行人在與汽車碰撞中胸部動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和損傷機(jī)理的研究*

韓 勇,楊濟(jì)匡，水野幸治

(1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廈門 361024； 2.查爾摩斯理工大學(xué)應(yīng)用力學(xué)系，哥德堡 41296；3.名古屋大學(xué)機(jī)械與情報(bào)與生體工學(xué)研究科，名古屋 464-8601)

?

2015092

行人在與汽車碰撞中胸部動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和損傷機(jī)理的研究*

韓 勇1,楊濟(jì)匡2，水野幸治3

(1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廈門 361024； 2.查爾摩斯理工大學(xué)應(yīng)用力學(xué)系，哥德堡 41296；3.名古屋大學(xué)機(jī)械與情報(bào)與生體工學(xué)研究科，名古屋 464-8601)

應(yīng)用THUMS行人有限元模型，進(jìn)行行人與速度為20、30、40和50km/h的中型轎車、微型轎車、廂式車和SUV等4類不同前部結(jié)構(gòu)車輛碰撞仿真，分析行人胸部動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和胸部碰撞條件以及胸部變形模式和肋骨壓縮量等損傷。結(jié)果表明，汽車前部結(jié)構(gòu)對行人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和胸部碰撞速度有重要影響；汽車前部結(jié)構(gòu)的剛度分布是影響胸部肋骨壓縮量和變形模式的主要因素。

行人保護(hù)；胸部損傷；動(dòng)力學(xué)響應(yīng)；損傷機(jī)理；有限元分析

前言

我國近十年的交通事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，平均每年有近25 000名行人死于車輛交通事故，占死亡人數(shù)近25%[1]。在汽車與行人碰撞交通事故中，胸部損傷是僅次于頭部損傷的致命傷害類型[2-4]。根據(jù)日本的行人碰撞事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，在“長頭車”和廂式車碰撞事故中胸部AIS1級以上的事故占13%和35%[5-6]，如表1所示。

表1 基于車型的行人受傷部位統(tǒng)計(jì)(AIS1&AIS2或AIS3+)[6] %

雖然胸部損傷常見于汽車碰撞事故中，但是針對行人胸部損傷機(jī)理和防護(hù)進(jìn)行深入研究的文獻(xiàn)資料有限。文獻(xiàn)[7]中采用行人尸體試驗(yàn)研究了在與中型轎車和SUV碰撞事故中人體胸部的載荷和變形模式。文獻(xiàn)[8]中采用側(cè)碰撞假人對胸部損傷評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了分析。本文中采用有限元法，針對4種不同前部結(jié)構(gòu)的車型在與行人碰撞中人體胸部所受載荷特性及變形模式進(jìn)行了深入分析，結(jié)果可為行人胸部損傷機(jī)理和防護(hù)措施的研究提供理論依據(jù)。

1 方法

1.1 胸部有限元模型

采用的THUMS行人有限元模型(版本1.8)是由Toyota Motor Corporation和Toyota Central R&D Labs合作開發(fā)的用于行人碰撞安全研究的人體有限元模型，身高為177cm，體質(zhì)量為75kg。文獻(xiàn)[9]中對胸部模型進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[10]中對模型的頭部、胸部和下肢等動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)[11]中改進(jìn)了下肢模型的生物逼真度，并根據(jù)新發(fā)表的生物力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對下肢進(jìn)行了重新驗(yàn)證，提高了整個(gè)模型的生物逼真度。圖1所示為改進(jìn)的人體模型和胸部模型。本研究中根據(jù)亞洲男性老人的身高對模型進(jìn)行了比例縮放，身高為165cm，體質(zhì)量為65kg[12]。

