行人在和汽车碰撞中的力学分析.docx

行人在与汽车碰撞中的力学分析 摘 要：行人在汽车碰撞事故中的损伤生物力学知识是针对行人制订汽车安全试验法规的重要基础，也是汽车安全设计的重要依据。在文献学习的过程中，本文概括阐述了汽车与行人碰撞损伤生物力学研究的发展和现状，包括汽车与行人碰撞的动态响应过程，身体各部位致伤原因，在冲击载荷条件下的损伤机理、耐受限度、损伤程度的评价标准，以及在不同载荷条件下造成的伤害与物理参数的相关性，并提出了未来对行人损伤预防需要进一步研究的生物力学问题。关键词：汽车与行人碰撞；损伤机理；耐受限度；评价准则Abstract：The knowledge of injury biomechanics in passenger car to pedestrian collisions is important for us to establish test procedures for pedestrian protection. It also forms important background for design of safer car. A condensed overview is given based on the published and ongoing studies of the pedestrian injury biomechanics. The state of the art of the injury biomechanics in car-to-pedestrian collisions was described, including the dynamic responses during a collision, the causation of injuries on diff erent body parts, injury mechanisms, tolerance levels, injury severity and assessment criteria, as well as the correlation of the physical parameters with injuries in diff erent loading conditions. The needs of future research on pedestrian injury prevention were presented.Key words：car-to-pedestrian collision；injury mechanism；tolerance；assessment criterion.引言汽车交通事故是造成大量人员伤亡的公共健康问题。2002 年，世界各地的道路交通总死亡人数为 120 万人，其中弱势道路使用者占有的比例约 65%。因为在汽车碰撞事故中得不到必要的保护 , 所以行人是最易受伤害的道路使用者，为损伤风险最高群体的代表。在这种交通意外中客车是最常见的事故车型，随后是货车和公交车。在各种车辆与行人碰撞情况下，货车和公交车往往造成最严重的伤亡后果。在过去的 40 年中，汽车与行人碰撞事故及损伤生物力学问题已得到广泛的重视和研究。普遍采用的方法有 3 种 :（1）深入的事故调查研究。（2）生物标本和机械假人碰撞试验。（3）行人数学模型的仿真分析研究。交通伤亡事故和相关生物力学研究的主要内容包括汽车与行人碰撞的动态响应过程，身体各部位致伤原因，确定在冲击载荷条件下的损伤机理、耐受限度、损伤程度的评价准则，以及在不同载荷条件下损伤相关的物理参数，定量分析汽车碰撞和损伤程度的联系。通过这些研究结果，我们可以更好地了解汽车设计对行人交通安全的影响，并由此形成预防对策，在设计过程中改进和发展新车安全性能，减少行人的伤亡风险1。 