汽車內(nèi)兒童乘員致傷原因研究方法

王宏雁，潘曙明，曹清清

（1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海201804；2.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院急救中心，上海200092）

兒童道路交通傷害是全球關(guān)注的問題，據(jù)公安部交通管理局的《道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)》顯示，2008年在中國交通事故中死亡的12歲以下兒童總?cè)藬?shù)為3 477人，受傷12 765人，其中1～6歲兒童死亡人數(shù)是2 116人，受傷6 350人［1］.研究表明，兒童約束裝置的使用能大大降低兒童乘員在交通事故中所受的傷害.許多國家都立法強(qiáng)制兒童乘員必須使用兒童安全座椅.因此國外對(duì)兒童乘員安全性的研究主要集中在兒童安全座椅的設(shè)計(jì)優(yōu)化及兒童安全座椅的誤用等方面.但是在我國對(duì)兒童乘車安全性的認(rèn)識(shí)和研究才剛剛起步.兒童安全座椅的使用率極低，兒童乘員所面臨的交通傷害更加嚴(yán)峻.因此，基于我國絕大部分兒童乘員不使用任何約束裝置的現(xiàn)狀，有必要研究?jī)和谂鲎策^程中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和傷害，為兒童乘員交通傷害損傷機(jī)理的研究提供依據(jù).本文在參考國外對(duì)車內(nèi)成人乘員動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合我國兒童乘員的乘車現(xiàn)狀和道路交通事故形態(tài)特點(diǎn)，分析了一起典型的碰撞事故中兒童的動(dòng)態(tài)響應(yīng).并且在此基礎(chǔ)上，結(jié)合尸檢報(bào)告和兒童醫(yī)學(xué)專家專業(yè)知識(shí)等信息對(duì)兒童乘員的致傷原因做了定性的分析.

1 分析方法

本課題研究方法采用PC－Crash模擬計(jì)算獲得事故中車輛的運(yùn)動(dòng)過程，再結(jié)合MADYMO 軟件計(jì)算得到兒童假人在事故中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和載荷.

PC－Crash是采用動(dòng)量沖量法的事故再現(xiàn)軟件［2］.可根據(jù)碰撞車輛的參數(shù)、事故現(xiàn)場(chǎng)道路環(huán)境參數(shù)、碰撞前后車輛的行駛方向和最終位置、制動(dòng)痕跡和運(yùn)動(dòng)參數(shù)等信息重構(gòu)事故過程.運(yùn)用PCCrash模擬車輛運(yùn)動(dòng)，乘員的質(zhì)量是作為額外的質(zhì)量加入車體中的.由于采用經(jīng)典碰撞模型來計(jì)算，車輛的變形沒有考慮在內(nèi)，默認(rèn)碰撞力的交換發(fā)生在無限小的時(shí)間段內(nèi).輸出結(jié)果為車輛隨時(shí)間變化的速度和加速度曲線以及碰撞前后的運(yùn)動(dòng)軌跡.

MADYMO 是采用多剛體動(dòng)力學(xué)法進(jìn)行模擬乘員運(yùn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和載荷的軟件，在運(yùn)用MADYMO模擬時(shí)，一般以碰撞脈沖作為邊界條件.因?yàn)楹雎粤塑圀w碰撞變形的接觸時(shí)間，PC－Crash的輸出結(jié)果并沒有如實(shí)描述車輛的運(yùn)動(dòng).實(shí)際交通事故車輛所受的各自由度的碰撞脈沖需要通過實(shí)車碰撞試驗(yàn)獲得，在采用有限元法模擬計(jì)算時(shí)，也需要詳細(xì)的、被驗(yàn)證過的車輛有限元模型，而這些在事故再現(xiàn)分析時(shí)不可能做到.因此H Steffan等人提出了平均加速度法［3］，對(duì)PC－Crash輸出的速度曲線進(jìn)行處理.平均加速度大小取決于添加碰撞接觸時(shí)間段的長度.如圖1 所示，PC－Crash中默認(rèn)碰撞持續(xù)時(shí)間為零，即無實(shí)際碰撞持續(xù)時(shí)間.通過插入不同長度的碰撞持續(xù)時(shí)間模擬計(jì)算得到的假人頭部和胸部加速度值與實(shí)車碰撞試驗(yàn)的結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)當(dāng)插入的時(shí)間長度是實(shí)際碰撞持續(xù)時(shí)間的60%時(shí)，與實(shí)車碰撞試驗(yàn)的結(jié)果最符合.

