微型面包車碰撞事故駕駛員損傷重建研究

雷　晨，尹志勇

(1.重慶理工大學(xué) 藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶　400054;

2.第三軍醫(yī)大學(xué) 大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所 交通醫(yī)學(xué)研究所，重慶　400042)

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微型面包車碰撞事故駕駛員損傷重建研究

雷晨1，尹志勇2

(1.重慶理工大學(xué) 藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶400054;

2.第三軍醫(yī)大學(xué) 大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所 交通醫(yī)學(xué)研究所，重慶400042)

摘要：為了研究微型面包車碰撞事故中駕駛員動(dòng)力學(xué)響應(yīng)及損傷機(jī)制，在案例深入分析的基礎(chǔ)上獲取事故中車輛碰撞參數(shù)和邊界條件，然后利用hyperworks和LS-dyna軟件對(duì)一起真實(shí)的微型面包車碰撞貨車的交通事故進(jìn)行模擬仿真。重建結(jié)果顯示：駕駛員頭部HIC值為2 663，胸壁最大運(yùn)動(dòng)速度為10.17 m/s，顱骨及肋骨的最大vonMises等效應(yīng)力值分別為237.9 MPa和130.9 MPa。尸檢報(bào)告中駕駛員系顱腦損傷、胸腔臟器損傷死亡，有限元模擬仿真中頭部和胸部的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與駕駛員的實(shí)際損傷較為吻合。該方法能對(duì)微型面包車碰撞事故做出準(zhǔn)確分析，可為同類事故成因分析及責(zé)任認(rèn)定提供新的途徑。

關(guān)鍵詞：有限元仿真;微型面包車；駕駛員損傷；事故重建

隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一般核載 7～8 座的微型面包車以其價(jià)格低、內(nèi)部空間大的優(yōu)勢(shì)，在農(nóng)村地區(qū)備受青睞[1]。然而，微型面包車在安全性能、操縱穩(wěn)定性以及碰撞相容性等方面存在明顯不足，加之農(nóng)村地區(qū)微型面包車駕駛員交通意識(shí)薄弱，微型面包車事故發(fā)生數(shù)量呈逐年上升的態(tài)勢(shì)。第三軍醫(yī)大學(xué)尹志勇等[2]對(duì)181例微型面包車非行人事故進(jìn)行了深度分析，發(fā)現(xiàn)微型面包車與貨車碰撞的案例傷亡情況最為嚴(yán)重。貨車以重型貨車為主。由于車身剛度不足、車頭較短，事發(fā)后微型面包車變形量較大，整車長度明顯潰縮，且碰撞側(cè)的乘員空間大量侵入，車內(nèi)乘員傷亡嚴(yán)重，約有60%的乘員因顱腦損傷和胸部損傷死亡。面對(duì)事故帶來的大量人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，明確微型面包車駕駛員頭部和胸部損傷機(jī)理意義重大。

近年來隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展，數(shù)學(xué)模型越來越多地應(yīng)用于交通事故研究中，把數(shù)學(xué)模型和真實(shí)交通事故相結(jié)合開展行人交通事故研究是一種比較可靠的方法[3]。雖然近年來國內(nèi)已引入MADYMO多剛體軟件對(duì)交通事故進(jìn)行重建研究，但與有限元模型相比，其人體模型過于簡化，不具有人體組織的材料特性，無法獲取較詳盡的人體動(dòng)力學(xué)響應(yīng)參數(shù)。

本文在深度事故調(diào)查的基礎(chǔ)上獲取案例中車輛碰撞參數(shù)和邊界條件，應(yīng)用有限元方法，結(jié)合THUMS 4.0人體模型，重建了一起微型面包車追尾重型貨車的事故，展示了事發(fā)過程中駕駛員整體的運(yùn)動(dòng)過程及頭部和胸部生物力學(xué)響應(yīng)過程，并將案例中駕駛員頭胸部傷情與仿真得到的相關(guān)響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

1材料與方法

1.1事故案例

1.1.1案情簡要介紹

2015年2月某日，某款微型面包車駕駛員因?yàn)橐雇硪暰€不足、剎車不及，追尾一輛?？吭谟覀?cè)車道的重型貨車，面包車車頭與貨車的后防撞護(hù)欄發(fā)生碰撞，車頭變形嚴(yán)重，造成駕駛員當(dāng)場(chǎng)死亡。事故現(xiàn)場(chǎng)照片見圖1。

