行人头部与车辆碰撞中旋转速度对颅脑组织响应影响

刘金明，马华星，李 奎，李桂兵*

（1.湖南科技大学 机电工程学院，湘潭 411201，中国；2.陆军军医大学 交通医学研究所，重庆 400042，中国）

交通事故中行人安全保护一直是人们关注的重点。与汽车乘员相比，行人在碰撞中没有受到保护，是交通事故中最易受伤的道路使用者[1]，交通事故中颅脑损伤是造成行人重伤或死亡的主要原因[2-3]。典型的行人头部损伤包括头皮损伤、颅骨骨折和颅脑损伤，其中颅脑损伤可分为局灶性脑损伤（多为血肿和挫伤）和弥漫性脑损伤（多为弥漫性轴索损伤和脑震荡）[4-6]。颅骨骨折和局灶性脑损伤通常是由接触力和线性运动造成的，而旋转运动是造成弥漫性脑损伤的主要原因[7-8]。

为了了解头部损伤机理和制定防护对策，学者们对行人头部损伤进行了广泛的研究。Otte D等[9]通过对762例车辆与行人碰撞案例研究发现当头部损伤达到AIS2+时，碰撞速度高于40 km/h；碰撞速度低于40 km/h时，大多数头部损伤是软组织损伤和脑震荡，颅骨骨折和脑损伤发生概率较小。Mizuno K等[10]的研究发现头部受伤的风险取决于头部的碰撞速度和头部接触的车辆结构的刚度，头部碰撞速度影响头部损伤的严重程度。CHEN Yong等[11]利用头部与风挡有限元仿真模型设置模拟头部撞击风挡的初始边界条件并发现Von Mises应力和剪切应力是预测脑损伤风险的重要物理参数。PENG Yong等[12]发现行人在39 km/h和54 km/h的碰撞速度下AIS2+和AIS3+头部伤害风险概率为50 %。冯成建等[13]发现车辆碰撞速度、车辆前置结构影响行人头部损伤严重度。刘博涵等[14]通过有限元仿真研究发现初始碰撞速度越高，HIC值越高，头部损伤越严重。WANG Jiawen等[15]在头部与风挡碰撞的研究中发现较高的初始碰撞速度往往导致较大的加速度、HIC和SFC值，并且较高的碰撞速度容易导致较大的最大主应变和Von Mises应力值。以往的研究表明头部碰撞边界条件对颅脑损伤风险有显著影响，但是大都强调线性速度对颅脑损伤的影响；又有研究表明旋转运动同样对颅脑损伤有重要影响[16-17]，如Holbourn认为，旋转运动产生的剪切变形可以在整个脑部产生剪切应变，从而造成弥散性脑损伤、脑震荡及桥动脉的破裂；Ommaya等通过灵长类动物实验研究发现，大约50%的头部损伤是由于头部的旋转引发的。但是，目前鲜有研究针对行人头部碰撞初始旋转速度影响，且各国新车评价规程[18-19]进行的行人头部保护碰撞测试中也只考虑了线性碰撞速度，该评价方法忽略了头部旋转速度边界条件的影响。

本文通过交通事故再现获得真实碰撞事故中行人头部与车辆碰撞线性速度和旋转速度分布特征，提取代表性碰撞工况（头部线性/旋转碰撞速度和头部碰撞位置）施加于头部与车辆碰撞有限元仿真模型，研究行人头部与车辆碰撞中旋转速度对颅脑生物力学响应影响，研究结果可为考虑行人头部防护的车辆安全性设计和评价提供基础参考。

1 交通事故再现分析

1.1 事故案例信息描述

本文选取了来自陆军军医大学交通医学研究所的车辆事故深度调查数据库中的46例中国行人与车辆碰撞事故案例。选择标准如下：

1） 行人头部的碰撞范围在车辆的挡风玻璃和发动机罩（简称发罩，下同）区域内；

2） 车辆和行人之间的第1接触点位于汽车的前部；

3） 每起事故只涉及1辆车辆和1名行人；

4） 车辆与行人的接触碰撞点及相应的行人接触部位能够清楚的识别；

5） 行人必须处于正常的行走姿势(行人躺在地上、下蹲或行人奔跑排除)；

6） 能够找到事故车辆的矢量图或清晰的正视图以及侧视图（便于车辆模型重建）；

7） 事故车辆为轿车、SUV和微型厢式车。

本文选取的46例事故样本中包含健全的车辆信息、行人信息。事故案件中的车辆信息包括：车辆型号、车辆矢量图、碰撞时刻行驶速度及方向、行人在车辆上的碰撞痕迹；行人信息包括：行走方向、行人初始位置、损伤情况，以及行人的身高、体重、年龄和姓名。

