基于事故再現(xiàn)的行人頭地二次碰撞損傷機(jī)理分析

陳一凡，羊 玢

（南京工程學(xué)院 汽車與軌道交通學(xué)院，江蘇 南京 211167）

目前我國(guó)的汽車保有量在不斷上升，更大的基數(shù)意味著更多的事故。在交通系統(tǒng)中，行人是最脆弱的，容易因事故傷亡，行人因交通事故死亡的比例最高，占死亡總?cè)藬?shù)的26%。2019年，道路交通事故萬車死亡人數(shù)約1.80人，其中萬車行人死亡人數(shù)約0.45人，占全年交通事故死亡總?cè)藬?shù)的25%[1]。為了減輕交通事故給社會(huì)帶來的巨大經(jīng)濟(jì)和情感負(fù)擔(dān)，研究大都致力于降低交通事故的頻率和嚴(yán)重程度。傳統(tǒng)的碰撞研究多采用人體模型模擬事故來對(duì)碰撞過程數(shù)據(jù)進(jìn)行研究[2-5]。此外，也有從統(tǒng)計(jì)的角度對(duì)行人和自行車損傷進(jìn)行了研究[6-8]。

全球道路安全報(bào)告中指出[9]，頭部是行人發(fā)生事故時(shí)受到傷害最嚴(yán)重的部位，且受傷率高達(dá)30%。在事故中，行人頭部主要受到與車輛的撞擊，接著是與地面碰撞的二次傷害，二次傷害包括摔倒、在地上翻滾和撞擊其他物體。一般情況下，雖然對(duì)行人頭部造成嚴(yán)重傷害是與汽車的直接沖擊碰撞，但據(jù)調(diào)查顯示[10]，發(fā)生事故中只有約65%的情況是人頭與車直接相碰，況且行人的頭部直接撞擊地面，也是產(chǎn)生嚴(yán)重的腦損傷的根本原因。目前國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在人車碰撞問題上，對(duì)人地碰撞問題的研究較少。因此，針對(duì)這一疏忽，有必要對(duì)行人頭部撞擊地面的損傷機(jī)理及相應(yīng)的損傷風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行更深入的研究。

通常情況下，實(shí)驗(yàn)大都采用多剛體模型來研究行人在碰撞過程中和碰撞后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[11-12]。KIERNAN等人[13]用多剛體模型與不同車型進(jìn)行了碰撞模擬，研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)罩越高的車型越容易發(fā)生人頭與地面的直接碰撞。SHI等人[14]用多剛體模型進(jìn)行多次的事故再現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，研究車輛正面結(jié)構(gòu)、車輛撞擊速度、行人大小和步態(tài)對(duì)行人對(duì)地面撞擊傷害風(fēng)險(xiǎn)的影響。然而，由于多剛體模型簡(jiǎn)單，因而很難獲得頭部損傷的具體生物力學(xué)參數(shù)。

有限元法已廣泛地應(yīng)用于汽車工程行業(yè)[12,15]。為獲取更精準(zhǔn)生物力學(xué)參數(shù)，有限元模型被用于頭部與地面碰撞研究。LI等人[16]用六個(gè)月大的兒童顱腦的有限元模型模擬真實(shí)的頭部落地情況，所得參數(shù)與實(shí)際參數(shù)有良好的吻合度，并指出頭部與地面的高度差和地面的剛度對(duì)二次跌地碰撞的影響。TAMURA等人[17]使用有限元方法重建了地面碰撞，研究表明，以后研究的重點(diǎn)應(yīng)放在行人接觸地面引起的持續(xù)性創(chuàng)傷性腦損傷（Trauma- tic Brain Injury, TBI）。王聰[18]模擬人頭有限元模型從各種角度跌落在地面上，探究人頭不同著落面對(duì)顱腦的損傷狀況。