圖1　事故現(xiàn)場(chǎng)照片

1.1.2車輛碰撞痕跡

事發(fā)后的車輛檢測(cè)報(bào)告顯示，貨車防撞護(hù)欄中部受撞擊變形，面包車由左往右0～140 cm、由前往后0～160 cm范圍受撞擊損毀，車廂車頂向上隆起。面包車車頭平均變形深度為70 cm，結(jié)合動(dòng)能守恒定理可計(jì)算出追尾時(shí)貨車的車速為62 km/h。

1.1.3法醫(yī)學(xué)鑒定

交通事故損傷法醫(yī)學(xué)鑒定顯示：死者尸長175 cm，雙鼻腔及口腔有較多血跡，右下瞼有一 2.0 cm×0.2 cm不規(guī)則裂創(chuàng)伴周邊皮下出血，右眉內(nèi)側(cè)有一2.3 cm×0.6 cm淺表裂創(chuàng)，右面部散在表皮剝脫及皮下出血，捫及右顴骨異常活動(dòng)及骨擦感，胸前5.0 cm×4.0 cm皮膚淤紫，右腋前線第4，5根肋骨均觸及骨擦感，右側(cè)胸部穿刺有血性液體流出。

1.2事故重構(gòu)

1.2.1事故重構(gòu)基本理論

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的不斷提升，有限元技術(shù)在工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。汽車碰撞具有瞬態(tài)大、位移大、變形的特點(diǎn)，受高速?zèng)_擊載荷以及接觸的影響非常大，使得整個(gè)碰撞系統(tǒng)具有多重非線性，即幾何非線性、材料非線性等。LS-dyna以顯示求解為主，特別適合求解各類二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的碰撞問題[4]。因此，本文利用顯示動(dòng)力學(xué)軟件LS-dyna對(duì)微型面包車追尾貨車事故進(jìn)行精準(zhǔn)分析。

1.2.2駕駛員模型

駕駛員模型采用日本豐田汽車公司和豐田技術(shù)中心共同開發(fā)和設(shè)計(jì)驗(yàn)證的THUMS 4.0人體有限元模型[5]。該模型身高175 cm、體重77 kg，使用高分辨率的CT掃描數(shù)據(jù)對(duì)人體內(nèi)部器官組織進(jìn)行精準(zhǔn)建模，能充分體現(xiàn)各個(gè)臟器及骨骼的生物學(xué)特征。THUMS 4.0坐姿模型共計(jì)約有200萬個(gè)有限元網(wǎng)格單元，其各部分材料以及屬性的定義已經(jīng)經(jīng)過一系列的試驗(yàn)驗(yàn)證，符合相關(guān)法規(guī)的基本要求，可對(duì)人體各部位損傷進(jìn)行精準(zhǔn)的生物力學(xué)分析。

1.2.3車輛模型

重型貨車模型采用經(jīng)由美國國家汽車碰撞分析中心(national crash analysis center)驗(yàn)證的汽車模型，該模型擁有36 539個(gè)網(wǎng)格單元。微型面包車采用本團(tuán)隊(duì)經(jīng)過驗(yàn)證的某款國內(nèi)車型，網(wǎng)格數(shù)共計(jì)為730 000個(gè)。兩輛汽車模型車身部件的屬性和材料定義符合基本法規(guī)要求，可用于模擬仿真。

1.2.4假人模型姿態(tài)調(diào)整

為使假人模型正確放于微型面包車內(nèi)，需利用hypermesh軟件對(duì)初始模型進(jìn)行平移，使得假人先位于駕駛位附近。有別于傳統(tǒng)的hybridⅢ系列假人只需對(duì)手臂和腿部的鉸鏈進(jìn)行一定角度的旋轉(zhuǎn)即可完成最終坐姿，THUMS4.0人體模型依據(jù)真實(shí)人體建立，人體手臂與腿部間的連接不能單純地模擬為球鉸或柱鉸，簡單地繞中心點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)整。因此，為使假人的手能恰好握住方向盤，需在手臂的尺骨或橈骨上施加一定的作用力并設(shè)定持續(xù)時(shí)間(通常情況下施加1 N的力，設(shè)置0.05 s工況時(shí)間即可達(dá)到目的)，提交dyna計(jì)算之后導(dǎo)出正確的K文件，以此使假人模型雙手握住方向盤。采取同樣的方法，在腿部脛腓骨上施加持續(xù)力，可使假人雙腳能正確地踩在腳踏板上。

