王谷棟，沈景鳳，仲梁維

（200093 上海市 上海理工大學(xué)）

0 引言

根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）統(tǒng)計(jì)，道路交通死亡人數(shù)每年約135 萬，其中易受傷害的道路使用者占全球死亡人數(shù)的一半以上[1]。在我國交通事故中，行人頭頸部和下肢的損傷占損傷總數(shù)的70%以上，而其中下肢損傷是交通事故中人員致殘的主要原因[2]。實(shí)際交通事故中，車輛和行人的接觸條件具有多樣性，如車輛與行人直接發(fā)生碰撞造成傷害或行人在未接觸車輛條件下主觀行為導(dǎo)致自身傷害，因此事故中行人下肢損傷的成因機(jī)制較為復(fù)雜。面對(duì)大量的行人交通事故，數(shù)值假人和計(jì)算機(jī)仿真方法在世界主要發(fā)達(dá)國家和地區(qū)被廣泛應(yīng)用于對(duì)其進(jìn)行輔助研究。例如，Yang[3]等建立了多剛體行人模型，較早運(yùn)用數(shù)值仿真的方法進(jìn)行人車碰撞事故再現(xiàn)研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)值仿真人車碰撞試驗(yàn)憑借其低成本、靈活、直觀、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在人車碰撞交通事故研究中應(yīng)用日益廣泛。

本文通過探究人車碰撞交通事故中行人下肢不同的成傷條件，將條件參數(shù)化并設(shè)定參數(shù)數(shù)據(jù)范圍。通過LS-Dyna 仿真軟件將不同成傷條件以參數(shù)形式加載于THUMS 人體有限元模型上，模擬不同條件下人車碰撞事故重建，從損傷結(jié)果中探討不同因素對(duì)行人下肢損傷的影響。同時(shí)該方法能對(duì)實(shí)際汽車-行人交通事故碰撞案例進(jìn)行有效再現(xiàn)和分析，為汽車-行人交通事故的司法鑒定提供科學(xué)依據(jù)。

1 有限元模型

1.1 行人模型

本研究采用由豐田中央技術(shù)研究院研發(fā)的THUMS（Total Human Model for Safety）有限元人體模型。THUMS 人體模型經(jīng)過多次碰撞試驗(yàn)的驗(yàn)證以及與真實(shí)人體的比較，具有較高的生物逼真度，能夠從組織層面直觀反映人體受傷程度[4]。本研究應(yīng)用的假人模型是第4 代假人模型，根據(jù)分析多個(gè)事故案例中受傷行人的體型條件選用平均尺寸大小的成年男性模型（AM50）作為此次分析的行人模型。

1.2 車輛模型

本研究針對(duì)的是轎車-行人事故類型。選擇了一款轎車有限元模型來研究碰撞過程中汽車對(duì)行人下肢的傷害，其中轎車質(zhì)量1.65 t，保險(xiǎn)杠中心離地高度為500 mm。為節(jié)約運(yùn)算時(shí)間及成本，在保證模型合理性的前提下，車輛模型可以是僅包含碰撞時(shí)與行人接觸的車輛前部幾何外形，本研究選取了前保險(xiǎn)杠來構(gòu)成簡化模型。車輛材料模型采用彈塑性材料，且車輛其他部件采用集中質(zhì)量方式加載于對(duì)應(yīng)質(zhì)心處。

2 仿真參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 汽車-行人交通事故成傷參數(shù)

汽車-行人交通事故成傷參數(shù)主要由車輛參數(shù)和行人參數(shù)兩部分組成，其中車輛參數(shù)包含撞擊速度、撞擊方向等，行人參數(shù)包含行人體型、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等。在事故仿真時(shí)，通過對(duì)人體有限元模型的縮放及調(diào)整，可以滿足不同行人參數(shù)條件。本研究主要探究交通事故成傷參數(shù)中不同車輛參數(shù)影響。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。統(tǒng)計(jì)表明，近95%的行人意外交通事故發(fā)生在撞擊速度低于60 km/h[5]。車輛從不同的方向撞擊行人下肢會(huì)造成下肢長骨骨折等ASI2+損傷，因此撞擊方向是交通事故成傷分析中另一個(gè)比較重要的參數(shù)。由GIDAS事故數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)顯示，在車輛撞擊行人的案件中有80%～90%的撞擊方向是行人側(cè)面（左側(cè)或右側(cè)）方向。如圖1 行人碰撞時(shí)刻圖所示，碰撞多數(shù)發(fā)生在2:00～4:00 及8:00～10:00 方向，圖中大圓外箭頭代表汽車行駛方向，圓中心箭頭代表行人前進(jìn)方向[6]。