綜上所述，各學(xué)者主要對(duì)車輛行人碰撞和行人頭部落地?fù)p傷進(jìn)行了研究。對(duì)于前者，研究主要采用多剛體模型方法，然而，基于多剛體實(shí)驗(yàn)的局限性在于難以獲得具體的頭部生物力學(xué)參數(shù)，很難分析出頭部損傷的具體機(jī)制。后者采用有限元分析方法研究了不同高度、角度等狀況下頭部墜地造成的損傷，但沒有結(jié)合實(shí)際中車輛行人碰撞事故的研究。因此，本文將上述兩種方法結(jié)合起來，基于現(xiàn)實(shí)中車輛行人碰撞事故再現(xiàn)的行人頭部落地?fù)p傷機(jī)理進(jìn)行研究。

本文的意義在于為車輛行人碰撞事故中行人頭部落地?fù)p傷提供了一套可行的研究方法。具體來說，通過多剛體模型再現(xiàn)事故得到碰撞參數(shù)，在此基礎(chǔ)上用有限元模型進(jìn)行行人頭部落地?fù)p傷分析。該方法能夠有效地再現(xiàn)事故現(xiàn)場(chǎng)，判斷頭部損傷程度，分析損傷機(jī)理，探究應(yīng)力波的傳播方式，為進(jìn)一步研究行人頭部保護(hù)和改善車輛前部形狀提供參考。

1 基于PC-Crash的事故再現(xiàn)與分析

本節(jié)以實(shí)際事故為例，利用PC-Crash軟件對(duì)碰撞過程進(jìn)行仿真，并對(duì)碰撞過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。

1.1 事故概述

事故現(xiàn)場(chǎng)草圖如圖1所示。一輛面包車在最左車道直線行駛，與道路中間穿越綠化帶的行人相撞。碰撞后，行人最終倒地，停在車輛前方。事故發(fā)生后所測(cè)剎車印跡為10.6 m，被撞行人距車輛11.3 m，行人拋距為19 m。這名行人最終死于前額粉碎性骨折和嚴(yán)重的顱腦損傷。

圖1 事故現(xiàn)場(chǎng)草圖

車輛的損壞情況如圖2所示。副駕駛前側(cè)擋風(fēng)玻璃嚴(yán)重碎裂并向內(nèi)凹陷，右側(cè)引擎蓋內(nèi)陷，右前照燈玻璃破碎。

圖2 車輛損壞圖

1.2 速度計(jì)算

碰撞時(shí)面包車速度根據(jù)能量守恒定理計(jì)算：

式中，s為面包車緊急制動(dòng)剎車印跡；m為面包車質(zhì)量；φ為道路附著系數(shù)；i為坡度；g為重力加速度；故碰撞瞬間面包車速度v0為43.4 km/h。

根據(jù)事故監(jiān)控計(jì)算出行人碰撞瞬間速度為1.4 km/h。

1.3 運(yùn)動(dòng)分析

碰撞時(shí)面包車設(shè)置好面包車和行人的各項(xiàng)參數(shù)并調(diào)整好碰撞位置和行人姿態(tài)。

仿真結(jié)果表明，面包車碰撞速度為44 km/h時(shí)，行人拋距離為19.5 m，與所采集數(shù)據(jù)基本一致。面包車剎停位置和行人落地位置也與事故現(xiàn)場(chǎng)情況吻合，如圖3所示。

圖3 模型仿真位置

碰撞后行人的姿態(tài)如圖4所示。當(dāng)t=0.025 s時(shí)，行人右小腿即將與前保險(xiǎn)杠發(fā)生碰撞；當(dāng)t=0.098 s時(shí)，行人的髖骨和上半身與面包車引擎蓋發(fā)生碰撞，導(dǎo)致引擎蓋內(nèi)陷；行人頭部撞擊擋風(fēng)玻璃，造成擋風(fēng)玻璃嚴(yán)重碎裂并向內(nèi)凹陷，行人嚴(yán)重腦損傷。t=1.200 s時(shí)，行人頭部正面與地面相撞，造成二次腦損傷；t=2.448 s時(shí)，車與人完全靜止。結(jié)果表明，面包車損壞程度與實(shí)際情況基本一致，該模型較好的進(jìn)行了事故再現(xiàn)。

