms時(shí)，正壓應(yīng)力在左右兩側(cè)海馬溝回附近達(dá)到峰值，約為0.760 MPa，隨后該區(qū)域附近出現(xiàn)負(fù)壓應(yīng)力峰值，為0.15 MPa。腦組織正、負(fù)壓應(yīng)力峰值隨安裝角度增大而增大。擋風(fēng)玻璃安裝角度為20°時(shí)響應(yīng)變化規(guī)律與30°和40°時(shí)不同， 9 ms時(shí)，該區(qū)域附近出現(xiàn)負(fù)壓應(yīng)力峰值，約為0.276 MPa，如圖20所示。

圖19 不同時(shí)刻顱腦壓應(yīng)力分布云圖

圖20 顱腦負(fù)壓應(yīng)力峰值區(qū)域(t=9 ms)

在車速為10 m/s條件下，由不同安裝角度對(duì)應(yīng)頭部損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)可知(見表4)：頭部HIC值隨擋風(fēng)玻璃安裝角度增大而增大，且增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯；40°時(shí)HIC值已高達(dá)2 380，安裝角度的大小對(duì)頭部的損傷程度影響顯著；安裝角度為20°時(shí)，HIC值減小到380，約為40°時(shí)的16%，頭部發(fā)生顱腦損傷的風(fēng)險(xiǎn)有所降低。

表4 頭部損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.2.2不同碰撞速度下頭部損傷分析

汽車與行人碰撞事故中，車速不同，行人頭部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生不同變化。在擋風(fēng)玻璃安裝角度為20°的條件下研究不同車速對(duì)頭部碰撞的生物力學(xué)響應(yīng)。

不同車速下行人頭部碰撞位置仿真如圖21所示。當(dāng)車速為7 m/s時(shí)，頭部不會(huì)與擋風(fēng)玻璃相撞；當(dāng)速度為8 m/s時(shí)，頭部與擋風(fēng)玻璃相撞；當(dāng)車速超過15 m/s時(shí)，頭部會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p傷。因此，選取車速8、10、15 m/s時(shí)進(jìn)行研究。

圖21 不同車速下行人頭部碰撞位置

圖22為安裝角度20°時(shí)3種車速下頭部與擋風(fēng)玻璃接觸力隨時(shí)間變化的響應(yīng)曲線，車速越高，頭部碰撞接觸力峰值越高，而接觸力峰值持續(xù)時(shí)間相對(duì)減少。圖23為3種車速下頭部質(zhì)心加速度-時(shí)間響應(yīng)曲線。同樣，頭部質(zhì)心加速度隨車速正相關(guān)變化，頭部質(zhì)心加速度在2 ms時(shí)達(dá)到峰值，由于持續(xù)時(shí)間較短，頭部HIC值未超過其損傷耐受極限。

圖22 頭部碰撞接觸力-時(shí)間響應(yīng)曲線

以安裝角度20°及車速為15 m/s時(shí)為條件分析顱內(nèi)壓力分布?？紤]到3種不同速度下，頭部接觸力峰值出現(xiàn)時(shí)間段為8～9 ms，頭部質(zhì)心加速度峰值出現(xiàn)時(shí)間段為2～3 ms，因此，列出兩個(gè)時(shí)間段始末顱內(nèi)壓應(yīng)力變化情況，如圖24所示。

圖23頭部質(zhì)心加速度-時(shí)間響應(yīng)曲線

圖24 不同時(shí)刻顱腦內(nèi)壓應(yīng)力分布云圖

從圖24中可以看出：在2 ms時(shí)，左右兩側(cè)海馬溝回附近出現(xiàn)應(yīng)力集中；在3 ms時(shí)，該位置正應(yīng)力達(dá)到峰值，為0.651 MPa；在4 ms時(shí)，峰值正壓應(yīng)力附近區(qū)域出現(xiàn)負(fù)壓應(yīng)力峰值，約為0.231 MPa，見圖25。

圖25 顱腦負(fù)壓應(yīng)力峰值區(qū)域(t=4 ms)

分析不同速度的頭部損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)可知(表5)，頭部損傷隨車速呈正相關(guān)顯著變化。車速為15 m/s時(shí)，頭部HIC值接近耐受極限1 000。此條件下若調(diào)整安裝角度為40°時(shí)，HIC值將增大4倍，同樣說明安裝角度對(duì)頭部碰撞損傷影響顯著。

表5 頭部損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)

4 結(jié)束語

1) 建立了精細(xì)化人體頭部生物力學(xué)模型，對(duì)比人體多剛體碰撞模型，精細(xì)化模型考慮頭部各生物構(gòu)造的力學(xué)特性，能精確模擬顱腦內(nèi)的應(yīng)力分布情況，反映頭部碰撞時(shí)顱腦的損傷嚴(yán)重程度。該模型有助于研究汽車碰撞事故中行人的損傷風(fēng)險(xiǎn)和損傷機(jī)理，為汽車安全性技術(shù)改進(jìn)提供參考。

2) 研究了擋風(fēng)玻璃安裝角度因素對(duì)頭部碰撞損傷的影響，結(jié)果表明：頭部損傷隨擋風(fēng)玻璃安裝角度的增大而增大，呈正相關(guān)變化。若實(shí)例中擋風(fēng)玻璃安裝角度減小10°，頭部HIC值減少58.4%，頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)顯著降低。

3) 分析了車輛速度對(duì)頭部碰撞損傷的影響。若擋風(fēng)玻璃安裝角度為20°，車速達(dá)到15 m/s時(shí)，頭部損傷均接近耐受極限；而當(dāng)車速降低到10 m/s時(shí)，頭部HIC值減少59.1%，風(fēng)險(xiǎn)降低。頭部HIC值與車輛速度同樣呈顯著性正相關(guān)變化。