基于有限元模型的汽车-行人碰撞事故重构研究

贺丽娟，李海岩，李 浩，万春友，崔世海，吕文乐，阮世捷

（1.现代汽车安全技术国际联合研究中心，天津300222；2.天津科技大学机械工程学院，天津300222；3.天津市天津医院，天津300222）

随着全球的机动车数量不断增多，不止是各种家庭用车数量急剧增加，其他用途的车辆也越来越多。如今快递、物流行业发展迅猛，各种类型的货车使用量在增加，我国每年涉及货车的交通事故多达1 万起，造成重大经济损失，这已经成为一个不容忽视的问题。倒车过程中的驾驶员视线盲区要比正向行驶过程中大得多，近几年的新闻报道中，倒车时发生的事故屡见不鲜。货车同普通家庭用车相比，车身更大，盲区更大，整备质量更大，制动更慢。因此，货车在倒车过程中更容易发生事故，对该类型事故进行分析有重要意义。计算人体模型，特别是详细的有限元模型，适用于人体运动响应和损伤机理的研究。

关于事故重构，国内外有许多相关研究。郑志博等基于人为因素分析与分类系统（the Human Factors Analysis and Classification System，HFACS）模型研究了我国货车运输行业交通事故的致因因素以及各因素之间的关系。蒋阳等基于真实的人-车碰撞案例，采用多刚体模型实现了事故重构以及准确性验证。STEFFAN 等将PC-Crash 软件中的汽车和环境模型与MADYMO 软件中提供的人体模型相结合，实现了交通事故中的行人运动学仿真。PC-Crash 软件可以基于碰撞发生的轨迹和碰撞模型完成对车辆动力学的离散动力学-时间正演模拟，用于预测车辆碰撞前和碰撞后轨迹的三维运动学。PC-Crash虽然能很好地获得车辆碰撞的运动学信息，但无法获得事故中车身的变形信息。张晓云等基于多刚体-有限元耦合的人体下肢模型实现了交通事故重构并分析了行人下肢损伤情况。李海岩等基于TUST IBM 6YO 行人模型探究了汽车碰撞角度对头部损伤的影响。LI Haiyan 等根据碰撞损伤研究与工程网络（Crash Injury Research and Engineering Network，CIREN）数据库提供的事故数据，采用有限元方法模拟了真实的车-树碰撞事故，分析了影响仿真结果的参数，如初始碰撞速度、碰撞方向和车辆的初始碰撞位置。通过将模拟的车身变形和运动学信息与事故报告进行匹配来确定参数。这些结果表明，有限元模拟不仅可以帮助事故的重建和调查，还可以帮助分析事故中对人体造成的伤害。

1 真实事故描述

由某医院骨科提供了一起事故案例，伤者在指挥质量为2 000 kg 的某型货车（图1）倒车时处于驾驶员的盲区位置，因货车速度较快，伤者没有做出反应进行躲避，被货车的后保险杠撞伤。撞击位置为右腿小腿，伤者胫骨、腓骨均出现两段骨折，驾驶员对货车进行了及时制动，没有对伤者造成二次伤害，伤者右腿小腿部位扫描的CT 图如图2 所示。由于事故现场没有监控摄像，事故车辆无行车记录仪等记录设备，无法给出准确的碰撞速度、碰撞角度等在有限元仿真中必要的加载条件，只能根据当事人和目击者的回忆描述，车速约为30 km/h左右。

图1 事故货车车型

图2 伤者CT扫描图

由撞击位置和骨折部位可知，骨折是由直接暴力造成的。由伤者的CT 扫描图可知，造成胫骨骨折的是主要暴力，且力度较大，因此，在这种情况下腓骨是跟胫骨在同样的暴力下骨折的。伤者有两处主要骨折线，靠近膝关节的为近端。近端造成骨折的暴力方向为从内侧偏前部位向外侧。远端骨折暴力作用点为骨折线，方向为由后向前，同时在暴力作用时由于小腿后侧肌群强力收缩，造成骨折向前成角。骨折的移位也是暴力以及肌肉收缩力同时作用后形成的复合移位。因此，在通过伤者的受伤情况来分析碰撞角度和碰撞速度时，要以分析胫骨骨折线为主，同时要考虑碰撞后肌肉拉力对骨折相对位置的影响。

