轿车－行人交通事故中下肢损伤重建分析

范箫翔，李 奎，刘盛雄，尹志勇

(1.重庆理工大学药学与生物工程学院，重庆 400054;2.第三军医大学大坪医院野战外科研究所交通医学研究所，重庆 400042)

汽车作为全世界最主要的运载工具之一，为人类的出行带来了方便，但是从其诞生到快速发展的今天都伴随着交通安全问题。道路交通事故不仅给各个国家带来了巨大的财产损失，也给各个家庭带来了不可挽回的巨大的财产和精神损失。由世界卫生组织(WHO)《2009年全球道路安全形势报告》可知:在全球178个国家的事故统计中，每年有超过120万人死于道路交通事故，经济损失高达5180亿美元［1］。我国2012道路交通事故统计年报显示:全国2012年的事故总数量为204196起，死亡人数为59997人，导致的直接财产损失高达11.7亿元人民币［2］。在汽车交通事故中，车辆与行人发生碰撞的几率相比其他形态(如车辆与固定障碍物相撞、两车相撞等)较高，并且行人往往是交通事故中易受伤的弱势群体，因此汽车与行人的碰撞问题已成为当今汽车生产企业、科研单位所关注和探讨的热点问题。自20世纪60年代以来，世界各国的研究人员针对此类事故开展了大量的研究:Michelle F.Heller，Heather N.Watson 等［3］运用美国国家数据库对 1998—2006年行人事故中的30721例住院病人的损伤情况进行分析，发现行人下肢损伤占31%，其次是头面部伤，占 20%;Carlos Arregui-Dalmases，Francisco J.Lopez-Valdes，Maria Segui-Gomez［4］则通过对欧洲8个国家的行人伤害数据的分析得出，行人伤害中有51.1%伴有骨折以及21.3%为内伤;杨济匡团队［5］对发生在中国长沙的交通事故中的行人损伤进行分析，得到行人头部及下肢受伤几率分别为28.4%和27.4%。研究显示:无论在发达国家还是发展中国家，交通事故中行人所受伤害几率最大的两个部位为头部和下肢。

在车辆与行人交通事故中，行人下肢作为第二易致伤的部位，引起了世界范围内的高度关注。在实际轿车－行人交通事故中，由于车辆与行人接触的边界条件具有多样性，导致行人下肢损伤的成因机制较为复杂。总的来看，行人在与车辆发生交通事故时，行人下肢往往先与车辆的前保险杠、发动机罩边缘接触碰撞。如果车辆的速度过高，腿部所受的应力就会越大，相应造成的伤害也就越明显，并且轿车相比其他车型更易造成下肢的损伤，所以轿车与行人下肢的损伤关系研究显得尤为重要。行人下肢损伤的种类有股骨骨折、胫骨骨折、腓骨骨折、膝关节损伤、踝关节脱位和皮肤擦挫伤等［6－7］。在行人与轿车事故中，胫骨和腓骨的损伤机理主要归因于下肢胫/腓骨与轿车前保险杠碰撞时造成胫/腓骨弯曲变形，当弯曲所产生的拉伸和压缩应力超过其耐受极限时发生骨折［5］。

本研究对1例轿车与行人的交通事故案例进行下肢损伤重建研究，在确定轿车事发时车速的情况下，通过有限元仿真分析行人与轿车发生碰撞时的变化过程，以及行人下肢的生物力学响应过程，以此来观察行人下肢被撞时的变化过程并与相应的尸检损伤结果进行对比分析。该方法能对实际轿车－行人交通事故碰撞案例进行有效再现和分析，同时可为轿车－行人交通事故的司法鉴定提供科学依据。

1 事故案例

1.1 案情简要介绍

事故案例于2013年10月某日凌晨5时发生在重庆市××区，驾驶员驾驶丰田凯美瑞(Camry)轿车由五星路往一碗水方向行驶。当轿车行驶至双龙某路段时，与横穿公路的行人发生接触碰撞，行人的倒地位置距轿车最终停驶位置3.5 m。事故现场示意图如图1所示。

图1 事故现场示意图

1.2 车辆碰撞痕迹

事故轿车为丰田凯美瑞(Camry)GTM7240VNAVI。该车与行人发生碰撞后产生的痕迹如图2所示，其主要变形受损部位位于车头处。轿车前号牌与行人右下肢小腿处接触，导致前号牌变形;前“丰田”logo标志变形，发动机盖前端边缘凹陷变形应是与行人大腿以及腰臀部接触形成的;与行人胸腹部接触产生发动机盖中部刮擦痕迹;发动机盖后部凹陷变形应是行人头部撞击形成。

