基于THUMS模型的人車碰撞行人下肢損傷重建分析

王谷棟，沈景鳳，仲梁維

（200093 上海市 上海理工大學(xué)）

0 引言

根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）統(tǒng)計，道路交通死亡人數(shù)每年約135 萬，其中易受傷害的道路使用者占全球死亡人數(shù)的一半以上[1]。在我國交通事故中，行人頭頸部和下肢的損傷占損傷總數(shù)的70%以上，而其中下肢損傷是交通事故中人員致殘的主要原因[2]。實(shí)際交通事故中，車輛和行人的接觸條件具有多樣性，如車輛與行人直接發(fā)生碰撞造成傷害或行人在未接觸車輛條件下主觀行為導(dǎo)致自身傷害，因此事故中行人下肢損傷的成因機(jī)制較為復(fù)雜。面對大量的行人交通事故，數(shù)值假人和計算機(jī)仿真方法在世界主要發(fā)達(dá)國家和地區(qū)被廣泛應(yīng)用于對其進(jìn)行輔助研究。例如，Yang[3]等建立了多剛體行人模型，較早運(yùn)用數(shù)值仿真的方法進(jìn)行人車碰撞事故再現(xiàn)研究。隨著計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)值仿真人車碰撞試驗(yàn)憑借其低成本、靈活、直觀、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在人車碰撞交通事故研究中應(yīng)用日益廣泛。

本文通過探究人車碰撞交通事故中行人下肢不同的成傷條件，將條件參數(shù)化并設(shè)定參數(shù)數(shù)據(jù)范圍。通過LS-Dyna 仿真軟件將不同成傷條件以參數(shù)形式加載于THUMS 人體有限元模型上，模擬不同條件下人車碰撞事故重建，從損傷結(jié)果中探討不同因素對行人下肢損傷的影響。同時該方法能對實(shí)際汽車-行人交通事故碰撞案例進(jìn)行有效再現(xiàn)和分析，為汽車-行人交通事故的司法鑒定提供科學(xué)依據(jù)。

1 有限元模型

1.1 行人模型

本研究采用由豐田中央技術(shù)研究院研發(fā)的THUMS（Total Human Model for Safety）有限元人體模型。THUMS 人體模型經(jīng)過多次碰撞試驗(yàn)的驗(yàn)證以及與真實(shí)人體的比較，具有較高的生物逼真度，能夠從組織層面直觀反映人體受傷程度[4]。本研究應(yīng)用的假人模型是第4 代假人模型，根據(jù)分析多個事故案例中受傷行人的體型條件選用平均尺寸大小的成年男性模型（AM50）作為此次分析的行人模型。

1.2 車輛模型

本研究針對的是轎車-行人事故類型。選擇了一款轎車有限元模型來研究碰撞過程中汽車對行人下肢的傷害，其中轎車質(zhì)量1.65 t，保險杠中心離地高度為500 mm。為節(jié)約運(yùn)算時間及成本，在保證模型合理性的前提下，車輛模型可以是僅包含碰撞時與行人接觸的車輛前部幾何外形，本研究選取了前保險杠來構(gòu)成簡化模型。車輛材料模型采用彈塑性材料，且車輛其他部件采用集中質(zhì)量方式加載于對應(yīng)質(zhì)心處。

2 仿真參數(shù)設(shè)計

2.1 汽車-行人交通事故成傷參數(shù)

汽車-行人交通事故成傷參數(shù)主要由車輛參數(shù)和行人參數(shù)兩部分組成，其中車輛參數(shù)包含撞擊速度、撞擊方向等，行人參數(shù)包含行人體型、運(yùn)動狀態(tài)等。在事故仿真時，通過對人體有限元模型的縮放及調(diào)整，可以滿足不同行人參數(shù)條件。本研究主要探究交通事故成傷參數(shù)中不同車輛參數(shù)影響。車輛的超速行駛是導(dǎo)致交通事故的重要原因之一，速度的快慢直接影響碰撞時的嚴(yán)重程度。統(tǒng)計表明，近95%的行人意外交通事故發(fā)生在撞擊速度低于60 km/h[5]。車輛從不同的方向撞擊行人下肢會造成下肢長骨骨折等ASI2+損傷，因此撞擊方向是交通事故成傷分析中另一個比較重要的參數(shù)。由GIDAS事故數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計顯示，在車輛撞擊行人的案件中有80%～90%的撞擊方向是行人側(cè)面（左側(cè)或右側(cè)）方向。如圖1 行人碰撞時刻圖所示，碰撞多數(shù)發(fā)生在2:00～4:00 及8:00～10:00 方向，圖中大圓外箭頭代表汽車行駛方向，圓中心箭頭代表行人前進(jìn)方向[6]。

