基于人—車碰撞事故重建的行人下肢動力學響應與損傷生物力學分析

張道文，雷 毅，任 耀，湯楷文，董鑫馳，羅 晶，胡文浩

（ 1. 西華大學 汽車與交通學院，成都 610039，中國；2. 汽車測控與安全四川省重點實驗室，成都 610039，中國；3. 四川省新能源汽車智能控制與仿真測試技術工程研究中心，成都 610039，中國；4. 國家市場監(jiān)督管理總局缺陷產品管理中心，北京100191，中國；5. 國家市場監(jiān)管重點實驗室（產品缺陷與安全），北京100191，中國）

據世界衛(wèi)生組織(World Health Organization,WHO)2018年公布的《全球道路交通安全現(xiàn)狀報告》顯示，全球每年約有135萬人死于道路交通事故[1]。行人是道路交通中的主要參與者，同時也是弱勢參與者。事故統(tǒng)計表明，在交通事故中行人的下肢是損傷高風險部位[2-3]，且嚴重的下肢損傷是導致行人殘疾的主要原因[4]，因此，深入分析交通事故中行人下肢損傷成因對行人保護具有重要意義。

對于行人下肢損傷，在中國新車評價規(guī)程(China-New Car Assessment Program，C-NCAP)行人保護部分中，要求腿型沖擊器以 40 km/h 的速度水平沖擊車輛前部完成腿型沖擊實驗，以腿部彎矩和膝部韌帶延伸量等指標來評價車輛對行人腿部的碰撞保護性能[5]。相關實驗結果表明，沖擊器模擬的行人損傷結果主要受車輛前部保險杠高度和發(fā)動機罩前邊緣高度等縱向造型特征參數(shù)的影響[6-8]，同時碰撞位置的結構剛度也會對結果產生影響[9]。但在交通事故中，行人本身及其運動狀態(tài)具有不確定性，因此腿型沖擊試驗不能完全反映交通事故中行人下肢損傷機理。蔣陽等[10]基于事故重建技術建立了人—車碰撞模型，分析了碰撞速度對行人下肢損傷的影響。尹均等[11]基于Madymo 平臺建立了不同體型多剛體人與車輛碰撞模型，結果表明行人下肢損傷與行人的體型有關。LI Guibing 等[12]建立了不同步態(tài)下行人與車輛前端碰撞的有限元模型，分析結果表明行人下肢損傷與行人步態(tài)高度相關。王丙雨等[13]分析了德國深入事故調查研究數(shù)據庫中與行人下肢損傷有關的 404 個案例，結果表明行人下肢損傷風險隨著年齡的增大而增加。

綜上所述，學者們研究了車輛前部縱向造型特征參數(shù)及其剛度對行人下肢損傷的影響，同時也對行人自身的影響因素進行了探索。但在這些研究中，行人碰撞的位置大多選在車輛前部中央區(qū)域，或使用剛體假人評估行人下肢損傷，對于車輛前部橫向結構特征差異對行人損傷的影響程度缺乏深入研究，也未從行人生物力學角度去評估行人在車輛前部其他碰撞區(qū)域產生的下肢損傷。因此本文選用具有較高生物仿真度的THUMS 假人，模擬了行人與車輛前部具有不同橫向特征區(qū)域的碰撞場景，探討了行人下肢的運動響應及生物力學損傷規(guī)律，可以為車輛被動安全和行人保護設計提供參考。

1 模型建立與驗證

1.1 事故信息

事故案例來源于國家車輛事故深度調查體系(National Automobile Accident In-Depth Investigation System, NAIS)的數(shù)據庫，案例事故形態(tài)為人車碰撞事故，根據數(shù)據庫記錄的字段信息，該事故發(fā)生在城市道路的一個十字路口，一輛白色轎車由西向東行駛撞上橫穿馬路的行人，事故具體信息見表1。