图2 事故轿车与行人发生碰撞后产生的痕迹

1.3 传统法医学检验

道路交通事故中的尸体检验是明确死亡原因及损伤方式的重要手段，尸检报告的公正准确不仅有助于交通事故的成因调查，而且有利于分析事故中人体的损伤过程。该事故中死者尸检报告显示:尸长154 cm，面色黄，右额见6.1 cm ×2.9 cm范围内片状表皮剥脱伴皮下出血，枕骨大孔穿刺抽出不凝血，右眼眶周及睑结膜见青紫、肿胀，右眼下睑结膜见片状出血;颈椎未扪及异常活动;胸廓对称无畸形，胸骨未扪及异常，右侧肋骨扪及骨擦感;脊柱正常生理曲度，未扪及异常活动及骨擦感;盆骨扪及骨擦感;右上臂中份前侧见广泛皮下青紫，右肱骨扪及骨擦感;右小腿前侧有3.5 cm×3 cm擦挫伤痕，右侧胫骨上段不全性骨折，右侧腓骨多发骨折。通过尸体检验确定死者的死亡原因系全身多组织器官损伤死亡。死者后右下肢有明显的骨折现象。

1.4 车速确定

车辆的超速行驶是导致交通事故的重要原因之一，速度的快慢直接影响碰撞时的严重程度，较高的行驶速度往往意味着驾驶员、乘客与行人有较高的损伤风险。如今车辆速度确定已得到了广泛的重视，确定事故车辆的速度不仅有助于交通事故成因分析、交通事故与责任划分处理，而且对于驾驶员、乘客与行人的伤情以及致伤机理的分析有着不可忽略的作用。交通事故中车辆速度确定的传统方法大致可以分为以下几种［8］:制动痕迹、现场路试、车体散落物抛距、车辆变形程度、人体抛距、监控视频等。

事故数据记录器EDR(event data recorders)作为机动车辆上的“黑匣子”，已经在美国得到了较为广泛的应用［9］。EDR可以有效记录事故发生时车辆速度的变化、刹车及油门等重要参数，因此该数据为汽车厂商分析相应车辆的运行状态以及缺陷、进而优化车辆的设计提供重要技术支持。

本事故案例中凯美瑞轿车的EDR事故数据记录器所记录事故发生时5 s间车辆的数据(车辆速度、发动机转速以及制动启停)如图3所示 。EDR通过车辆的减速度迅速增加或者气囊点爆产生记录。由数据可知:车辆制动于－4 s，并且从－3 s开始全制动，符合驾驶员0.4～0.8 s制动反应时间［10］;在－4 s制动有效前，该车的车速及发动机转速分别为46 km/h和2000 r/min;制动有效时的车速为48 km/h，发动机转速为1200 r/min;当车速减至40 km/h时EDR出现记录点。因为当轿车撞击行人瞬间产生巨大的减速度，所以该事故中凯美瑞轿车与行人发生碰撞时的速度为EDR出现记录点时的速度——40 km/h。

图3 EDR数据

2 事故仿真重建

2.1 事故重建的基本理论

随着计算机仿真技术在工程领域中的飞速发展和广泛应用，汽车碰撞模拟在有限元仿真领域具有非常重要的位置。轿车－行人碰撞过程的有限元法分析能准确模拟车身和人体发生碰撞时人体各部位受载时的位移、变形、应变和应力［11］。因为有限元算法在计算过程中无需考虑收敛问题且在接触算法方面具有一定优势，所以在人车碰撞仿真中已得到广泛运用。本研究选用人体有限元模型、凯美瑞轿车有限元模型以及有限元显式算法软件LS-DYNA进行人体下肢生物力学响应的精确分析［12］。

2.2 行人模型

本研究采用由丰田公司和丰田中心研究实验室共同开发的THUMS(total human model for safety)4.0 有限元人体模型［13－14］。该版本的模型是于2010年完成的最新模型，它由2×106个有限元单元组成，并且有人体体内器官的模型，模型各个部分的材料属性都根据相应的法规要求定义。根据事故案例中行人的体型特征，在THUMS4.0人体有限元模型的基础上，通过网格缩放技术得到身高为1.54 m的行人模型。

2.3 车辆模型

车辆模型采用经美国国家汽车碰撞分析中心(national crash analysis center，NCAC)验证的轿车模型。该轿车模型共有超过1670000个有限元网格单元，其材料和属性的定义符合基本法规要求，可用于汽车动力学仿真研究。

2.4 行人下肢损伤重建方法

运用上述行人模型以及车辆模型构建本案例事发时行人横穿公路被车辆撞击时的接触形态，如图4所示。行人与车辆的碰撞角度为行人行走方向与车辆行驶方向成90°的夹角。由案例可知:行人是从轿车车行方向的左至右行走的，所以轿车车头应与行人身体右侧发生碰撞。另外，设置好仿真程序的初始条件，如已经确定的轿车与行人碰撞时的速度(40 km/h)、摩擦因数(静摩擦因数FS为0.67，动摩擦因数 FD为0.65)以及人与车辆的接触特性等。

图4 轿车与行人碰撞形态

2.5 有限元碰撞仿真结果

轿车以40 km/h的速度与行人发生碰撞。仿真过程中在0，20，40，100 ms时的情景如图5所示，其中:在t=0 ms时为下肢还未与轿车车头发生接触时的原始状态;在t=20 ms时，轿车前保险杠与行人左侧大腿、小腿发生碰撞，与尸检报告右小腿前侧有3.5 cm×3 cm擦挫伤痕，右侧胫骨上段不全性骨折，右侧腓骨多发骨折的伤情吻合;在t=40 ms时，当轿车前保险杠与行人左侧大腿、小腿接触的同时，人体躯干部位由于惯性作用往轿车引擎盖方向倾侧;在t=100 ms时，行人颅脑左侧方向与发动机引擎盖发生碰撞，左侧胸腰部、背臀部与引擎罩完全接触，同时下肢与前保险杠分离并向上运动，与尸检报告的伤情相吻合。

