追尾交通事故乘員損傷再現(xiàn)方法研究*

常安德 朱晨陽 陳松

1.中國(guó)刑事警察學(xué)院 2.公安部痕跡檢驗(yàn)鑒定技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

引言

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的快速發(fā)展，交通事故仿真再現(xiàn)技術(shù)研究越來越受到重視。各種類型的交通事故仿真軟件相繼出現(xiàn)，主要包括CRASH、PC-CRASH、LS-DYNA、MADYMO等。各軟件具有各自的特點(diǎn)，如PC-CRASH、CRASH、SMAC等主要用來進(jìn)行碰撞過程重建；PAMCRASH、LS-DYNA和MADYMO主要用來進(jìn)行車輛內(nèi)部乘員動(dòng)力響應(yīng)分析。利用高性能的仿真軟件進(jìn)行交通事故仿真具有時(shí)間短、效率高及參數(shù)條件易修正等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能以動(dòng)畫效果提供更加直觀的交通事故碰撞過程。

PC-CRASH是奧地利的一款交通事故仿真軟件，其分析過程依據(jù)力學(xué)動(dòng)量守恒與能量守恒原理，根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)的車輛、地面等痕跡及其他現(xiàn)場(chǎng)信息，反推車輛碰撞過程。PC-CRASH具有豐富的車輛庫與假人模型，其強(qiáng)大的算法可以同時(shí)進(jìn)行多輛車的碰撞模擬研究，可以進(jìn)行車輛與車輛、車輛與行人的碰撞模擬研究。如郭靜等對(duì)具體的車與車碰撞模型進(jìn)行了研究，并對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行了誤差分析，總結(jié)出了PC-CRASH減小仿真誤差的方法[1]；鄒鐵方等提出了利用PC-CRASH分步模擬法，簡(jiǎn)化了PC-CRASH模擬多車碰撞的操作[2]。但PC-CRASH不能模擬乘員間的相互運(yùn)動(dòng)或乘員與車體內(nèi)部的相互作用。

MADYMO（Mathematical Dynamic Mode）多剛體動(dòng)力學(xué)分析軟件是應(yīng)用較廣泛的碰撞受害者模擬軟件之一，是一個(gè)完美融合多體（MB）動(dòng)力學(xué)與顯式動(dòng)態(tài)有限元（FE）計(jì)算功能的軟件。MADYMO主要用于車輛被動(dòng)安全研究與交通事故鑒定。如王清等利用MADYMO仿真軟件，建立簡(jiǎn)要的駕駛員約束系統(tǒng)模型并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，通過修改氣囊直徑、排氣孔直徑、氣體率3個(gè)參數(shù)對(duì)駕駛員安全氣囊進(jìn)行優(yōu)化，提高氣囊保護(hù)作用[3]；朱孟紅等針對(duì)某實(shí)車正面碰撞試驗(yàn)中出現(xiàn)的胸部壓縮變形量過大問題，結(jié)合MADYMO軟件建立結(jié)構(gòu)模型，通過改用雙級(jí)限力安全帶等改善了胸部傷害指標(biāo)，總體提高了正面碰撞的安全系數(shù)[4]。

在PC-CRASH與MADYMO耦合方面，王宏雁等針對(duì)一起兒童交通事故，運(yùn)用PC-CRASH與MADYMO耦合的方法，得出兒童的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與傷害程度，并結(jié)合尸檢報(bào)告分析致傷機(jī)理[5]；陳強(qiáng)等提出了基于PC-CRASH與MADYMO耦合的駕駛員判斷的方法[6]；楊杏梅等提出了從PC-CRASH中得出的結(jié)果作為初始條件施加給碰撞車輛的有限元模型，利用LS-DYNA對(duì)車輛的變形進(jìn)行模擬運(yùn)算得出碰撞脈沖數(shù)據(jù)，最后利用MADYMO對(duì)乘員進(jìn)行響應(yīng)過程重建[7]。

一、研究思路

以一起追尾事故為例，首先根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、車輛損傷情況等信息不斷調(diào)整PC-CRASH的輸入?yún)?shù)。當(dāng)車輛最終停止位置與現(xiàn)場(chǎng)停止位置相吻合，車輛行駛軌跡與現(xiàn)場(chǎng)痕跡保持一致時(shí)，此時(shí)輸出其仿真數(shù)據(jù)；同時(shí)利用MADYMOD對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)乘員的乘車環(huán)境進(jìn)行建模；然后通過文獻(xiàn)提出的“平均加速度法”并選擇合適的碰撞力交換時(shí)間，將PC-CRASH輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為MADYMO初始參數(shù)，模擬乘員運(yùn)動(dòng)過程；最后導(dǎo)出MADYMO模擬數(shù)據(jù)，分析乘員損傷原因及損傷情況。當(dāng)與乘員真實(shí)損傷情況相符時(shí)，證明該方法可行。研究基本思路如圖1所示。

