基于MADYMO软件的交通事故中行人运动机理研究

2013-10-26宋景芬张文平

中国司法鉴定 2013年1期

宋景芬，张文平，曾娟，于皓

（1.武汉理工大学，湖北武汉430070；2.武汉黄浦金桥机动车安全技术检测有限公司司法鉴定所，湖北武汉430070）

1 引言

伴随我国汽车保有量的不断上升，交通事故也呈逐年递增的趋势。在道路交通事故中，人车碰撞事故的比例大约占总量的27%[1]。计算机数值仿真是人车碰撞事故机制研究的重要手段之一。运用计算机仿真反推事故发生的过程，可有效地为人车交通事故鉴定提供依据。

2 案例

某肇事车辆由东向西行驶，与一从北向南横穿马路的行人相撞，行人被撞出距车辆前方一定距离后当场死亡。事故现场如图1所示。现场图表明肇事车辆停止点和行人停止点东西向最小距离为3.1m；从肇事车辆照片分析得出汽车和行人接触点大致在汽车前保险杠中部，而且头部与引擎罩根部有明显撞痕，如图2所示。

图1 事故现场图

图2 肇事车辆

法医的尸检报告表明死者颅内有较大血肿，体表及胸、腹腔无明显损伤。符合交通事故致闭合性颅脑损伤死亡的主要特征。

3 仿真模型的建立

汽车模型建立的准确性对碰撞过程分析有非常重要的作用，并可极大程度地影响仿真结果的真实性。根据实际需要不同，模型可以是整个车身也可以是车身的局部结构，既可以建立多刚体模型也可以建立有限元模型。

本文在多刚体理论的基础上，把汽车建立为多刚体模型。在此基础上做如下基本假设：风挡玻璃、保险杠、车顶、引擎盖、轮胎等结构，都化简成刚体结构；忽略四轮定位、悬挂系统、侧偏特性等参数；忽略碰撞过程中各结构之间的摩擦以及穿透等现象的影响。

建立的汽车模型由多个刚体组成，参考有关文献确定重心位置和转动惯量[2]。采用大量的椭球体表示汽车结构，包括：车轮、前保险杠、风挡玻璃、发动机罩、A柱以及地板等。碰撞中行人与车身前部结构的接触特性主要参考文献[3]中的关于接触特性的定义。其中从动面定义为椭球体，主动面定义为圆柱体和平面等曲率比较小的单元。任何一个可能会发生接触的刚体都需要定义刚度特性，根据接触面的穿透量来决定接触力的大小，弹性力、粘滞阻尼及摩擦力的大小由模型中定义的加载特性、卸载特性及迟滞模型等来决定的[4]。张晓云等[5]在基于并行计算的汽车碰撞事故关键参数仿真文献中提出的通过动能/动能发和变形/能量法模拟，获得汽车的恢复系数和刚度系数，并将这些数据应用于一些实际碰撞事故中进行分析，验证了参数的可靠性。

本文采用MADYMO软件自带的多刚体假人模型，50%行人假人模型是MADYMO软件中专门针对行人特点设计的一款假人模型。根据亚洲人的特点对模型采取缩放处理。测量肇事车辆的几何特征参数，建立车辆多刚体模型和人体模型，车辆行人仿真模型如图3所示：

图3 汽车-行人碰撞的多刚体动力学模

4 计算机仿真及讨论

4.1 计算机仿真过程

肇事车辆的初始车速可以通过动能定理得出，参考下式可以推导出初始车速：

其中μp为行人与路面间的摩擦系数，根据国外的试验数据，取值一般为0.5～0.7（干燥的混凝土或者沥青路面）[6]，h为被撞击行人的重心高度，Lp为行人被抛出距离（行人抛距在交通事故现场图已经标示），vp为汽车初速度，g为重力加速度。计算得出车辆与行人发生碰撞的车速约为41km/h。代入车速进行仿真计算，仿真结果与事故现场图大体一致：与肇事车辆上的碰撞痕迹基本一致，肇事车辆与行人最后停止位置距离为3.1m，仿真终止时刻场景如图4所示。

从MADYMO仿真软件生成的动画中清楚再现了整个碰撞事故的发生过程。

图4 仿真终止时刻

在仿真运行到14ms的时候，汽车与行人接触，此时为事故碰撞开始，接触部位是汽车前保险杠和行人大腿。由于汽车速度、质量较大，接触随着也进一步深入。行人离开地面，倒向引擎罩。

46ms时，行人完全离开地面，行人在引擎罩上与汽车有相对运动，其中在154.4ms时行人头部与引擎罩接触，大部分身体处于空中，然后行人头部弹起、肩部接触车辆，之后行人被抛入空中，由于头部加速度偏大，这时行人头部受到严重伤害，如图5所示，可以显示整个过程。