表1 事故信息

1.2 模型建立

根據詳細的事故案例信息，選用美國碰撞安全與分析中心(Center for Collision Safety and Analysis，CCSA)通過逆向工程開發(fā)的某型轎車有限元模型替代事故車，該轎車模型完成了美國新車評估計劃(New Car Assessment Program，NCAP)正面碰撞測試，模型的有效性已經得到了驗證[14]。使用THUMS 假人模擬事故案例中的行人，與其他類型的假人相比，THUMS假人擁有較高的生物仿真度。通過尸體試驗與THUMS假人仿真試驗對比，結果表明兩者的運動響應和損傷表現(xiàn)一致[15]。為了提高仿真計算效率和精度，將車輛前端從整車有限元模型中分割出來，并在模型中重新分配質量點，使修改后的車輛質心相關參數(shù)與原來的參數(shù)相近，并通過縮放技術使THUMS 假人體型接近事故案例中行人體型，最終建立如圖1 所示的人—車碰撞有限元模型。

圖1 人—車碰撞有限元模型

1.3 模型驗證

基于車輛事故數(shù)據庫信息對碰撞事故進行重建是一種預測事故參與者損傷的基本方法[16]，研究表明數(shù)值模擬結合優(yōu)化算法可以用于預測行人和車輛的預碰撞條件[17]。王方[18]等利用多剛體動力學模型進行事故重建，通過事故重建計算所得到的仿真結果與事故信息進行對比，完成了事故重建模型的驗證，該類數(shù)據主要包括車輛變形位置、碰撞起始位置、行人受傷部位、行人落地最終位置等。本文利用有限元仿真進行事故重建，圖2 展示了事故重建中行人碰撞運動響應，在5 ms 時，行人左腿與車輛前部保險杠和進氣格柵發(fā)生碰撞；在18 ms 時，行人髖部與車輛引擎蓋前邊緣發(fā)生碰撞；在113 ms 時，行人頭部與前風窗玻璃發(fā)生碰撞。

圖2 事故重建中行人碰撞運動響應

對于車輛外損信息，將數(shù)據庫中事故車輛外損信息與事故重建的仿真結果進行對比(圖3 )，從圖3a 中可見事故車輛的機罩前緣產生凹陷變形，發(fā)動機進氣格柵產生塑性變形；圖3b 中事故車輛的機罩邊緣發(fā)生翹曲變形，前風窗玻璃產生蛛網狀裂紋。仿真結果如圖3c 所示，在碰撞過程中行人大腿與發(fā)動機進氣格柵發(fā)生碰撞，造成了發(fā)動機進氣格柵產生變形，行人髖部與機罩前緣碰撞，使機罩前緣產生了凹陷，這些碰撞位置變形與事故車輛變形位置一致；圖3d 中可見，在行人與車輛前風窗玻璃接觸點處，前風窗玻璃出現(xiàn)網狀裂紋與事故車輛位置一致，結果表明仿真中車輛變形位置、碰撞位置、行人頭部落點位置等信息與事故結果相符，由于仿真計算時長的限制在120 ms，因此在仿真結果中未能看到引擎蓋翹曲。

圖3 事故車輛外損與仿真結果對比

對于行人損傷，提取了行人左腿股骨應力分布云圖，圖4 中顯示行人股骨頭最大應力達到117.3 MPa。研究表明，脛骨的平均屈服應力129 MPa 和股骨的平均屈服應力114 MPa 作為參考[19]，由此可知仿真結果中人體股骨損傷超過了損傷耐受限度，行人左腿股骨發(fā)生了損傷。

圖4 行人股骨應力分布云圖

綜上所述，仿真結果中車輛損壞和行人損傷與事故案例采集的信息相符，因此表明本文建立的人-車碰撞模型具有有效性，可以用此模型繼續(xù)展開研究。

2 仿真實驗設計

2.1 碰撞位置選取

在真實的交通事故中，行人與車輛發(fā)生碰撞的位置是無法確定的，從車輛外損上看，行人只與引擎蓋、保險杠蒙皮和進氣格柵等車身覆蓋部件發(fā)生了碰撞，但是從大量的人—車碰撞事故案例信息中可知，車輛引擎蓋和保險杠蒙皮下方的其他車輛結構也發(fā)生了變形，因此這些結構也會影響行人損傷。本文根據此車輛前部的結構特征，劃分了3 個碰撞區(qū)：中央碰撞區(qū)、車燈與進氣格柵接縫碰撞區(qū)、車燈碰撞區(qū)，如圖5 所示。

