基于年齡的腿骨折范圍的人車碰撞事故仿真分析*

王 強(qiáng)，崔志華

（河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校汽車工程系，河南 新鄉(xiāng) 453000）

1 引言

行人碰撞多體仿真一直在廣泛應(yīng)用并不斷改進(jìn)以增強(qiáng)行人保護(hù)［1］。此外，一種非均質(zhì)方法也一直被用來(lái)研究車輛剎車時(shí)的動(dòng)態(tài)行為，研究車輛前端的非均質(zhì)剛性及事故涉及的行人的變化性。本文提出一種結(jié)構(gòu)化的方法用于構(gòu)筑行人事故模型。這種模型精確考慮此類仿真中車輛的特點(diǎn)以及與行人對(duì)某些傷害忍受能力有關(guān)的種種特點(diǎn)。

2 構(gòu)筑仿真模型的方法

2.1 車輛模型的幾何結(jié)構(gòu)和剛性

車輛幾何結(jié)構(gòu)及剛性決定了事故中行人的運(yùn)動(dòng)學(xué)。將車輛幾何學(xué)應(yīng)用于多面體表面可以精確定義車輛的前端的幾何結(jié)構(gòu)。為獲得前端的幾何結(jié)構(gòu)，對(duì)與事故車輛相同的車輛進(jìn)行了3D掃描，獲得了車輛前表面的仿樣函數(shù)。將其錄入CAD轉(zhuǎn)換成表面并網(wǎng)狀化移入MADYMO，如圖1所示。

圖1 獲得車輛網(wǎng)狀的掃描過程

該網(wǎng)狀不同部分的剛性被用作力偏轉(zhuǎn)形式中的接觸特征。為解釋這些特征，從EuroNCAP行人分系統(tǒng)對(duì)Martinez(2007a)的保險(xiǎn)杠、引擎蓋和擋風(fēng)玻璃基部測(cè)試中獲得的剛性走廊被用來(lái)繪制各車輛前端不同部分的剛性。這些走廊確定了在EuroNCAP行人議定書中應(yīng)用的三個(gè)等級(jí)的平均力偏轉(zhuǎn)曲線。因此，對(duì)保險(xiǎn)杠、引擎蓋前部、中間和后部以及擋風(fēng)玻璃基部推薦了一個(gè)平均紅、黃、綠力偏轉(zhuǎn)特征。為沿車輛前端應(yīng)用這些接觸特征，由EuroNCAP對(duì)其所測(cè)車輛繪制的等級(jí)圖被用作找出與其響應(yīng)的EuroNCAP測(cè)試區(qū)的各接觸特征的向?qū)?。采用此種方法，每輛車可以繪制出60個(gè)各具正確局部剛性估計(jì)的不同的區(qū)域。

考慮到EuroNCAP行人測(cè)試未包括區(qū)域，基本上也就是擋風(fēng)玻璃中部及A柱，這兩個(gè)區(qū)域采用Mizuno(2000)獲得的數(shù)值。

2.2 車輛模型的多體框架

車輛的底盤由一個(gè)簡(jiǎn)單的多體框架代表，如圖2所示。該框架有一個(gè)底盤體通過一個(gè)自由接頭與慣性空間連接，其四個(gè)體代表輪胎，通過一個(gè)平移旋轉(zhuǎn)接頭與底盤體連接，可以使前后懸掛獨(dú)立工作，以便剎車或碰撞行人時(shí)車輛可以俯仰［2］。

按照McInnis(1997)的說法，車輛的懸掛體及其慣性特性被分配給底盤體，而非懸掛體及其慣性特性被分配給四個(gè)輪胎體。車輛的幾何結(jié)構(gòu)由多面體網(wǎng)狀代表，由底盤體支撐，而輪胎則由橢圓體代表，其直徑和寬度與車輛的實(shí)際輪胎相同。前、后懸掛的剛性用一個(gè)簡(jiǎn)化的2度自由模型進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)考慮質(zhì)量在前、后軸的分布。至于輪胎剛性，考慮到輪胎標(biāo)稱半徑的90%為負(fù)載半徑，應(yīng)用胡克定律將前、后懸掛剛性作為特性負(fù)載函數(shù)用于模型各平移旋轉(zhuǎn)接頭的平移部分，而輪胎剛性則作為接觸特性與地面接觸，如圖3所示。

懸掛模型的初始偏差以及剎車時(shí)車輛的俯仰通過兩個(gè)步驟的有關(guān)重力和剎車對(duì)車輛作用的仿真研究進(jìn)行確定。將剎車仿真獲得的懸掛體負(fù)載和底盤自由接頭的傾向性作為輸入并考慮真實(shí)事故場(chǎng)景的地面為車輛定位。

2.3 行人模型中依據(jù)年齡的骨折范圍

大量數(shù)據(jù)證明年齡對(duì)人組織性能及對(duì)碰撞的承受具有重大影響，尤其是對(duì)長(zhǎng)骨骨折范圍影響重大。因此，需要將年齡因素應(yīng)用于不同大小的行人模型以進(jìn)一步預(yù)測(cè)腿部傷害。