圖1 GIDAS 中行人碰撞時(shí)刻圖Fig.1 Pedestrian collision time chart in GIDAS

2.2 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在LS-Dyna仿真軟件中構(gòu)建不同汽車-行人交通事故成傷參數(shù)下行人被車輛撞擊時(shí)的接觸形態(tài)，如圖2 所示。對(duì)行人下肢膝關(guān)節(jié)處進(jìn)行后外側(cè)、正外側(cè)以及前外側(cè)三個(gè)方向的撞擊仿真實(shí)驗(yàn)，撞擊速度分別為20 km/h、30 km/h 和40 km/h。將撞擊部位和撞擊速度二參數(shù)自由組合進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。設(shè)置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、下肢與車體前部的摩擦因數(shù)0.5，下肢與地面的摩擦因數(shù)0.65。

圖2 轎車與行人碰撞形態(tài)Fig.2 Collision patterns between car and pedestrian

3 行人下肢動(dòng)力學(xué)及損傷分析

3.1 膝關(guān)節(jié)后外側(cè)撞擊仿真結(jié)果

在人體下肢脛骨近心端后外側(cè)位置受到轎車撞擊時(shí)，保險(xiǎn)杠所攜帶的動(dòng)能通過皮膚肌肉組織傳遞給膝關(guān)節(jié)，外側(cè)半月板應(yīng)力大于內(nèi)側(cè)半月板應(yīng)力同時(shí)膝關(guān)節(jié)向外彎曲。撞擊過程中，人體下肢長骨的脛骨其近心端先受到轎車作用產(chǎn)生應(yīng)力集中，t=10 ms 時(shí)股骨受脛骨牽扯及保險(xiǎn)杠撞擊影響在其遠(yuǎn)心端產(chǎn)生應(yīng)力集中。隨著膝蓋彎曲，股骨應(yīng)力集中現(xiàn)象開始減弱，脛骨應(yīng)力集中加劇且由近心端轉(zhuǎn)移至脛骨中段。后外側(cè)撞擊下，行人下肢長骨與保險(xiǎn)杠碰撞過程動(dòng)態(tài)應(yīng)力云圖如圖3 所示。保險(xiǎn)杠與下肢撞擊的接觸力最大值在20，30，40 km/h 下分別為3.1，9.5，17.3 kN，其隨時(shí)間變化曲線如圖4 所示。

圖3 后外側(cè)撞擊行人下肢動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.3 Dynamic response of pedestrian’s lower limb at posterolateral impact

圖4 后外側(cè)撞擊接觸力-時(shí)間變化曲線Fig.4 Posterolateral impact force-time curve

3.2 膝關(guān)節(jié)正外側(cè)撞擊仿真結(jié)果

行人下肢膝關(guān)節(jié)正外側(cè)受到轎車撞擊時(shí)，由于正外側(cè)膝關(guān)節(jié)可彎曲角度較小，因此撞擊所產(chǎn)生的接觸力會(huì)更大。在撞擊過程中，膝關(guān)節(jié)逐漸向內(nèi)彎曲，外側(cè)半月板明顯受壓且內(nèi)側(cè)半月板發(fā)生位移。股骨與脛骨受到保險(xiǎn)杠作用時(shí)二者同時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，分別發(fā)生于股骨遠(yuǎn)心端及脛骨近心端。下肢長骨應(yīng)力值最大處隨撞擊時(shí)間發(fā)生變化，脛骨最大處向遠(yuǎn)心端移動(dòng)，股骨最大處向近心端移動(dòng)且在骨中段位置停止。正外側(cè)撞擊下，行人下肢長骨與保險(xiǎn)杠碰撞過程動(dòng)態(tài)應(yīng)力云圖如圖5 所示。保險(xiǎn)杠與下肢撞擊的接觸力最大值在20，30，40 km/h 下分別為6.3，11.7，17.7 kN，其隨時(shí)間變化曲線如圖6 所示。

