人-車碰撞事故再現及頭部損傷生物力學分析

SAED H.A.Abusafia，蘭鳳崇，王俊峰，曾子聰，陳吉清

(華南理工大學 機械與汽車工程學院， 廣州 510641)

交通事故的再現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，獲取真實事故中的人體損傷機理以及碰撞損傷規律，而且可為事故責任的認定提供依據，為汽車安全技術改進提供參考[1]。基于計算機仿真技術的事故再現方法由于成本低、計算周期短、能提高事故鑒定效率受到交通安全領域研究者的廣泛關注[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進行碰撞分析運用廣泛，可得到有效的人-車碰撞和車-車碰撞仿真結果，具有一定的適用性[8-9]。本文利用PC-CRASH，結合事故實例建立人體多剛體模型，再現人-車事故碰撞全過程。仿真結果與監控錄像中行人的姿態吻合，接近事故現場模型，同時獲得了人體碰撞響應及運動規律。

為了充分考慮頭部復雜結構的力學特性，精確模擬顱腦內的應力分布，對事故中人體頭部進行CT掃描，建立精細化頭部生物力學模型[10-11]。以PC-CRASH事故再現得到的響應數據為邊界條件，對頭部進行損傷分析。

在頭部損傷的影響因素中，許多學者進行了相關研究。文獻[6]研究了夾層擋風玻璃在行人頭部撞擊時的機械性能。文獻[7]使用真實世界事故數據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[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險的影響。文獻[13]比較不同模型在行人事故中頭部運動學的差異。文獻[14] 研究了擋風玻璃上的撞擊位置以及頭部撞擊區域對腦損傷的影響。本文在分析上述研究成果的基礎上，進一步深入研究頭部損傷影響因素，從擋風玻璃安裝角度和車速兩方面進行分析，為減少頭部碰撞損傷和改進車輛安全技術提供參考。

1 基于PC-CRASH實例再現及分析

本文基于事故實例，通過PC-CRASH仿真再現碰撞過程，得到力和加速度等隨時間變化的運動學響應以及碰撞中的損傷部位等相關信息。

1.1 事故信息實例采集

1) 事故概況

事故現場繪制圖如圖1所示。行人位于人行橫道的北側，行進方向為西行。某轎車在機動車道上由北往南駕駛，方向與行人運動方向近似垂直。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的東南方向。行人頭部有多處鈍挫傷，顱腦嚴重受損，最后因顱腦功能性障礙導致死亡。

通過觀察監控錄像，行人左下肢為第一碰撞點，高度為380 mm。前擋風玻璃與行人頭部發生碰撞后破碎，碰撞點成蛛網狀，包絡線長約1 800 mm。車輛損毀情況見圖2。

圖2 車輛破損部位測量

2) 車速計算

利用監控視頻計算車速，首先要對視頻做矯正處理。以3條斑馬線下端點組成矩形為參照物進行矯正，如圖3所示，A、B、C、D為矯正矩形的端點，AB長為6 m，AD長為2.1 m。矯正計算得到圖4(a)兩條虛線間的距離為5.15 m，經過12幀后，汽車碰撞到行人，見圖4(b)。該錄像幀數為25 FPS，經計算得時間為0.48 s，車速為38.63 km/h。

圖3 特征點圖像矯正

圖4 利用監控錄像計算車速

1.2 運動分析

圖5為監控錄像與仿真的人-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，仿真時可作為參考適當調節。當速度為38.5 km/h時，碰撞響應關系與實例一致，同樣動態響應過程與行人碰撞擋風玻璃位置(圖6)也與事故形態吻合。為進一步研究頭部損傷情況，建立生物力學模型進行分析。

圖5 人-車碰撞位置對比

圖6 行人碰撞擋風玻璃位置仿真結果

2 頭部碰撞生物力學模型建立

2.1 頭部生物力學模型

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，應關注顱骨骨折以及腦組織的同側和對側影響。

通過人體頭部的CT掃描建立生物力學模型，如圖7所示，骨組織和軟組織模型采用實體單元。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