1.2 汽車建模與仿真

根據(jù)國際協(xié)調(diào)研究活動(dòng)行人安全工作組的調(diào)查報(bào)告對行人事故中的車輛進(jìn)行分類，并建立和驗(yàn)證了4種不同前部結(jié)構(gòu)形狀的汽車有限元模型[13]；改進(jìn)和簡化了NCAC模型數(shù)據(jù)庫中的本田ACCORD(2000)和豐田RAV4有限元模型(2001)；建立了鈴木轎車的ALTO微型轎車與本田ACTY廂式車有限元模型，圖2示出微型車逆向建模過程。車輛前部結(jié)構(gòu)的材料屬性通過試樣拉伸試驗(yàn)測得，并采用頭部沖擊器和下肢沖擊器試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，詳細(xì)結(jié)果參見文獻(xiàn)[13]。根據(jù)文獻(xiàn)[14]中的研究結(jié)果，仿真中車輛與人體的接觸摩擦因數(shù)取0.65。

仿真分析中將汽車的碰撞速度設(shè)為20、30、40和50km/h，分別對行人運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)、胸部(第4節(jié)胸椎T4)碰撞條件(碰撞時(shí)間、速度和角度)和肋骨變形的模式與變形量進(jìn)行參數(shù)分析，如圖3所示。

2 仿真結(jié)果

2.1 胸部運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)和碰撞條件

在中型轎車以40km/h的速度碰撞中，行人上部伴隨車輛外廓表面繞轉(zhuǎn)產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，胸部在90ms時(shí)與發(fā)動(dòng)機(jī)罩中部接觸，胸部繞轉(zhuǎn)半徑比頭部小，因此胸部合成碰撞速度相對頭部小，速度和角度分別為7.8m/s和51°。在與微型轎車碰撞中，行人繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)類似于與中型轎車的碰撞，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)罩較短，胸部在86ms與發(fā)動(dòng)機(jī)罩的后部及雨刮器接觸，碰撞速度和角度分別為5.2m/s和40.8°。在與廂式車碰撞中，未發(fā)現(xiàn)行人有明顯繞轉(zhuǎn)，行人胸部在23ms時(shí)與風(fēng)窗玻璃框架發(fā)生接觸，速度較大(9.6m/s)，但是碰撞角度小(8°)。在與SUV的碰撞中，行人胸部碰撞邊界條件與微型車和中型轎車類似，但因SUV車發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿較高，胸部繞轉(zhuǎn)半徑小，加速時(shí)間相對中型轎車短，故胸部碰撞速度和角度較小，分別為6.9m/s和37°，如圖4和圖5所示。

2.2 胸部變形模式

分析汽車碰撞中行人胸部的變形模式對理解胸部損傷機(jī)理有重要作用。針對不同汽車前部結(jié)構(gòu)外形進(jìn)行分析，采用Von Mises應(yīng)力分布作為胸部肋骨應(yīng)力集中的預(yù)測值。中型轎車，由于發(fā)動(dòng)機(jī)罩的剛度均勻分布，在與人體胸部碰撞過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)罩整體變形均勻且有效吸收碰撞能量，發(fā)動(dòng)機(jī)罩與發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)硬點(diǎn)的空隙足夠大而未發(fā)生觸底回彈現(xiàn)象，因此胸部變形均勻分布且肋骨變形量較小。第一肋骨出現(xiàn)應(yīng)力集中是由接觸力從肩關(guān)節(jié)向第一肋骨傳遞產(chǎn)生的，應(yīng)力分布圖如圖6(a)所示。在微型轎車碰撞中，由于車頭較短，盆骨與發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿接觸，肩關(guān)節(jié)與風(fēng)窗玻璃觸，使胸部懸空而未與發(fā)動(dòng)機(jī)罩接觸，因此胸部變形較小(圖6(b))。在廂式車碰撞中，行人上胸部與剛度較低的風(fēng)窗玻璃碰撞，而下胸部與剛度較高的風(fēng)窗玻璃下橫梁發(fā)生碰撞，因此胸部承受剪切載荷，致使肋骨變形嚴(yán)重，應(yīng)力集中分布在第6～12節(jié)肋骨上，預(yù)示肋骨骨折風(fēng)險(xiǎn)大，如圖6(c)所示。在SUV碰撞中，胸部變形模式與中型轎車的碰撞類似，肋骨變形量小，應(yīng)力水平較低。