二、事故再現(xiàn)與數(shù)據(jù)處理

（一）案情簡(jiǎn)介

2014年某月某日某地，小型夏利牌轎車B與泰圣達(dá)菲越野車A發(fā)生刮蹭后，又被其后福克斯牌小型轎車C追尾碰撞。造成夏利牌駕駛?cè)伺c后排乘員（副駕駛側(cè)）不同程度損傷，三臺(tái)轎車不同程度損壞，事故現(xiàn)場(chǎng)照片如圖2所示。

（二）PC-CRASH仿真

PC-CRASH具有豐富的車輛數(shù)據(jù)庫，如果事故車型為進(jìn)口車型，可以在其數(shù)據(jù)庫中找到相應(yīng)車型修改車模參數(shù)；如果事故車型為國(guó)產(chǎn)車，需要找到相近的車輛模型進(jìn)行近似替代，修改相應(yīng)的參數(shù)。根據(jù)車輛信息導(dǎo)入車輛模型如表1所示，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與車輛損壞情況確定接觸點(diǎn)與碰撞形態(tài)。不斷調(diào)整車輛初始速度、碰撞點(diǎn)位置、碰撞面方向及車輛行駛方向等，當(dāng)A、B兩車刮蹭速度為41km·h-1，B、C兩車的追尾碰撞速度56 km·h-1與 103 km·h-1時(shí)，車輛最終停止位置與現(xiàn)場(chǎng)車輛實(shí)際停止情況基本吻合，車輛行駛軌跡與現(xiàn)場(chǎng)痕跡相一致。仿真過程圖如圖所示3。

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（三）PC-CRASH數(shù)據(jù)處理

PC-CRASH是基于動(dòng)量沖量法的事故仿真軟件，其碰撞階段采用經(jīng)典的碰撞模型進(jìn)行計(jì)算，由于不考慮車輛的變形問題，動(dòng)量交換發(fā)生在一個(gè)無限小的時(shí)間內(nèi)，且接觸力只作用在一點(diǎn)。

在利用MADYMO進(jìn)行乘員損傷模擬分析時(shí)，需要以碰撞脈沖作為邊界條件，PC-CRASH輸出的結(jié)果沒有如實(shí)的反映車體的運(yùn)動(dòng)，實(shí)際交通事故車輛所受的各自由度碰撞脈沖需要經(jīng)過實(shí)車碰撞試驗(yàn)得到，即使采用有限元分析法模擬，也需要詳細(xì)的、被證實(shí)過的實(shí)車模型，同時(shí)一個(gè)車輛的有限元模型需要3人一年的工作量。這些在進(jìn)行事故分析再現(xiàn)時(shí)顯然是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此學(xué)者提出“平均加速度法”，即對(duì)PC-CRASH輸出的速度曲線進(jìn)行處理，平均加速度的大小取決于添加的碰撞持續(xù)時(shí)間。PC-CRASH默認(rèn)的碰撞持續(xù)時(shí)間為零，也就是沒有實(shí)際的碰撞持續(xù)時(shí)間，H Steffan等人通過插入不同長(zhǎng)度的碰撞持續(xù)時(shí)間進(jìn)行模擬計(jì)算假人的頭部與胸部的加速度值與實(shí)車碰撞試驗(yàn)的結(jié)果相比較如圖4所示，發(fā)現(xiàn)在用于平均加速度確定的碰撞持續(xù)時(shí)間為實(shí)際碰撞時(shí)間的50%至70%時(shí)，其結(jié)果與實(shí)車碰撞結(jié)果最符合[8]。

在不同的事故中，由于碰撞情況的不同、碰撞車速的不同、車型的不同，使得實(shí)例的碰撞持續(xù)時(shí)間也不同，不能夠直接或者簡(jiǎn)單的推算出實(shí)際的碰撞持續(xù)時(shí)間，可以根據(jù)《汽車碰撞基本規(guī)律》[9]指出的碰撞相對(duì)車速與碰撞持續(xù)時(shí)間的關(guān)系來確定。車輛質(zhì)心處X、Y軸方向上的速度時(shí)間圖、繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度時(shí)間圖以及加入的平均加速度值需要根據(jù)動(dòng)量定理公式求出：