圖4 碰撞后行人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

由圖5可知，當(dāng)行人頭部正面與地面相撞，接觸力為4262 N，瞬時(shí)速度為11.11 m/s，沖擊方向與地面夾角為87?。

圖5 頭部接觸力和速度曲線

2 行人頭部落地?fù)p傷的有限元分析

建立人頭有限元模型，通過各項(xiàng)生物力學(xué)參數(shù)對(duì)行人顱腦損傷機(jī)理展開研究，同時(shí)觀察壓力波在行人頭部的傳播過程。

2.1 頭部有限元建模

為了獲得人體頭部的斷層圖像，對(duì)50百分位成年男性的頭部進(jìn)行計(jì)算機(jī)斷層掃描（Computed Tomography, CT）和磁共振成像掃描（Magnetic Resonance Imaging, MRI）。首先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，將圖像導(dǎo)入Mimics中，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過參數(shù)化處理生成曲面；接著在擬合曲面前，進(jìn)行檢測(cè)并去除缺陷點(diǎn)；最后利用B樣條曲線擬合曲面生成三維幾何模型，所建立的三維模型主要包括顱骨、面骨、軟骨、牙齒、腦膜、大腦、小腦和腦脊液。

獲得三維模型后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將其導(dǎo)入到HyperMesh中，將單元體類型設(shè)置為線性六面體單元，將模型導(dǎo)入ABAQUS中定義骨骼組織和腦組織的材料屬性參數(shù)[19]，所建立的模型共包含403176個(gè)單元。

2.2 仿真與結(jié)果分析

首先建立具有固定邊界條件的路面模型，然后設(shè)置頭部模型前額跌地碰撞的速度及角度，并完成其他結(jié)果的輸出設(shè)置。圖6為頭部前額跌地碰撞圖。

圖6 頭部前額跌地碰撞圖

圖7為行人額頭落地時(shí)顱內(nèi)壓隨時(shí)間的變化曲線。發(fā)生碰撞時(shí)，行人前額碰撞處的顱內(nèi)壓為正，這是因?yàn)閼T性作用而導(dǎo)致的顱骨與腦組織相互擠壓，碰撞側(cè)正壓峰值為363 kPa。而在碰撞對(duì)側(cè)的顱內(nèi)壓力為負(fù)，這是因?yàn)樵撎幍哪X組織與顱骨相互分離，碰撞對(duì)側(cè)的負(fù)壓峰值為-147 kPa。WARD等人[20]研究表明，當(dāng)成人頭部顱內(nèi)壓大于235 kPa時(shí)，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的腦損傷，這與事后醫(yī)學(xué)報(bào)告中行人頭部有嚴(yán)重腦損傷的情況是一致的。

圖7 頭部前額跌地碰撞時(shí)顱內(nèi)壓隨時(shí)間的變化曲線

由圖8可以看出，當(dāng)t=3.0 ms時(shí)，由于地面阻礙人頭運(yùn)動(dòng)而在碰撞處出現(xiàn)應(yīng)力。當(dāng)t=4.0 ms～6.0 ms時(shí)，碰撞處的應(yīng)力隨時(shí)間越來越大，應(yīng)力開始從碰撞處向四周傳播，其中一部分應(yīng)力在顱骨傳播，上至顱頂骨區(qū)域，向下到達(dá)眉間，額骨眶部等區(qū)域，并繼續(xù)向額眶面、篩狀板和頜面部骨撕裂處擴(kuò)散，由于這些部位形狀幾何形狀變化明顯，故出現(xiàn)應(yīng)力集中。當(dāng)t=6.0 ms時(shí)，顱骨碰撞處的von Mises應(yīng)力出現(xiàn)最大值，其等效應(yīng)力448 MPa。根據(jù)MCELHANEY等人[21]提出的當(dāng)von Mises應(yīng)力超過75 MPa時(shí)，額骨將發(fā)生斷裂，所以，在這種情況下，行人會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的額骨骨折，這與事后醫(yī)學(xué)報(bào)告中行人額骨粉碎性骨折相符合，此外額骨骨折也會(huì)引起硬腦膜血腫。

