行人在与汽车碰撞中胸部动力学响应和损伤机理的研究*

韩 勇,杨济匡，水野幸治

(1.厦门理工学院机械与汽车工程学院，厦门 361024； 2.查尔摩斯理工大学应用力学系，哥德堡 41296；3.名古屋大学机械与情报与生体工学研究科，名古屋 464-8601)



2015092

行人在与汽车碰撞中胸部动力学响应和损伤机理的研究*

韩 勇1,杨济匡2，水野幸治3

(1.厦门理工学院机械与汽车工程学院，厦门 361024； 2.查尔摩斯理工大学应用力学系，哥德堡 41296；3.名古屋大学机械与情报与生体工学研究科，名古屋 464-8601)

应用THUMS行人有限元模型，进行行人与速度为20、30、40和50km/h的中型轿车、微型轿车、厢式车和SUV等4类不同前部结构车辆碰撞仿真，分析行人胸部动力学响应和胸部碰撞条件以及胸部变形模式和肋骨压缩量等损伤。结果表明，汽车前部结构对行人动力学响应和胸部碰撞速度有重要影响；汽车前部结构的刚度分布是影响胸部肋骨压缩量和变形模式的主要因素。

行人保护；胸部损伤；动力学响应；损伤机理；有限元分析

前言

我国近十年的交通事故统计数据显示，平均每年有近25 000名行人死于车辆交通事故，占死亡人数近25%[1]。在汽车与行人碰撞交通事故中，胸部损伤是仅次于头部损伤的致命伤害类型[2-4]。根据日本的行人碰撞事故数据统计分析，在“长头车”和厢式车碰撞事故中胸部AIS1级以上的事故占13%和35%[5-6]，如表1所示。

表1 基于车型的行人受伤部位统计(AIS1&AIS2或AIS3+)[6] %

虽然胸部损伤常见于汽车碰撞事故中，但是针对行人胸部损伤机理和防护进行深入研究的文献资料有限。文献[7]中采用行人尸体试验研究了在与中型轿车和SUV碰撞事故中人体胸部的载荷和变形模式。文献[8]中采用侧碰撞假人对胸部损伤评价指标进行了分析。本文中采用有限元法，针对4种不同前部结构的车型在与行人碰撞中人体胸部所受载荷特性及变形模式进行了深入分析，结果可为行人胸部损伤机理和防护措施的研究提供理论依据。

1 方法

1.1 胸部有限元模型

采用的THUMS行人有限元模型(版本1.8)是由Toyota Motor Corporation和Toyota Central R&D Labs合作开发的用于行人碰撞安全研究的人体有限元模型，身高为177cm，体质量为75kg。文献[9]中对胸部模型进行了验证。文献[10]中对模型的头部、胸部和下肢等动力学响应进行验证。文献[11]中改进了下肢模型的生物逼真度，并根据新发表的生物力学试验数据对下肢进行了重新验证，提高了整个模型的生物逼真度。图1所示为改进的人体模型和胸部模型。本研究中根据亚洲男性老人的身高对模型进行了比例缩放，身高为165cm，体质量为65kg[12]。

1.2 汽车建模与仿真

根据国际协调研究活动行人安全工作组的调查报告对行人事故中的车辆进行分类，并建立和验证了4种不同前部结构形状的汽车有限元模型[13]；改进和简化了NCAC模型数据库中的本田ACCORD(2000)和丰田RAV4有限元模型(2001)；建立了铃木轿车的ALTO微型轿车与本田ACTY厢式车有限元模型，图2示出微型车逆向建模过程。车辆前部结构的材料属性通过试样拉伸试验测得，并采用头部冲击器和下肢冲击器试验数据进行验证，详细结果参见文献[13]。根据文献[14]中的研究结果，仿真中车辆与人体的接触摩擦因数取0.65。

仿真分析中将汽车的碰撞速度设为20、30、40和50km/h，分别对行人运动学响应、胸部(第4节胸椎T4)碰撞条件(碰撞时间、速度和角度)和肋骨变形的模式与变形量进行参数分析，如图3所示。

2 仿真结果

2.1 胸部运动学响应和碰撞条件

在中型轿车以40km/h的速度碰撞中，行人上部伴随车辆外廓表面绕转产生加速运动，胸部在90ms时与发动机罩中部接触，胸部绕转半径比头部小，因此胸部合成碰撞速度相对头部小，速度和角度分别为7.8m/s和51°。在与微型轿车碰撞中，行人绕转运动类似于与中型轿车的碰撞，但由于发动机罩较短，胸部在86ms与发动机罩的后部及雨刮器接触，碰撞速度和角度分别为5.2m/s和40.8°。在与厢式车碰撞中，未发现行人有明显绕转，行人胸部在23ms时与风窗玻璃框架发生接触，速度较大(9.6m/s)，但是碰撞角度小(8°)。在与SUV的碰撞中，行人胸部碰撞边界条件与微型车和中型轿车类似，但因SUV车发动机罩前沿较高，胸部绕转半径小，加速时间相对中型轿车短，故胸部碰撞速度和角度较小，分别为6.9m/s和37°，如图4和图5所示。