圖5 正外側(cè)撞擊行人下肢動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.5 Dynamic response of pedestrian’s lower limb by right lateral impact

3.3 膝關(guān)節(jié)正外側(cè)撞擊仿真結(jié)果

當(dāng)行人下肢膝關(guān)節(jié)前外側(cè)受車輛撞擊，膝關(guān)節(jié)前外側(cè)因可彎曲角度較小，轎車與膝關(guān)節(jié)直接接觸在撞擊處及受力對(duì)側(cè)產(chǎn)生壓縮和拉伸形變。撞擊過程中，股骨先受到保險(xiǎn)杠作用并在遠(yuǎn)心端處有應(yīng)力集中，隨著膝關(guān)節(jié)受力對(duì)側(cè)的拉伸形變，脛骨中端位置產(chǎn)生明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，拉伸形變超過限值即出現(xiàn)節(jié)段性骨折現(xiàn)象。前外側(cè)撞擊下，行人下肢長骨與保險(xiǎn)杠碰撞過程動(dòng)態(tài)應(yīng)力云圖如圖7 所示。保險(xiǎn)杠與下肢撞擊的接觸力最大值在20，30，40 km/h 下分別為3.6，9.5，16.0 kN，其隨時(shí)間變化曲線如圖8 所示。

圖7 前外側(cè)撞擊行人下肢動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.7 Dynamic response of pedestrian’s lower limb by anterolateral impingement

圖8 前外側(cè)撞擊接觸力-時(shí)間變化曲線Fig.8 Anterolateral impact force-time curve

3.4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

綜合轎車-行人不同撞擊位置及撞擊速度參數(shù)下分析出來的結(jié)果，分別對(duì)損傷程度和接觸力進(jìn)行分析。將長骨的von Mises 等效應(yīng)力定義為判斷損傷的指標(biāo)，提取在不同參數(shù)條件下脛骨與股骨在撞擊過程中所產(chǎn)生的最大應(yīng)力。Takahashi[7]等人的研究從尸體測試得出脛骨的平均屈服應(yīng)力（129 MPa）和股骨的平均屈服應(yīng)力（114 MPa）作為參考行人下肢長骨受傷的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。作用速度與作用部位和接觸力之間的關(guān)系如圖9 所示。表1 得出不同損傷參數(shù)下的行人下肢損傷分布。

圖9 作用速度與作用部位和接觸力關(guān)系圖Fig.9 Relation diagram of acting velocity with acting position and contact force

表1 不同損傷參數(shù)下的損傷分布統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of damage distribution under different damage parameters

（續(xù)表）

4 結(jié)論

基于THUMS 人體有限元模型和LS-Dyna 仿真軟件構(gòu)建了轎車-行人碰撞仿真平臺(tái)，通過設(shè)定不同的行人損傷參數(shù)條件包括轎車撞擊速度以及與行人下肢撞擊位置，對(duì)碰撞后行人的運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)及其損傷程度進(jìn)行了分析，結(jié)果如下：

（1）在同一損傷參數(shù)條件下，隨著轎車作用速度的增加，與行人發(fā)生碰撞產(chǎn)生的作用力也增大。車速在40 km/h 以下時(shí)，行人下肢長骨造成輕微傷概率較大，車速達(dá)到40 km/h 及以上時(shí)，在不同撞擊位置下行人下肢長骨均會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p傷。

（2）當(dāng)作用速度相同時(shí)，正外側(cè)撞擊作用力大于前外側(cè)撞擊和后外側(cè)撞擊的作用力，后外側(cè)撞擊作用力小于正外側(cè)撞擊作用力，同時(shí)根據(jù)損傷分布說明后外側(cè)遭撞擊不易出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷，前外側(cè)與正外側(cè)更易造成下肢損傷。

（3）結(jié)合行人成傷參數(shù)化條件和有限元仿真方法進(jìn)行的事故重建和損傷重建是研究真實(shí)事故中行人損傷參數(shù)的有效工具，對(duì)今后開展行人安全性研究和大量事故仿真再現(xiàn)起指導(dǎo)作用。