基于年龄的腿骨折范围的人车碰撞事故仿真分析*

王 强，崔志华

（河南机电高等专科学校汽车工程系，河南 新乡 453000）

1 引言

行人碰撞多体仿真一直在广泛应用并不断改进以增强行人保护［1］。此外，一种非均质方法也一直被用来研究车辆刹车时的动态行为，研究车辆前端的非均质刚性及事故涉及的行人的变化性。本文提出一种结构化的方法用于构筑行人事故模型。这种模型精确考虑此类仿真中车辆的特点以及与行人对某些伤害忍受能力有关的种种特点。

2 构筑仿真模型的方法

2.1 车辆模型的几何结构和刚性

车辆几何结构及刚性决定了事故中行人的运动学。将车辆几何学应用于多面体表面可以精确定义车辆的前端的几何结构。为获得前端的几何结构，对与事故车辆相同的车辆进行了3D扫描，获得了车辆前表面的仿样函数。将其录入CAD转换成表面并网状化移入MADYMO，如图1所示。

图1 获得车辆网状的扫描过程

该网状不同部分的刚性被用作力偏转形式中的接触特征。为解释这些特征，从EuroNCAP行人分系统对Martinez(2007a)的保险杠、引擎盖和挡风玻璃基部测试中获得的刚性走廊被用来绘制各车辆前端不同部分的刚性。这些走廊确定了在EuroNCAP行人议定书中应用的三个等级的平均力偏转曲线。因此，对保险杠、引擎盖前部、中间和后部以及挡风玻璃基部推荐了一个平均红、黄、绿力偏转特征。为沿车辆前端应用这些接触特征，由EuroNCAP对其所测车辆绘制的等级图被用作找出与其响应的EuroNCAP测试区的各接触特征的向导。采用此种方法，每辆车可以绘制出60个各具正确局部刚性估计的不同的区域。

考虑到EuroNCAP行人测试未包括区域，基本上也就是挡风玻璃中部及A柱，这两个区域采用Mizuno(2000)获得的数值。

2.2 车辆模型的多体框架

车辆的底盘由一个简单的多体框架代表，如图2所示。该框架有一个底盘体通过一个自由接头与惯性空间连接，其四个体代表轮胎，通过一个平移旋转接头与底盘体连接，可以使前后悬挂独立工作，以便刹车或碰撞行人时车辆可以俯仰［2］。

按照McInnis(1997)的说法，车辆的悬挂体及其惯性特性被分配给底盘体，而非悬挂体及其惯性特性被分配给四个轮胎体。车辆的几何结构由多面体网状代表，由底盘体支撑，而轮胎则由椭圆体代表，其直径和宽度与车辆的实际轮胎相同。前、后悬挂的刚性用一个简化的2度自由模型进行计算，同时考虑质量在前、后轴的分布。至于轮胎刚性，考虑到轮胎标称半径的90%为负载半径，应用胡克定律将前、后悬挂刚性作为特性负载函数用于模型各平移旋转接头的平移部分，而轮胎刚性则作为接触特性与地面接触，如图3所示。

悬挂模型的初始偏差以及刹车时车辆的俯仰通过两个步骤的有关重力和刹车对车辆作用的仿真研究进行确定。将刹车仿真获得的悬挂体负载和底盘自由接头的倾向性作为输入并考虑真实事故场景的地面为车辆定位。

2.3 行人模型中依据年龄的骨折范围

大量数据证明年龄对人组织性能及对碰撞的承受具有重大影响，尤其是对长骨骨折范围影响重大。因此，需要将年龄因素应用于不同大小的行人模型以进一步预测腿部伤害。

采用MADYMO成人行人基准人体模型(5%女性，50%和95%男性)来代表行人。这些模型显示了与PMHS估计各种头部碰撞速度和在车辆上的各种位置的试验的高度相关性。应用于腿部的骨折范围(通过测量腿部锁定关节的剪切力和弯曲力矩)已成功预测了经过分析的PMHS试验(Van Hoof 2003)中发现的骨折。为表示事故中涉及的行人的块头特征，采用了最接近实际行人块头的基准模型。为表示实际行人年龄，采用了以下述程序获得的与真实年龄响应的年龄对原腿部骨折范围进行了更新。

考虑到大梁理论的基础，弯曲折断应力呈线性取决于施加的负载及断面模数(Z)，断面模数(Z)是一个纯几何参数。因此，鉴于发现最大弯曲应力取决于年龄(Yamada，1970)，那么，这种对年龄的依赖以及获取的95%的置信区间，在模型无几何变化的条件下，可以传输到最大弯曲力矩和最大剪切力。因此，在同样的基准MADYMO模型内，如图4所示，本例采用5%女性模型。

图4 基于年龄的腿部最大弯曲应力和骨折范围

2.3.1 行人事故重建结果

选择两起其他情况的事故:由EuroNCAP进行车辆行人测试，行人腿部骨折，年龄不在MADYMO行人模型范围内。这两起事故按照前述方法建模来重建实际事故。表1对细节作了总结。

以下方法包含两个步骤。首先，用安装有基于年龄范围的假腿的行人进行仿真。将事故现场记录到的各接触点与模型动力学匹配获得事故的合理重建。在事故重建中记录腿部或非腿部骨折。一旦动力学匹配，则将损伤输出与实际事故现场观察对比。在该步骤中，假腿是锁定的(不可能折断)。而后，将各接头处的读数与原始数据和基于年龄的模型损伤临界值进行比较。

2.3.2 接触点和动力学

行人在最合理的仿真中的动力学与实际事故记录到的碰撞点作了比较，见图5。

在图5a中，车辆右头灯上方的凹痕和引擎盖上的划痕与行人上腿部的碰撞及行人顺引擎盖的滑动匹配。在图5c中，行人腿在保险杠拐角的碰撞(保险杠无永久性变形记录)，行人头部枕骨与车辆挡风玻璃处的碰撞非常吻合［3］。

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2.3.3 伤害结果

表2显示了实际腿部损伤与模型预测的腿部损伤的比较。两个例子中，采用基于年龄的损伤临界值均预测到了腿部骨折，而原临界值则未能预测。尽管模型预测了与两种损伤机制(弯曲和剪切)有关的骨折，但在搜集的数据中无足够的信息可以确认所预测的不同的损伤机制确实出现在实际事故中。然而，模型结果(这些结果未能预测到与忍受范围有关的损伤机制)中存在的巨大差别却意味着为各例选择的损伤机制在产生实际损伤方面是最现实的。

表2 用锁定的假腿仿真的结果与忍受级别的比较

3 结语

由于车辆模型采用了详细的几何结构，精确的刚性分布和正确的动力性能，所以能够重现行人的动力学，因此来自这些动力学的方向性和速度输出对于人体FE模型头部损伤的分析来说是非常珍贵的初始数据。

两个例子均显示了场景中和行人块头的许多相似，只是涉及的女性行人的年龄差别很大。因采用了腿部骨折基于年龄的临界值，这些模型显示了一种更新的预测现实世界腿部损伤的首要原因的能力。

［1］王国林.人车碰撞事故仿真与行人保护研究［J］.汽车工程，2009，31(1).

［2］乔维高.汽车前部结构对行人碰撞伤害影响的仿真研究［J］.武汉理工大学学报，2008，32(2).

［3］范艳辉.汽车行人碰撞接触中行人运动学规律仿真研究［J］.中国安全科学学报，2009，19(1).