圖1 GIDAS 中行人碰撞時刻圖Fig.1 Pedestrian collision time chart in GIDAS

2.2 行人下肢損傷重建方法

運(yùn)用上述行人模型以及車輛模型在LS-Dyna仿真軟件中構(gòu)建不同汽車-行人交通事故成傷參數(shù)下行人被車輛撞擊時的接觸形態(tài)，如圖2 所示。對行人下肢膝關(guān)節(jié)處進(jìn)行后外側(cè)、正外側(cè)以及前外側(cè)三個方向的撞擊仿真實(shí)驗(yàn)，撞擊速度分別為20 km/h、30 km/h 和40 km/h。將撞擊部位和撞擊速度二參數(shù)自由組合進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。設(shè)置仿真程序的初始條件如已經(jīng)確定的轎車與行人碰撞時的速度、下肢與車體前部的摩擦因數(shù)0.5，下肢與地面的摩擦因數(shù)0.65。

圖2 轎車與行人碰撞形態(tài)Fig.2 Collision patterns between car and pedestrian

3 行人下肢動力學(xué)及損傷分析

3.1 膝關(guān)節(jié)后外側(cè)撞擊仿真結(jié)果

在人體下肢脛骨近心端后外側(cè)位置受到轎車撞擊時，保險杠所攜帶的動能通過皮膚肌肉組織傳遞給膝關(guān)節(jié)，外側(cè)半月板應(yīng)力大于內(nèi)側(cè)半月板應(yīng)力同時膝關(guān)節(jié)向外彎曲。撞擊過程中，人體下肢長骨的脛骨其近心端先受到轎車作用產(chǎn)生應(yīng)力集中，t=10 ms 時股骨受脛骨牽扯及保險杠撞擊影響在其遠(yuǎn)心端產(chǎn)生應(yīng)力集中。隨著膝蓋彎曲，股骨應(yīng)力集中現(xiàn)象開始減弱，脛骨應(yīng)力集中加劇且由近心端轉(zhuǎn)移至脛骨中段。后外側(cè)撞擊下，行人下肢長骨與保險杠碰撞過程動態(tài)應(yīng)力云圖如圖3 所示。保險杠與下肢撞擊的接觸力最大值在20，30，40 km/h 下分別為3.1，9.5，17.3 kN，其隨時間變化曲線如圖4 所示。

圖3 后外側(cè)撞擊行人下肢動態(tài)響應(yīng)Fig.3 Dynamic response of pedestrian’s lower limb at posterolateral impact

圖4 后外側(cè)撞擊接觸力-時間變化曲線Fig.4 Posterolateral impact force-time curve

3.2 膝關(guān)節(jié)正外側(cè)撞擊仿真結(jié)果

行人下肢膝關(guān)節(jié)正外側(cè)受到轎車撞擊時，由于正外側(cè)膝關(guān)節(jié)可彎曲角度較小，因此撞擊所產(chǎn)生的接觸力會更大。在撞擊過程中，膝關(guān)節(jié)逐漸向內(nèi)彎曲，外側(cè)半月板明顯受壓且內(nèi)側(cè)半月板發(fā)生位移。股骨與脛骨受到保險杠作用時二者同時產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，分別發(fā)生于股骨遠(yuǎn)心端及脛骨近心端。下肢長骨應(yīng)力值最大處隨撞擊時間發(fā)生變化，脛骨最大處向遠(yuǎn)心端移動，股骨最大處向近心端移動且在骨中段位置停止。正外側(cè)撞擊下，行人下肢長骨與保險杠碰撞過程動態(tài)應(yīng)力云圖如圖5 所示。保險杠與下肢撞擊的接觸力最大值在20，30，40 km/h 下分別為6.3，11.7，17.7 kN，其隨時間變化曲線如圖6 所示。

