基于MADYMO的车辆前碰撞事故再现仿真

黄丹妮，关志伟，沈宇明，王少华

（1.天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津300222；2.天津市天通司法鉴定中心，天津300040）

基于MADYMO的车辆前碰撞事故再现仿真

黄丹妮1，关志伟1，沈宇明2，王少华1

（1.天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津300222；2.天津市天通司法鉴定中心，天津300040）

针对交通事故安全气囊的鉴定具有一定复杂性和难度的问题，利用多刚体动力学仿真软件MADYMO对一起真实的关于安全气囊纠纷的前碰撞事故进行事故再现仿真研究。在分析人体头部合成加速度、胸部合成加速度、胸部压缩量等人体动力学损伤标准的基础上，将仿真实验结果与人体真实损伤情况进行比对。结果表明：本研究建立的事故仿真模型能准确地再现事故实际情况，该方法在对涉及车辆安全气囊事故的鉴定方面具有一定参考价值。

MADYMO；安全气囊；碰撞；事故再现

随着我国汽车市场的蓬勃发展及道路交通状况的不断改善，我国机动车保有量呈现逐年增长的趋势，然而我国道路交通状况的恶化也随之而来。安全气囊作为汽车被动安全的重要组成部分，能够有效防止驾乘人员因二次碰撞受到损伤。但随着安全气囊系统在机动车上的普及应用，在其运用科技力量来保护驾乘人员免受事故带来伤害的同时，大量研究调查显示，对汽车乘员约束系统的核心部件之一——安全气囊鉴定的需求也越来越多。目前，我国关于机动车的鉴定事项主要集中在机动车事故车速、事故发生时的行驶方向、机动车与其他车辆或物体的接触部位及对车辆的安全技术检验方面，关于安全气囊方面的鉴定事项较少，这对我国司法鉴定部门及人员提出了新的要求。本文针对一起真实的气囊损伤事故案例，利用MADYMO软件进行仿真再现，通过人体动力学响应参数与勘察结果进行比对，进而验证模型的准确性。

1　汽车碰撞模拟的理论基础

目前，在对汽车碰撞进行仿真计算中，最为常用的方法是多刚体动力学法和有限元法［1］。多刚体动力学法最具代表性的软件是荷兰国家科学研究院（简称TNO）研究开发的MADYMO软件，它是一个基于乘员特征、乘坐环境、约束系统和碰撞状态建立的由多个刚体组成的模型系统，系统中任意一对体都能够通过一个运动铰进行连接。MADYMO对多刚体系统的动力学算法采用达朗伯-拉格朗日方程描述［2］，刚体上任一点（以P表示）的位置、速度和加速度分别如图1所示。

图1　多刚体坐标系

本文对驾驶室及驾驶员的建模采用多刚体动力学法，计算方程为［2］：

式中：ω为刚体相对于惯性坐标系的转动角速度。

有限元法是把连续体离散化，将该连续体分成若干个有限大小单元体的计算方法。在有限元法中，求解域上待求的未知场函数是由每个单元内假设的近似函数来分片表示，而近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值得来。即通过对有限个单元作分片插值，使连续的无限自由度问题变为离散的有限自由度问题。

本文对安全气囊的模拟采用了有限元技术。在一定冲击条件下，汽车安全气囊的展开过程是典型的大变形、非线性大位移问题，要对非弹性物体和结构求解。因此，采用显式算法的有限元方式建立安全气囊模型是目前通常采用的方法。

2　乘员约束系统建模

本文利用多刚体动力学仿真软件MADYMO再现该事故驾驶员侧前碰撞仿真模型，主要包括驾驶室模型、HybridⅢ50th假人模型、安全带模型以及安全气囊模型。

（1）驾驶室模型采用以定义各种铰的运动来描述车身碰撞变形的方式，本文所建立的驾驶室模型主要包括前挡风、地板、前围板、脚踏板、方向盘、转向柱及座椅［3］，具体模型如图2所示。

（2）驾驶员模型是MADYMO正面碰撞仿真中普遍使用的HybridⅢ50th男性假人模型，如图3所示。

图2　驾驶室模型

图3　HybridⅢ50th假人模型

调入假人模型后，通过视觉直观调整假人模型坐姿和预模拟相结合的方法，调整假人H点（Dummy_jnt）、膝部（KneeL_jnt、KneeR_jnt）、臀部（HipL_jnt、HipR_jnt）、踝部（AnkleL_jnt、AnkleR_jnt）等位置，使假人在车体模型中达到正常的坐姿，预调坐姿后将假人置于重力场进行预处理［4］，调整坐姿后如图4所示。