采用MADYMO成人行人基準(zhǔn)人體模型(5%女性，50%和95%男性)來(lái)代表行人。這些模型顯示了與PMHS估計(jì)各種頭部碰撞速度和在車輛上的各種位置的試驗(yàn)的高度相關(guān)性。應(yīng)用于腿部的骨折范圍(通過測(cè)量腿部鎖定關(guān)節(jié)的剪切力和彎曲力矩)已成功預(yù)測(cè)了經(jīng)過分析的PMHS試驗(yàn)(Van Hoof 2003)中發(fā)現(xiàn)的骨折。為表示事故中涉及的行人的塊頭特征，采用了最接近實(shí)際行人塊頭的基準(zhǔn)模型。為表示實(shí)際行人年齡，采用了以下述程序獲得的與真實(shí)年齡響應(yīng)的年齡對(duì)原腿部骨折范圍進(jìn)行了更新。

考慮到大梁理論的基礎(chǔ)，彎曲折斷應(yīng)力呈線性取決于施加的負(fù)載及斷面模數(shù)(Z)，斷面模數(shù)(Z)是一個(gè)純幾何參數(shù)。因此，鑒于發(fā)現(xiàn)最大彎曲應(yīng)力取決于年齡(Yamada，1970)，那么，這種對(duì)年齡的依賴以及獲取的95%的置信區(qū)間，在模型無(wú)幾何變化的條件下，可以傳輸?shù)阶畲髲澢睾妥畲蠹羟辛?。因此，在同樣的基?zhǔn)MADYMO模型內(nèi)，如圖4所示，本例采用5%女性模型。

圖4 基于年齡的腿部最大彎曲應(yīng)力和骨折范圍

2.3.1 行人事故重建結(jié)果

選擇兩起其他情況的事故:由EuroNCAP進(jìn)行車輛行人測(cè)試，行人腿部骨折，年齡不在MADYMO行人模型范圍內(nèi)。這兩起事故按照前述方法建模來(lái)重建實(shí)際事故。表1對(duì)細(xì)節(jié)作了總結(jié)。

以下方法包含兩個(gè)步驟。首先，用安裝有基于年齡范圍的假腿的行人進(jìn)行仿真。將事故現(xiàn)場(chǎng)記錄到的各接觸點(diǎn)與模型動(dòng)力學(xué)匹配獲得事故的合理重建。在事故重建中記錄腿部或非腿部骨折。一旦動(dòng)力學(xué)匹配，則將損傷輸出與實(shí)際事故現(xiàn)場(chǎng)觀察對(duì)比。在該步驟中，假腿是鎖定的(不可能折斷)。而后，將各接頭處的讀數(shù)與原始數(shù)據(jù)和基于年齡的模型損傷臨界值進(jìn)行比較。

2.3.2 接觸點(diǎn)和動(dòng)力學(xué)

行人在最合理的仿真中的動(dòng)力學(xué)與實(shí)際事故記錄到的碰撞點(diǎn)作了比較，見圖5。

在圖5a中，車輛右頭燈上方的凹痕和引擎蓋上的劃痕與行人上腿部的碰撞及行人順引擎蓋的滑動(dòng)匹配。在圖5c中，行人腿在保險(xiǎn)杠拐角的碰撞(保險(xiǎn)杠無(wú)永久性變形記錄)，行人頭部枕骨與車輛擋風(fēng)玻璃處的碰撞非常吻合［3］。

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2.3.3 傷害結(jié)果

表2顯示了實(shí)際腿部損傷與模型預(yù)測(cè)的腿部損傷的比較。兩個(gè)例子中，采用基于年齡的損傷臨界值均預(yù)測(cè)到了腿部骨折，而原臨界值則未能預(yù)測(cè)。盡管模型預(yù)測(cè)了與兩種損傷機(jī)制(彎曲和剪切)有關(guān)的骨折，但在搜集的數(shù)據(jù)中無(wú)足夠的信息可以確認(rèn)所預(yù)測(cè)的不同的損傷機(jī)制確實(shí)出現(xiàn)在實(shí)際事故中。然而，模型結(jié)果(這些結(jié)果未能預(yù)測(cè)到與忍受范圍有關(guān)的損傷機(jī)制)中存在的巨大差別卻意味著為各例選擇的損傷機(jī)制在產(chǎn)生實(shí)際損傷方面是最現(xiàn)實(shí)的。

表2 用鎖定的假腿仿真的結(jié)果與忍受級(jí)別的比較

3 結(jié)語(yǔ)

由于車輛模型采用了詳細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)，精確的剛性分布和正確的動(dòng)力性能，所以能夠重現(xiàn)行人的動(dòng)力學(xué)，因此來(lái)自這些動(dòng)力學(xué)的方向性和速度輸出對(duì)于人體FE模型頭部損傷的分析來(lái)說是非常珍貴的初始數(shù)據(jù)。

兩個(gè)例子均顯示了場(chǎng)景中和行人塊頭的許多相似，只是涉及的女性行人的年齡差別很大。因采用了腿部骨折基于年齡的臨界值，這些模型顯示了一種更新的預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)世界腿部損傷的首要原因的能力。

［1］王國(guó)林.人車碰撞事故仿真與行人保護(hù)研究［J］.汽車工程，2009，31(1).

［2］喬維高.汽車前部結(jié)構(gòu)對(duì)行人碰撞傷害影響的仿真研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，32(2).

［3］范艷輝.汽車行人碰撞接觸中行人運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律仿真研究［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，19(1).