基于THUMS模型的人車碰撞行人下肢損傷重建分析

王谷棟，沈景鳳，仲梁維

（200093 上海市 上海理工大學）

0 引言

根據世界衛生組織（WHO）統計，道路交通死亡人數每年約135 萬，其中易受傷害的道路使用者占全球死亡人數的一半以上[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生碰撞造成傷害或行人在未接觸車輛條件下主觀行為導致自身傷害，因此事故中行人下肢損傷的成因機制較為復雜。面對大量的行人交通事故，數值假人和計算機仿真方法在世界主要發達國家和地區被廣泛應用于對其進行輔助研究。例如，Yang[3]等建立了多剛體行人模型，較早運用數值仿真的方法進行人車碰撞事故再現研究。隨著計算機技術的高速發展，數值仿真人車碰撞試驗憑借其低成本、靈活、直觀、可重復性強等優點，在人車碰撞交通事故研究中應用日益廣泛。

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，將條件參數化并設定參數數據范圍。通過LS-Dyna 仿真軟件將不同成傷條件以參數形式加載于THUMS 人體有限元模型上，模擬不同條件下人車碰撞事故重建，從損傷結果中探討不同因素對行人下肢損傷的影響。同時該方法能對實際汽車-行人交通事故碰撞案例進行有效再現和分析，為汽車-行人交通事故的司法鑒定提供科學依據。

1 有限元模型

1.1 行人模型

本研究采用由豐田中央技術研究院研發的THUMS（Total Human Model for Safety）有限元人體模型。THUMS 人體模型經過多次碰撞試驗的驗證以及與真實人體的比較，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]。本研究應用的假人模型是第4 代假人模型，根據分析多個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行人下肢的傷害，其中轎車質量1.65 t，保險杠中心離地高度為500 mm。為節約運算時間及成本，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與行人接觸的車輛前部幾何外形，本研究選取了前保險杠來構成簡化模型。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量方式加載于對應質心處。

2 仿真參數設計

2.1 汽車-行人交通事故成傷參數

汽車-行人交通事故成傷參數主要由車輛參數和行人參數兩部分組成，其中車輛參數包含撞擊速度、撞擊方向等，行人參數包含行人體型、運動狀態等。在事故仿真時，通過對人體有限元模型的縮放及調整，可以滿足不同行人參數條件。本研究主要探究交通事故成傷參數中不同車輛參數影響。車輛的超速行駛是導致交通事故的重要原因之一，速度的快慢直接影響碰撞時的嚴重程度。統計表明，近95%的行人意外交通事故發生在撞擊速度低于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比較重要的參數。由GIDAS事故數據庫統計顯示，在車輛撞擊行人的案件中有80%～90%的撞擊方向是行人側面（左側或右側）方向。如圖1 行人碰撞時刻圖所示，碰撞多數發生在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方向[6]。

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

2.2 行人下肢損傷重建方法

運用上述行人模型以及車輛模型在LS-Dyna仿真軟件中構建不同汽車-行人交通事故成傷參數下行人被車輛撞擊時的接觸形態，如圖2 所示。對行人下肢膝關節處進行后外側、正外側以及前外側三個方向的撞擊仿真實驗，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自由組合進行仿真實驗。設置仿真程序的初始條件如已經確定的轎車與行人碰撞時的速度、下肢與車體前部的摩擦因數0.5，下肢與地面的摩擦因數0.65。

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

3 行人下肢動力學及損傷分析

3.1 膝關節后外側撞擊仿真結果

在人體下肢脛骨近心端后外側位置受到轎車撞擊時，保險杠所攜帶的動能通過皮膚肌肉組織傳遞給膝關節，外側半月板應力大于內側半月板應力同時膝關節向外彎曲。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生應力集中，t=10 ms 時股骨受脛骨牽扯及保險杠撞擊影響在其遠心端產生應力集中。隨著膝蓋彎曲，股骨應力集中現象開始減弱，脛骨應力集中加劇且由近心端轉移至脛骨中段。后外側撞擊下，行人下肢長骨與保險杠碰撞過程動態應力云圖如圖3 所示。保險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，其隨時間變化曲線如圖4 所示。