在完成假人四肢姿態(tài)調(diào)整之后，為模擬真實(shí)環(huán)境下座椅的變形以及駕駛員坐姿，需對(duì)假人施加重力場(chǎng)，依據(jù)臀部距座椅的位置設(shè)置適當(dāng)?shù)墓r時(shí)間，提交計(jì)算以后得到最終理想的假人姿態(tài)。

1.2.5安全帶的建立

通過oasys primer前處理軟件能夠方便快捷地建立高質(zhì)量的安全帶。如圖2所示，本文建立的安全帶由安全帶拉帶1D和2D單元、滑環(huán)單元和卷收器組成，其中1D單元材料采用安全帶專用材料，2D織帶部分利用LS-dyna中24號(hào)分段線性材料模擬。安全帶材料的延伸率引用真實(shí)安全帶試驗(yàn)參數(shù)。卷收器的加載曲線描述了安全帶伸出量與力的關(guān)系，需根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其設(shè)置合適的初始張力，以防力過大使得2D單元到達(dá)滑環(huán)位置導(dǎo)致報(bào)錯(cuò)。

圖2　安全帶模型

1.2.6損傷準(zhǔn)則

頭部損傷采用美國政府提出的頭部損傷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估，定義如下：

(1)

式中：R(t)表示頭部質(zhì)心合成加速度(g)；t1和t2分別表示達(dá)到最大HIC值的起始和終止時(shí)刻；對(duì)于乘員碰撞t2與t1的間隔時(shí)間取36 ms。胸壁最大運(yùn)動(dòng)速度由胸壁面與矢狀面4等分點(diǎn)節(jié)點(diǎn)求得。HIC值與胸壁最大運(yùn)動(dòng)速度(絕對(duì)速度)可以與簡明創(chuàng)傷分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(abbreviated injury scale,AIS)進(jìn)行關(guān)聯(lián)[6]，見表1。

表1　HIC、胸壁最大運(yùn)動(dòng)速度(絕對(duì)值)與AIS的關(guān)系

1.2.7事故重建方法

首先通過貨車后防撞護(hù)欄的變形位置及寬度確定微型面包車碰撞時(shí)刻車頭與貨車車尾的相對(duì)位置。然后為面包車、假人模型、安全帶等模型加上共同的速度，假人與面部車和貨車與面包車的接觸采用面面接觸，兩車與地面的摩擦因數(shù)參考事發(fā)時(shí)瀝青路面的摩擦因數(shù)(取值0.70)。最后，檢查接觸的定義是否完整、初始穿透是否消除。圖3所示為利用hypermesh構(gòu)建的微型面包車追尾貨車碰撞仿真模型。

圖3　微型面包車追尾貨車碰撞仿真模型

2仿真結(jié)果

2.1頭部重建結(jié)果分析

微型面包車以62 km/h的車速與停止的貨車發(fā)生碰撞，面包車與貨車接觸初始時(shí)刻記為t=0,t=77 ms時(shí)，駕駛員頭部質(zhì)心加速度達(dá)到峰值1.689 km/s2，HIC值為2 663，駕駛員臨界死亡，符合駕駛員系顱腦損傷而死亡的鑒定結(jié)論；t=78 ms時(shí)駕駛員面部右側(cè)與方向盤完全接觸(見圖6(d))，與死者雙鼻腔及口腔有較多血跡、右下瞼有一2.0 cm×0.2 cm不規(guī)則裂創(chuàng)伴周邊皮下出血、右眉內(nèi)側(cè)有一2.3 cm×0.6 cm淺表裂創(chuàng)、右面部散在表皮剝脫及皮下出血等傷情相對(duì)應(yīng)；顱骨vonMises等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在右側(cè)顴骨(見圖4)，應(yīng)力為237.9 MPa(大于120 MPa)，上、下頜骨及鼻骨應(yīng)力值不超過52.87 MPa(小于120 MPa)，其余部位未有受損(應(yīng)力值為0)，相關(guān)研究表明當(dāng)顱骨等效應(yīng)力超過120 MPa，有較大的骨折風(fēng)險(xiǎn)[7]，故死者右側(cè)顴骨有較大可能骨折，與尸檢報(bào)告結(jié)果中捫及右顴骨異常活動(dòng)及骨擦感相吻合。