2.2 胸部变形模式

分析汽车碰撞中行人胸部的变形模式对理解胸部损伤机理有重要作用。针对不同汽车前部结构外形进行分析，采用Von Mises应力分布作为胸部肋骨应力集中的预测值。中型轿车，由于发动机罩的刚度均匀分布，在与人体胸部碰撞过程中，发动机罩整体变形均匀且有效吸收碰撞能量，发动机罩与发动机舱内硬点的空隙足够大而未发生触底回弹现象，因此胸部变形均匀分布且肋骨变形量较小。第一肋骨出现应力集中是由接触力从肩关节向第一肋骨传递产生的，应力分布图如图6(a)所示。在微型轿车碰撞中，由于车头较短，盆骨与发动机罩前沿接触，肩关节与风窗玻璃触，使胸部悬空而未与发动机罩接触，因此胸部变形较小(图6(b))。在厢式车碰撞中，行人上胸部与刚度较低的风窗玻璃碰撞，而下胸部与刚度较高的风窗玻璃下横梁发生碰撞，因此胸部承受剪切载荷，致使肋骨变形严重，应力集中分布在第6～12节肋骨上，预示肋骨骨折风险大，如图6(c)所示。在SUV碰撞中，胸部变形模式与中型轿车的碰撞类似，肋骨变形量小，应力水平较低。

2.3 碰撞速度对胸部变形量的影响

图7示出以不同碰撞速度和4种不同前部结构车辆碰撞中，胸肋骨变形量和由肋骨变形量计算得到的AIS4+损伤风险曲线[15]。从图中可以看出，随着碰撞速度的增加，肋骨变形量呈增加趋势。对比结果表明，在“长头车”(中型轿车、微型车和SUV)碰撞中，肋骨变形量和AIS4+损伤风险小。在厢式车碰撞中，即使碰撞速度为30km/h，肋骨变形量也超过30mm,AIS4+损伤风险为27.5%。在50km/h碰撞速度下，损伤风险高达36%。

3 讨论

在汽车碰撞中，汽车前部结构刚度和胸部载荷对行人胸部损伤影响显著。一方面，前部结构外形影响行人的胸部运动学响应和胸部碰撞速度，而胸部运动学响应和碰撞速度是影响胸部载荷的两个重要因素；另一方面，汽车前部结构特性影响了其与胸部的接触刚度及其吸能特性，两者对胸部变形模式及变形量影响显著。胸部载荷和肋骨变形是决定胸部损伤的两个重要因素。分析结果表明，汽车前部结构局部刚度越高，胸部及肋骨相应的接触局部变形量越大。

碰撞速度对胸部AIS4+损伤风险的分析结果表明，在“长头车”(中型轿车、微型车和SUV)碰撞中，碰撞速度对胸部AIS4+损伤风险影响较小，而在厢式车中，碰撞速度对胸部损伤风险影响较明显。分析结果与文献[16]和文献[17]中对行人碰撞事故的分析结果一致。

通过对比分析中型轿车和SUV碰撞中胸部变形量及Von Mises应力分布，结果显示中型轿车和微型轿车中的肋骨变形量比SUV碰撞中要小，这说明在SUV碰撞中，胸部损伤风险较大。文献[7]中采用尸体试验对比分析了中型轿车和SUV碰撞中的行人胸部损伤机理。结果表明，在SUV碰撞过程中，胸部黏性损伤风险要大于中型轿车的碰撞结果，这与本文中的研究结果一致。

4 结论

采用THUMS行人有限元模型(165cm),研究了在与不同前部结构的汽车碰撞过程中人体胸部的损伤机理和不同速度碰撞下的胸部损伤风险，得到如下结论。

汽车前部结构外形对行人胸部运动学响应和碰撞条件有重要影响，如碰撞速度、碰撞角度、碰撞时间等；汽车前部结构局部刚度分布对胸部变形模式和肋骨的局部变形量有显著影响。在厢式车碰撞中，胸部承受来自低刚度风窗玻璃和高刚度下横梁形成的剪切载荷，应力集中在下胸部肋骨，骨折风险高。该研究结果可为行人胸部损伤防护研究提供理论指导。

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A Study on the Dynamic Responses and Injury Mechanism ofHuman Chest in Vehicle-pedestrian Collisions

Han Yong1, Yang Jikuang2& Koji Miuzno3

1.SchoolofMechanicalandAutomobileEngineering,XiamenUniversityofTechnology,Xiamen361024;2.DepartmentofAppliedMechanics,ChalmersUniversityofTechnology,Gothenburg41296;3.DepartmentofMechanicalScienceandEngineering,NagoyaUniversity,Nagoya464-8601

With THUMS pedestrian FE model, simulations on vehicle-pedestrian crash are conducted for four types of vehicles (medium sedan, minicar, van and SUVs) with different front-end structures at a impact speed of 20, 30, 40 and 50km/h to analyze pedestrian chest dynamic response and chest impact conditions as well as the chest deformation modes and injuries of pedestrian including rib deflections. The results demonstrate that the front-end structure of vehicle has significant effects on the dynamic response and chest impact speed of pedestrian and the stiffness distribution of vehicle front-end structure is a major factor affecting the rib deflections and chest deformation mode of pedestrian.

pedestrian protection; chest injuries; dynamic responses; injury mechanism; FEA

*国家自然科学青年基金(31300784)、厦门理工学院高层次人才引进项目(JKJ12001R)和国家外国专家局高端外国专家团队项目(GDT20143600027)资助。

原稿收到日期为2013年7月1日，修改稿收到日期为2013年9月28日。