基于人—车碰撞事故重建的行人下肢动力学响应与损伤生物力学分析

张道文，雷 毅，任 耀，汤楷文，董鑫驰，罗 晶，胡文浩

（ 1. 西华大学 汽车与交通学院，成都 610039，中国；2. 汽车测控与安全四川省重点实验室，成都 610039，中国；3. 四川省新能源汽车智能控制与仿真测试技术工程研究中心，成都 610039，中国；4. 国家市场监督管理总局缺陷产品管理中心，北京100191，中国；5. 国家市场监管重点实验室（产品缺陷与安全），北京100191，中国）

据世界卫生组织(World Health Organization,WHO)2018年公布的《全球道路交通安全现状报告》显示，全球每年约有135万人死于道路交通事故[1]。行人是道路交通中的主要参与者，同时也是弱势参与者。事故统计表明，在交通事故中行人的下肢是损伤高风险部位[2-3]，且严重的下肢损伤是导致行人残疾的主要原因[4]，因此，深入分析交通事故中行人下肢损伤成因对行人保护具有重要意义。

对于行人下肢损伤，在中国新车评价规程(China-New Car Assessment Program，C-NCAP)行人保护部分中，要求腿型冲击器以 40 km/h 的速度水平冲击车辆前部完成腿型冲击实验，以腿部弯矩和膝部韧带延伸量等指标来评价车辆对行人腿部的碰撞保护性能[5]。相关实验结果表明，冲击器模拟的行人损伤结果主要受车辆前部保险杠高度和发动机罩前边缘高度等纵向造型特征参数的影响[6-8]，同时碰撞位置的结构刚度也会对结果产生影响[9]。但在交通事故中，行人本身及其运动状态具有不确定性，因此腿型冲击试验不能完全反映交通事故中行人下肢损伤机理。蒋阳等[10]基于事故重建技术建立了人—车碰撞模型，分析了碰撞速度对行人下肢损伤的影响。尹均等[11]基于Madymo 平台建立了不同体型多刚体人与车辆碰撞模型，结果表明行人下肢损伤与行人的体型有关。LI Guibing 等[12]建立了不同步态下行人与车辆前端碰撞的有限元模型，分析结果表明行人下肢损伤与行人步态高度相关。王丙雨等[13]分析了德国深入事故调查研究数据库中与行人下肢损伤有关的 404 个案例，结果表明行人下肢损伤风险随着年龄的增大而增加。

综上所述，学者们研究了车辆前部纵向造型特征参数及其刚度对行人下肢损伤的影响，同时也对行人自身的影响因素进行了探索。但在这些研究中，行人碰撞的位置大多选在车辆前部中央区域，或使用刚体假人评估行人下肢损伤，对于车辆前部横向结构特征差异对行人损伤的影响程度缺乏深入研究，也未从行人生物力学角度去评估行人在车辆前部其他碰撞区域产生的下肢损伤。因此本文选用具有较高生物仿真度的THUMS 假人，模拟了行人与车辆前部具有不同横向特征区域的碰撞场景，探讨了行人下肢的运动响应及生物力学损伤规律，可以为车辆被动安全和行人保护设计提供参考。

1 模型建立与验证

1.1 事故信息

事故案例来源于国家车辆事故深度调查体系(National Automobile Accident In-Depth Investigation System, NAIS)的数据库，案例事故形态为人车碰撞事故，根据数据库记录的字段信息，该事故发生在城市道路的一个十字路口，一辆白色轿车由西向东行驶撞上横穿马路的行人，事故具体信息见表1。

表1 事故信息

1.2 模型建立

根据详细的事故案例信息，选用美国碰撞安全与分析中心(Center for Collision Safety and Analysis，CCSA)通过逆向工程开发的某型轿车有限元模型替代事故车，该轿车模型完成了美国新车评估计划(New Car Assessment Program，NCAP)正面碰撞测试，模型的有效性已经得到了验证[14]。使用THUMS 假人模拟事故案例中的行人，与其他类型的假人相比，THUMS假人拥有较高的生物仿真度。通过尸体试验与THUMS假人仿真试验对比，结果表明两者的运动响应和损伤表现一致[15]。为了提高仿真计算效率和精度，将车辆前端从整车有限元模型中分割出来，并在模型中重新分配质量点，使修改后的车辆质心相关参数与原来的参数相近，并通过缩放技术使THUMS 假人体型接近事故案例中行人体型，最终建立如图1 所示的人—车碰撞有限元模型。