圖4　t=78 ms時(shí)顱骨應(yīng)力云圖

2.2胸部重建結(jié)果分析

兩車碰撞時(shí)刻記為t=0。t=60 ms時(shí)，駕駛員胸部開始與方向盤接觸(見圖6(b))，胸壁最大運(yùn)動(dòng)速度(絕對(duì)速度)為10.17 m/s，與死者胸前5.0 cm×4.0 cm皮膚淤紫吻合；t=69 ms時(shí)，在方向盤提供的反作用力下，駕駛員右胸部肋骨等效應(yīng)力達(dá)到最大值，應(yīng)力大小為130.9 MPa(大于94.7 MPa),左胸第4～6肋和右側(cè)第3～6肋呈現(xiàn)應(yīng)力集中(見圖5)，左胸第1～3肋應(yīng)力值不超過72.73 MPa，左胸7～12肋應(yīng)力值不超過43.64 MPa，右胸1～2肋骨應(yīng)力值不超過87.28 MPa，右胸7～12肋應(yīng)力值不超過58.19 MPa。上述應(yīng)力值均小于94.7 MPa。有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明肋骨屈服應(yīng)力為94.7～155.9 MPa[8]，因此本次事故中左胸4～6肋和右胸第3～6肋骨有較高的損傷風(fēng)險(xiǎn)，這與尸檢報(bào)告結(jié)果中右腋前線第4、5根肋骨均觸及骨擦感、右側(cè)胸部穿刺有血性液體流出等傷情基本相符。碰撞仿真過程見圖6。

圖5　t=69 ms時(shí)肋骨應(yīng)力云圖

圖6　事故案例碰撞仿真過程

3討論

在兩車碰撞事故重建中，事發(fā)時(shí)兩車的行駛狀態(tài)及車速是相當(dāng)重要的，但難以準(zhǔn)確得到，需要更多的證據(jù)去輔佐。為了確定碰撞位置，需要對(duì)事發(fā)后車輛進(jìn)行仔細(xì)勘驗(yàn)，對(duì)比可能存在的擦痕高度是行之有效的方法。在本文事故中，面包車車頭變形位置與貨車后方撞護(hù)欄高度比較一致，且面包車車頭附著有與護(hù)欄相同顏色的漆片，在進(jìn)行物證鑒定后，能較準(zhǔn)確地對(duì)微型面包車碰撞時(shí)刻的空間位置進(jìn)行定位，通過駕駛員筆錄及現(xiàn)場(chǎng)散落物可以認(rèn)定事發(fā)時(shí)貨車處于停駛狀態(tài)；為了獲得準(zhǔn)確的汽車車速，往往包括剎車痕跡、目擊者供詞、車身變形量、監(jiān)控視頻等。此次事故，微型面包車前部變形嚴(yán)重，通過動(dòng)能守恒定理結(jié)合車身剛度系數(shù)，能分析得到碰撞時(shí)刻面包車車速，這對(duì)事故準(zhǔn)確重建是必要的。

用以對(duì)乘員安全系統(tǒng)進(jìn)行分析和優(yōu)化的MADYMO軟件雖然能快速地得出結(jié)果，但是其采用剛體及鉸鏈組成的假人模擬仿真，精準(zhǔn)程度上有所欠缺。傳統(tǒng)獲取乘員損傷信息的仿真方法僅限于在MADYMO側(cè)碰撞系統(tǒng)或有限元模型上施加實(shí)車的B柱加速度，從而獲得人體損傷參數(shù)，但在真實(shí)交通事故中，車輛由于碰撞擠壓變形，前圍板入侵、車身空間的壓潰縮小都會(huì)對(duì)乘員的頭部和胸部損傷形成重要影響，這種方法并不能模擬上述情況。因此，本文在經(jīng)過驗(yàn)證的模型基礎(chǔ)上對(duì)車輛設(shè)置真實(shí)工況，對(duì)兩車進(jìn)行碰撞模擬，能較準(zhǔn)確獲得駕駛員頭部和胸部損傷參數(shù)。