面骨、顱骨和頭皮采用六面體單元進行網格劃分。該模型的優越性在于其解剖學結構上的精細化。如圖8所示，采用彈性流體材料模擬腦脊液液體流動。從解剖學結構、材料屬性和單元質量等方面進行優化建模，采用Nahum顱內壓力實驗和Yoganandan顱骨碰撞實驗的實驗數據對該模型進行有效性驗證，結果表明：該模型可進行腦損傷的研究[10-11]，不僅可以模擬顱腦內應力分布，而且仿真結果具有較高的保真度。

圖8 腦組織生物力學模型

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) 汽車擋風玻璃與水平面的夾角為安裝角度，事故實例的安裝角度為30°。

2) 車輛的碰撞速度參考多剛體模型仿真結果，以汽車驅動方向為X軸正方向，駕駛員左側為Y軸正方向，Z軸垂直于地面向上，負號表示與正方向相反。3個方向的速度曲線見圖10。可以得出，頭部第1次與擋風玻璃接觸的時間約為0.115 s。

圖10 人體頭部速度響應曲線

3) 頭部尺寸

對事故中人體頭部做CT掃描并進行等密度等應力縮放處理，行人頭部質量為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的集中質量點，簡化為人體模型，并以剛性單元與頭部相連。

表2 實例中頭部尺寸參數

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

表3 擋風玻璃材料等參數

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心加速度隨時間變化的響應曲線。頭部的接觸力與加速度響應趨勢基本吻合，均在10 ms內出現兩次峰值，在10～20 ms內接觸力在7～11 kN范圍波動。

圖12 碰撞接觸力-時間響應曲線

圖13 頭部質心加速度-時間響應曲線

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

圖14 不同時刻顱腦壓力分布云圖

圖15 顱腦負壓應力峰值區域(t=8 ms)

圖16 顱腦易損傷部位

經仿真計算得到頭部的HIC值高達915(文中HIC默認為HIC15)，接近耐受極限值，頭部嚴重損傷的風險較高，這與事故實例中行人顱腦損傷嚴重的情況一致，進一步驗證了模型的準確性。

3.2 頭部損傷影響因素分析

3.2.1不同擋風玻璃角度下頭部損傷分析

人-車碰撞時擋風玻璃的不同安裝角度會改變頭部的碰撞部位和接觸方式。為研究擋風玻璃的角度對頭部的損傷影響，假設車速、行人運動姿態以及行走方向等條件不變，基于實例中汽車擋風玻璃角度30°，向上向下調整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個方面進行：頭部碰撞接觸力，頭部質心加速度，HIC值和顱內正負壓力。

圖17、18分別為車速10 m/s時不同安裝角度條件下頭部的碰撞力和質心加速度隨時間變化的響應曲線。可以得出：20°時響應曲線與30°和40°時相比差異較大，頭部接觸力在7 ms時達到峰值，接觸力增長趨勢相對較緩慢，且持續時間較長；30°和40°兩種曲線的響應趨勢基本一致，接觸力在2 ms和5 ms時各出現1次峰值，且40°時接觸力峰值幾乎為30°的2倍。不同角度的模擬結果表明：質心加速度和顱腦壓應力均在1～4 ms內達到峰值，因此在1～4 ms內分析顱腦壓應力。

圖17 碰撞接觸力-時間響應曲線

圖18 頭部質心加速度-時間響應曲線

以安裝角度20°為例進行分析。圖 19為1～4 ms內顱腦內的壓應力分布云圖。1 ms時，頭部接觸擋風玻璃，之后顱內正壓應力值不斷增大，而負壓應力達到峰值后趨于穩定，且該區域逐漸縮小。到3 ms時，正壓應力在左右兩側海馬溝回附近達到峰值，約為0.760 MPa，隨后該區域附近出現負壓應力峰值，為0.15 MPa。腦組織正、負壓應力峰值隨安裝角度增大而增大。擋風玻璃安裝角度為20°時響應變化規律與30°和40°時不同， 9 ms時，該區域附近出現負壓應力峰值，約為0.276 MPa，如圖20所示。

