基于有限元模型的汽車-行人碰撞事故重構研究

賀麗娟，李海巖，李 浩，萬春友，崔世海，呂文樂，阮世捷

（1.現代汽車安全技術國際聯合研究中心，天津300222；2.天津科技大學機械工程學院，天津300222；3.天津市天津醫院，天津300222）

隨著全球的機動車數量不斷增多，不止是各種家庭用車數量急劇增加，其他用途的車輛也越來越多。如今快遞、物流行業發展迅猛，各種類型的貨車使用量在增加，我國每年涉及貨車的交通事故多達1 萬起，造成重大經濟損失，這已經成為一個不容忽視的問題。倒車過程中的駕駛員視線盲區要比正向行駛過程中大得多，近幾年的新聞報道中，倒車時發生的事故屢見不鮮。貨車同普通家庭用車相比，車身更大，盲區更大，整備質量更大，制動更慢。因此，貨車在倒車過程中更容易發生事故，對該類型事故進行分析有重要意義。計算人體模型，特別是詳細的有限元模型，適用于人體運動響應和損傷機理的研究。

關于事故重構，國內外有許多相關研究。鄭志博等基于人為因素分析與分類系統（the Human Factors Analysis and Classification System，HFACS）模型研究了我國貨車運輸行業交通事故的致因因素以及各因素之間的關系。蔣陽等基于真實的人-車碰撞案例，采用多剛體模型實現了事故重構以及準確性驗證。STEFFAN 等將PC-Crash 軟件中的汽車和環境模型與MADYMO 軟件中提供的人體模型相結合，實現了交通事故中的行人運動學仿真。PC-Crash 軟件可以基于碰撞發生的軌跡和碰撞模型完成對車輛動力學的離散動力學-時間正演模擬，用于預測車輛碰撞前和碰撞后軌跡的三維運動學。PC-Crash雖然能很好地獲得車輛碰撞的運動學信息，但無法獲得事故中車身的變形信息。張曉云等基于多剛體-有限元耦合的人體下肢模型實現了交通事故重構并分析了行人下肢損傷情況。李海巖等基于TUST IBM 6YO 行人模型探究了汽車碰撞角度對頭部損傷的影響。LI Haiyan 等根據碰撞損傷研究與工程網絡（Crash Injury Research and Engineering Network，CIREN）數據庫提供的事故數據，采用有限元方法模擬了真實的車-樹碰撞事故，分析了影響仿真結果的參數，如初始碰撞速度、碰撞方向和車輛的初始碰撞位置。通過將模擬的車身變形和運動學信息與事故報告進行匹配來確定參數。這些結果表明，有限元模擬不僅可以幫助事故的重建和調查，還可以幫助分析事故中對人體造成的傷害。

1 真實事故描述

由某醫院骨科提供了一起事故案例，傷者在指揮質量為2 000 kg 的某型貨車（圖1）倒車時處于駕駛員的盲區位置，因貨車速度較快，傷者沒有做出反應進行躲避，被貨車的后保險杠撞傷。撞擊位置為右腿小腿，傷者脛骨、腓骨均出現兩段骨折，駕駛員對貨車進行了及時制動，沒有對傷者造成二次傷害，傷者右腿小腿部位掃描的CT 圖如圖2 所示。由于事故現場沒有監控攝像，事故車輛無行車記錄儀等記錄設備，無法給出準確的碰撞速度、碰撞角度等在有限元仿真中必要的加載條件，只能根據當事人和目擊者的回憶描述，車速約為30 km/h左右。

圖1 事故貨車車型

圖2 傷者CT掃描圖

由撞擊位置和骨折部位可知，骨折是由直接暴力造成的。由傷者的CT 掃描圖可知，造成脛骨骨折的是主要暴力，且力度較大，因此，在這種情況下腓骨是跟脛骨在同樣的暴力下骨折的。傷者有兩處主要骨折線，靠近膝關節的為近端。近端造成骨折的暴力方向為從內側偏前部位向外側。遠端骨折暴力作用點為骨折線，方向為由后向前，同時在暴力作用時由于小腿后側肌群強力收縮，造成骨折向前成角。骨折的移位也是暴力以及肌肉收縮力同時作用后形成的復合移位。因此，在通過傷者的受傷情況來分析碰撞角度和碰撞速度時，要以分析脛骨骨折線為主，同時要考慮碰撞后肌肉拉力對骨折相對位置的影響。

