人-车碰撞事故再现及头部损伤生物力学分析

SAED H.A.Abusafia，兰凤崇，王俊峰，曾子聪，陈吉清

(华南理工大学 机械与汽车工程学院， 广州 510641)

交通事故的再现不仅可以还原车辆碰撞事故的全过程，分析人体损伤的影响因素，获取真实事故中的人体损伤机理以及碰撞损伤规律，而且可为事故责任的认定提供依据，为汽车安全技术改进提供参考[1]。基于计算机仿真技术的事故再现方法由于成本低、计算周期短、能提高事故鉴定效率受到交通安全领域研究者的广泛关注[2-3]。在事故碰撞模拟方面，目前主流的软件有MYDYMO[4-5]、LS-DYNA[6]和PC-CRASH[7]等。基于PC-CRASH进行碰撞分析运用广泛，可得到有效的人-车碰撞和车-车碰撞仿真结果，具有一定的适用性[8-9]。本文利用PC-CRASH，结合事故实例建立人体多刚体模型，再现人-车事故碰撞全过程。仿真结果与监控录像中行人的姿态吻合，接近事故现场模型，同时获得了人体碰撞响应及运动规律。

为了充分考虑头部复杂结构的力学特性，精确模拟颅脑内的应力分布，对事故中人体头部进行CT扫描，建立精细化头部生物力学模型[10-11]。以PC-CRASH事故再现得到的响应数据为边界条件，对头部进行损伤分析。

在头部损伤的影响因素中，许多学者进行了相关研究。文献[6]研究了夹层挡风玻璃在行人头部撞击时的机械性能。文献[7]使用真实世界事故数据重建摩托车驾驶员头部损伤过程，并分析了头盔对摩托车手头部损伤的安全性影响。文献[12]研究了不同前端形状的车辆有限元模型及不同冲击速度对行人受伤风险的影响。文献[13]比较不同模型在行人事故中头部运动学的差异。文献[14] 研究了挡风玻璃上的撞击位置以及头部撞击区域对脑损伤的影响。本文在分析上述研究成果的基础上，进一步深入研究头部损伤影响因素，从挡风玻璃安装角度和车速两方面进行分析，为减少头部碰撞损伤和改进车辆安全技术提供参考。

1 基于PC-CRASH实例再现及分析

本文基于事故实例，通过PC-CRASH仿真再现碰撞过程，得到力和加速度等随时间变化的运动学响应以及碰撞中的损伤部位等相关信息。

1.1 事故信息实例采集

1) 事故概况

事故现场绘制图如图1所示。行人位于人行横道的北侧，行进方向为西行。某轿车在机动车道上由北往南驾驶，方向与行人运动方向近似垂直。由于没有注意到行人，轿车与行人相撞，行人被抛出一段距离后倒在碰撞点的东南方向。行人头部有多处钝挫伤，颅脑严重受损，最后因颅脑功能性障碍导致死亡。

通过观察监控录像，行人左下肢为第一碰撞点，高度为380 mm。前挡风玻璃与行人头部发生碰撞后破碎，碰撞点成蛛网状，包络线长约1 800 mm。车辆损毁情况见图2。

图2 车辆破损部位测量

2) 车速计算

利用监控视频计算车速，首先要对视频做矫正处理。以3条斑马线下端点组成矩形为参照物进行矫正，如图3所示，A、B、C、D为矫正矩形的端点，AB长为6 m，AD长为2.1 m。矫正计算得到图4(a)两条虚线间的距离为5.15 m，经过12帧后，汽车碰撞到行人，见图4(b)。该录像帧数为25 FPS，经计算得时间为0.48 s，车速为38.63 km/h。

图3 特征点图像矫正

图4 利用监控录像计算车速

1.2 运动分析

图5为监控录像与仿真的人-车碰撞位置对比显示，仿真碰撞位置与录像一致。

由于视频法得到的并非精确速度值，存在一定误差，仿真时可作为参考适当调节。当速度为38.5 km/h时，碰撞响应关系与实例一致，同样动态响应过程与行人碰撞挡风玻璃位置(图6)也与事故形态吻合。为进一步研究头部损伤情况，建立生物力学模型进行分析。