圖1 不同碰撞持續(xù)時(shí)間的速度曲線圖Fig.1 Velocity curves of different impact duration times

但是，在實(shí)際交通事故中，碰撞持續(xù)時(shí)間隨著不同車速、不同碰撞工況和不同車輛等變化條件而變化，無法直接獲得或者簡(jiǎn)單地推算得出.這給該方法的運(yùn)用造成了一定的難度.同時(shí)，該方法中模擬的都是正確使用安全帶的成人駕駛員，并沒有模擬乘員與車體內(nèi)部的碰撞接觸載荷，車體內(nèi)部模型也不具體.

本課題研究所選取的是1例兒童乘員傷害的典型交通事故案例.兒童乘員沒有使用任何約束裝置，兒童與車體內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生碰撞，因此在MADYMO 中需要建立更為詳細(xì)的車體內(nèi)部模型.由于缺乏事故實(shí)際碰撞接觸持續(xù)時(shí)間信息，在PCCrash與MADYMO 之間傳遞參數(shù)時(shí)初步選擇了一個(gè)持續(xù)時(shí)間段，通過分析MADYMO 輸出的兒童假人的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和傷害值，得到對(duì)其傷害的初步認(rèn)識(shí)，并對(duì)致傷原因做出初步分析.考慮車輛碰撞持續(xù)時(shí)間的不確定性，選擇了不同碰撞持續(xù)時(shí)間進(jìn)行模擬，并比較了它對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，通過對(duì)比兒童假人的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及傷害值，比對(duì)尸檢報(bào)告，便可得到致傷原因的定性結(jié)論.

2 事故再現(xiàn)

2.1 事故描述

車輛沿著公路由東向西行駛至路口左轉(zhuǎn)時(shí)失控，車頭撞到路邊的行道樹.副駕駛位置坐一名6歲兒童，未使用任何約束裝置，因顱腦損傷，經(jīng)醫(yī)院搶救無效死亡.成人駕駛員沒有受傷.車體內(nèi)部沒有嚴(yán)重變形和損壞.

2.2 車輛碰撞運(yùn)動(dòng)響應(yīng)速度計(jì)算

根據(jù)事故車輛實(shí)際情況設(shè)置車輛的幾何、質(zhì)量參數(shù)，在PC－Crash中建立車輛碰撞的2維模型；根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)的道路環(huán)境，設(shè)置道路摩擦因數(shù)、路階等環(huán)境參數(shù)；參考駕駛員口述車輛速度等信息，調(diào)整車輛初始速度、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等相關(guān)參數(shù)，使得計(jì)算模型中的事故車輛最終停止位置與實(shí)際事故中的停止位置吻合.事故再現(xiàn)的結(jié)果如圖2所示.

圖2 PC－Crash再現(xiàn)的車輛碰撞過程圖Fig.2 Impact procedure reconstructed by PC－Crash

輸出車輛質(zhì)心處x和y方向的速度（vx，vy）—時(shí)間曲線，以及質(zhì)心處繞z軸的角速度（ωz）—時(shí)間曲線，如圖3所示.速度突變發(fā)生在1.020～1.021s這1ms的時(shí)間步長內(nèi)，碰撞力交換也發(fā)生在其間.