1.2 事故重建示例

此处以46起事故重建案例中的一起典型案例为例说明事故重建过程及其有效性。事故描述：一名68岁的成年男性行人被一辆长安SC7165A汽车撞倒，通过监控录像（该视频图像质量及连续性较好，帧率f为25 帧/ s）计算该车发生碰撞时的速度，在图1a画面中，根据汽车左前轮中心垂直于画面做固定的参考标线。从汽车左前轮中心接触参考标线时开始计数，至汽车左后轮中心接触参考标线时停止计数（如图1），视频画面总共经过 4 帧，查阅公开资料可知该车的轴距为2.5 m，则汽车前后轴通过参考标线的时间t= 0.16 s，根据以上分析，汽车通过参考标线时的行驶速度计算：v=S/t= 56.25 km/h。该车从西向东行驶，行人正在从南向北横穿马路，司机在碰撞发生前没有注意到行人，在发动机罩前缘和挡风玻璃上可以分别看到接触凹痕和裂纹，事故后行人创伤性休克。该案例中行人横穿马路，身体侧面与车辆前部发生碰撞，是最典型的车辆与行人碰撞工况。

图1 汽车前后轴通过参考标线时的监控录像

重建中行人采用MADYMO多体人体模型模拟，该模型对行人运动学响应的预测能力已经在之前的研究中得以证明[20-22]；调用MADYMO中的Madyscale模块，根据每次重建中行人的实际身高和体重对行人模型进行缩放；车辆模型根据事故中涉及的汽车的矢量图重建，基于冲击锤的测试曲线[23]，定义汽车前部的刚度特性；将缩放后的行人模型与重建完成的车辆模型调用在一起，根据事故案例信息调整人车位置、行人步态、车辆与行人碰撞时刻的车辆速度、行人的行走速度，并根据不同的天气和其他环境条件，设置车辆与地面、车辆与行人、行人与地面之间的摩擦。车辆与行人碰撞重建模型如图2所示。

案例信息提供的事故现场监控视频画面连续，帧速率为25 帧/ s，分辨率为1 280×720。将仿真结果与此监控视频进行比对：以人车接触瞬间为0 ms开始计时，监控视频中经过100 ms行人头部与车辆风挡发生碰撞，仿真中经过99 ms；监控视频中经过1 875 ms行人与车辆停止，两者相对距离5.3 m，仿真中经过1 892 ms，两者相距5.6 m；仿真中行人与车辆接触部位、行人运动姿态以及行人抛掷距离与监控视频中基本吻合（见图3）。

图2 车辆与行人碰撞重建模型

图3 仿真与监控视频对比

1.3 头部碰撞边界条件统计分析

对46起行人事故重建后进行数据统计分析发现：行人与车辆碰撞时，头部碰撞点主要分布在发罩后端和风挡下端。其中17起事故案例头部与车辆碰撞的初始位置在发罩，约占案例总数的37 %；29起事故案例头部与车辆碰撞的初始位置在风挡，约占案例总数的63 %。图4为46个事故案例中行人头部线性碰撞速度（头部与车辆碰撞时刻合成线速度）和旋转碰撞速度（头部与车辆碰撞时刻合成角速度）的分布图。从图4中可知：头部线性速度基本都在60 km/h以内，在31～40 km/h的区间里的案例数量最多，超过50 %的案例的头部线性速度分布在20～40 km/h内；行人头部旋转速度在31～40 rad/s的区间内分布最多，并且约80 %的案例中行人头部旋转速度在20～50 rad/s区间内。该分布规律为后续有限元碰撞仿真提供边界条件参考。