其中ax為車輛質(zhì)心在X方向上的加速度；ay為車輛質(zhì)心在Y方向上的加速度；△Ix為車輛碰撞后在X方向上的動(dòng)量變化量；△Iy為車輛碰撞后在Y方向上的動(dòng)量變化量；t為添加的碰撞持續(xù)時(shí)間。

從PC-CRASH輸出數(shù)據(jù)可以看出B車在1.2s時(shí)速度發(fā)生突變，B車與C車在1.2s到1.201s之間完成能量轉(zhuǎn)換，碰撞持續(xù)時(shí)間取50ms，利用平均加速度法對(duì)其運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果如圖5所示。

三、MADYMO乘員損傷再現(xiàn)

通過平均加速度法對(duì)PC-CRASH輸出數(shù)據(jù)處理后，可以直接作為初始數(shù)據(jù)導(dǎo)入MADYMO進(jìn)行事故乘員損傷再現(xiàn)研究。MADYMO在進(jìn)行乘員損傷再現(xiàn)時(shí)一般包括模型準(zhǔn)備、加載加速度曲線、結(jié)果輸出與分析三個(gè)步驟。

（一）模型準(zhǔn)備

MADYMO乘員再現(xiàn)模型準(zhǔn)備階段，主要是構(gòu)建相應(yīng)的乘員乘坐環(huán)境的簡(jiǎn)易模型、假人定位以及定義接觸。

車體模型是利用鉸（Joint）連接的多體系統(tǒng)，根據(jù)模擬情況的不同可以選擇不同的鉸（Jo int），MADYMO中可供選擇的鉸包括轉(zhuǎn)動(dòng)鉸（Revolute Joint）約束連接體繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)；滑移鉸（Translational joint）約束連接體只沿鉸坐標(biāo)Z方向的相對(duì)滑動(dòng)；球鉸（Spherical joint）約束連接體繞鉸原點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)；圓柱鉸（Cylindrical joint）約束連接體繞鉸坐標(biāo)Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)與Z軸滑動(dòng)；以及萬向鉸、平面鉸、固接鉸、自由鉸等。同時(shí)可以利用不同鉸的組合進(jìn)行相應(yīng)的模擬運(yùn)動(dòng)定義每個(gè)部件的力學(xué)特征。對(duì)不同的體可以加入橢圓、平面等不同體的表面。針對(duì)上述案例中B車后排右側(cè)乘員損傷的再現(xiàn)，只需要搭建后排乘員乘坐環(huán)境的簡(jiǎn)易模型。如圖6所示，后排座椅坐墊由4個(gè)橢球組成，座椅靠背由5個(gè)橢球組成；前排座椅坐墊3個(gè)橢球組成，座椅靠背由5個(gè)橢球組成，座椅頭枕由1個(gè)橢球體組成。

MADYMO提供了豐富的假人模型，有男性假人模型、女性假人模型、兒童假人模型等，同時(shí)可以使用Madyscale工具對(duì)假人模型進(jìn)行縮放以提高仿真的準(zhǔn)確性。調(diào)入假人后需要對(duì)假人進(jìn)行定位，一般采用視覺調(diào)節(jié)法與動(dòng)力學(xué)調(diào)整法相結(jié)合的方法，首先調(diào)整假人H點(diǎn)到座椅處，并利用工具欄JOINTPOSITIONING調(diào)整各個(gè)鉸的角度與位置，使之盡量與座椅貼合一致并同時(shí)避免初始穿透；然后把假人的各個(gè)鉸鎖死（LOCK），對(duì)假人施加重力加速度場(chǎng)，使其達(dá)到靜止平衡；最后用平衡時(shí)鉸的位置代替初始假人鉸的位置，把各個(gè)鉸進(jìn)行解鎖，完成假人的定位。該案例仿真使用MADYMO自帶的D_hyb305el女性假人，假人初始姿態(tài)如圖6所示。

