基于事故再现的行人头地二次碰撞损伤机理分析

2023-03-17陈一凡

汽车实用技术 2023年5期

陈一凡，羊玢

（南京工程学院汽车与轨道交通学院，江苏南京 211167）

目前我国的汽车保有量在不断上升，更大的基数意味着更多的事故。在交通系统中，行人是最脆弱的，容易因事故伤亡，行人因交通事故死亡的比例最高，占死亡总人数的26%。2019年，道路交通事故万车死亡人数约1.80人，其中万车行人死亡人数约0.45人，占全年交通事故死亡总人数的25%[1]。为了减轻交通事故给社会带来的巨大经济和情感负担，研究大都致力于降低交通事故的频率和严重程度。传统的碰撞研究多采用人体模型模拟事故来对碰撞过程数据进行研究[2-5]。此外，也有从统计的角度对行人和自行车损伤进行了研究[6-8]。

全球道路安全报告中指出[9]，头部是行人发生事故时受到伤害最严重的部位，且受伤率高达30%。在事故中，行人头部主要受到与车辆的撞击，接着是与地面碰撞的二次伤害，二次伤害包括摔倒、在地上翻滚和撞击其他物体。一般情况下，虽然对行人头部造成严重伤害是与汽车的直接冲击碰撞，但据调查显示[10]，发生事故中只有约65%的情况是人头与车直接相碰，况且行人的头部直接撞击地面，也是产生严重的脑损伤的根本原因。目前国内外的研究主要集中在人车碰撞问题上，对人地碰撞问题的研究较少。因此，针对这一疏忽，有必要对行人头部撞击地面的损伤机理及相应的损伤风险进行更深入的研究。

通常情况下，实验大都采用多刚体模型来研究行人在碰撞过程中和碰撞后的动态响应[11-12]。KIERNAN等人[13]用多刚体模型与不同车型进行了碰撞模拟，研究发现，发动机罩越高的车型越容易发生人头与地面的直接碰撞。SHI等人[14]用多刚体模型进行多次的事故再现发现，研究车辆正面结构、车辆撞击速度、行人大小和步态对行人对地面撞击伤害风险的影响。然而，由于多刚体模型简单，因而很难获得头部损伤的具体生物力学参数。

有限元法已广泛地应用于汽车工程行业[12,15]。为获取更精准生物力学参数，有限元模型被用于头部与地面碰撞研究。LI等人[16]用六个月大的儿童颅脑的有限元模型模拟真实的头部落地情况，所得参数与实际参数有良好的吻合度，并指出头部与地面的高度差和地面的刚度对二次跌地碰撞的影响。TAMURA等人[17]使用有限元方法重建了地面碰撞，研究表明，以后研究的重点应放在行人接触地面引起的持续性创伤性脑损伤（Trauma- tic Brain Injury, TBI）。王聪[18]模拟人头有限元模型从各种角度跌落在地面上，探究人头不同着落面对颅脑的损伤状况。

综上所述，各学者主要对车辆行人碰撞和行人头部落地损伤进行了研究。对于前者，研究主要采用多刚体模型方法，然而，基于多刚体实验的局限性在于难以获得具体的头部生物力学参数，很难分析出头部损伤的具体机制。后者采用有限元分析方法研究了不同高度、角度等状况下头部坠地造成的损伤，但没有结合实际中车辆行人碰撞事故的研究。因此，本文将上述两种方法结合起来，基于现实中车辆行人碰撞事故再现的行人头部落地损伤机理进行研究。

本文的意义在于为车辆行人碰撞事故中行人头部落地损伤提供了一套可行的研究方法。具体来说，通过多刚体模型再现事故得到碰撞参数，在此基础上用有限元模型进行行人头部落地损伤分析。该方法能够有效地再现事故现场，判断头部损伤程度，分析损伤机理，探究应力波的传播方式，为进一步研究行人头部保护和改善车辆前部形状提供参考。

1 基于PC-Crash的事故再现与分析

本节以实际事故为例，利用PC-Crash软件对碰撞过程进行仿真，并对碰撞过程进行运动学和动力学分析。

1.1 事故概述

事故现场草图如图1所示。一辆面包车在最左车道直线行驶，与道路中间穿越绿化带的行人相撞。碰撞后，行人最终倒地，停在车辆前方。事故发生后所测刹车印迹为10.6 m，被撞行人距车辆11.3 m，行人抛距为19 m。这名行人最终死于前额粉碎性骨折和严重的颅脑损伤。

图1 事故现场草图

车辆的损坏情况如图2所示。副驾驶前侧挡风玻璃严重碎裂并向内凹陷，右侧引擎盖内陷，右前照灯玻璃破碎。

图2 车辆损坏图

1.2 速度计算

碰撞时面包车速度根据能量守恒定理计算：

式中，s为面包车紧急制动刹车印迹；m为面包车质量；φ为道路附着系数；i为坡度；g为重力加速度；故碰撞瞬间面包车速度v0为43.4 km/h。

根据事故监控计算出行人碰撞瞬间速度为1.4 km/h。

1.3 运动分析

碰撞时面包车设置好面包车和行人的各项参数并调整好碰撞位置和行人姿态。

仿真结果表明，面包车碰撞速度为44 km/h时，行人抛距离为19.5 m，与所采集数据基本一致。面包车刹停位置和行人落地位置也与事故现场情况吻合，如图3所示。

图3 模型仿真位置

碰撞后行人的姿态如图4所示。当t=0.025 s时，行人右小腿即将与前保险杠发生碰撞；当t=0.098 s时，行人的髋骨和上半身与面包车引擎盖发生碰撞，导致引擎盖内陷；行人头部撞击挡风玻璃，造成挡风玻璃严重碎裂并向内凹陷，行人严重脑损伤。t=1.200 s时，行人头部正面与地面相撞，造成二次脑损伤；t=2.448 s时，车与人完全静止。结果表明，面包车损坏程度与实际情况基本一致，该模型较好的进行了事故再现。