在中央碰撞區(qū)存在保險杠、水箱散熱器支架和引擎蓋鎖支架等剛度較高的結構。在車燈與進氣格柵接縫碰撞區(qū)，保險杠末端和支撐保險杠的縱梁等多個部件交錯于該區(qū)域內，因此該區(qū)域內橫向剛度變化較大。在車燈碰撞區(qū)，保險杠無法完全覆蓋到此區(qū)域，為了滿足行人保護的法規(guī)要求，通常會對車燈支架作弱化設計[21]，因此車燈碰撞區(qū)的結構剛度相對較弱。為了使行人的碰撞位置能精確地落在這3 個碰撞區(qū)域，在車輛前部設置了3 個碰撞位置：車輛中央碰撞區(qū)中心(位置①，記作Y+0 )、車燈與進氣格柵接縫碰撞區(qū)中心(位置②，記作Y+510 )、車燈碰撞區(qū)中心(位置③，記作Y+720 )。

在已驗證的人—車事故重建模型基礎之上，參考中國新車評估計劃(C-NCAP)行人保護試驗方法，設定車輛碰撞初速度為40 km/h，并給車輛施加0.7g的減速度模擬車輛制動。使用預模擬方法對THUMS 假人進行預處理，得到如圖6 所示的3 種行人運動狀態(tài)，并設置行人站立、步行、跑步狀態(tài)的速度分別為：0、5、10 km/h，車輛的行駛方向和行人的移動方向呈90°夾角，行人與路面的摩擦系數(shù)為0.6，行人與車輛前端的摩擦系數(shù)為0.3[22]。

圖6 行人運動狀態(tài)

2.2 行人下肢損傷評價

在人—車碰撞事故中，行人下肢損傷主要由行人與車輛前部碰撞時產生的沖擊反力(FRecoil)造成。對于下肢損傷，除了常見的長骨損傷，膝關節(jié)韌帶損傷也是下肢常見的損傷形式，它主要是由碰撞過程中膝關節(jié)的橫向彎曲和剪切位移聯(lián)合作用導致。如圖7 所示，以股骨和脛骨骨干參考線夾角作為膝關節(jié)橫向彎曲角，以股骨和脛骨上2 節(jié)點之間的相對橫向位移作為膝關節(jié)橫向剪切位移，通過測量2 個參數(shù)的結果預測行人膝關節(jié)損傷，F(xiàn). Mo 等[23]研究表明，行人膝關節(jié)橫向剪切位移和彎曲角損傷閾值分別為14 mm 和16°。由于人體下肢損傷形式多種多樣，本文只考慮下肢長骨損傷和膝關節(jié)韌帶損傷。

圖7 膝關節(jié)橫向剪切位移與橫向彎曲角

3 結果分析

3.1 行人下肢動力學響應

圖8 給出了行人下肢在3 個碰撞位置的沖擊反力(Frecoil)曲線，從圖中可見，行人下肢在3 個碰撞位置受到了不同程度的沖擊。

圖8 行人下肢沖擊反力

在位置1 處，步行和跑步狀態(tài)下，行人下肢Frecoil曲線增長趨勢相似，各出現(xiàn)了2 個沖擊反力波峰，分別為10.13、13.88 kN 及10.03、13.28 kN；而站立狀態(tài)下，其下肢Frecoil曲線增長趨勢明顯區(qū)別于另外2 種運動狀態(tài)，僅出現(xiàn)了1 個波峰(12.25 kN)。

在位置2 處，步行和跑步狀態(tài)下，碰撞產生的第1 個Frecoil峰值大小相近，分別為10.72、10.54 kN，但兩者的第2 個峰值存在較大差異, 分別為11.92、14.78 kN；站立狀態(tài)下，行人下肢Frecoil曲線出現(xiàn)了3 個明顯的波峰，但是其峰值相對較小，最大值為9.33 kN。