1 行人损伤行人在汽车碰撞中的运动学响应和损伤程度受到多种因素的影响，其中包括汽车行驶速度，制动与否，碰撞速度，汽车前结构刚度、类型和前部几何形状尺寸（如保险杠的高度，发动机罩高度和长度，发动机罩、挡风玻璃各自的倾斜角度，行人身高、体重、行进速度，行人碰撞初始姿态，以及行人身体各部位与车的相对碰撞速度等)。车辆撞击行人的过程中由接触撞击力和加速度造成损伤，而行人被车辆撞击抛出与地面或其它物体二次撞击也会造成损伤,深入的事故分析表明汽车碰撞是造成行人损伤特别是重伤和致命伤的主要原因。但是行人抛出与地面撞击的动力学响应过程较为复杂，可与以下多种因素相关：碰撞速度，汽车前部结构形状设计和几何尺寸，行人的身高体重，行人在碰撞接触前瞬间的运动方向和姿态等。这里需要指出的是行人落地时头部首先接触地面或其它物体也会造成重伤甚至致命伤。对于汽车交通事故中的损伤评估，被全世界普遍接受的解剖学上的标准是简明损伤标准（Abbreviated Injury Scale，AIS），按损伤发生的部位、损伤类型和损伤程度来评价。AIS 只是一种描述损伤对生命威胁程度的指标，共分为7个等级，由 AIS 0 至 AIS 6 按顺序依次代表无损伤、轻伤、中度伤、重伤、严重损伤、致命伤、无法救治的伤害。AIS 的等级值越高则表明该项损伤对生命的威胁性越大。用于衡量车辆行人碰撞严重程度的主要因素之一是碰撞速度。事故统计分析表明大约 70%的碰撞事故中，在行人被撞前驾驶员都采取了紧急制动措施。1.1身体损伤部位分布不同国家的研究人员从 20 世纪 60 年代以来开展了大量的研究，探讨行人身体各部位的伤害频率，研究发现头部和下肢是最常受伤的部位。不同车型的前部形状和碰撞速度 , 以及行人的初始姿态将会产生不同的结果。当一个成年行人与车前部相撞时，首先小腿或膝关节区域与保险杠接触，由于撞击力的作用，身体的下肢向前加速运动，当撞击力和惯性力在小腿膝关节区域产生的弯矩、应力应变响应值超过耐受限度时即产生骨折或软组织的拉伤；上半身向客车发动机罩方向旋转加速运动，从而大腿、骨盆、胸部和肩膀先后与发动机罩前缘、顶部接触碰撞，由于接触冲击力和惯性力的作用，大腿、骨盆和胸肩部均可能产生损伤；取决于车型的大小和发动机罩的长度，行人头部可能会碰到发动机罩后缘顶部或挡风玻璃。行人与车相撞过程中，保险杠接触下肢瞬间的速度定为初始碰撞速度，在没有制动的情况下，碰撞速度即等于汽车行驶速度。分析研究表明：除开下肢的碰撞速度外，身体各部位与车体的相对碰撞速度并不一定相同，如在大型客车发动机罩碰撞条件下，头部的接触碰撞速度与车行驶速度的比值估计为0.7 0.9，而在小型客车挡风玻璃碰撞条件下，比值估计为 1.1 1.4。脑损伤方法被提出，并建议头部角加速度超过 4 500 rad/s2和角速度的变化超过 50 rad/s时可导致桥静脉破裂损伤。2.2胸部致伤原因和损伤机理由于行人交通事故经常发生在横过街道时，故约有 85% 的行人都是从侧面受到汽车撞击，从而胸腔侧向碰撞损伤是汽车与行人发生的事故中最常见的形式。成人和年龄较大的儿童胸部受伤，主要是与发动机罩的接触碰撞造成。年龄较小的儿童则可能在与发动机罩前缘相撞时胸部受伤。因此行人胸腔侧向碰撞损伤是属于钝器撞击胸部创伤，其载荷条件与轿车乘员在侧面碰撞中与车门碰撞的情况相似。胸部损伤机理主要有两种：（1）对胸部冲击压缩力产生的创伤；（2）惯性载荷对胸腔内的软组织造成粘性组织材料的损伤。冲击压缩力可导致肋骨骨折、胸骨骨折、血胸和气胸。惯性载荷可引起肺挫伤和心血管破坏。在冲击载荷条件下胸部创伤经常是多种损伤机理联合作用的结果。损伤准则和耐受限度高载荷速率敏感材料的变形是引起软组织损伤风险的主要原因。