图1 人—车碰撞有限元模型

1.3 模型验证

基于车辆事故数据库信息对碰撞事故进行重建是一种预测事故参与者损伤的基本方法[16]，研究表明数值模拟结合优化算法可以用于预测行人和车辆的预碰撞条件[17]。王方[18]等利用多刚体动力学模型进行事故重建，通过事故重建计算所得到的仿真结果与事故信息进行对比，完成了事故重建模型的验证，该类数据主要包括车辆变形位置、碰撞起始位置、行人受伤部位、行人落地最终位置等。本文利用有限元仿真进行事故重建，图2 展示了事故重建中行人碰撞运动响应，在5 ms 时，行人左腿与车辆前部保险杠和进气格栅发生碰撞；在18 ms 时，行人髋部与车辆引擎盖前边缘发生碰撞；在113 ms 时，行人头部与前风窗玻璃发生碰撞。

图2 事故重建中行人碰撞运动响应

对于车辆外损信息，将数据库中事故车辆外损信息与事故重建的仿真结果进行对比(图3 )，从图3a 中可见事故车辆的机罩前缘产生凹陷变形，发动机进气格栅产生塑性变形；图3b 中事故车辆的机罩边缘发生翘曲变形，前风窗玻璃产生蛛网状裂纹。仿真结果如图3c 所示，在碰撞过程中行人大腿与发动机进气格栅发生碰撞，造成了发动机进气格栅产生变形，行人髋部与机罩前缘碰撞，使机罩前缘产生了凹陷，这些碰撞位置变形与事故车辆变形位置一致；图3d 中可见，在行人与车辆前风窗玻璃接触点处，前风窗玻璃出现网状裂纹与事故车辆位置一致，结果表明仿真中车辆变形位置、碰撞位置、行人头部落点位置等信息与事故结果相符，由于仿真计算时长的限制在120 ms，因此在仿真结果中未能看到引擎盖翘曲。

图3 事故车辆外损与仿真结果对比

对于行人损伤，提取了行人左腿股骨应力分布云图，图4 中显示行人股骨头最大应力达到117.3 MPa。研究表明，胫骨的平均屈服应力129 MPa 和股骨的平均屈服应力114 MPa 作为参考[19]，由此可知仿真结果中人体股骨损伤超过了损伤耐受限度，行人左腿股骨发生了损伤。

图4 行人股骨应力分布云图

综上所述，仿真结果中车辆损坏和行人损伤与事故案例采集的信息相符，因此表明本文建立的人-车碰撞模型具有有效性，可以用此模型继续展开研究。

2 仿真实验设计

2.1 碰撞位置选取

在真实的交通事故中，行人与车辆发生碰撞的位置是无法确定的，从车辆外损上看，行人只与引擎盖、保险杠蒙皮和进气格栅等车身覆盖部件发生了碰撞，但是从大量的人—车碰撞事故案例信息中可知，车辆引擎盖和保险杠蒙皮下方的其他车辆结构也发生了变形，因此这些结构也会影响行人损伤。本文根据此车辆前部的结构特征，划分了3 个碰撞区：中央碰撞区、车灯与进气格栅接缝碰撞区、车灯碰撞区，如图5 所示。

在中央碰撞区存在保险杠、水箱散热器支架和引擎盖锁支架等刚度较高的结构。在车灯与进气格栅接缝碰撞区，保险杠末端和支撑保险杠的纵梁等多个部件交错于该区域内，因此该区域内横向刚度变化较大。在车灯碰撞区，保险杠无法完全覆盖到此区域，为了满足行人保护的法规要求，通常会对车灯支架作弱化设计[21]，因此车灯碰撞区的结构刚度相对较弱。为了使行人的碰撞位置能精确地落在这3 个碰撞区域，在车辆前部设置了3 个碰撞位置：车辆中央碰撞区中心(位置①，记作Y+0 )、车灯与进气格栅接缝碰撞区中心(位置②，记作Y+510 )、车灯碰撞区中心(位置③，记作Y+720 )。