圖3 后外側撞擊行人下肢動態響應Fig.3 Dynamic response of pedestrian’s lower limb at posterolateral impact

圖4 后外側撞擊接觸力-時間變化曲線Fig.4 Posterolateral impact force-time curve

3.2 膝關節正外側撞擊仿真結果

行人下肢膝關節正外側受到轎車撞擊時，由于正外側膝關節可彎曲角度較小，因此撞擊所產生的接觸力會更大。在撞擊過程中，膝關節逐漸向內彎曲，外側半月板明顯受壓且內側半月板發生位移。股骨與脛骨受到保險杠作用時二者同時產生應力集中現象，分別發生于股骨遠心端及脛骨近心端。下肢長骨應力值最大處隨撞擊時間發生變化，脛骨最大處向遠心端移動，股骨最大處向近心端移動且在骨中段位置停止。正外側撞擊下，行人下肢長骨與保險杠碰撞過程動態應力云圖如圖5 所示。保險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，其隨時間變化曲線如圖6 所示。

圖5 正外側撞擊行人下肢動態響應Fig.5 Dynamic response of pedestrian’s lower limb by right lateral impact

3.3 膝關節正外側撞擊仿真結果

當行人下肢膝關節前外側受車輛撞擊，膝關節前外側因可彎曲角度較小，轎車與膝關節直接接觸在撞擊處及受力對側產生壓縮和拉伸形變。撞擊過程中，股骨先受到保險杠作用并在遠心端處有應力集中，隨著膝關節受力對側的拉伸形變，脛骨中端位置產生明顯應力集中現象，拉伸形變超過限值即出現節段性骨折現象。前外側撞擊下，行人下肢長骨與保險杠碰撞過程動態應力云圖如圖7 所示。保險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，其隨時間變化曲線如圖8 所示。

圖7 前外側撞擊行人下肢動態響應Fig.7 Dynamic response of pedestrian’s lower limb by anterolateral impingement

圖8 前外側撞擊接觸力-時間變化曲線Fig.8 Anterolateral impact force-time curve

3.4 仿真實驗結果分析

綜合轎車-行人不同撞擊位置及撞擊速度參數下分析出來的結果，分別對損傷程度和接觸力進行分析。將長骨的von Mises 等效應力定義為判斷損傷的指標，提取在不同參數條件下脛骨與股骨在撞擊過程中所產生的最大應力。Takahashi[7]等人的研究從尸體測試得出脛骨的平均屈服應力（129 MPa）和股骨的平均屈服應力（114 MPa）作為參考行人下肢長骨受傷的風險評估標準。作用速度與作用部位和接觸力之間的關系如圖9 所示。表1 得出不同損傷參數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系圖Fig.9 Relation diagram of acting velocity with acting position and contact force

表1 不同損傷參數下的損傷分布統計Tab.1 Statistics of damage distribution under different damage parameters

（續表）

4 結論

基于THUMS 人體有限元模型和LS-Dyna 仿真軟件構建了轎車-行人碰撞仿真平臺，通過設定不同的行人損傷參數條件包括轎車撞擊速度以及與行人下肢撞擊位置，對碰撞后行人的運動學響應及其損傷程度進行了分析，結果如下：

（1）在同一損傷參數條件下，隨著轎車作用速度的增加，與行人發生碰撞產生的作用力也增大。車速在40 km/h 以下時，行人下肢長骨造成輕微傷概率較大，車速達到40 km/h 及以上時，在不同撞擊位置下行人下肢長骨均會造成嚴重損傷。

（2）當作用速度相同時，正外側撞擊作用力大于前外側撞擊和后外側撞擊的作用力，后外側撞擊作用力小于正外側撞擊作用力，同時根據損傷分布說明后外側遭撞擊不易出現嚴重損傷，前外側與正外側更易造成下肢損傷。

（3）結合行人成傷參數化條件和有限元仿真方法進行的事故重建和損傷重建是研究真實事故中行人損傷參數的有效工具，對今后開展行人安全性研究和大量事故仿真再現起指導作用。