组合式假人建模在两轮电动车交通事故模拟中的应用

秦 闯， 傅双枝， 金先龙， 侯心一， 邱 忠

(1. 上海交通大学 机械与动力工程学院， 上海 200240; 2. 上海市公安局交通警察总队， 上海 200070)

据公安部交通管理局数据统计，最近几年由两轮电动车引起的交通事故发生率，已高居我国城市各类交通事故首位[1].当今城市道路交通中几乎随处可见两轮电动车的身影，在上海每日交通流中，地铁和公交约占出行总量的35%，小客车约占15%，电动自行车等非机动车约占40%[2].上海市交警总队的数据资料统计结果显示：2016年上海市全市共查获非机动车各类交通违法行为91万余起，其中两轮电动车违法 53.8 万余起，超过55%，因而两轮电动车也被称为“马路杀手”；比较分析2009—2015年上海市交通事故死亡人数和其中两轮电动车致死人数可见，上海市近年来交通事故死亡人数呈减少趋势，而涉及两轮电动车交通事故的死亡人数却逐年增加.因此，对两轮电动车交通事故进行模拟具有重要的研究应用价值.王岩等[3]在PC-Crash中用多刚体假人对电动车与汽车碰撞事故进行模拟，研究了汽车速度、两轮电动车速度、碰撞姿态对骑车人损伤的影响；高继东等[4]用THUMS有限元人体模型研究了电动自行车与轿车碰撞中骑车人的伤害特征，发现头和腿部最容易发生损伤；Guleyupoglu等[5]用有限元人体模型研究了预冲击速度在碰撞过程中对乘员动力学响应的影响；张晓云等[6]建立了组合式模块化行人数字假人模型用于行人交通事故研究，对行人腿部损伤做出了较为精确的判定.

在事故模拟中，首先需要保证较高的真实度和准确度，例如要获得碰撞后人和车的真实动力学响应以及人体的精准损伤情况；另一方面，纯有限元人体模型在事故模拟计算中所消耗的时间也难以满足交通事故分析鉴定的高效率要求.为了在有限计算时间内获得较高的模拟计算精度，本文通过对标准多刚体假人模型和有限元人体模型进行拆分、组合、缩放，重新建立多刚体-有限元组合式假人模型，应用到一起真实的两轮电动车交通事故的模拟中.

1 多刚体-有限元组合式参数化假人模型

1.1 多刚体-有限元组合式假人模型的建立

数字假人可分为多刚体和有限元假人.多刚体假人计算精度不高，不能准确反映碰撞后人体伤害；有限元假人建模复杂、计算时间长[7].针对现有数字假人在交通事故模拟应用中计算精度和计算时间存在的矛盾，本文提出了组合式假人建模方法，以多刚体乘员假人模型为主体，在骑车人发生损伤的身体部位采用精细有限元模型.该模型在保证计算效率的同时，可以精细准确地分析人体损伤情况，模拟结果可输出假人身体各部位的加速度、受力和力矩等信息，以及重点损伤部位的应力云图，根据人体损伤评价标准来分析损伤情况，为交警部门或司法鉴定提供参考依据.

该方法以MADYMO假人模型库中的Hybrid III 型国际标准多刚体假人和HUMOS国际标准整体有限元人体模型为基础，按照头部、上肢、下肢进行拆分，然后利用拆分形成的局部假人模型，通过多刚体与有限元局部假人模型组合模块，采用铰链连接和约束法，将所拆分的多刚体部分模型和有限元体部分模型连接起来.铰链和约束力的设置均与人体仿真生物力学参数[8]一致，具体参数参照标准假人模型参数定义.组合式假人的建模过程包括：① 标准多刚体假人模型的拆分；② 标准有限元假人模型的拆分；③ 组合式假人模型的耦合组装.组合式假人建模如图1所示.

图1 组合式模块化假人混合结构定制Fig.1 Combined modular dummy mixed structure customization

1.2 多刚体-有限元组合式假人参数化定制

国内外现有多刚体、有限元假人模型主要用于汽车设计过程中的耐撞性数值模拟和乘员保护研究[9-10]，通常采用标准百分位假人；当前大多数基于人体损伤研究的碰撞事故模拟与仿真也是直接采用标准百分位的数字假人.但是，这不能满足特定交通事故模拟对假人身高、体重等体型特征变化的要求.作为交通事故模拟的核心，数字假人模型与事故受害人体型特征的近似程度对仿真结果有很重要的影响.碰撞事故中的受害人体型特征主要包括身高，体重，人体各部分的几何尺寸、质量、转动惯量、质心位置等人体测量学参数.研究表明这些参数不仅会影响骑车人碰撞后的运动姿态，而且关系到骑车人的损伤形式和损伤程度[11]，因此交通事故模拟中应用的数字假人需要符合事故受害人体型特征.本文运用假人参数缩放定制方法，获得基于真实骑车人体型特征的假人模型.