在已验证的人—车事故重建模型基础之上，参考中国新车评估计划(C-NCAP)行人保护试验方法，设定车辆碰撞初速度为40 km/h，并给车辆施加0.7g的减速度模拟车辆制动。使用预模拟方法对THUMS 假人进行预处理，得到如图6 所示的3 种行人运动状态，并设置行人站立、步行、跑步状态的速度分别为：0、5、10 km/h，车辆的行驶方向和行人的移动方向呈90°夹角，行人与路面的摩擦系数为0.6，行人与车辆前端的摩擦系数为0.3[22]。

图6 行人运动状态

2.2 行人下肢损伤评价

在人—车碰撞事故中，行人下肢损伤主要由行人与车辆前部碰撞时产生的冲击反力(FRecoil)造成。对于下肢损伤，除了常见的长骨损伤，膝关节韧带损伤也是下肢常见的损伤形式，它主要是由碰撞过程中膝关节的横向弯曲和剪切位移联合作用导致。如图7 所示，以股骨和胫骨骨干参考线夹角作为膝关节横向弯曲角，以股骨和胫骨上2 节点之间的相对横向位移作为膝关节横向剪切位移，通过测量2 个参数的结果预测行人膝关节损伤，F. Mo 等[23]研究表明，行人膝关节横向剪切位移和弯曲角损伤阈值分别为14 mm 和16°。由于人体下肢损伤形式多种多样，本文只考虑下肢长骨损伤和膝关节韧带损伤。

图7 膝关节横向剪切位移与横向弯曲角

3 结果分析

3.1 行人下肢动力学响应

图8 给出了行人下肢在3 个碰撞位置的冲击反力(Frecoil)曲线，从图中可见，行人下肢在3 个碰撞位置受到了不同程度的冲击。

图8 行人下肢冲击反力

在位置1 处，步行和跑步状态下，行人下肢Frecoil曲线增长趋势相似，各出现了2 个冲击反力波峰，分别为10.13、13.88 kN 及10.03、13.28 kN；而站立状态下，其下肢Frecoil曲线增长趋势明显区别于另外2 种运动状态，仅出现了1 个波峰(12.25 kN)。

在位置2 处，步行和跑步状态下，碰撞产生的第1 个Frecoil峰值大小相近，分别为10.72、10.54 kN，但两者的第2 个峰值存在较大差异, 分别为11.92、14.78 kN；站立状态下，行人下肢Frecoil曲线出现了3 个明显的波峰，但是其峰值相对较小，最大值为9.33 kN。

在位置3 处，3 种运动状态下，行人下肢Frecoil曲线趋势均不一致。其中，跑步状态下，产生的2 个波峰大小相近，分别为9.91 kN 和10.10 kN；步行状态下，第1个波峰(10.94 kN)明显高于第2 个波峰(8.55 kN)；站立状态下，第2 个波峰峰值(10.50 kN)远高于第1 个波峰峰值(4.08 kN)。

步行和跑步状态下，下肢Frecoil曲线出现了2 个峰值，结合图5 可知，这种现象可能与行人下肢初始状态有关。步行和跑步状态中行人下肢左右大腿在呈前后交叉形态，而站立状态中行人下肢左右大腿呈重合形态，大腿前后交叉形态将导致行人左右大腿与车辆发生碰撞的时刻不同。分析这2 种运动状态在位置①发生的碰撞，从图8a 中可知，行人下肢Frecoil峰值出现在前30 ms 内，因此对行人前30 ms 内的运动响应进行分析(图9 )。在5 ms 时，行人左腿已经与车辆保险杠蒙皮发生了轻微的接触；在5～15 ms，保险杠蒙皮产生了凹陷，行人的左腿与车辆保险杠发生碰撞，产生了第1 个冲击反力峰值，之后行人的左腿开始逐渐抬离地面，但右腿未与车辆发生接触，行人下肢Frecoil反而开始减小；在15～20 ms，行人的右腿开始与车辆保险杠蒙皮接触，行人下肢Frecoil又开始增加；在20～25 ms，行人的右腿仍然未产生明显的横向位移，其下肢Frecoil持续增加，并达到第2 个波峰；在25 ms 后，行人右腿开始产生横向弯曲，下肢开始发生较大横向位移，同时双脚逐渐抬离地面，其下肢冲击反力开始减小。