在位置3 處，3 種運動狀態(tài)下，行人下肢Frecoil曲線趨勢均不一致。其中，跑步狀態(tài)下，產生的2 個波峰大小相近，分別為9.91 kN 和10.10 kN；步行狀態(tài)下，第1個波峰(10.94 kN)明顯高于第2 個波峰(8.55 kN)；站立狀態(tài)下，第2 個波峰峰值(10.50 kN)遠高于第1 個波峰峰值(4.08 kN)。

步行和跑步狀態(tài)下，下肢Frecoil曲線出現(xiàn)了2 個峰值，結合圖5 可知，這種現(xiàn)象可能與行人下肢初始狀態(tài)有關。步行和跑步狀態(tài)中行人下肢左右大腿在呈前后交叉形態(tài)，而站立狀態(tài)中行人下肢左右大腿呈重合形態(tài)，大腿前后交叉形態(tài)將導致行人左右大腿與車輛發(fā)生碰撞的時刻不同。分析這2 種運動狀態(tài)在位置①發(fā)生的碰撞，從圖8a 中可知，行人下肢Frecoil峰值出現(xiàn)在前30 ms 內，因此對行人前30 ms 內的運動響應進行分析(圖9 )。在5 ms 時，行人左腿已經與車輛保險杠蒙皮發(fā)生了輕微的接觸；在5～15 ms，保險杠蒙皮產生了凹陷，行人的左腿與車輛保險杠發(fā)生碰撞，產生了第1 個沖擊反力峰值，之后行人的左腿開始逐漸抬離地面，但右腿未與車輛發(fā)生接觸，行人下肢Frecoil反而開始減小；在15～20 ms，行人的右腿開始與車輛保險杠蒙皮接觸，行人下肢Frecoil又開始增加；在20～25 ms，行人的右腿仍然未產生明顯的橫向位移，其下肢Frecoil持續(xù)增加，并達到第2 個波峰；在25 ms 后，行人右腿開始產生橫向彎曲，下肢開始發(fā)生較大橫向位移，同時雙腳逐漸抬離地面，其下肢沖擊反力開始減小。

圖9 步行、跑步狀態(tài)中行人運動響應

在站立狀態(tài)下，行人下肢沖擊力在3 個碰撞位置都有不同的表現(xiàn)，這可能與碰撞位置結構特征不一樣相關。從圖10 可知，位置①處，在碰撞過程中車輛前部保險杠未發(fā)生明顯變形，引擎蓋前緣和車輛前部下緣發(fā)生變形，行人的左腿與車輛前部發(fā)生碰撞后，左腿一直推著右腿運動。在位置②處，車輛前部保險杠蒙皮和車燈發(fā)生明顯變形，在前20 ms 行人右腿仍然被左腿推著運動；在20 ms 后，可以看出行人左、右腿發(fā)生了明顯的相對運動，行人左腿的膝關節(jié)高于右腿的膝關節(jié)，這可能與行人髖部沿著引擎蓋邊緣向上滑動有關。在位置③處，當車燈安裝支架發(fā)生失效時，車燈下方保險杠蒙皮發(fā)生大面積的凹陷變形，這可能與保險杠未能完全覆蓋到車燈區(qū)域有關?？傊鲎策^程中，在位置①和位置②處，車輛前部產生的變形相對較小，行人下肢膝關節(jié)產生的橫向彎曲角較大。然而在位置③處，車輛前部產生的變形相對較大，行人下肢膝關節(jié)產生的橫向彎曲角較小。