假人参数化定制基于相似原理，即认为不同尺寸的成年男(女)性假人具有相似关系，则相对应的几何、质量和力学参数也应存在一定的公比.因此，根据相似原理，可以将验证的标准体型假人作为参考基准，根据一定的缩放关系，调整模型参数后得到不同尺寸的假人.采用相似原理对假人实现缩放，对于指定的X，Y，Z方向定义不同的尺寸缩放比例系数，即

经过多刚体和有限元假人模型的拆分再组装，就可得到多刚体-有限元组合式假人模型，接着进行参数化缩放定制，则可得到特定人体体型特征的组合式假人模型.

图2 下肢局部有限元假人模型参数化定制过程Fig.2 Parameterization of local finite element dummy model for lower limbs

2 基于真实两轮电动车交通事故的模拟

2.1 两轮电动车事故案例

本文的数值模拟根据上海市交警总队的一起真实事故案例进行，如图3所示.该碰撞事故发生在一个十字路口，行人和两轮车流量比较大.为了清楚地描述车辆行驶方向，图中以上北下南为参考方向.小轿车由北向南快速行驶，等候在人行横道西侧的电动车遇绿灯由西向东沿斜向通过路口，但由于侧面视线被遮挡，电动车骑车人并没有发现这辆闯红灯的小轿车，来不及躲避.小轿车车头右侧撞上电动车前轮左侧，把电动车和骑车人撞飞，造成两轮电动车骑车人死亡及两车损坏.

图3 事故现场图Fig.3 The scene of the accident

由交警总队的事故案卷资料可知，事故中骑车人为男性，46岁，身高165 cm，体重约70 kg，体型偏胖.经法医鉴定，骑车人头部损伤为致命伤.小汽车先撞上电动车，骑车人倒在小汽车引擎盖上，头部撞在挡风玻璃上，为第一次碰撞；接着骑车人被抛出，跌落地面后，头部与地面发生第二次碰撞.为重点研究骑车人头部损伤情况，首先需要建立头部有限元组合式假人，进行结构定制；然后，运用本课题组编写的组合式假人参数化定制软件(见图4)，根据骑车人的身高、体重等参数进行定制，获得基于事故骑车人真实体型的组合式假人.

图4 组合式假人参数化定制软件Fig.4 Combined dummy customization software

2.2 事故模拟

由标准假人生成事故模拟用组合式假人如图5所示.建立好模拟用组合式假人模型后，需要确定碰撞前车辆的瞬时速度.目前交通事故模拟研究中，车辆碰撞瞬时速度根据行业标准《典型交通事故形态车辆行驶速度技术鉴定》(GA/T 643-2006)的常用基础公式来确定.在不同的交通事故案例中，由于路况条件和驾驶者主观反应不同，该公式中各参数的取值会有所不同，因此得到的车辆碰撞初始速度误差较大.本文采用交警部门常用的摄影测量法来获得碰撞前车辆的行驶方向和相对位置，计算车辆的碰撞初始速度，从而得到较为接近真实值的初始速度.利用交警部门提供的专用视频软件打开事故监控录像，截取视频中的两个时刻：第2387和2391帧，利用PhotoModeler软件得出小轿车在两个时刻间直行的距离为 4.259-2.311=1.948 m，如图6和7所示.

图5 头部有限元组合式假人生成示意图Fig.5 Diagram of the finite element combination of the head

图6 轿车在第2 387帧求解距离的过程Fig.6 The process of calculating the distance at Frame 2 387

图7 轿车在第2 391帧求解距离的过程Fig.7 The process of calculating the distance at Frame 2 391

在此视频软件中，每秒分割为24帧，每帧时间为1/24 s，所选取的两个时刻间隔为1/6 s，则可以得出小轿车的速度大约为 1.948×6=11.6 m/s.同样可计算出两轮电动车的速度大约为 2.8 m/s，两车行驶方向夹角约为 1.3 rad，摄影测量法得到的车辆瞬时速度和相对位置信息较为准确，可作为确定参数输入模拟系统.在3Dmax车辆模型数据库中，找到与事故车辆型号相同者，导入hypermesh进行网格划分和材料属性设置，将生成的.k文件导入多刚体动力学仿真软件MADYMO中，即可得到与真实车辆几何外形和材料属性高度一致的刚性有限元车辆模型为模拟用.车辆刚度特性参考奥地利林兹大学Steffan教授所开发PC-Crash中的Stiffness database，该数据库基本涵盖了目前市面上的主流车型，所提供的汽车刚度曲线经过工程验证和大量实验应用，能够适用于交通事故领域汽车碰撞中对于刚度特性的模拟计算要求[12].采用MADYMO软件中的多刚体和有限元耦合接触算法设置人-车-路面之间的接触特性，定义小轿车和电动车车轮与地面的摩擦系数均为 0.7，骑车人与地面的摩擦系数为 0.6，骑车人与电动车车身的摩擦系数为 0.5，骑车人与小轿车车身的摩擦系数为 0.3.接着，以碰撞后人车运动姿态和人车落点位置作为目标函数[13]，通过多次迭代计算得到最终模拟结果.