图4 头部与车辆碰撞线性速度和旋转速度分布

2 颅脑组织响应

2.1 头部与车辆碰撞仿真

基于多体重建结果和挡风玻璃与发罩的对称性，选取风挡中下端、风挡右下端、发罩中后端和发罩右后端4个头部碰撞位置，建立了头部与风挡和头部与发罩碰撞有限元仿真模型。根据图4中行人头部与车辆碰撞速度分布特征，在头部初始线性碰撞速度分别为20、30、40 km/h的基础上，对头部有限元仿真模型分别施加20、25、30、35、40、45、50 rad/s的初始旋转速度，共进行84次仿真计算（4个碰撞位置×3种线性速度×7种旋转速度）。由于事故重建中行人头部碰撞线性速度主要表现在Y-Z平面垂直碰撞表面方向，旋转速度主要体现在绕X轴正向（见图5），故仿真中头部初始线性碰撞速度（v）定义为方向垂直于接触面的vy和-vz合成速度，头部初始旋转碰撞速度则定义为ωx。本文使用的头部有限元模型来源于THUMS4.0人体模型[24]，该模型具有详细解剖学结构，生物逼真度得到了验证且广泛应用于车辆碰撞中的人体头部损伤研究[25]。头部与发动机罩碰撞仿真模型采用NCAC （National Crash Analysis Center）[26]发布的本田雅阁有限元模型，头部与风挡碰撞仿真模型采用PENG Yong等[27]验证过的共节点三层壳单元模拟的风挡玻璃模型。图5为头部与风挡/发罩有限元仿真模型示意图。

图5 头部碰撞有限元仿真模型

2.2 颅脑响应分析

以往的研究[28-33]表明：大脑中的Von Mises应力和应变是评估大脑弥漫性轴索损伤和脑挫伤的重要表征参数。因此，本文选取Von Mises应力和大脑主应变作为颅脑损伤风险表征参数，通过上文建立的有限元仿真模型的计算结果研究头部旋转速度对颅脑损伤风险的影响（同时考虑头部线性速度与头部碰撞位置的差异对研究结果的影响）。图6和图7所示分别为不同碰撞工况下颅脑最大主应变和Von Mises应力随旋转碰撞速度的变化趋势。图8和图9所示分别为不同碰撞工况下颅脑主应变和Von Mises应力分布云图。WANG Jiawen等[15]在行人头部与挡风玻璃接触碰撞研究中得出结论：当线性速度在20～50 km/h时，Von Mises应力的变化范围为1～10 kPa之间，应变的变化范围在0.05～0.25之间。本文头部与风挡碰撞仿真获得的颅脑主应变和Von Mises应力的分布范围与前人研究结果相符合，说明仿真结果具有有效性。

由图6可知：在头部与风挡碰撞中，颅脑最大主应变ηmax和Von Mises应力PVM总体上随着头部旋转碰撞速度ω的增大而线性增加。对比ω= 20 和50 rad/s时的仿真结果，在头部与风挡玻璃中下端碰撞中：线性速度v= 20 km/h时，ηmax由0.131增加到0.187 （增幅43 %），最大PVM由2.26 kPa增加到3.24 kPa（增幅43 %）；v= 30 km/h时，ηmax由0.162增加到0.210 （增幅30 %），最大PVM由2.91 kPa增加到3.64 kPa（增幅26 %）； 40 km/h时，旋转速度(ω)与ηmax和PVM相关性减弱（R2＜0.6）。在头部与风挡玻璃右下端碰撞中： 20 km/h时，最大主应变由0.143增加到0.171（增幅20 %），最大PVM由2.41 kPa增加到2.95 kPa（增幅23 %）； 30 km/h时，ηmax由0.160增加到0.231（增幅44 %），最大PVM由2.90 kPa增加到3.99 kPa（增幅38 %）；v增加到40 km/h时，ω与ηmax和PVM无明显相关性。

图6 线性速度为20～40 km/h时头部与风挡碰撞中颅脑最大主应变和Von Mises应力随旋转速度变化趋势

图7 线性速度20～40 km/h时头部与发动机罩碰撞中颅脑最大主应变和Von Mises应力随旋转速度变化趋势

由图7可知：颅脑最大主应变ηmax和Von Mises应力PVM均随着头部旋转碰撞速度的增大而线性增加。对比ω= 20 和50 rad/s时的仿真结果，在行人头部与发罩中后端碰撞中：v= 20 km/h时，ηmax由0.218增加到0.266（增幅22 %），最大PVM由3.72 kPa增加到5.34 kPa （增幅44 %）； 30 km/h时，ηmax由0.254增加到0.325（增幅28 %），最大PVM由4.33 kPa增加到6.22 kPa（增幅44 %）； 40 km/h时，ηmax由0.288增加到0.352（增幅22 %），最大PVM由4.86 kPa增加到6.87 kPa （增幅41 %）。行人头部与发罩右后端碰撞中： 20 km/h时，ηmax由0.238增加到0.366 （增幅54 %），最大PVM由4.08 kPa增加到6.42 kPa（增幅57 %）； 30 km/h时，ηmax由0.259增加到0.389 （增幅50 %），最大PVM由4.39 kPa增加到 6.86 kPa（增幅56 %）； 40 km/h时，ηmax由0.283增加到0.442（增幅56%），最大PVM由4.96 kPa增加到7.76 kPa （增幅56 %）。