2.3 碰撞持續(xù)時(shí)間計(jì)算

選取速度發(fā)生突變的時(shí)刻，也就是PC－Crash計(jì)算的碰撞力交換時(shí)間，作為車輛碰撞持續(xù)時(shí)間的插入點(diǎn).根據(jù)PC－Crash的計(jì)算結(jié)果，車輛與行道樹發(fā)生碰撞時(shí)車速大約在30km·h－1.參考《汽車碰撞基本規(guī)律研究中》指出的碰撞相對(duì)車速與碰撞持續(xù)時(shí)間的關(guān)系［4］，再結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，初步假設(shè)需要添加的碰撞持續(xù)時(shí)間為60ms.運(yùn)用平均加速度法，在加速度—時(shí)間曲線上速度發(fā)生突變的時(shí)間延長，加入60ms的平均加速度的值根據(jù)動(dòng)量定理公式ax＝ΔIx／mt和ay＝ΔIy／mt求得.其中，ax，ay為車輛在x和y方向上的加速度；ΔIx及ΔIy為碰撞后車輛在x和y方向上動(dòng)量變化量；m為車輛質(zhì)量；t為插入碰撞持續(xù)時(shí)間.加入了平均加速度的曲線，如圖4所示，就是采用MADYMO 軟件進(jìn)行乘員運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算的初始邊界條件.

圖3 車輛質(zhì)心處速度曲線Fig.3 Velocity curves of center of gravity

圖4 加入60ms碰撞持續(xù)時(shí)間后的加速度曲線Fig.4 Acceleration curve of 60ms duration impact time

2.4 兒童乘員運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算

利用MADYMO 軟件，建立車體幾何及材料模型.采用混合Ⅲ型6歲兒童假人.根據(jù)事故記錄，事故時(shí)兒童正向坐在副駕駛位置用早餐.因此設(shè)置兒童假人的乘坐姿勢(shì)為正向坐在副駕駛位置上，并進(jìn)行初始定位，定義接觸，車體質(zhì)心處加載x和y方向的加速度曲線以及繞z軸的角加速度曲線.

計(jì)算得到假人的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖5 所示.兒童下頜先撞到儀表板上部，繼而是胸部和頭部與儀表板前部碰撞，其后兒童向后彈離.從假人各部位的加速度曲線（圖6）可知，兒童頭部加速度最大峰值出現(xiàn)在下頜與儀表板撞擊的時(shí)刻，HIC36（head injury criterion，頭部損傷準(zhǔn)則，計(jì)算時(shí)間間隔為36ms）值高達(dá)6 323；胸部上部加速度最大峰值達(dá)到出現(xiàn)在假人胸部與儀表板撞擊后擠壓變形較大的時(shí)刻，T3ms（torax 3ms，胸部3ms加速度值）為346m·s－2.因此兒童頭部受到嚴(yán)重傷害的風(fēng)險(xiǎn)很高.初步分析得出，胸部撞擊不會(huì)對(duì)兒童造成很大傷害，而下頜與儀表板的撞擊會(huì)對(duì)兒童頭部造成嚴(yán)重的傷害.

2.5 碰撞接觸持續(xù)時(shí)間影響分析

分別選取50和70 ms時(shí)間段作為碰撞持續(xù)時(shí)間，處理得到2種不同的MADYMO 邊界條件，探討其對(duì)兒童乘員動(dòng)態(tài)響應(yīng)和傷害程度的影響.

圖5 60ms碰撞持續(xù)時(shí)間兒童假人的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程圖Fig.5 Occupant responce of 60ms impact duration time

圖6 60ms碰撞持續(xù)時(shí)間兒童假人的頭部和胸部加速度曲線Fig.6 Head and thorax acceleration curves of 60ms impact duration time