图8 事故模拟过程Fig.8 Accident simulation process

3 模拟结果与分析

3.1 碰撞后人车运动姿态

模拟得到碰撞后人和车的运动姿态如图8所示.由初始位置开始，轿车保险杠右侧撞上电动车前轮左侧，电动车发生偏转，与小轿车右侧前部相撞后被弹开；受害人左小腿与小轿车保险杠发生碰撞，身体倒在小轿车引擎盖上，头部撞上小轿车挡风玻璃，随后被抛到空中，最后跌落地面.车辆检验报告显示：电动车车灯等部位塑料外壳被撞碎并脱落；小轿车前保险杠右侧车灯以下范围见凹陷变形，右侧车灯外部玻璃出现裂纹，小轿车前挡风玻璃右侧中间偏下出现细碎裂纹并轻微凹陷，凹陷部位还沾有少量血渍.模拟动画结果与监控视频真实情况较为接近，左小腿与保险杠撞击点位置、头部与挡风玻璃撞击点位置与车辆检验报告较为相符，以及碰撞后电动车和受害人的落地点也与监控视频较为吻合.

3.2 骑车人损伤情况

根据上海市交警总队提供的事故卷宗尸检报告，受害人脑颅骨出现严重凹陷性骨折导致死亡，面部及其他与地面碰撞接触部位皮肤擦伤出血，左小腿骨折.针对骑车人的损伤情况，重点分析数字假人头部和小腿的损伤情况，计算得到如图9和10所示的假人头部合成加速度曲线与小腿剪切力矩曲线.

图9 头部合成加速度-时间曲线Fig.9 Header synthesis acceleration-time curve

图10 小腿剪切力矩-时间曲线Fig.10 Leg shear torque-time curve

由图9可知：头部合成加速度出现两个较大的峰值，在258 ms时刻出现第1个最大峰值，对应假人头部撞上小轿车风挡玻璃，并在846 ms时刻出现第2个峰值，对应假人头部跌落至地面发生二次撞击.目前最常用的是美国联邦机动车安全标准提出的头部损伤准则，即HIC36计算公式.由头部合成加速度得到HIC值为 7 169，远大于耐受极限值 1 000，骑车人死亡.小轿车保险杠先撞上电动车前轮，然后撞上骑车人左小腿,最后骑车人跌落地面时左小腿再次与地面发生碰撞.碰撞过程与图10显示的左小腿剪切力矩曲线相符合，左小腿最大剪切力矩(Mmax)为 315.9 N·m，耐受极限值为236 N·m，说明左小腿胫骨可能发生断裂骨折[14].人体损伤模拟计算结果和法医鉴定的尸检结果如表1所示，依据人体损伤准则[15]判断受害人头部、小腿的损伤情况，基于模拟计算结果判断的人体损伤情况与法医尸检结果基本一致.

表1 人体损伤对比分析Tab.1 Comparison of human injury

文中建立的组合式假人模型还可得到更加精确的假人颅内应力云图，如图11所示.假人颅内von Mises最大应力为 1.416×107Pa，远超头部应力的耐受极限值，表明骑车人头部在碰撞过程中受到了巨大的冲击力.图11可准确显示出应力最大的部位，从而判断颅骨骨折的位置位于后脑枕骨处.尸检结果也证实受害人头部发生严重脑震荡并伴有颅内脑组织挫伤，头部损伤为致命伤.

图11 骑车人头部颅内von Mises应力云图(Pa)Fig.11 Cyclone von Mises stress on the head (Pa)

4 结论

(1) 基于受害人真实体型特征参数对组合式假人模型进行缩放，对真实两轮电动车交通事故案例重构的模拟计算证明，该组合式假人模型具有高生物力学逼真度，既可以真实地模拟碰撞后受害人的运动姿态，也可以准确地反映受害人的身体损伤情况，验证了组合式假人模型用于模拟计算的可靠性与准确性.如有可能，该模型可考虑推广到其他交通事故案例的数值模拟和事故再现应用.

(2) 两轮电动车交通事故中骑车人的主要损伤为头部受到剧烈撞击导致的脑挫伤和小腿受到碰撞剪切力导致的骨折.模拟结果可为交警部门进行责任事故认定和法医对受害人进行司法鉴定提供理论依据，同时也为进一步对骑车人进行保护研究奠定了基础.