2 事故重構

根據傷者回憶，貨車與下肢相碰撞的只有后保險杠部分，通過對其損傷情況的分析也證實了貨車的其他部分影響較小，因此，將貨車模型簡化，只保留后保險杠部分，將貨車其它部分的質量加載在簡化車架處。簡化后的保險杠部分由一根橫梁、兩根支撐梁及其中間連接的一部分車架組成（圖3）。貨車后保險杠部分都是薄壁件，所以在繪制三維幾何模型時，每一部分都繪制成由多個沒有厚度的面連接而成的薄壁件，繪制過程中將車架保留部分、支撐梁部分和橫梁部分繪制在3 個圖層中，便于在幾何面上畫網格和賦予材料。繪制完成后，檢查連接處是否有縫隙，保證幾何模型連接為一體。HyperMesh 雖然能導入包括CATIA、UG、PROE 等三維軟件的格式，但HyperMesh 的有限元模型文件與基于NURBS 的文件格式IGES 兼容度最高。因此，在完成幾何模型后導出為iges 或igs 格式文件，用Import Geometry 將保險杠幾何模型導入HyperMesh中劃分網格，另存為.hm格式的文件。

圖3 貨車后保險杠簡化有限元模擬圖

2.1 仿真條件設置

傷者小腿長為371 mm，第50 百分位人體小腿長為369 mm，對比發現傷者下肢尺寸基本滿足第50 百分位的人體尺寸，所以本文選用第50 百分位行人下肢有限元模型進行仿真計算。該下肢有限元模型是自建，是基于CT 數據所構建的具有真實解剖學結構的下肢有限元模型。

行人站姿有限元模型中的骨骼松質骨、肌肉及脂肪等結構采用六面體實體單元模擬，骨骼密質骨、韌帶、皮膚等結構采用殼單元模擬，其節點和單元數量分別為248 624 個和250 283 個。貨車后保險杠簡化有限元模型采用殼單元模擬，其節點和單元數量分別為10 088 個和9 995 個。行人站姿有限元模型與貨車后保險杠簡化有限元模擬圖相比更為復雜，因此，選擇將保險杠模型導入到行人模型中。兩個文件整合到一起后，檢查兩個模型是否因導入出現模型中網格變形，兩個component 因編號重復會出現變化，調整兩者的相對位置和相對角度，給后保險杠賦予如表1 中的材料參數，并將貨車其他部分的質量加載在支撐橫梁處，在豎直方向（軸）施加完全約束，使其不會因加載的集中質量和重力場的作用而向下移動。

表1 貨車后保險杠基本材料參數

圖4 是具有詳細解剖學結構的第50百分位男性行人下肢有限元模型和保險杠簡化有限元模型在導入Pamcrash 環境后建立的有限元仿真模型，在Pamcrash中設置行人模型與后保險杠模型之間的相互接觸、腳底與地面之間的接觸，在整個仿真過程中施加重力場。

圖4 有限元仿真模型

2.2 仿真結果與討論

在本次事故重構中，缺乏碰撞角度和碰撞初速度兩個重要條件的準確值。根據當事人提供的信息并結合傷者的CT 掃描圖可以大致有一個范圍，使用這個范圍的閾值進行仿真計算。在每次仿真后對結果進行分析，在下一次模擬中調節閾值，經過多次的仿真試驗，找到這兩個因素符合該事故結果的范圍。模擬撞擊后得到的結果（圖5）與傷者的CT掃描圖近似的情況為：后保險杠與人體冠狀軸方向（整體坐標軸軸方向）夾角為62～71°，速度為28～35 km/h 。這個結果表示在該人體有限元模型中，設定的材料參數在此速度和相對角度范圍內的碰撞結果與事故的傷者損傷情況相符，并不能表現出人類的個體差異性。通過有限元仿真進行碰撞事故的模擬，可以得出在設定的撞擊條件下出現的損傷情況，或者反推出碰撞時汽車處于何種工況。