圖5 正外側(cè)撞擊行人下肢動態(tài)響應(yīng)Fig.5 Dynamic response of pedestrian’s lower limb by right lateral impact

3.3 膝關(guān)節(jié)正外側(cè)撞擊仿真結(jié)果

當(dāng)行人下肢膝關(guān)節(jié)前外側(cè)受車輛撞擊，膝關(guān)節(jié)前外側(cè)因可彎曲角度較小，轎車與膝關(guān)節(jié)直接接觸在撞擊處及受力對側(cè)產(chǎn)生壓縮和拉伸形變。撞擊過程中，股骨先受到保險杠作用并在遠(yuǎn)心端處有應(yīng)力集中，隨著膝關(guān)節(jié)受力對側(cè)的拉伸形變，脛骨中端位置產(chǎn)生明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，拉伸形變超過限值即出現(xiàn)節(jié)段性骨折現(xiàn)象。前外側(cè)撞擊下，行人下肢長骨與保險杠碰撞過程動態(tài)應(yīng)力云圖如圖7 所示。保險杠與下肢撞擊的接觸力最大值在20，30，40 km/h 下分別為3.6，9.5，16.0 kN，其隨時間變化曲線如圖8 所示。

圖7 前外側(cè)撞擊行人下肢動態(tài)響應(yīng)Fig.7 Dynamic response of pedestrian’s lower limb by anterolateral impingement

圖8 前外側(cè)撞擊接觸力-時間變化曲線Fig.8 Anterolateral impact force-time curve

3.4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

綜合轎車-行人不同撞擊位置及撞擊速度參數(shù)下分析出來的結(jié)果，分別對損傷程度和接觸力進(jìn)行分析。將長骨的von Mises 等效應(yīng)力定義為判斷損傷的指標(biāo)，提取在不同參數(shù)條件下脛骨與股骨在撞擊過程中所產(chǎn)生的最大應(yīng)力。Takahashi[7]等人的研究從尸體測試得出脛骨的平均屈服應(yīng)力（129 MPa）和股骨的平均屈服應(yīng)力（114 MPa）作為參考行人下肢長骨受傷的風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn)。作用速度與作用部位和接觸力之間的關(guān)系如圖9 所示。表1 得出不同損傷參數(shù)下的行人下肢損傷分布。

圖9 作用速度與作用部位和接觸力關(guān)系圖Fig.9 Relation diagram of acting velocity with acting position and contact force

表1 不同損傷參數(shù)下的損傷分布統(tǒng)計Tab.1 Statistics of damage distribution under different damage parameters

（續(xù)表）

4 結(jié)論

基于THUMS 人體有限元模型和LS-Dyna 仿真軟件構(gòu)建了轎車-行人碰撞仿真平臺，通過設(shè)定不同的行人損傷參數(shù)條件包括轎車撞擊速度以及與行人下肢撞擊位置，對碰撞后行人的運(yùn)動學(xué)響應(yīng)及其損傷程度進(jìn)行了分析，結(jié)果如下：

（1）在同一損傷參數(shù)條件下，隨著轎車作用速度的增加，與行人發(fā)生碰撞產(chǎn)生的作用力也增大。車速在40 km/h 以下時，行人下肢長骨造成輕微傷概率較大，車速達(dá)到40 km/h 及以上時，在不同撞擊位置下行人下肢長骨均會造成嚴(yán)重?fù)p傷。

（2）當(dāng)作用速度相同時，正外側(cè)撞擊作用力大于前外側(cè)撞擊和后外側(cè)撞擊的作用力，后外側(cè)撞擊作用力小于正外側(cè)撞擊作用力，同時根據(jù)損傷分布說明后外側(cè)遭撞擊不易出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷，前外側(cè)與正外側(cè)更易造成下肢損傷。

（3）結(jié)合行人成傷參數(shù)化條件和有限元仿真方法進(jìn)行的事故重建和損傷重建是研究真實(shí)事故中行人損傷參數(shù)的有效工具，對今后開展行人安全性研究和大量事故仿真再現(xiàn)起指導(dǎo)作用。