研究表明：對(duì)于沒有安全氣囊的微型面包車，事故發(fā)生時(shí)會(huì)因駕駛員頭部和胸部與汽車方向盤等部位發(fā)生碰撞及安全帶過度勒緊產(chǎn)生損傷。駕駛員頭部與方向盤等部件相撞，頭部平動(dòng)加速度較大而旋轉(zhuǎn)加速度較小，文獻(xiàn)提示平動(dòng)加速度可能造成腦挫裂傷，而角加速度可能造成彌漫性軸突損傷，所以乘員獲得腦挫傷的風(fēng)險(xiǎn)較高。對(duì)于駕駛員胸部損傷，胸部在高載荷下產(chǎn)生變形導(dǎo)致內(nèi)部軟組織的損傷，當(dāng)超過胸腔耐受極限時(shí)，發(fā)生肋骨骨折及心、血管等的挫傷或破裂。對(duì)于被動(dòng)安全性較差的微型面包車，在沒有安全氣囊及可壓潰式管柱的保護(hù)下，胸部損傷將大大加劇。在有些交通事故中，存在駕駛員胸腔內(nèi)部組織器官損傷但沒有肋骨骨折的現(xiàn)象，這類情況可用人體組織的粘性生物力學(xué)響應(yīng)來解釋[9]。頭部和胸部是微型面包車駕駛員在車輛碰撞中最易受傷且致死率較高的部位，通過假人、動(dòng)物、人體尸體等相關(guān)試驗(yàn)獲取頭部及胸部沖擊損傷的真實(shí)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)參數(shù)，對(duì)改進(jìn)有限元模型、提高事故重構(gòu)準(zhǔn)確度十分重要。此外，考慮駕駛員不同坐姿等其他因素進(jìn)行碰撞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將會(huì)進(jìn)一步豐富和完善微型面包車碰撞事故重構(gòu)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。

4結(jié)束語

本文在深度事故調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合THUMS 4.0人體有限元模型對(duì)微型面包車事故案例進(jìn)行精確仿真，依據(jù)HIC及AIS等損傷準(zhǔn)則，對(duì)駕駛員頭部以及胸部動(dòng)力學(xué)響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，做到“以人為中心”開展交通事故重建研究。結(jié)果表明：該方法成功再現(xiàn)了事發(fā)時(shí)駕駛員整個(gè)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過程，重建所得到的頭部和胸部損傷參數(shù)與傷情較好地吻合，能對(duì)真實(shí)的微型面包車碰撞事故進(jìn)行有效再現(xiàn)和分析，獲得較詳盡的人體損傷參數(shù)，為相關(guān)法規(guī)的制定以及乘員被動(dòng)安全的防護(hù)提供了理論基礎(chǔ)，可為同類事故成因分析及責(zé)任認(rèn)定提供新的途徑。

在這一步基礎(chǔ)之上，可以進(jìn)一步利用有限元方法的成本低、可重復(fù)性高的優(yōu)點(diǎn)對(duì)多款微型面包車有限元模型乘員損傷機(jī)理進(jìn)行分析，探究不同乘員艙空間和不同材質(zhì)車內(nèi)飾部件下駕駛員頭部和胸部動(dòng)力學(xué)響應(yīng)參數(shù)，從而更深入有效地研究人體損傷機(jī)理。

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(責(zé)任編輯何杰玲)

Study of Driver Injury Based on Reconstruction of Minibus Collisions

LEI Chen1, YIN Zhi-yong2

(1.College of Pharmacy and Biological Engineering, Chongqing University of Technology,Chongqing 400054, China; 2.Military Research Institute of Traffic Medicine,Daping Hospital & Institute of Surgery Research, Third Military Medical University,Chongqing 400042, China)

Abstract:In order to investigate the driver kinematics and the injury mechanism in real minibus collisions, we obtained the accident vehicle collision parameters and boundary conditions based on in-depth accident investigation, and then a real minibus-truck collision was constructed by using hyperworks and LS-dyna software. The reconstruction results show that the head injury criterion (HIC) value is 2 663, and the maximum velocity of the thoracic wall is 10.17 m/s, and the max equivalent stress vonMises of skull and rib are 237.9Mpa and 130.9Mpa respectively. The autopsy report reveals that the driver died of brain injury and thoracic organ damage, and the results of finite element simulation suggest head and thoracic injury are consistent with the actual damage of the driver. The approach can make accurate analysis for minibus collisions, which provides a new method for the analysis of the cause of similar accidents and the identification of the responsibility.

Key words:finite element simulation; minibus; driver injury; accident reconstruction

文章編號(hào)：1674-8425(2016)02-0071-06

中圖分類號(hào)：R318.01

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.02.013

作者簡介：雷晨(1990—)，男，湖北十堰人，碩士研究生，主要從事交通傷損傷生物力學(xué)機(jī)制的研究；尹志勇(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事交通傷損傷機(jī)制及防護(hù)的研究。

基金項(xiàng)目：重慶市自然科學(xué)基金院士專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(cstc2012jjys0004)

收稿日期：2015-10-21

引用格式：雷晨，尹志勇.微型面包車碰撞事故駕駛員損傷重建研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016(2):71-76.

Citation format：LEI Chen, YIN Zhi-yong.Study of Driver Injury Based on Reconstruction of Minibus Collisions[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(2):71-76.