由图8可知：在头部与风挡碰撞中，对比旋转碰撞速度ω20 rad/s和50 rad/s仿真结果发现，ω不仅影响颅脑主应变η和Von Mises应力PVM峰值，同时影响其分布区域：线性速度v为20～30 km/h，ω= 50 rad/s时，颅内高η和PVM区域明显大于20 rad/s作用时；当头部v= 40 km/h，50 rad/s作用下的颅脑高η分布区域较20 rad/s作用时大，但PVM分布接近。

由图9可知：在头部与发动机罩碰撞中，对比旋转碰撞速度（ω）20 rad/s和50 rad/s仿真结果发现，ω同样影响颅脑主应变η和PVM分布，所有v下，ω为50 rad/s作用下颅内的高η和PVM区域均明显大于20 rad/s作用时。

参考E.G.Takhounts 等[33]根据颅脑主应变η建立的颅脑损伤风险曲线，把本文仿真获得的颅脑最大主应变ηmax代入风险曲线，计算出对应的颅脑损伤风险，发现头部与发动机罩碰撞中其旋转速度对行人颅脑损伤风险有显著影响，但在头部与风挡碰撞中影响不大。具体结果如下：在头部与风挡右下端碰撞中，头部旋转碰撞速度ω从20 rad/s增大到50 rad/s，当线性速度v为20、30 km/h时，行人头部发生AIS2损伤的概率分别由2 %（ηmax= 0.143）增加到5 %（ηmax= 0.171）、由4 %（ηmax= 0.160）增加到 9 %（ηmax= 0.231）；在头部与发罩碰撞中，头部ω从20 rad/s增大到50 rad/s，当v为20、30、40 km/h时，行人头部发生AIS2损伤的概率分别由9 % （ηmax= 0.238）增加到32 % （ηmax= 0.366）、由13 % （ηmax= 0.259）增加到36 %（ηmax= 0.389）、由17%（ηmax= 0.283）增加到 49 %（ηmax= 0.442）。

可以发现：总体上头部旋转速度对颅脑最大主应变和Von Mises应力影响显著且具有线性相关性，同时颅脑高主应变和Von Mises应力分布区域随头部旋转速度的增加而增大；但在头部与风挡碰撞中，当线性速度的增加到40 km/h时，头部旋转速度对最大主应变和Von Mises应力影响显著性降低；头部与发罩碰撞时其旋转速度对颅脑组织响应和损伤风险的影响较风挡碰撞时更明显且随线性速度的增加更持续。此上述结果可能是因为：

1） 头部旋转速度能加剧颅脑在碰撞载荷下的惯性运动，从而导致颅内应变和应力峰值和分布区域同时增大；

2） 风挡破裂前变形能力小，碰撞载荷作用过程短暂，当头部线性速度较高时，其在碰撞过程中起更大的作用，头部旋转运动的作用相对较小，同理风挡碰撞时头部旋转运动的作用也比发动机罩（冲击力作用过程较长）碰撞时小。

同时本文研究还发现：碰撞位置靠近风挡/发罩边缘的颅脑最大主应变和Von Mises应力值明显高于碰撞位置在风挡/发罩中端的对应参数值；头部线性碰撞速度增大时颅脑最大主应变和Von Mises应力也随之增高。原因是靠近风挡/发罩固定边界位置的刚度较中部高，线性碰撞速度增大时冲击能量增大，从而造成了较大的损伤风险。

3 结 论

在行人头部与风挡玻璃碰撞中：当头部线性速度较低时，头部旋转速度对颅脑组织响应的影响显著，但颅脑损伤风险并未随头部旋转碰撞速度增加而明显增大；但头部线性速度较高时，头部旋转速度对颅脑组织响应的影响趋势减弱。在行人头部与发动机罩碰撞中：头部旋转速度对颅脑组织响应和损伤风险均影响显著，颅脑损伤风险随头部旋转速度增加而增大。碰撞位置靠近风挡/发动机罩边缘和碰撞线性速度较高时，可能造成更严重的颅脑损伤，头部碰撞位置和线性碰撞速度对颅脑组织响应有较大的影响。综上，行人头部旋转碰撞速度对颅脑组织响应的影响与其线性碰撞速度和碰撞位置刚度有关，同时碰撞位置刚度和线性碰撞速度本身对行人颅脑组织响应也有较大的影响。本文研究结果建议在针对行人头部防护的车辆安全性评价时应当考虑头部旋转速度作用及风挡玻璃和发罩碰撞差异，合理选择碰撞加载条件。