2 事故重构

根据伤者回忆，货车与下肢相碰撞的只有后保险杠部分，通过对其损伤情况的分析也证实了货车的其他部分影响较小，因此，将货车模型简化，只保留后保险杠部分，将货车其它部分的质量加载在简化车架处。简化后的保险杠部分由一根横梁、两根支撑梁及其中间连接的一部分车架组成（图3）。货车后保险杠部分都是薄壁件，所以在绘制三维几何模型时，每一部分都绘制成由多个没有厚度的面连接而成的薄壁件，绘制过程中将车架保留部分、支撑梁部分和横梁部分绘制在3 个图层中，便于在几何面上画网格和赋予材料。绘制完成后，检查连接处是否有缝隙，保证几何模型连接为一体。HyperMesh 虽然能导入包括CATIA、UG、PROE 等三维软件的格式，但HyperMesh 的有限元模型文件与基于NURBS 的文件格式IGES 兼容度最高。因此，在完成几何模型后导出为iges 或igs 格式文件，用Import Geometry 将保险杠几何模型导入HyperMesh中划分网格，另存为.hm格式的文件。

图3 货车后保险杠简化有限元模拟图

2.1 仿真条件设置

伤者小腿长为371 mm，第50 百分位人体小腿长为369 mm，对比发现伤者下肢尺寸基本满足第50 百分位的人体尺寸，所以本文选用第50 百分位行人下肢有限元模型进行仿真计算。该下肢有限元模型是自建，是基于CT 数据所构建的具有真实解剖学结构的下肢有限元模型。

行人站姿有限元模型中的骨骼松质骨、肌肉及脂肪等结构采用六面体实体单元模拟，骨骼密质骨、韧带、皮肤等结构采用壳单元模拟，其节点和单元数量分别为248 624 个和250 283 个。货车后保险杠简化有限元模型采用壳单元模拟，其节点和单元数量分别为10 088 个和9 995 个。行人站姿有限元模型与货车后保险杠简化有限元模拟图相比更为复杂，因此，选择将保险杠模型导入到行人模型中。两个文件整合到一起后，检查两个模型是否因导入出现模型中网格变形，两个component 因编号重复会出现变化，调整两者的相对位置和相对角度，给后保险杠赋予如表1 中的材料参数，并将货车其他部分的质量加载在支撑横梁处，在竖直方向（轴）施加完全约束，使其不会因加载的集中质量和重力场的作用而向下移动。

表1 货车后保险杠基本材料参数

图4 是具有详细解剖学结构的第50百分位男性行人下肢有限元模型和保险杠简化有限元模型在导入Pamcrash 环境后建立的有限元仿真模型，在Pamcrash中设置行人模型与后保险杠模型之间的相互接触、脚底与地面之间的接触，在整个仿真过程中施加重力场。

图4 有限元仿真模型

2.2 仿真结果与讨论

在本次事故重构中，缺乏碰撞角度和碰撞初速度两个重要条件的准确值。根据当事人提供的信息并结合伤者的CT 扫描图可以大致有一个范围，使用这个范围的阈值进行仿真计算。在每次仿真后对结果进行分析，在下一次模拟中调节阈值，经过多次的仿真试验，找到这两个因素符合该事故结果的范围。模拟撞击后得到的结果（图5）与伤者的CT扫描图近似的情况为：后保险杠与人体冠状轴方向（整体坐标轴轴方向）夹角为62～71°，速度为28～35 km/h 。这个结果表示在该人体有限元模型中，设定的材料参数在此速度和相对角度范围内的碰撞结果与事故的伤者损伤情况相符，并不能表现出人类的个体差异性。通过有限元仿真进行碰撞事故的模拟，可以得出在设定的撞击条件下出现的损伤情况，或者反推出碰撞时汽车处于何种工况。