圖10 站立狀態(tài)行人運動響應

3.2 行人下肢骨骼損傷

對于行人下肢左腿長骨損傷，如圖11a 所示，行人左腿股骨應力(σ)和脛骨應力在3 個碰撞位置均出現(xiàn)了超過損傷耐受限度的情況，在碰撞位置③處，脛骨最大應力(σmax)達到157.2 MPa，在碰撞位置②處，股骨σmax達到122.9 MPa。其中，在碰撞位置①和位置②處，左腿脛骨σ明顯超過脛骨損傷耐受限度。雖然股骨產生的σ低， 但大部分情況下其σ接近損傷耐受限度，面臨骨折的風險。對于行人右腿長骨損傷，盡管右腿與車輛發(fā)生碰撞的時間晚于左腿，但是從圖11b 可知，在位置①處，碰撞產生的反向沖力 (Frecoil)使得右腿股骨最大應力(σmax)到達124.9 MPa，仍然有較高的骨折風險，行人右腿長骨σ在位置②和位置③處低于損傷耐受限度，因此在該區(qū)域行人右腿沒有骨折風險。并且由于行人左腿先與車輛前部發(fā)生撞擊，因此多數(shù)情況下，左腿長骨應力高于右腿。

圖11 左腿和右腿長骨最大應力

從以上結果可知，行人左、右腿長骨都面臨骨折的風險，因此對行人下肢長骨損傷位置展開分析。圖12 為左腿長骨σmax分布云圖，從圖中可知，無論行人何種運動狀態(tài)或處于何種碰撞位置，脛骨σmax集中出現(xiàn)在脛骨骨干區(qū)域，然而股骨σmax出現(xiàn)的位置與行人運動和碰撞位置有關。在位置①處，站立和步行狀態(tài)下行人股骨σmax集中在股骨骨干，跑步狀態(tài)下行人股骨σmax出現(xiàn)在股骨近心端股骨頭；在位置②處，站立和步行狀態(tài)下行人股骨σmax集中在股骨末端，跑步狀態(tài)下行人股骨σmax出現(xiàn)在股骨近心端股骨頭；在位置③處，股骨σmax集中出現(xiàn)在股骨近心端股骨頭及股骨頸附近區(qū)域。綜上分析，股骨損傷高風險區(qū)域通常集中在股骨近心端股骨頭、股骨頸和股骨骨干區(qū)域，脛骨損傷高風險區(qū)域集中在脛骨骨干區(qū)域。

圖12 左腿S 長骨應力分布圖

對于行人右腿損傷，對比圖12 行人右腿長骨σ結果可知，在位置②和位置③處，行人右腿并無骨折的風險，因此重點關注行人右腿在碰撞位置①的損傷。從圖13 可知，行人股骨σmax集中分布在股骨骨干附近；在站立狀態(tài)下，脛骨σmax出現(xiàn)在脛骨內踝；在步行和跑步狀態(tài)下，脛骨σmax集中分布脛骨骨干。

圖13 位置1 中右腿長骨應力分布圖

3.3 行人下肢膝關節(jié)損傷

圖14 給出了行人下肢膝關節(jié)橫向彎曲角(αknee)，從結果中可知，在位置①處，行人左腿和右腿的膝關節(jié)產生的橫向彎曲角均超過了16°，其中，左腿的膝關節(jié)橫向彎曲角最大值為36.5°，右腿最大值為20.5°。在位置②處，行人左腿膝關節(jié)橫向彎曲角在3 種運動狀態(tài)下均超過了損傷耐受限度，其最大值達到37.1°，行人右腿膝關節(jié)，僅在跑步狀態(tài)下橫向彎曲角超過了損傷耐受限度，其最大值為20.1°。在位置③處，行人在步行和跑步狀態(tài)下，左腿膝關節(jié)橫向彎曲角超過了損傷耐受限度，其最大值為31.9°，但是在站立狀態(tài)下，其左腿膝關節(jié)的橫向彎曲角處于安全范圍。除此之外，3 種運動狀態(tài)中行人的右腿膝關節(jié)橫向彎曲角均未超過損傷耐受限度。