图5 行人离开地面到抛入空中的过程

892ms时，行人落地，头部首先与地面接触。此时行人头部发生巨大冲击，对行人头部造成二次伤害，随后1 058ms到最后的过程行人身体落地，并伴有翻滚，首先是左上肢触地，紧接着后背着地，然后整个身体纵向以垂直于汽车前进方向向前翻滚，在这个过程中身体各个部位均匀受力，起到了充分缓冲的作用，这就解释了行人其他身体各部位没有受到过大伤害的原因，整个过程如图6所示。

图6 行人落地翻滚过程

从运动学角度分析，行人的受伤情况、行人落地点和车辆停止点之间的距离、行人与车辆的碰撞地点关系等，都与实际情况很接近，最后通过多次拟合，将肇事车辆车速确定为41.6km/h。

4.2 行人运动机理

在汽车-行人碰撞事故研究中，行人头部是最常见的受伤部位，这也是伤亡的首要原因，头部经常与引擎盖、风挡玻璃以及地面发生碰撞，常见的行人头部损伤有：头骨骨折、颅脑损伤等情形。所以，在事故再现分析和行人安全性研究中，行人头部受伤机理的研究极为重要。

MADYMO软件后处理平台可以生成假人各部位加速度曲线。图7为模型中假人头部的加速度曲线。

图7 头部加速度曲线

从该头部曲线可以看出，头部一共出现两次大的碰撞，其中在154.4ms时出现最大的头部合成加速度15349.9m/s2。通过计算，头部伤害HIC值为67 728。参见公式：

式中α为头部合成加速度，取t2为154.9ms，t1为153.7ms。人体承受的极限HIC值为1000[7]。上例中的HIC值已经大大超出了人体所能承受的极限，所以行人在第一次碰撞的时候就已经严重受伤或者死亡。然后在后面还有一次加速度高峰，即在926.4ms时头部与地面发生二次碰撞，此时行人的头部合成加速度为3948.53 m/s2，此次对行人头部造成的伤害同样很严重。

除头部之外，胸部是最应该被保护的人体部位。心脏、大动脉、肺等器官，是胸部中最易受伤的器官，胸部的速率敏感变形会导致这些软组织的损伤，主要采用粘性伤害响应VC进行评价[8]：

式中：D（t）为胸部变形量；在正面碰撞中SZ为胸的初始厚度，在侧面碰撞中SZ为胸宽度的二分之一。

图8所示为胸骨相对脊柱距离曲线，从图中可以看出行人胸部最大绝对位移量为14.3mm，发生在172.9ms处，小于国家标准75mm，另外由上述公式得出VC为0.004m/s。另外行人腿部FPC为4 349N，小于国标规定的10000N。这些重要的参数都在国标规定的范围内，这同样可以解释在这次碰撞中，行人的头部受到严重伤害，而其他部位没有受到太大伤害，头部损伤是导致行人死亡的主要原因。此次计算机模拟与行人真实受伤情况无明显差异，充分表明了本次模拟实验的准确性和有效性。

图8 胸骨相对脊柱距离曲线

4.3 人-车碰撞交通事故的特征

交通碰撞事故中，行人损伤程度受诸多方面因素共同影响。宇仁德等[9]总结了人车碰撞事故中行人损伤比例分布情况：最常见的重度损伤部位是头部，占总数的五分之四；紧接着为胸部、脊柱和腹部，包括髋部在内的行人下肢部位一般很少受到重度损伤。相反在中度损伤的比例中，下肢占有最大比例（37%），头部受到中度伤害的比例低于下肢。人车碰撞交通事故发生时，行人致死的主要原因是头部损伤。

人车碰撞事故中，行人与车身前部发生碰撞的可能性最大，其所占的比例为 67%，其次是车体结构的两侧以及尾部，比例分别为23%和7%。人车碰撞事故经常发生在行人横穿道路的过程中，汽车从侧向撞击行人，另外行人面对汽车或者背对汽车时发生碰撞的情况也占有一定的比例分别为17%和10%[10]。

从2009～2011年武汉某城区交通事故调查400例案例分析中可知，行人在事故中的运动状态可归纳为如下几类：翻过车体、滞留车体、抛向空中、撞击地面和推向车体一侧等。如图1所示，发生碰撞后滞留车体和翻过车体所占的比例总和为45%，在滞留和翻过车体的碰撞过程中行人的头部都会与车体发生接触，在另外几种碰撞过程中，行人头部与车身结构发生碰撞的可能性较小，但极易与其他路面设施（如路面）发生二次碰撞。

总体而言，人-车碰撞事故过程中，行人的运动状态极为复杂、极具不确定性，复杂的形态和不确定性因数加大了研究人车碰撞机理的难度。