圖5 碰撞模擬結果

3 基于人體有限元模型的事故重構方法

通過本次事故模擬和查閱有關模擬碰撞的文獻，對有限元仿真模擬碰撞事故的方法進行了總結，仿真模擬的流程如圖6所示。

圖6 汽車-行人碰撞事故模擬仿真流程

相關信息收集是模擬的第一步也是最重要的一步，重要信息的缺失會導致有限元模擬開展困難甚至無法模擬，信息的錯誤會使仿真難以與真實情況對標，模擬計算進入“死循環”。需要收集的信息主要是車輛類型信息（品牌、型號、碰撞時的整備質量）、行人的外形信息（性別、身高、體重、體型）、汽車外形變形情況、碰撞角度、碰撞速度、地面摩擦因數、車輛與行人各自的碰撞位置、行人的碰撞時的姿勢、摩擦因數（汽車輪胎與地面之間的和行人鞋底與地面之間的系數）等在建立有限元模型過程中必需的信息，主要方式是通過行車記錄儀、街道攝像頭等設備的視頻資料，當事人和目擊者的描述，有關部門經過現場勘查得到的事故報告、事故后留下的痕跡、傷者的損傷情況等。足夠精確的初始條件是指能在有限元軟件中需要輸入的初始條件能夠完整地模擬一起事故。仿真計算完成并得出結果后，在判斷仿真結果與事故結果和傷者損傷情況對比是否一致時，主要比較韌帶和骨骼的損傷，韌帶撕裂和骨折是在汽車-行人碰撞中行人下肢最常見的兩種損傷形式，此外，軟骨挫傷也可以通過查看軟骨處的應力大小來判斷。當仿真結果與事故結果和傷者損傷情況不一致時，需要分析兩者出現差異的主要問題是哪一個加載條件差異導致的。例如，當下肢骨折程度差異較大（沒有發生骨折、輕微骨折、粉碎性骨折或者骨折更嚴重、骨折段數不等）時，則是速度的大小與真實情況存在較大差異的可能性較大，差距十分大時還要注意檢查人體有限元模型的材料參數是否有錯誤。當骨折發生位置與真實情況不一致（包括骨折位置距離腳底的高度、骨折的方向）時，則要考慮撞擊角度和撞擊高度以及行人在發生碰撞時的姿態問題。需要注意的是：在分析各種加載條件的影響時，要排除對本次模擬沒有影響的條件。例如在這個案例中，貨車后保險杠橫軸方向的材料和形狀是一樣的，因此，行人碰撞在后保險杠橫軸方向的位置在本案例中是沒有影響的。

當信息不足時，要反復將模擬計算與真實情況進行比對，得到的結果不需要提取詳細數據，只是查看模擬計算結果是否與真實損傷一致。因此，可以將輸出的時間步長調整得較大一些，這樣可以提高計算效率，更快得到與真實事件相符的試驗條件。總之，根據具體情況調整兩項數值，既可以增大兩者的數值使輸出的數據變少，計算的時間跨度變大，計算效率加快，還可以輸出理想的數據信息。

需要注意的是，通過這種方法得到的結果往往是一個加載條件的范圍，不會得到確切的值。而且可能存在與真實情況不符的情況，這往往是因為信息錯誤、加載的設置、接觸的設置等導致的，需要相關人員認真分析并查找原因。

4 結論

本文主要針對一起廂式貨車倒車時與行人碰撞的案例，利用HyperMesh 和Pamcrash 建立的第50百分位行人下肢有限元模型模擬還原這起事故。通過本次事故的仿真和有關參考文獻的查閱，總結了有限元仿真模擬汽車-行人碰撞事故的方法。通過將模擬得到的行人損傷情況和醫院給出的傷者診斷結果進行匹配來確定初始參數。分析了影響仿真結果的參數，如初始碰撞速度、碰撞方向和車輛的初始碰撞位置。通過傷者的受傷情況來分析碰撞角度和碰撞速度時以分析脛骨骨折線為主，同時考慮碰撞后肌肉拉力對骨折相對位置的影響。基于人體有限元模型，模擬行人在交通事故中的受傷機制，對汽車被動安全設計和行人保護提供了基礎數據。