圖14 膝關節(jié)橫向彎曲角

圖15 給出了3 種碰撞位置下行人膝關節(jié)橫向剪切位移(Sshear)，可以看出，行人膝關節(jié)橫向剪切位移在大多數(shù)情況下處于安全范圍。但是在步行和站立狀態(tài)下，左腿膝關節(jié)橫向剪切位移出現(xiàn)了超過損傷耐受限度的情況，其最大值達到12.5 mm；在跑步狀態(tài)下，右腿膝關節(jié)橫向剪切位移同樣出現(xiàn)了超過損傷耐受限度的情況，其最大值為11.9 mm。同時從結果中可以看出多數(shù)情況下，行人左腿膝關節(jié)橫向剪切位移大于右腿膝關節(jié)橫向剪切位移，表明這種情況下，行人左腿膝關節(jié)更容易產生韌帶拉傷和關節(jié)脫臼。從總體上看，行人左腿膝關節(jié)更容易遭受嚴重損傷。

圖15 3 種碰撞位置下膝關節(jié)剪切位移

4 討 論

本文研究了碰撞位置和行人運動狀態(tài)2 個因素對行人下肢損傷的影響，但是從圖8 行人下肢沖擊反力(Frecoil)曲線可知，在步行和跑步狀態(tài)下，行人下肢產生的第1 個沖擊反力峰值大小相差不大，這可能是模型中車輛只設置1 種碰撞初速度造成的。雖然已有研究表明行人損傷與碰撞時的初速度有關[24]，但是對于本文中行人處于多種運動狀態(tài)條件下，行人的損傷是否存在相同的規(guī)律還仍待進一步研究。

對于行人下肢膝關節(jié)損傷，文中膝關節(jié)橫向彎曲角明顯高于其損傷耐受限度，造成這種結果與模型中行人的肌肉未被激活有關，已有研究表明，肌肉是否被激活會影響行人最終的損傷[25]。在碰撞過程中，由于行人肌肉未被激活，行人的右腳在懸空的初始狀態(tài)下，產生了類似于“揮鞭”的運動，可能會造成下肢沖擊反力的第2 個峰值更大，增加行人下肢的損傷風險。

同時從圖16 可知，在碰撞過程中，行人右腿的踝關節(jié)也發(fā)生了嚴重的橫向彎曲(見圖16a)，過大踝關節(jié)的橫向彎曲會造成踝關節(jié)的韌帶組織拉傷[26]；除此之外，行人的脊柱也產生了扭轉和彎曲運動(見圖16b)，這種運動可能會造成行人脊柱嚴重損傷[27]，這2 種損傷形式是難以康復的損傷，因此在接下來研究中有必要對這些部位損傷展開研究。

圖16 行人運動響應

5 結 論

本文利用THUMS 假人模擬了3 種常見的行人運動狀態(tài)，基于行人下肢骨骼和膝關節(jié)損傷閾值，從生物損傷力學的角度分析了行人在車輛前部3 個碰撞位置的損傷, 得到如下結論。

1) 車輛前部橫向結構特征的變化，使得行人在不同碰撞區(qū)域受到的傷害不一樣，結果表現(xiàn)為，行人在車燈碰撞區(qū)，受到的傷害相對較低。多數(shù)情況下，行人左腿（最先受到撞擊的一側）最終損傷大于右腿最終損傷，但是當右腿處于懸空狀態(tài)時，右腿的損傷形式相對于左腿會更加復雜。

2) 對于行人下肢長骨損傷，通過研究行人下肢長骨應力分布圖，精確地反映了行人下肢長骨應力分布位置，左腿股骨最大應力集中分布在股骨頭和股骨末端區(qū)域，其最大應力達到122.9 MPa，右腿股骨最大應力集中分布在股骨骨干區(qū)域，其最大應力達到124.9 MPa，而脛骨最大應力集中分布在脛骨骨干區(qū)域，其最大應力達到157.2 MPa，因此以上區(qū)域為行人下肢長骨損傷高風險區(qū)域。

3) 對于行人膝關節(jié)損傷，左腿膝關節(jié)產生的橫向彎曲角和剪切位移更大，其最大值分別為37.1°和12.5 mm，更容易引發(fā)膝關節(jié)韌帶拉傷和脫臼，左腿膝關節(jié)受到的損傷更為嚴重。

本文將事故信息與有限元方法結合完成了事故重建，結果表明事故重建能有效地研究事故中行人損傷原因，對今后開展行人損傷分析和事故仿真再現(xiàn)研究具有一定的指導作用。