2.3 碰撞速度對胸部變形量的影響

圖7示出以不同碰撞速度和4種不同前部結(jié)構(gòu)車輛碰撞中，胸肋骨變形量和由肋骨變形量計(jì)算得到的AIS4+損傷風(fēng)險(xiǎn)曲線[15]。從圖中可以看出，隨著碰撞速度的增加，肋骨變形量呈增加趨勢。對比結(jié)果表明，在“長頭車”(中型轎車、微型車和SUV)碰撞中，肋骨變形量和AIS4+損傷風(fēng)險(xiǎn)小。在廂式車碰撞中，即使碰撞速度為30km/h，肋骨變形量也超過30mm,AIS4+損傷風(fēng)險(xiǎn)為27.5%。在50km/h碰撞速度下，損傷風(fēng)險(xiǎn)高達(dá)36%。

3 討論

在汽車碰撞中，汽車前部結(jié)構(gòu)剛度和胸部載荷對行人胸部損傷影響顯著。一方面，前部結(jié)構(gòu)外形影響行人的胸部運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)和胸部碰撞速度，而胸部運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)和碰撞速度是影響胸部載荷的兩個(gè)重要因素；另一方面，汽車前部結(jié)構(gòu)特性影響了其與胸部的接觸剛度及其吸能特性，兩者對胸部變形模式及變形量影響顯著。胸部載荷和肋骨變形是決定胸部損傷的兩個(gè)重要因素。分析結(jié)果表明，汽車前部結(jié)構(gòu)局部剛度越高，胸部及肋骨相應(yīng)的接觸局部變形量越大。

碰撞速度對胸部AIS4+損傷風(fēng)險(xiǎn)的分析結(jié)果表明，在“長頭車”(中型轎車、微型車和SUV)碰撞中，碰撞速度對胸部AIS4+損傷風(fēng)險(xiǎn)影響較小，而在廂式車中，碰撞速度對胸部損傷風(fēng)險(xiǎn)影響較明顯。分析結(jié)果與文獻(xiàn)[16]和文獻(xiàn)[17]中對行人碰撞事故的分析結(jié)果一致。

通過對比分析中型轎車和SUV碰撞中胸部變形量及Von Mises應(yīng)力分布，結(jié)果顯示中型轎車和微型轎車中的肋骨變形量比SUV碰撞中要小，這說明在SUV碰撞中，胸部損傷風(fēng)險(xiǎn)較大。文獻(xiàn)[7]中采用尸體試驗(yàn)對比分析了中型轎車和SUV碰撞中的行人胸部損傷機(jī)理。結(jié)果表明，在SUV碰撞過程中，胸部黏性損傷風(fēng)險(xiǎn)要大于中型轎車的碰撞結(jié)果，這與本文中的研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

采用THUMS行人有限元模型(165cm),研究了在與不同前部結(jié)構(gòu)的汽車碰撞過程中人體胸部的損傷機(jī)理和不同速度碰撞下的胸部損傷風(fēng)險(xiǎn)，得到如下結(jié)論。

汽車前部結(jié)構(gòu)外形對行人胸部運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)和碰撞條件有重要影響，如碰撞速度、碰撞角度、碰撞時(shí)間等；汽車前部結(jié)構(gòu)局部剛度分布對胸部變形模式和肋骨的局部變形量有顯著影響。在廂式車碰撞中，胸部承受來自低剛度風(fēng)窗玻璃和高剛度下橫梁形成的剪切載荷，應(yīng)力集中在下胸部肋骨，骨折風(fēng)險(xiǎn)高。該研究結(jié)果可為行人胸部損傷防護(hù)研究提供理論指導(dǎo)。

[1] Han Y, et al. Effects of Vehicle Impact Velocity, Vehicle Front-End Shapes on Pedestrian Injury Risk[J]. Traffic Injury Prevention,2012,13(5):507-518.

[2] Appel H, Kühnel A, Stürtz G, et al. Pedestrian Safety Vehicle-design Elements-results of In-depth Accident Analyses and Simulation[C]. International Association for Accident and Traffic Medicine, Ann Arbor Michigan, USA-22nd AAAM Conf.,1978:10-14.

[3] Daniel J. The Role of Vehicle Front End in Pedestrian Impact Protection[C]. SAE Paper 820246.

