人-車碰撞事故再現(xiàn)及頭部損傷生物力學(xué)分析

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]?；谟?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?；赑C-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)槲餍小Ｄ侈I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)線長約1 800 mm。車輛損毀情況見圖2。

圖2 車輛破損部位測量

2) 車速計(jì)算

利用監(jiān)控視頻計(jì)算車速，首先要對視頻做矯正處理。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長為6 m，AD長為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)號表示與正方向相反。3個(gè)方向的速度曲線見圖10?？梢缘贸?，頭部第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。可以得出：20°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，接觸力增長趨勢相對較緩慢，且持續(xù)時(shí)間較長；30°和40°兩種曲線的響應(yīng)趨勢基本一致，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，由不同安裝角度對應(yīng)頭部損傷評價(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，且增長趨勢明顯；40°時(shí)HIC值已高達(dá)2 380，安裝角度的大小對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頭部碰撞損傷影響顯著。

表5 頭部損傷評價(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。