TTI 是一个以加速度为参数的评估标准，它以年龄、受测体重和脊椎加速来确定受伤的概率。2.3骨盆致伤原因和损伤机理骨盆受伤通常可由发动机罩前缘侧向冲击产生。在汽车对行人的碰撞事故中，由冲击压缩力形成的骨盆损伤机理占主导地位。从发动机罩前缘作用在股骨上端的侧向集中载荷力导致股骨压缩损伤。结构件的接触受到直接的碰撞力和加速或减速作用，因此颅脑损伤可以是由于单一冲击作用力产生，也可以是由多种载荷的综合冲击响应产生，并往往导致复杂的损伤机理。采用交通事故创伤重建和颅脑有限元模型的综合分析研究表明在冲击载荷作用下脑损伤与颅内冲击压力、对冲压力、von-Mises 应力、剪应力、以及应变相关，并确认 AIS3+ 脑损伤相应临界值分别为冲击压力 256 k Pa、 对 冲 压 力 -152 k Pa、von-Mises 应 力14.8 k Pa、剪应力 7.9 k Pa、应变 21.3%。头部损伤 致伤机理颅骨骨折 接触压力颅内血管损伤 血管、桥静脉破裂冲击伤 冲击侧由于接触部位的作用力对冲伤 颅骨撞击点对侧负压力硬膜外血肿 在冲击接触部位的作用力硬膜下血肿 头部的线性和转动加速度脑神经损伤 脑组织内神经轴索撕裂脑震荡 颅骨和大脑之间的相对运动弥漫性轴索损伤 旋转运动，转动加速度有关。损伤准则目前采用头部性能指标 (Head Performance Cri-terion，HPC) 值来评估预测行人头部损伤风险。HPC 同时用于设计分析发动机罩结构和挡风玻璃的安全防护性能。HPC1000 定为头部损伤耐受限度参考值。基于线性合成加速度的 HPC/HIC 准则缺少对其它脑损伤载荷条件的考虑，如转动加速度和速度对脑损伤的影响。另一种基于 1 个临界应变曲线的峰值角加速度和角速度变化来衡量脑损伤耐受限度的临界应变曲线及角加速度和角速度变化区间角速度变化、头部角加速度对身体各部位的直接碰撞力或惯性力造成。行人损伤生物力学损伤生物力学属于工程力学与医学的交叉学科研究领域，旨在从汽车碰撞安全工程领域的角度探讨在汽车交通事故中人体受伤的原因及损伤机理，为汽车安全设计提供所需要的参考依据，提高汽车安全性能以减少意外交通事故伤亡2。2.4颅骨和大脑最常见的致命的严重头部损伤是由发动机罩或挡风玻璃框架的撞击造成。发动机罩后方和天窗、发动机罩、挡泥板、发动机体、前轮缓冲减振装置和挡风玻璃框架 ( 包括 A 柱 ) 等在传统汽车设计中均为刚性较高的部件，特别是发动机罩边缘和挡风玻璃框架 ( 包括 A 柱 )。而位于发动机罩下方的发动机体及前轮缓冲减振装置也可能参与头部接触碰撞，并产生较大的冲击力，增加了颅脑损伤的风险。影响头部碰撞动力学响应的参数包括：与汽车的相对速度、冲击角度、以及冲击接触位置。致伤原因和损伤机理 通常头部损伤模式为颅骨骨折和脑损伤，脑损伤包括撕裂伤、挫伤、脑震荡、颅内血肿和弥漫性轴索损伤（DAI）。行人颅脑与汽车前部相撞主要有 3 种损伤的机理：集中压缩力、颅骨内的粘性载荷和大脑惯性载荷。头骨骨折主要取决于颅骨受到撞击的位置和与车体接触区域的影响，如发动机罩顶部和挡风玻璃车架接触位置，当冲击力超过了颅骨的承受能力，骨折即会发生。头骨骨折可以发生或无脑损伤。当头部受到加速度场中的惯性载荷，将产生头骨和大脑之间的相对运动，由此产生的高剪切应变和应变率可导致大脑 DAI 损伤。涉及儿童的碰撞事故，由于身高的原因不太可能由发动机罩前缘产生骨盆骨折的现象，而对儿童胸腔造成较高的损伤风险。耐受限度对 PMHS 标本的骨盆侧向冲击动力学响应的研究表明 50 百分位男性成人的骨盆耐受限度均值为 10 k N, 对 5 百分位女性成人造成的骨骼损伤约为 4 k N。侧向冲击力与下肢加速惯性力和随之产生的轴向扭转的联合作用效应，可能导致多处受伤。