圖8 應(yīng)力波在頭部的傳播和分布

而碰撞處的另一部分壓力則經(jīng)由顱骨和腦組織的連接處傳播到大腦。由于應(yīng)力波傳播過程中產(chǎn)生能量損耗，因而耦合處腦組織的von Mises應(yīng)力遠(yuǎn)小于顱骨接觸處的von Mises應(yīng)力。由圖8的應(yīng)力波在腦組織傳播情況可以看出，當(dāng)t=4.0～ 6.0 ms，耦合處的應(yīng)力隨時(shí)間越來越大，且開始從耦合處向四周輻射。在腦組織額葉處和胼胝體處都出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，而由于碰撞引起人腦和顱骨產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，與顱骨接觸的顱底組織產(chǎn)生大范圍的應(yīng)力集中。當(dāng)t=6.0 ms時(shí)，腦組織在與顱骨耦合處出現(xiàn)最大von Mises應(yīng)力為99.76 kPa。而根據(jù)BAUMGARTNER等人[22]的理論：當(dāng)腦組織von Mises應(yīng)力超過38 kPa時(shí)，人會(huì)因?yàn)閲?yán)重的腦損傷而死亡，被撞行人也死于嚴(yán)重腦損傷，從而得出有限元仿真的真實(shí)有效性。

綜上所述，從仿真人頭額部撞地所得的應(yīng)力波的傳播和分布情況可以得出，應(yīng)力波從碰撞處開始，沿顱骨和腦組織向各個(gè)方向傳播，從而使顱骨和腦組織受到不同程度的損傷。應(yīng)力波的傳播主要有兩方面，一方面是來從顱骨碰撞處向四周傳播直到碰撞對(duì)側(cè)，其中應(yīng)力集中出現(xiàn)在顱骨碰撞處和顱骨附近形狀變化較大的骨骼組織上的；另一方面是從碰撞處的腦組織與顱骨耦合處向四周傳播直到碰撞的另一側(cè)，應(yīng)力集中在碰撞處的腦組織和顱底。當(dāng)應(yīng)力波傳播到顱腦耦合時(shí)會(huì)發(fā)生衰減，即撞擊部位顱骨的von Mises應(yīng)力明顯高于撞擊部位腦組織的von Mises應(yīng)力，這與何黎民等人[23]的研究結(jié)果一致。結(jié)合仿真結(jié)果和行人頭部的實(shí)際損傷情況，從而得出應(yīng)力集中可能是頭部落地?fù)p傷的一種損傷機(jī)制這一結(jié)論。

3 總結(jié)

本文模擬了現(xiàn)實(shí)生活中的碰撞事故。以事故再現(xiàn)得到的行人頭部落地的速度和角度為初始條件，采用具有精細(xì)顱面結(jié)構(gòu)的大腦有限元模型，研究了行人頭部落地?fù)p傷機(jī)理和應(yīng)力波傳播方式。

1）行人頭部撞擊地面后的顱腦損傷與von Mises應(yīng)力和應(yīng)變有關(guān)，應(yīng)力分布和應(yīng)力波傳播反映了顱腦損傷的沖擊響應(yīng)過程，從而使觀察顱腦損傷的過程更直觀，其中應(yīng)力波的傳播路徑主要有兩種。

2）通過重構(gòu)某案例中行人撞擊地面造成腦損傷的過程，可以看出仿真結(jié)果與腦減速損傷的實(shí)際情況是一致的。將有限元模擬結(jié)果與事故中行人的損傷情況進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)行人與地面碰撞時(shí)，在碰撞部位的腦組織和顱骨內(nèi)存在應(yīng)力集中，在碰撞的對(duì)側(cè)和顱底不規(guī)則部位存在應(yīng)力集中區(qū)，其中顱骨部位應(yīng)力最大。

3）準(zhǔn)確重建行人腦損傷碰撞模型，可以用來對(duì)不同情況下人頭損傷程度進(jìn)行預(yù)測(cè)，為進(jìn)一步研究行人頭部保護(hù)和改善車輛前方結(jié)構(gòu)形狀提供參考。