图5 人-车碰撞位置对比

图6 行人碰撞挡风玻璃位置仿真结果

2 头部碰撞生物力学模型建立

2.1 头部生物力学模型

在交通事故中，头部受伤是多种类型冲击的共同作用，主要包括颅骨骨折、脑挫伤、硬膜下血肿等。因此，在模拟中，应关注颅骨骨折以及脑组织的同侧和对侧影响。

通过人体头部的CT扫描建立生物力学模型，如图7所示，骨组织和软组织模型采用实体单元。脑膜、脑幕和脑镰等组织采用壳单元，头部各组织特性如表1所示。

图7 头部有限元模型

表1 头部各组织特性参数

面骨、颅骨和头皮采用六面体单元进行网格划分。该模型的优越性在于其解剖学结构上的精细化。如图8所示，采用弹性流体材料模拟脑脊液液体流动。从解剖学结构、材料属性和单元质量等方面进行优化建模，采用Nahum颅内压力实验和Yoganandan颅骨碰撞实验的实验数据对该模型进行有效性验证，结果表明：该模型可进行脑损伤的研究[10-11]，不仅可以模拟颅脑内应力分布，而且仿真结果具有较高的保真度。

图8 脑组织生物力学模型

2.2 行人头部模型边界条件

头部碰撞模型的边界条件如图9所示。

图9 边界条件

1) 汽车挡风玻璃与水平面的夹角为安装角度，事故实例的安装角度为30°。

2) 车辆的碰撞速度参考多刚体模型仿真结果，以汽车驱动方向为X轴正方向，驾驶员左侧为Y轴正方向，Z轴垂直于地面向上，负号表示与正方向相反。3个方向的速度曲线见图10。可以得出，头部第1次与挡风玻璃接触的时间约为0.115 s。

图10 人体头部速度响应曲线

3) 头部尺寸

对事故中人体头部做CT扫描并进行等密度等应力缩放处理，行人头部质量为4.2 kg，其外形尺寸见表2。为了便于研究头部损伤，在人体重心位置增加60.8 kg的集中质量点，简化为人体模型，并以刚性单元与头部相连。

表2 实例中头部尺寸参数

类似地，将轿车模型也简化为集中质量点，整车质量为1 350 kg，同样采用刚性单元与挡风玻璃的外边缘相连。简化碰撞模型见图11。挡风玻璃材料等其他参数见表3。

表3 挡风玻璃材料等参数

图11 头部碰撞简化模型

3 头部损伤及影响因素分析

3.1 头部损伤分析

图12～13列出了碰撞接触力和质心加速度随时间变化的响应曲线。头部的接触力与加速度响应趋势基本吻合，均在10 ms内出现两次峰值，在10～20 ms内接触力在7～11 kN范围波动。

图12 碰撞接触力-时间响应曲线

图13 头部质心加速度-时间响应曲线

图14显示了不同时间模拟颅内压应力的分布。由14(b)可见，开始碰撞到2 ms时，最大正压应力点出现在大脑和小脑的后交界处，约0.787 MPa。如图15所示，到8 ms时，最大负压应力点出现在大脑前端，约为0.499 MPa，之后颅脑内部压应力开始减少。颅内可能损伤部位见图16。

图14 不同时刻颅脑压力分布云图

图15 颅脑负压应力峰值区域(t=8 ms)

图16 颅脑易损伤部位

经仿真计算得到头部的HIC值高达915(文中HIC默认为HIC15)，接近耐受极限值，头部严重损伤的风险较高，这与事故实例中行人颅脑损伤严重的情况一致，进一步验证了模型的准确性。

3.2 头部损伤影响因素分析

3.2.1不同挡风玻璃角度下头部损伤分析

人-车碰撞时挡风玻璃的不同安装角度会改变头部的碰撞部位和接触方式。为研究挡风玻璃的角度对头部的损伤影响，假设车速、行人运动姿态以及行走方向等条件不变，基于实例中汽车挡风玻璃角度30°，向上向下调整10°来模拟不同角度，即取20°、30°、40°模拟不同的安装角度。研究主要从4个方面进行：头部碰撞接触力，头部质心加速度，HIC值和颅内正负压力。

图17、18分别为车速10 m/s时不同安装角度条件下头部的碰撞力和质心加速度随时间变化的响应曲线。可以得出：20°时响应曲线与30°和40°时相比差异较大，头部接触力在7 ms时达到峰值，接触力增长趋势相对较缓慢，且持续时间较长；30°和40°两种曲线的响应趋势基本一致，接触力在2 ms和5 ms时各出现1次峰值，且40°时接触力峰值几乎为30°的2倍。不同角度的模拟结果表明：质心加速度和颅脑压应力均在1～4 ms内达到峰值，因此在1～4 ms内分析颅脑压应力。

