基于年齡的腿骨折范圍的人車碰撞事故仿真分析*

王 強，崔志華

（河南機電高等專科學校汽車工程系，河南 新鄉 453000）

1 引言

行人碰撞多體仿真一直在廣泛應用并不斷改進以增強行人保護［1］。此外，一種非均質方法也一直被用來研究車輛剎車時的動態行為，研究車輛前端的非均質剛性及事故涉及的行人的變化性。本文提出一種結構化的方法用于構筑行人事故模型。這種模型精確考慮此類仿真中車輛的特點以及與行人對某些傷害忍受能力有關的種種特點。

2 構筑仿真模型的方法

2.1 車輛模型的幾何結構和剛性

車輛幾何結構及剛性決定了事故中行人的運動學。將車輛幾何學應用于多面體表面可以精確定義車輛的前端的幾何結構。為獲得前端的幾何結構，對與事故車輛相同的車輛進行了3D掃描，獲得了車輛前表面的仿樣函數。將其錄入CAD轉換成表面并網狀化移入MADYMO，如圖1所示。

圖1 獲得車輛網狀的掃描過程

該網狀不同部分的剛性被用作力偏轉形式中的接觸特征。為解釋這些特征，從EuroNCAP行人分系統對Martinez(2007a)的保險杠、引擎蓋和擋風玻璃基部測試中獲得的剛性走廊被用來繪制各車輛前端不同部分的剛性。這些走廊確定了在EuroNCAP行人議定書中應用的三個等級的平均力偏轉曲線。因此，對保險杠、引擎蓋前部、中間和后部以及擋風玻璃基部推薦了一個平均紅、黃、綠力偏轉特征。為沿車輛前端應用這些接觸特征，由EuroNCAP對其所測車輛繪制的等級圖被用作找出與其響應的EuroNCAP測試區的各接觸特征的向導。采用此種方法，每輛車可以繪制出60個各具正確局部剛性估計的不同的區域。

考慮到EuroNCAP行人測試未包括區域，基本上也就是擋風玻璃中部及A柱，這兩個區域采用Mizuno(2000)獲得的數值。

2.2 車輛模型的多體框架

車輛的底盤由一個簡單的多體框架代表，如圖2所示。該框架有一個底盤體通過一個自由接頭與慣性空間連接，其四個體代表輪胎，通過一個平移旋轉接頭與底盤體連接，可以使前后懸掛獨立工作，以便剎車或碰撞行人時車輛可以俯仰［2］。

按照McInnis(1997)的說法，車輛的懸掛體及其慣性特性被分配給底盤體，而非懸掛體及其慣性特性被分配給四個輪胎體。車輛的幾何結構由多面體網狀代表，由底盤體支撐，而輪胎則由橢圓體代表，其直徑和寬度與車輛的實際輪胎相同。前、后懸掛的剛性用一個簡化的2度自由模型進行計算，同時考慮質量在前、后軸的分布。至于輪胎剛性，考慮到輪胎標稱半徑的90%為負載半徑，應用胡克定律將前、后懸掛剛性作為特性負載函數用于模型各平移旋轉接頭的平移部分，而輪胎剛性則作為接觸特性與地面接觸，如圖3所示。

懸掛模型的初始偏差以及剎車時車輛的俯仰通過兩個步驟的有關重力和剎車對車輛作用的仿真研究進行確定。將剎車仿真獲得的懸掛體負載和底盤自由接頭的傾向性作為輸入并考慮真實事故場景的地面為車輛定位。