圖19 不同時刻顱腦壓應力分布云圖

圖20 顱腦負壓應力峰值區域(t=9 ms)

在車速為10 m/s條件下，由不同安裝角度對應頭部損傷評價指標可知(見表4)：頭部HIC值隨擋風玻璃安裝角度增大而增大，且增長趨勢明顯；40°時HIC值已高達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，HIC值減小到380，約為40°時的16%，頭部發生顱腦損傷的風險有所降低。

表4 頭部損傷評價指標

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，行人頭部的運動狀態會發生不同變化。在擋風玻璃安裝角度為20°的條件下研究不同車速對頭部碰撞的生物力學響應。

不同車速下行人頭部碰撞位置仿真如圖21所示。當車速為7 m/s時，頭部不會與擋風玻璃相撞；當速度為8 m/s時，頭部與擋風玻璃相撞；當車速超過15 m/s時，頭部會受到嚴重損傷。因此，選取車速8、10、15 m/s時進行研究。

圖21 不同車速下行人頭部碰撞位置

圖22為安裝角度20°時3種車速下頭部與擋風玻璃接觸力隨時間變化的響應曲線，車速越高，頭部碰撞接觸力峰值越高，而接觸力峰值持續時間相對減少。圖23為3種車速下頭部質心加速度-時間響應曲線。同樣，頭部質心加速度隨車速正相關變化，頭部質心加速度在2 ms時達到峰值，由于持續時間較短，頭部HIC值未超過其損傷耐受極限。

圖22 頭部碰撞接觸力-時間響應曲線

以安裝角度20°及車速為15 m/s時為條件分析顱內壓力分布。考慮到3種不同速度下，頭部接觸力峰值出現時間段為8～9 ms，頭部質心加速度峰值出現時間段為2～3 ms，因此，列出兩個時間段始末顱內壓應力變化情況，如圖24所示。

圖23頭部質心加速度-時間響應曲線

圖24 不同時刻顱腦內壓應力分布云圖

從圖24中可以看出：在2 ms時，左右兩側海馬溝回附近出現應力集中；在3 ms時，該位置正應力達到峰值，為0.651 MPa；在4 ms時，峰值正壓應力附近區域出現負壓應力峰值，約為0.231 MPa，見圖25。

圖25 顱腦負壓應力峰值區域(t=4 ms)

分析不同速度的頭部損傷評價指標可知(表5)，頭部損傷隨車速呈正相關顯著變化。車速為15 m/s時，頭部HIC值接近耐受極限1 000。此條件下若調整安裝角度為40°時，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 頭部損傷評價指標

4 結束語

1) 建立了精細化人體頭部生物力學模型，對比人體多剛體碰撞模型，精細化模型考慮頭部各生物構造的力學特性，能精確模擬顱腦內的應力分布情況，反映頭部碰撞時顱腦的損傷嚴重程度。該模型有助于研究汽車碰撞事故中行人的損傷風險和損傷機理，為汽車安全性技術改進提供參考。

2) 研究了擋風玻璃安裝角度因素對頭部碰撞損傷的影響，結果表明：頭部損傷隨擋風玻璃安裝角度的增大而增大，呈正相關變化。若實例中擋風玻璃安裝角度減小10°，頭部HIC值減少58.4%，頭部損傷風險顯著降低。

3) 分析了車輛速度對頭部碰撞損傷的影響。若擋風玻璃安裝角度為20°，車速達到15 m/s時，頭部損傷均接近耐受極限；而當車速降低到10 m/s時，頭部HIC值減少59.1%，風險降低。頭部HIC值與車輛速度同樣呈顯著性正相關變化。