图5 碰撞模拟结果

3 基于人体有限元模型的事故重构方法

通过本次事故模拟和查阅有关模拟碰撞的文献，对有限元仿真模拟碰撞事故的方法进行了总结，仿真模拟的流程如图6所示。

图6 汽车-行人碰撞事故模拟仿真流程

相关信息收集是模拟的第一步也是最重要的一步，重要信息的缺失会导致有限元模拟开展困难甚至无法模拟，信息的错误会使仿真难以与真实情况对标，模拟计算进入“死循环”。需要收集的信息主要是车辆类型信息（品牌、型号、碰撞时的整备质量）、行人的外形信息（性别、身高、体重、体型）、汽车外形变形情况、碰撞角度、碰撞速度、地面摩擦因数、车辆与行人各自的碰撞位置、行人的碰撞时的姿势、摩擦因数（汽车轮胎与地面之间的和行人鞋底与地面之间的系数）等在建立有限元模型过程中必需的信息，主要方式是通过行车记录仪、街道摄像头等设备的视频资料，当事人和目击者的描述，有关部门经过现场勘查得到的事故报告、事故后留下的痕迹、伤者的损伤情况等。足够精确的初始条件是指能在有限元软件中需要输入的初始条件能够完整地模拟一起事故。仿真计算完成并得出结果后，在判断仿真结果与事故结果和伤者损伤情况对比是否一致时，主要比较韧带和骨骼的损伤，韧带撕裂和骨折是在汽车-行人碰撞中行人下肢最常见的两种损伤形式，此外，软骨挫伤也可以通过查看软骨处的应力大小来判断。当仿真结果与事故结果和伤者损伤情况不一致时，需要分析两者出现差异的主要问题是哪一个加载条件差异导致的。例如，当下肢骨折程度差异较大（没有发生骨折、轻微骨折、粉碎性骨折或者骨折更严重、骨折段数不等）时，则是速度的大小与真实情况存在较大差异的可能性较大，差距十分大时还要注意检查人体有限元模型的材料参数是否有错误。当骨折发生位置与真实情况不一致（包括骨折位置距离脚底的高度、骨折的方向）时，则要考虑撞击角度和撞击高度以及行人在发生碰撞时的姿态问题。需要注意的是：在分析各种加载条件的影响时，要排除对本次模拟没有影响的条件。例如在这个案例中，货车后保险杠横轴方向的材料和形状是一样的，因此，行人碰撞在后保险杠横轴方向的位置在本案例中是没有影响的。

当信息不足时，要反复将模拟计算与真实情况进行比对，得到的结果不需要提取详细数据，只是查看模拟计算结果是否与真实损伤一致。因此，可以将输出的时间步长调整得较大一些，这样可以提高计算效率，更快得到与真实事件相符的试验条件。总之，根据具体情况调整两项数值，既可以增大两者的数值使输出的数据变少，计算的时间跨度变大，计算效率加快，还可以输出理想的数据信息。

需要注意的是，通过这种方法得到的结果往往是一个加载条件的范围，不会得到确切的值。而且可能存在与真实情况不符的情况，这往往是因为信息错误、加载的设置、接触的设置等导致的，需要相关人员认真分析并查找原因。

4 结论

本文主要针对一起厢式货车倒车时与行人碰撞的案例，利用HyperMesh 和Pamcrash 建立的第50百分位行人下肢有限元模型模拟还原这起事故。通过本次事故的仿真和有关参考文献的查阅，总结了有限元仿真模拟汽车-行人碰撞事故的方法。通过将模拟得到的行人损伤情况和医院给出的伤者诊断结果进行匹配来确定初始参数。分析了影响仿真结果的参数，如初始碰撞速度、碰撞方向和车辆的初始碰撞位置。通过伤者的受伤情况来分析碰撞角度和碰撞速度时以分析胫骨骨折线为主，同时考虑碰撞后肌肉拉力对骨折相对位置的影响。基于人体有限元模型，模拟行人在交通事故中的受伤机制，对汽车被动安全设计和行人保护提供了基础数据。