图17 碰撞接触力-时间响应曲线

图18 头部质心加速度-时间响应曲线

以安装角度20°为例进行分析。图 19为1～4 ms内颅脑内的压应力分布云图。1 ms时，头部接触挡风玻璃，之后颅内正压应力值不断增大，而负压应力达到峰值后趋于稳定，且该区域逐渐缩小。到3 ms时，正压应力在左右两侧海马沟回附近达到峰值，约为0.760 MPa，随后该区域附近出现负压应力峰值，为0.15 MPa。脑组织正、负压应力峰值随安装角度增大而增大。挡风玻璃安装角度为20°时响应变化规律与30°和40°时不同， 9 ms时，该区域附近出现负压应力峰值，约为0.276 MPa，如图20所示。

图19 不同时刻颅脑压应力分布云图

图20 颅脑负压应力峰值区域(t=9 ms)

在车速为10 m/s条件下，由不同安装角度对应头部损伤评价指标可知(见表4)：头部HIC值随挡风玻璃安装角度增大而增大，且增长趋势明显；40°时HIC值已高达2 380，安装角度的大小对头部的损伤程度影响显著；安装角度为20°时，HIC值减小到380，约为40°时的16%，头部发生颅脑损伤的风险有所降低。

表4 头部损伤评价指标

3.2.2不同碰撞速度下头部损伤分析

汽车与行人碰撞事故中，车速不同，行人头部的运动状态会发生不同变化。在挡风玻璃安装角度为20°的条件下研究不同车速对头部碰撞的生物力学响应。

不同车速下行人头部碰撞位置仿真如图21所示。当车速为7 m/s时，头部不会与挡风玻璃相撞；当速度为8 m/s时，头部与挡风玻璃相撞；当车速超过15 m/s时，头部会受到严重损伤。因此，选取车速8、10、15 m/s时进行研究。

图21 不同车速下行人头部碰撞位置

图22为安装角度20°时3种车速下头部与挡风玻璃接触力随时间变化的响应曲线，车速越高，头部碰撞接触力峰值越高，而接触力峰值持续时间相对减少。图23为3种车速下头部质心加速度-时间响应曲线。同样，头部质心加速度随车速正相关变化，头部质心加速度在2 ms时达到峰值，由于持续时间较短，头部HIC值未超过其损伤耐受极限。

图22 头部碰撞接触力-时间响应曲线

以安装角度20°及车速为15 m/s时为条件分析颅内压力分布。考虑到3种不同速度下，头部接触力峰值出现时间段为8～9 ms，头部质心加速度峰值出现时间段为2～3 ms，因此，列出两个时间段始末颅内压应力变化情况，如图24所示。

图23头部质心加速度-时间响应曲线

图24 不同时刻颅脑内压应力分布云图

从图24中可以看出：在2 ms时，左右两侧海马沟回附近出现应力集中；在3 ms时，该位置正应力达到峰值，为0.651 MPa；在4 ms时，峰值正压应力附近区域出现负压应力峰值，约为0.231 MPa，见图25。

图25 颅脑负压应力峰值区域(t=4 ms)

分析不同速度的头部损伤评价指标可知(表5)，头部损伤随车速呈正相关显著变化。车速为15 m/s时，头部HIC值接近耐受极限1 000。此条件下若调整安装角度为40°时，HIC值将增大4倍，同样说明安装角度对头部碰撞损伤影响显著。

表5 头部损伤评价指标

4 结束语

1) 建立了精细化人体头部生物力学模型，对比人体多刚体碰撞模型，精细化模型考虑头部各生物构造的力学特性，能精确模拟颅脑内的应力分布情况，反映头部碰撞时颅脑的损伤严重程度。该模型有助于研究汽车碰撞事故中行人的损伤风险和损伤机理，为汽车安全性技术改进提供参考。

2) 研究了挡风玻璃安装角度因素对头部碰撞损伤的影响，结果表明：头部损伤随挡风玻璃安装角度的增大而增大，呈正相关变化。若实例中挡风玻璃安装角度减小10°，头部HIC值减少58.4%，头部损伤风险显著降低。

3) 分析了车辆速度对头部碰撞损伤的影响。若挡风玻璃安装角度为20°，车速达到15 m/s时，头部损伤均接近耐受极限；而当车速降低到10 m/s时，头部HIC值减少59.1%，风险降低。头部HIC值与车辆速度同样呈显著性正相关变化。