图4　调整坐姿后假人模型

（3）考虑到交通事故分析的时效性，本文安全带模型采用的是计算量较小的标准多体式安全带。

（4）安全气囊模型建立的准确与否对整个模型的仿真精度具有十分重要的影响。通过SYSTEM.MODEL下的FE_MODEL实现安全气囊的初始化定义，同时要定义INITIAL.FE_MODEL将其固定于方向盘上。点火时间通过在FE_MODEL外部定义SWITCH.TIME来实现，初步设定安全气囊点火时刻为20 ms［5］。

（5）通过CONTACT.MB_MB［6］设置模型间的接触定义，包括假人模型与方向盘、风挡玻璃、座椅靠背、坐垫间的接触；安全气囊模型与假人模型头部、颈部、肩部、胸部、腹部、上肢、方向盘的接触；假人模型自身不同部位间的接触［7］。

（6）根据实地车辆勘察结果，该车前部塑性变形量最大处深度为117 cm。由汽车正面碰撞有效速度与变形量公式，可得事故中汽车碰撞时的行驶速度为123 km/h，计算式为：

式中：v为车辆正面碰撞有效碰撞速度；x为车辆塑性变形量。

将车体看作静止状态，碰撞过程转换为假人受力的过程，在碰撞中以直接施加给假人力（通过加速度实现）的形式模拟车辆碰撞过程，具体事故驾驶员侧正面碰撞初始模型如图5所示。

图5　驾驶员侧正面碰撞模型

3　前碰撞事故模拟

3.1事故案例

某日凌晨，一名男性驾驶一辆小型轿车在由公路北侧向公路南侧的行驶过程中，不慎与公路南侧的电线杆发生碰撞，而后又与公路旁商店的墙体和停放的小型普通客车发生碰撞，造成车辆严重损毁，驾驶员及后排左侧乘员抢救无效死亡，后排右侧乘员重伤。

3.1.1车辆损毁情况

根据事故勘察结果［8］，事故车辆为一辆白色小型轿车。事故发生时，事故车辆先后与电线杆、墙壁和停放的小型普通客车发生碰撞，造成车前保险杠及钢梁缺失，发动机罩缺失，发动机脱落；左右前翼子板均向后弯折变形，上有刮擦痕，距地高20～110cm；前风窗玻璃破碎，车顶弯折变形；左前门缺失；驾驶员位置下部护板破碎，并向前弯折变形；驾驶员位置气囊有血迹附着；仪表台破损；左后门缺失；左前轮外侧胎壁及轮辋有刮擦痕；左后轮脱落，轮辋破损，外侧胎壁及轮辋有刮擦痕。该车前部塑性变形量最大处深为117 cm。事故车辆损坏情况如图6和图7所示。

图6　事故车外部损毁情况

图7　事故车车内损毁情况

3.1.2人员损伤情况

根据事故后医院诊断结果及司法鉴定部门尸体检验结果，驾驶员为男性，经医院抢救无效死亡，尸表损伤散在分布于全身各部，以皮下出血伴擦伤为主，并伴有裂创，骨折见于颅骨、左侧锁骨、双侧肋骨、左侧肱骨及右侧股骨。因本文主要对正面碰撞驾驶员侧乘员约束系统进行研究，故在此只陈述驾驶员损伤情况。司法鉴定部门尸检结果如表1所示。

表1　驾驶员尸检结果

3.2基于MADYMO的前碰撞事故模拟

事故模型建立后，通过不断调试安全气囊起爆时间，发现将安全气囊起爆时间设置为54 ms时，乘员身体各部位的损伤情况与实际事故案例最为符合。事故碰撞过程仿真再现如图8所示。

图8　乘员仿真动态图

图8较为直观地显示出事故发生后短时间内乘员的运动及接触情况。t=0 ms时为仿真初始状态；t= 50 ms时，由于车体与电线杆碰撞产生的惯性使假人模型向前运动，假人右膝与仪表盘下方接触；t=54 ms时，安全气囊打开并开始充气；t=68 ms时，假人右大腿负荷达到峰值；t=78 ms时，假人胸部合成加速度达到峰值；t=80 ms时，由于假人胸部与方向盘接触，以方向盘为支点使头部与其发生接触碰撞，头部合成加速度达到峰值，此时安全气囊虽已完全打开，但不能提供很好的缓冲作用。