通過圖7比較發(fā)現(xiàn)，不同碰撞接觸持續(xù)時(shí)間下，假人各部位與車體發(fā)生碰撞的時(shí)刻稍有差異.碰撞持續(xù)時(shí)間越短，車輛碰撞脈沖的加速度值越大，假人頭部與儀表板發(fā)生碰撞的時(shí)刻越早，胸部發(fā)生碰撞的時(shí)刻也相應(yīng)提前.從加速度曲線來看（圖8），不同持續(xù)時(shí)間下，碰撞持續(xù)時(shí)間越短，頭部加速度峰值的時(shí)刻越早，峰值越大.但碰撞接觸持續(xù)時(shí)間對(duì)假人與車體發(fā)生碰撞的部位和先后順序沒有影響.雖然模擬計(jì)算得到的兒童傷害值大小有待進(jìn)一步驗(yàn)證，3組仿真試驗(yàn)得到的胸部T3 ms 值都在FMVSS（american federalMotor vehicle safety satands，美國聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全標(biāo)準(zhǔn)）213法規(guī)的限制范圍內(nèi)，而頭部HIC36值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出法規(guī)的限制.可見，碰撞持續(xù)時(shí)間雖然存在一定的不確定性，但是在小范圍內(nèi)的變化對(duì)兒童假人與車體發(fā)生碰撞的部位、順序和假人的傷害值不會(huì)有本質(zhì)的影響.

圖7 不同碰撞持續(xù)時(shí)間試驗(yàn)的頭部碰撞時(shí)刻Fig.7 Head impact moments of different duration time

圖8 頭部加速度曲線Fig.8 Head accerlaration curves

2.6 兒童傷害及致傷原因分析

通過事故再現(xiàn)分析可得，在這起事故中兒童乘員因乘坐在副駕駛位置上，并且沒有采取任何約束與保護(hù)措施，使其在車輛發(fā)生碰撞的過程中因慣性脫離座椅，下頜與儀表板發(fā)生劇烈撞擊，對(duì)顱腦造成致命傷害；其胸部也撞擊到儀表板，但是對(duì)兒童胸部造成的傷害并不大，是因?yàn)閮和夭康睦吖潜容^柔軟，利于通過變形分散碰撞能量.這與尸檢報(bào)告中顯示的傷害主要為頭部下頜處青紫，致命傷害為重度顱腦損傷相符.

3 結(jié)語

重現(xiàn)道路交通事故中乘員的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和傷害可以運(yùn)用動(dòng)量沖量法的PC－Crash 軟件與多剛體MADYMO 軟件耦合計(jì)算的方法，它能大大簡(jiǎn)化實(shí)際道路交通事故再現(xiàn)的難度，尤其是對(duì)車內(nèi)乘員運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和傷害程度的定性分析有非常大的幫助.平均加速度法是在PC－Crash與MADYMO 之間進(jìn)行參數(shù)傳遞時(shí)行之有效的處理方法.在碰撞持續(xù)時(shí)間無法獲得的情況下，可以根據(jù)已有的研究成果及工程經(jīng)驗(yàn)來選擇碰撞持續(xù)時(shí)間進(jìn)行仿真計(jì)算和定性分析.仿真結(jié)果結(jié)合兒科專家的醫(yī)學(xué)專業(yè)知識(shí)以及兒童傷亡資料，能較好地定性分析兒童乘員交通傷害的致傷原因.

［1］ 公安部交通管理局.中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)（2008年度）［R］.北京：公安部交通管理科學(xué)研究所，2009.Traffic Management Bureau of Ministry of Public Security of the People’s Republic of China.Road traffic accidents statistic report of the People’s Republic of China（2008）［R］.Beijing：Traffic Management Scientific Institute of Ministry of Public Security，2009.

［2］ Steffan H，Moser A.The collision and trajectory models of PCCrash ［R ］. Detroit： International Congress ＆Expostition，1996.

［3］ Geigl B C，Hoschopf H，Steffan H，et al.Reconstruction of occupant kinematics and kinetics for real world accidents［J］.International Journal of Crashworthiness，2003，8（1）：17.

［4］ 劉學(xué)術(shù)，宋振寰，于長吉.汽車碰撞基本規(guī)律研究［J］.天津汽車，2004（3）：22.LIU Xueshu，SONG Zhenhuan，YU Changji.Study on basic principle of vehicle crash［J］.Tianjin AUTO，2004（3）：22.