图5 仿真碰撞过程

图6为行人右下肢的胫骨与轿车车头接触碰撞时胫骨和腓骨von Mises等效应力云图。其中:胫骨在碰撞发生后第25 ms的von Mises等效应力达到最大值198 MPa;在与胫骨发生碰撞后的相同时刻，胫骨的von Mises等效应力也在25 ms时达到最大值243 MPa。

图6 胫、腓骨von Mises等效应力云图

由于胫骨和腓骨中段的von Mises等效应力(198，243 MPa)超过胫、腓骨的失效应力(100～125 MPa)［15］最大值，因此行人右下肢胫、腓骨出现骨折现象。该仿真结果与医院的CT扫描影像图(如图7)显示的结果一致。由此可见:行人下肢有限元仿真的动力学响应符合行人与轿车发生碰撞的情况。

图7 骨折CT图

3 结束语

计算机仿真技术对于汽车交通事故事发过程以及事故中受害人的身体损伤的分析起着越来越重要的作用。有限元仿真方法已经被视为最为有效且可靠的研究交通事故中人体损伤机制和车辆损坏情况的技术［6－15］。研究人员可以通过事故发生后有限的线索如事故现场图、现场照片或者是视频资料片段等对事故现场进行仿真再现，之后根据事故参与方的散落物、痕迹以及最终停驶位置来还原整个事发过程。事故再现还能提供事故过程中的重要数据参数和证据，例如碰撞时的车辆速度、车辆损毁过程和具体受力作用点、车外或车内人体所受损伤的位置和作用力的变化过程等。

本文根据1例行人－轿车交通事故案例中的数据记录器EDR、法医学尸检报告、事故现场图和现场照片，科学有效地得到了事故轿车的碰撞速度、车辆受损的部位以及行人的受伤部位的严重程度。采用综合对比研究的方法，在THUMS4.0人体有限元模型的基础上同时构建车辆有限元模型，成功地再现了车辆与行人碰撞时人体的整个动力学响应过程，所得到的人体仿真应力分布与实际损伤一致。本研究进一步表明:EDR、尸检报告及计算机仿真技术的综合运用可在真实交通事故成因分析及司法鉴定中发挥重要作用。

［1］王正国.现代交通医学［M］.重庆:重庆出版社，2011:22.

［2］中华人民共和国道路交通事故统计年报［M］.2012年版.北京:人民交通出版社，2012.

［3］Michelle F H，Heather N W，Johan I B.Using National Databases to Evaluate Injury Patterns in Pedestrian Impacts［R］.［S.l.］:SAE Technical Papers，2009.

［4］Carlos Arregui-Dalmases，Francisco J Lopez-Valdes，Maria S G.Pedestrian injuries in eight European countries:An analysis of hospital discharge data［J］.Accident Analysis ＆ Prevention，2010，42(4):1164－1171.

［5］杨济匡.汽车与行人碰撞中的损伤生物力学研究概况［J］.汽车工程学报，2011，1(2):1－13.

［6］Kong Chunyu，Yang Jikuang.Logistic Regression Analysis of Pedestrian Casualty Risk in Passenger Vehicle Collisions in China［J］.Accident Analysis ＆Prevention，2010，42(4):987－993.

［7］郭磊，金先龙，申杰，等.人车碰撞事故的行人伤害研究［J］.上海交通大学学报，2007，41(2):262－267.

［8］房建昌.道路交通事故现场勘查与分析再现及责任认定全书［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［9］沈明，陈玉忠，兰雁飞.汽车事故数据记录装置的应用及标准化展望［J］.标准科学，2009(12):28－34.

［10］于长吉，陶沙.道路交通事故技术鉴定方法［M］.大连:大连理工大学出版社，2011:82－84.

［11］韩勇，杨济匡，李凡，等.汽车－行人碰撞中人体下肢骨折的有限元分析［J］.吉林大学学报:工学版，2011，41(1):6－11.

［12］胡远志，曾必强，谢书港.基于 LS-DYNA和Hyper-Works的汽车安全仿真分析［M］.北京:清华大学出版社，2011:9－12.

［13］TOYOTA Motor Corporation.The Documentation of Total Human Model for Safety［M］.Japan:［s.n.］，2011:26－29.

［14］Kei Nagasaka，Koji Mizuno，Eiichi Tanaka.Finite Element Analysis of Knee Injury Risks in Car-to-Pedestrain-Impacts［J］.Traffic Injury Prevention，2003，4(4):1121－1126.

［15］Mizuno K，Nagasaka K，Kajzer J.Finite element analysis of pedestrian knee injuries from various impact［C］//Proceedings of the 2nd International Forum of Automotive Traffic Satety.USA:［s.n.］，2002:57－67.