图9 步行、跑步状态中行人运动响应

在站立状态下，行人下肢冲击力在3 个碰撞位置都有不同的表现，这可能与碰撞位置结构特征不一样相关。从图10 可知，位置①处，在碰撞过程中车辆前部保险杠未发生明显变形，引擎盖前缘和车辆前部下缘发生变形，行人的左腿与车辆前部发生碰撞后，左腿一直推着右腿运动。在位置②处，车辆前部保险杠蒙皮和车灯发生明显变形，在前20 ms 行人右腿仍然被左腿推着运动；在20 ms 后，可以看出行人左、右腿发生了明显的相对运动，行人左腿的膝关节高于右腿的膝关节，这可能与行人髋部沿着引擎盖边缘向上滑动有关。在位置③处，当车灯安装支架发生失效时，车灯下方保险杠蒙皮发生大面积的凹陷变形，这可能与保险杠未能完全覆盖到车灯区域有关。总之碰撞过程中，在位置①和位置②处，车辆前部产生的变形相对较小，行人下肢膝关节产生的横向弯曲角较大。然而在位置③处，车辆前部产生的变形相对较大，行人下肢膝关节产生的横向弯曲角较小。

图10 站立状态行人运动响应

3.2 行人下肢骨骼损伤

对于行人下肢左腿长骨损伤，如图11a 所示，行人左腿股骨应力(σ)和胫骨应力在3 个碰撞位置均出现了超过损伤耐受限度的情况，在碰撞位置③处，胫骨最大应力(σmax)达到157.2 MPa，在碰撞位置②处，股骨σmax达到122.9 MPa。其中，在碰撞位置①和位置②处，左腿胫骨σ明显超过胫骨损伤耐受限度。虽然股骨产生的σ低， 但大部分情况下其σ接近损伤耐受限度，面临骨折的风险。对于行人右腿长骨损伤，尽管右腿与车辆发生碰撞的时间晚于左腿，但是从图11b 可知，在位置①处，碰撞产生的反向冲力 (Frecoil)使得右腿股骨最大应力(σmax)到达124.9 MPa，仍然有较高的骨折风险，行人右腿长骨σ在位置②和位置③处低于损伤耐受限度，因此在该区域行人右腿没有骨折风险。并且由于行人左腿先与车辆前部发生撞击，因此多数情况下，左腿长骨应力高于右腿。

图11 左腿和右腿长骨最大应力

从以上结果可知，行人左、右腿长骨都面临骨折的风险，因此对行人下肢长骨损伤位置展开分析。图12 为左腿长骨σmax分布云图，从图中可知，无论行人何种运动状态或处于何种碰撞位置，胫骨σmax集中出现在胫骨骨干区域，然而股骨σmax出现的位置与行人运动和碰撞位置有关。在位置①处，站立和步行状态下行人股骨σmax集中在股骨骨干，跑步状态下行人股骨σmax出现在股骨近心端股骨头；在位置②处，站立和步行状态下行人股骨σmax集中在股骨末端，跑步状态下行人股骨σmax出现在股骨近心端股骨头；在位置③处，股骨σmax集中出现在股骨近心端股骨头及股骨颈附近区域。综上分析，股骨损伤高风险区域通常集中在股骨近心端股骨头、股骨颈和股骨骨干区域，胫骨损伤高风险区域集中在胫骨骨干区域。

图12 左腿S 长骨应力分布图

对于行人右腿损伤，对比图12 行人右腿长骨σ结果可知，在位置②和位置③处，行人右腿并无骨折的风险，因此重点关注行人右腿在碰撞位置①的损伤。从图13 可知，行人股骨σmax集中分布在股骨骨干附近；在站立状态下，胫骨σmax出现在胫骨内踝；在步行和跑步状态下，胫骨σmax集中分布胫骨骨干。

图13 位置1 中右腿长骨应力分布图

3.3 行人下肢膝关节损伤

图14 给出了行人下肢膝关节横向弯曲角(αknee)，从结果中可知，在位置①处，行人左腿和右腿的膝关节产生的横向弯曲角均超过了16°，其中，左腿的膝关节横向弯曲角最大值为36.5°，右腿最大值为20.5°。在位置②处，行人左腿膝关节横向弯曲角在3 种运动状态下均超过了损伤耐受限度，其最大值达到37.1°，行人右腿膝关节，仅在跑步状态下横向弯曲角超过了损伤耐受限度，其最大值为20.1°。在位置③处，行人在步行和跑步状态下，左腿膝关节横向弯曲角超过了损伤耐受限度，其最大值为31.9°，但是在站立状态下，其左腿膝关节的横向弯曲角处于安全范围。除此之外，3 种运动状态中行人的右腿膝关节横向弯曲角均未超过损伤耐受限度。