2.3 行人模型中依據年齡的骨折范圍

大量數據證明年齡對人組織性能及對碰撞的承受具有重大影響，尤其是對長骨骨折范圍影響重大。因此，需要將年齡因素應用于不同大小的行人模型以進一步預測腿部傷害。

采用MADYMO成人行人基準人體模型(5%女性，50%和95%男性)來代表行人。這些模型顯示了與PMHS估計各種頭部碰撞速度和在車輛上的各種位置的試驗的高度相關性。應用于腿部的骨折范圍(通過測量腿部鎖定關節的剪切力和彎曲力矩)已成功預測了經過分析的PMHS試驗(Van Hoof 2003)中發現的骨折。為表示事故中涉及的行人的塊頭特征，采用了最接近實際行人塊頭的基準模型。為表示實際行人年齡，采用了以下述程序獲得的與真實年齡響應的年齡對原腿部骨折范圍進行了更新。

考慮到大梁理論的基礎，彎曲折斷應力呈線性取決于施加的負載及斷面模數(Z)，斷面模數(Z)是一個純幾何參數。因此，鑒于發現最大彎曲應力取決于年齡(Yamada，1970)，那么，這種對年齡的依賴以及獲取的95%的置信區間，在模型無幾何變化的條件下，可以傳輸到最大彎曲力矩和最大剪切力。因此，在同樣的基準MADYMO模型內，如圖4所示，本例采用5%女性模型。

圖4 基于年齡的腿部最大彎曲應力和骨折范圍

2.3.1 行人事故重建結果

選擇兩起其他情況的事故:由EuroNCAP進行車輛行人測試，行人腿部骨折，年齡不在MADYMO行人模型范圍內。這兩起事故按照前述方法建模來重建實際事故。表1對細節作了總結。

以下方法包含兩個步驟。首先，用安裝有基于年齡范圍的假腿的行人進行仿真。將事故現場記錄到的各接觸點與模型動力學匹配獲得事故的合理重建。在事故重建中記錄腿部或非腿部骨折。一旦動力學匹配，則將損傷輸出與實際事故現場觀察對比。在該步驟中，假腿是鎖定的(不可能折斷)。而后，將各接頭處的讀數與原始數據和基于年齡的模型損傷臨界值進行比較。

2.3.2 接觸點和動力學

行人在最合理的仿真中的動力學與實際事故記錄到的碰撞點作了比較，見圖5。

在圖5a中，車輛右頭燈上方的凹痕和引擎蓋上的劃痕與行人上腿部的碰撞及行人順引擎蓋的滑動匹配。在圖5c中，行人腿在保險杠拐角的碰撞(保險杠無永久性變形記錄)，行人頭部枕骨與車輛擋風玻璃處的碰撞非常吻合［3］。

?

2.3.3 傷害結果

表2顯示了實際腿部損傷與模型預測的腿部損傷的比較。兩個例子中，采用基于年齡的損傷臨界值均預測到了腿部骨折，而原臨界值則未能預測。盡管模型預測了與兩種損傷機制(彎曲和剪切)有關的骨折，但在搜集的數據中無足夠的信息可以確認所預測的不同的損傷機制確實出現在實際事故中。然而，模型結果(這些結果未能預測到與忍受范圍有關的損傷機制)中存在的巨大差別卻意味著為各例選擇的損傷機制在產生實際損傷方面是最現實的。

表2 用鎖定的假腿仿真的結果與忍受級別的比較

3 結語

由于車輛模型采用了詳細的幾何結構，精確的剛性分布和正確的動力性能，所以能夠重現行人的動力學，因此來自這些動力學的方向性和速度輸出對于人體FE模型頭部損傷的分析來說是非常珍貴的初始數據。

兩個例子均顯示了場景中和行人塊頭的許多相似，只是涉及的女性行人的年齡差別很大。因采用了腿部骨折基于年齡的臨界值，這些模型顯示了一種更新的預測現實世界腿部損傷的首要原因的能力。

［1］王國林.人車碰撞事故仿真與行人保護研究［J］.汽車工程，2009，31(1).

［2］喬維高.汽車前部結構對行人碰撞傷害影響的仿真研究［J］.武漢理工大學學報，2008，32(2).

［3］范艷輝.汽車行人碰撞接觸中行人運動學規律仿真研究［J］.中國安全科學學報，2009，19(1).