在MADYMO當(dāng)中需要定義可能發(fā)生接觸的兩物體的接觸特性，接觸作用模型分為彈性接觸模型與運(yùn)動(dòng)學(xué)接觸模型，前者適用于所有可能的接觸，后者只適用于有限元模型節(jié)點(diǎn)與橢圓體、柱體、平面之間的接觸。MADYMO當(dāng)中的接觸可以分為：多剛體與多剛體的接觸（橢球、柱面及平面的接觸），從接觸面為橢球，根據(jù)需要定義其彈性接觸力；多剛體與有限元接觸；有限元之間的接觸。此模型為橢球模型，接觸為剛體與剛體的接觸，主要包括：假人臀部、大腿、膝蓋及小腿與后排坐墊的接觸，假人頭部、頸部、后背部及腰部與后排座椅靠背的接觸等。

（二）加載加速度曲線

該事故不是百分之百正碰事故，因此采用指定運(yùn)動(dòng)法。即定義假人與車體的初速度，并創(chuàng)建一個(gè)平面鉸鏈接車體與參考系，通過定義其鉸自由度來強(qiáng)制車體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)（定義沿車坐標(biāo)系X、Y方向平移加速度以及繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)加速度），最后加載假人的重力場(chǎng)。

（三）MADYMO結(jié)果的輸出與分析

對(duì)于乘員損傷分析，損傷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是通過與損傷輕度相關(guān)的物理參數(shù)或由幾個(gè)物理參數(shù)組成的函數(shù)來定義，它是用來衡量負(fù)載是否超過了耐受極限所對(duì)應(yīng)的閥值，從而判定人體某部位產(chǎn)生損傷的可能性。交通事故當(dāng)中頭部與胸部是乘員最易造成嚴(yán)重?fù)p傷導(dǎo)致死亡的部位。

交通安全方面最常用的人體頭部損傷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則為韋恩州立大學(xué)WSTC頭部耐受極限曲線、GSI以及頭部損傷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則HIC（Head Injury Ctiterion）。由美國(guó)政府定義的頭部損傷準(zhǔn)則，極限值為1000的HIC36，廣泛應(yīng)用于車輛乘員損傷評(píng)價(jià)。

其中，t0為碰撞初始時(shí)刻（s）；te為碰撞結(jié)束時(shí)刻；t1為最大HIC值對(duì)應(yīng)的初始時(shí)刻；t2為最大HIC值對(duì)應(yīng)的結(jié)束時(shí)刻；R (t) 為人體頭部合成加速度。

人體胸部損傷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則主要由胸部壓縮量、胸部粘性損傷VC值（VC值為1.3m/s正面碰撞有50%的概率造成嚴(yán)重的胸部損傷）以及3ms胸部合成加速度（通常胸部嚴(yán)重?fù)p傷的人體耐受級(jí)別為胸部受到60g的最大線性加速度，持續(xù)3ms或更久）。

假人的頭部加速度曲線以及胸部加速度曲線。觀察可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)T=65ms時(shí)，胸部加速度達(dá)到最大值1081.42m·s-2，此時(shí)車體由于受到撞擊改變其運(yùn)動(dòng)方式，假人由于慣性繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng)胸背部與后排座椅靠背發(fā)生接觸；當(dāng)T=75ms時(shí)，頭部加速度達(dá)到最大值3711.22m·s-2，此時(shí)假人胸背部與座椅靠背發(fā)生接觸無法繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng)，其頭部由于慣性作用繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng)與后排座椅靠背上部發(fā)生接觸。其運(yùn)動(dòng)過程如圖8所示。

假人頭部評(píng)價(jià)準(zhǔn)則HIC36在75.6ms～76.7ms取最大值為2028.9，超過極限值1000；假人胸部損傷準(zhǔn)則TC3MS在64.2ms～67.2ms取到最大值815.23（83g）大于60g。因此假人頭部與胸部受到嚴(yán)重?fù)p傷，與尸體鑒定報(bào)告乘員多發(fā)骨折，大面積皮下軟組織出血伴多量血腫形成，顱腦嚴(yán)重?fù)p傷、心臟挫傷、胸腔積血導(dǎo)致創(chuàng)傷性失血性休克死亡相一致。

四、結(jié)論

利用平均加速度法對(duì)PC-CRASH輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，作為MADYMO仿真初始條件，通過描述車輛的X、Y方向的線性加速度以及繞Z的轉(zhuǎn)動(dòng)加速度，可以再現(xiàn)交通事故中乘員的損傷。通過PC-CRASH與MADYMO軟件的耦合，可以對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)情況以及乘員損傷情況進(jìn)行再現(xiàn)，從而快速分析造成事故的原因以及乘員損傷成因，同時(shí)還可以根據(jù)乘員損傷的符合性驗(yàn)證PC-CRASH仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。