[4] Fildes B, Gabler H, Otte D, et al. Pedestrian Impact Injuries Using Real World Crash Data and Harm[C]. Proceedings of IRCOBI Conference, Graz, Austria,2004:161-177.

[5] National Police Agency. Statistics of Road Traffic Accidents in Japan[R]. National Police Agency, Japan,2010.

[6] Institute for Traffic Accident Research and Data Analysis (Japan). Report of Study on Pedestrian Accident and Reduce Pedestrian Injuries in Japan[R].1999.

[7] Crandall J R, et al. Thoracic Deformation Response of Pedestrians Resulting from Vehicle Impact[J]. International Journal of Crashworthiness,2006,11(6):529-539.

[8] Fredriksson R, Flink E, Bostrom O, et al. Injury Mitigation in SUV-to-pedestrian Impacts[C]. The 20th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicle Conference (ESV), Lyon, France,2007,Paper No.07-0380.

[9] Kazuo M. Development of Biochemical Simulation Human Model for the Safety of Occupants and Pedestrians[J]. Toyota Research and Develop Review,2000,35(2).

[10] Maeno T, Hasegawa J. Development of a Finite Element Model of the Total Human Model for Safety (THUMS) and Application to Car-pedestrian Impacts[C]. 17th International ESV Conference,2001,Paper Number 494.

[11] Kawahara S, Hosokawa T, Okada K, et al. Finite Element Analysis of Pedestrian Lower Extremity Injuries in Car-to-pedestrian Impacts[C]. SAE Paper 2007-01-0755.

[12] Mizuno Y. Summary of IHRA Pedestrian Safety Working Group Activities-proposed Test Methods to Evaluate Pedestrian Protection Offered by Passenger Cars[C]. Proceeding of the 19th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, Washington, USA,2005:05-0138-O.

[13] 韓勇.車輛碰撞行人的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)及胸部和下肢損傷機(jī)理研究[D].長沙:湖南大學(xué),2011.

[14] Han Yong, Yang Jikuang, Nishimoto Katsutoshi, et al. Finite Element Analysis of Kinematic Behaviour and Injuries to Pedestrians in Vehicle Collisions[J]. International Journal of Crashworthiness,2012,17:141-152.

[15] Pintar F, Yoganandan N, Hines M, et al. Chestband Analysis of Human Tolerance to Side Impact[C]. SAE Paper 973320.

[16] Mizuno K, Kajzer J. Head Injuries in Vehicle-Pedestrian Impact[C]. SAE Paper 2000-01-0157.

[17] Longhitano D, Henary B, Bhalla K, et al. Influence of Vehicle Body Type on Pedestrian Injury Distribution[C]. SAE Paper 2005-01-1978.

A Study on the Dynamic Responses and Injury Mechanism ofHuman Chest in Vehicle-pedestrian Collisions

Han Yong1, Yang Jikuang2& Koji Miuzno3

1.SchoolofMechanicalandAutomobileEngineering,XiamenUniversityofTechnology,Xiamen361024;2.DepartmentofAppliedMechanics,ChalmersUniversityofTechnology,Gothenburg41296;3.DepartmentofMechanicalScienceandEngineering,NagoyaUniversity,Nagoya464-8601

With THUMS pedestrian FE model, simulations on vehicle-pedestrian crash are conducted for four types of vehicles (medium sedan, minicar, van and SUVs) with different front-end structures at a impact speed of 20, 30, 40 and 50km/h to analyze pedestrian chest dynamic response and chest impact conditions as well as the chest deformation modes and injuries of pedestrian including rib deflections. The results demonstrate that the front-end structure of vehicle has significant effects on the dynamic response and chest impact speed of pedestrian and the stiffness distribution of vehicle front-end structure is a major factor affecting the rib deflections and chest deformation mode of pedestrian.

pedestrian protection; chest injuries; dynamic responses; injury mechanism; FEA

*國家自然科學(xué)青年基金(31300784)、廈門理工學(xué)院高層次人才引進(jìn)項(xiàng)目(JKJ12001R)和國家外國專家局高端外國專家團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(GDT20143600027)資助。

原稿收到日期為2013年7月1日，修改稿收到日期為2013年9月28日。