图14 膝关节横向弯曲角

图15 给出了3 种碰撞位置下行人膝关节横向剪切位移(Sshear)，可以看出，行人膝关节横向剪切位移在大多数情况下处于安全范围。但是在步行和站立状态下，左腿膝关节横向剪切位移出现了超过损伤耐受限度的情况，其最大值达到12.5 mm；在跑步状态下，右腿膝关节横向剪切位移同样出现了超过损伤耐受限度的情况，其最大值为11.9 mm。同时从结果中可以看出多数情况下，行人左腿膝关节横向剪切位移大于右腿膝关节横向剪切位移，表明这种情况下，行人左腿膝关节更容易产生韧带拉伤和关节脱臼。从总体上看，行人左腿膝关节更容易遭受严重损伤。

图15 3 种碰撞位置下膝关节剪切位移

4 讨 论

本文研究了碰撞位置和行人运动状态2 个因素对行人下肢损伤的影响，但是从图8 行人下肢冲击反力(Frecoil)曲线可知，在步行和跑步状态下，行人下肢产生的第1 个冲击反力峰值大小相差不大，这可能是模型中车辆只设置1 种碰撞初速度造成的。虽然已有研究表明行人损伤与碰撞时的初速度有关[24]，但是对于本文中行人处于多种运动状态条件下，行人的损伤是否存在相同的规律还仍待进一步研究。

对于行人下肢膝关节损伤，文中膝关节横向弯曲角明显高于其损伤耐受限度，造成这种结果与模型中行人的肌肉未被激活有关，已有研究表明，肌肉是否被激活会影响行人最终的损伤[25]。在碰撞过程中，由于行人肌肉未被激活，行人的右脚在悬空的初始状态下，产生了类似于“挥鞭”的运动，可能会造成下肢冲击反力的第2 个峰值更大，增加行人下肢的损伤风险。

同时从图16 可知，在碰撞过程中，行人右腿的踝关节也发生了严重的横向弯曲(见图16a)，过大踝关节的横向弯曲会造成踝关节的韧带组织拉伤[26]；除此之外，行人的脊柱也产生了扭转和弯曲运动(见图16b)，这种运动可能会造成行人脊柱严重损伤[27]，这2 种损伤形式是难以康复的损伤，因此在接下来研究中有必要对这些部位损伤展开研究。

图16 行人运动响应

5 结 论

本文利用THUMS 假人模拟了3 种常见的行人运动状态，基于行人下肢骨骼和膝关节损伤阈值，从生物损伤力学的角度分析了行人在车辆前部3 个碰撞位置的损伤, 得到如下结论。

1) 车辆前部横向结构特征的变化，使得行人在不同碰撞区域受到的伤害不一样，结果表现为，行人在车灯碰撞区，受到的伤害相对较低。多数情况下，行人左腿（最先受到撞击的一侧）最终损伤大于右腿最终损伤，但是当右腿处于悬空状态时，右腿的损伤形式相对于左腿会更加复杂。

2) 对于行人下肢长骨损伤，通过研究行人下肢长骨应力分布图，精确地反映了行人下肢长骨应力分布位置，左腿股骨最大应力集中分布在股骨头和股骨末端区域，其最大应力达到122.9 MPa，右腿股骨最大应力集中分布在股骨骨干区域，其最大应力达到124.9 MPa，而胫骨最大应力集中分布在胫骨骨干区域，其最大应力达到157.2 MPa，因此以上区域为行人下肢长骨损伤高风险区域。

3) 对于行人膝关节损伤，左腿膝关节产生的横向弯曲角和剪切位移更大，其最大值分别为37.1°和12.5 mm，更容易引发膝关节韧带拉伤和脱臼，左腿膝关节受到的损伤更为严重。

本文将事故信息与有限元方法结合完成了事故重建，结果表明事故重建能有效地研究事故中行人损伤原因，对今后开展行人损伤分析和事故仿真再现研究具有一定的指导作用。