下肢创伤最普遍的模式是：长骨（包括胫 / 腓骨 , 股骨）骨折、膝关节损伤、踝关节脱位和骨折。前保险杠碰撞产生的横向剪切力及弯曲力矩已被确认为两个最重要的与行人下肢损伤机理相关的生物力学参数。2.5长骨致伤原因和损伤机理大多数胫骨损伤归因于汽车保险杠撞击腿的外侧产生的弯曲力矩的作用。胫骨弯曲力矩导致撞击侧的压缩应力，以及在撞击中对侧胫骨的拉伸应力。在弯曲产生的拉伸、压缩应力超过极限值时胫骨骨折发生。上述胫骨弯曲力矩损伤机理也适用于腓骨骨折，以及由于发动机罩前缘撞击产生的股骨骨折。耐受限度根据汽车与行人的碰撞形态，长骨在弯矩和横向冲击力作用下的强度已有广泛的试验研究。大量实验结果表明：导致股骨骨折的作用力范围是 3 10 k N，弯矩约 320 Nm (Kress et al.1993)。 胫 骨 骨 折 的 峰 值 冲 击 力 是2.5 8 k N，弯矩是 200 400 Nm。Nyquist 等(1985) 采用 PMHS 小腿标本通过动态三点弯曲试验确定了小腿胫骨强度，结果表明峰值强度大约在 3 6 k N 范围加之约 8 mm 胫骨变形产生骨折。基于小腿标本试验测试的耐受限度值估算的胫骨刚度为 250 750 N/mm。导致骨折产生过程的作用力大小取决于加载速度和载荷脉冲持续时间2.6膝关节致伤原因和膝关节损伤机理膝关节损伤通常是由保险杠对膝关节的直接撞击力或通过膝关节传递的作用力造成，包括股股骨骨折股骨节骨折韧带断裂胫骨节骨折胫骨 / 腓骨骨折侧向冲击行人下肢的主要伤害分布骨髁 / 胫骨髁骨折、髌骨骨折、韧带撕裂和断裂。通过对 PMHS 标本的研究，确定了膝关节侧向冲击损伤主要包括剪切和弯曲两种损伤机理。膝关节作用力可以视为剪切力和弯矩的组合，由韧带张力和关节面压缩力组成。在膝关节下端附近水平的小腿侧撞，是一种最常见的碰撞形态。剪切损伤机理发生在碰撞的初始阶段，在膝关节侧向撞击时剪切力通过膝关节界面传递。胫骨髁（骨节）侧面撞击发生时因股骨运动延迟导致膝盖关节界面之间的剪切错位。剪切错位导致膝关节界面和股骨髁之间的内侧胫骨髁间嵴产生集中接触力和韧带拉伸力。膝盖抵抗剪切错位，主要是由于股骨髁之间的内侧胫骨髁间嵴的接触。接触力导致内侧髁间隆起和股骨髁接触面的应力集中，当应力超过其承受能力，可能会出现该胫骨髁间隆起或股骨髁软骨骨折。由于膝关节的弯曲转动使韧带拉伸，当韧带拉伸应变超过耐受限度时即可能导致韧带损伤，此刻在关节内侧的拉伸集中应力和膝关节外侧的压缩集中应力均可能产生。膝关节损伤可能发生在张力侧，也可能发生在压力侧，最终取决于内侧副韧带韧带力前保险杠前保险杠骨节界面接触力碰撞力(a) 在膝关节产生的作用力及可能的损伤(b) 在胫骨没有发生骨折 (c) 或发生骨折的情况下 , 膝关节的生物力学响应和外侧髁骨极限抗拉强度和抗压强度差异。结论在汽车碰撞安全性研究中通常使用 HIC 值来衡量乘员头部损伤风险和损伤严重程度，多年来也用于对行人头部损伤风险和损伤程度的评估。汽车与行人碰撞分析计算的 HIC 值表明，行人碰撞取得的 HIC 值有时与实际颅脑损伤严重程度不完全相符。因此有必要进一步研究颅脑损伤机理，建立新的标准来完善脑损伤的评估。弯曲负荷可能是膝盖受伤中占主导地位的载荷。目前，膝关节在伸展位置的条件下还缺少对侧向碰撞的髁骨骨折耐受限度的研究。然而，膝关节弯曲响应分析表明，汽车碰撞侧向髁骨骨折的机理是侧弯对髁骨界面的轴向压缩力。鲍威尔等人的研究64观察到在膝关节髁骨的轴向压缩性骨折是由于对膝关节髁骨直接的冲击力，其峰值冲击力介于 7 10 k N 之间。在膝关节侧向冲击损伤研究中提出了剪切和弯曲两种损伤机理，并确定在剪切和弯曲载荷条件下的与损伤相关的物理参数和耐受限度。这里有必要指出的是在真实的汽车与行人碰撞事故中纯剪切或纯弯曲载荷的情况很少发生