图4 碰撞后行人运动姿态

由图5可知，当行人头部正面与地面相撞，接触力为4262 N，瞬时速度为11.11 m/s，冲击方向与地面夹角为87˚。

图5 头部接触力和速度曲线

2 行人头部落地损伤的有限元分析

建立人头有限元模型，通过各项生物力学参数对行人颅脑损伤机理展开研究，同时观察压力波在行人头部的传播过程。

2.1 头部有限元建模

为了获得人体头部的断层图像，对50百分位成年男性的头部进行计算机断层扫描（Computed Tomography, CT）和磁共振成像扫描（Magnetic Resonance Imaging, MRI）。首先对图像进行预处理，将图像导入Mimics中，获取点云数据，通过参数化处理生成曲面；接着在拟合曲面前，进行检测并去除缺陷点；最后利用B样条曲线拟合曲面生成三维几何模型，所建立的三维模型主要包括颅骨、面骨、软骨、牙齿、脑膜、大脑、小脑和脑脊液。

获得三维模型后对模型进行网格划分，将其导入到HyperMesh中，将单元体类型设置为线性六面体单元，将模型导入ABAQUS中定义骨骼组织和脑组织的材料属性参数[19]，所建立的模型共包含403176个单元。

2.2 仿真与结果分析

首先建立具有固定边界条件的路面模型，然后设置头部模型前额跌地碰撞的速度及角度，并完成其他结果的输出设置。图6为头部前额跌地碰撞图。

图6 头部前额跌地碰撞图

图7为行人额头落地时颅内压随时间的变化曲线。发生碰撞时，行人前额碰撞处的颅内压为正，这是因为惯性作用而导致的颅骨与脑组织相互挤压，碰撞侧正压峰值为363 kPa。而在碰撞对侧的颅内压力为负，这是因为该处的脑组织与颅骨相互分离，碰撞对侧的负压峰值为-147 kPa。WARD等人[20]研究表明，当成人头部颅内压大于235 kPa时，会导致严重的脑损伤，这与事后医学报告中行人头部有严重脑损伤的情况是一致的。

图7 头部前额跌地碰撞时颅内压随时间的变化曲线

由图8可以看出，当t=3.0 ms时，由于地面阻碍人头运动而在碰撞处出现应力。当t=4.0 ms～6.0 ms时，碰撞处的应力随时间越来越大，应力开始从碰撞处向四周传播，其中一部分应力在颅骨传播，上至颅顶骨区域，向下到达眉间，额骨眶部等区域，并继续向额眶面、筛状板和颌面部骨撕裂处扩散，由于这些部位形状几何形状变化明显，故出现应力集中。当t=6.0 ms时，颅骨碰撞处的von Mises应力出现最大值，其等效应力448 MPa。根据MCELHANEY等人[21]提出的当von Mises应力超过75 MPa时，额骨将发生断裂，所以，在这种情况下，行人会出现比较严重的额骨骨折，这与事后医学报告中行人额骨粉碎性骨折相符合，此外额骨骨折也会引起硬脑膜血肿。

图8 应力波在头部的传播和分布

而碰撞处的另一部分压力则经由颅骨和脑组织的连接处传播到大脑。由于应力波传播过程中产生能量损耗，因而耦合处脑组织的von Mises应力远小于颅骨接触处的von Mises应力。由图8的应力波在脑组织传播情况可以看出，当t=4.0～ 6.0 ms，耦合处的应力随时间越来越大，且开始从耦合处向四周辐射。在脑组织额叶处和胼胝体处都出现了应力集中现象，而由于碰撞引起人脑和颅骨产生相对运动，与颅骨接触的颅底组织产生大范围的应力集中。当t=6.0 ms时，脑组织在与颅骨耦合处出现最大von Mises应力为99.76 kPa。而根据BAUMGARTNER等人[22]的理论：当脑组织von Mises应力超过38 kPa时，人会因为严重的脑损伤而死亡，被撞行人也死于严重脑损伤，从而得出有限元仿真的真实有效性。

综上所述，从仿真人头额部撞地所得的应力波的传播和分布情况可以得出，应力波从碰撞处开始，沿颅骨和脑组织向各个方向传播，从而使颅骨和脑组织受到不同程度的损伤。应力波的传播主要有两方面，一方面是来从颅骨碰撞处向四周传播直到碰撞对侧，其中应力集中出现在颅骨碰撞处和颅骨附近形状变化较大的骨骼组织上的；另一方面是从碰撞处的脑组织与颅骨耦合处向四周传播直到碰撞的另一侧，应力集中在碰撞处的脑组织和颅底。当应力波传播到颅脑耦合时会发生衰减，即撞击部位颅骨的von Mises应力明显高于撞击部位脑组织的von Mises应力，这与何黎民等人[23]的研究结果一致。结合仿真结果和行人头部的实际损伤情况，从而得出应力集中可能是头部落地损伤的一种损伤机制这一结论。