4　对比分析

4.1人体动力学损伤标准

目前国际上通常使用头部伤害指标（head injury criterion，HIC）作为鉴定头部损伤程度的依据。其表达式为［9］：

式中：t1、t2为碰撞过程中使HIC取最大值的时刻；R（t）为头部质心合成加速度；2.5为通过实验得到头部的权重指标。国内外评定标准中，通常把HIC=1 000作为头部损伤的安全界限。

碰撞事故中往往伴随人体躯干部与汽车、地面的冲击，且其致命程度较高。国际上通常把3 ms内躯干部合成加速度值60 g作为安全阀值。

4.2人体动力学损伤分析

通过将MADYMO动力学仿真结果的头部损伤、胸部损伤及下肢损伤与真实事故中的人体损伤情况进行比对，验证仿真模型的准确性。

仿真计算得出的乘员头部合成加速度时间历程曲线如图9所示。t=80 ms时，头部合成加速度峰值为1 101 m/s2，由于假人胸部与方向盘接触，以方向盘为支点使头部瞬间受到一个外力。根据式（5）计算得出头部HIC=2 007，远高于安全阈值1 000。这与尸检报告中所记录的下颅骨触之有异常活动，骨折见于颅骨相吻合。

图9　头部合成加速度时间历程曲线

假人胸部合成加速度时间历程、胸部压缩量时间历程曲线分别如图10和图11所示。由图10可知，假人胸部3 ms合成加速度为664 m/s2（约67.8 g），大于安全阈值60 g，这将对胸腹部造成严重损伤。由图11可知，事故中胸部压缩量的峰值为0.048 m。根据FMVSS214规定，正面碰撞中胸部挤压变形耐受度为0.04～0.09 m。该事故仿真中所得的胸部压缩量达到胸部损伤安全阈值。尸体检验报告中描述“左胸皮下出血伴擦伤，皮肤触之有握雪感，肋骨触之有反常活动”，仿真结果验证了这一点。

图10　胸部合成加速度时间历程曲线

假人左大腿及右大腿负荷时间历程曲线如图12和图13所示。

图11　胸部压缩量时间历程曲线

图12　左大腿负荷时间历程曲线

图13　右大腿负荷时间历程曲线

乘员在事故二次碰撞中，由于惯性作用，身体向前运动与车内部件接触。由图12可知，t=66ms时，左大腿负荷峰值为2 100 N；由图13可知，t=68 ms时，右大腿负荷峰值为2 300 N。这与事故过程中驾驶员位置下部护板破碎，并向前弯折变形，假人左膝及右膝分别与仪表盘下方车内部件接触并受到损伤相对应。

通过将仿真输出结果与事故实际人体损伤情况进行对比，发现仿真结果与实际人员损伤情况很好地吻合，充分验证了该事故模型的适用性。

5　结束语

本文利用多刚体动力学仿真软件MADYMO对一起真实的前碰撞安全气囊纠纷事故案例进行仿真再现。通过搭建事故车辆乘员约束系统模型并进行参数调试，结合人体动力学响应参数对人体损伤部位及损伤程度进行验证。仿真结果与实际人员损伤情况很好地吻合，充分验证了该模型的准确性，本研究为涉及安全气囊的事故鉴定提供了良好的解决方案，具有一定的应用价值。

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Reconstruction simulation for vehicle front-impact accident based on MADYMO

HUANG Dan-ni1，GUAN Zhi-wei1，SHEN Yu-ming2，WANG Shao-hua1
（1.School of Automobile and Transportation，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；2.Tianjin Tiantong Judicial Authentication Center，Tianjin 300040，China）

As to the problem that identification of ABRS has difficulties in traffic accidents，simulation software MADYMO is used to simulate and reconstruct a real front impact accident involving airbag dispute.On the basis of analyzing dynamics of human injury standard such as the head synthetic acceleration，chest synthetic acceleration and chest compression quantity，simulation experiment and the real situations are compared.The result shows that The accident simulation model established in this paper can accurately reproduce the actual situation of the accident，which has a certain reference value for the identification of vehicle accidents.

MADYMO；airbag；impact；accident reconstruction

U491.31

A

2095－0926（2016）03－0019－05

2016-07-05

公安理论及软科学研究计划项目（2012LLYJTJSJ077）；天津市自然科学基金重点项目（16JCZDJC38200）.

黄丹妮（1992—），女，硕士研究生；关志伟（1970—），男，教授，硕士生导师，研究方向为交通环境与安全技术.