碰撞仿真技术在人体腿及膝关节与汽车保险杠碰撞研究中的应用

1、Vol118No13公路交通科技JOURNALOFHIGHWAYANDTRANSPORTATIONRESEARCHANDDEVELOPMENT2001年6月文章编号:10022068(2001)03008305碰撞仿真技术在人体腿及膝关节与汽车保险杠碰撞研究中的应用程秀生1,周刚2,安迪布伦3(11吉林大学,吉林长春130025;21英国拉夫堡大学,莱斯特郡拉夫堡LE113TU;31英国伊里莫工程有限公司,北安普敦NN69UB)摘要:根据汽车与行人碰撞时人体腿及膝关节部位的生物力学特性,对用于研究人,碰撞试验对比,有较好的吻合,其他部位损伤程度的影响,关键词:碰撞仿真;保险杠;中图分类号:U4

2、67114:AofComputersimulationTechniquetoResearchonHumanLowerLegandKneeImpactedbyCarBumperCHENGXiusheng,ZHOUGang,ANDYBrown123(1.JilinUniversity,JilinChangchun130025China;21LoughboroughUniversity,LoughboroughLeicestershireLE113TU,UK;31IlmorEngineeringLtd,Northampton,NN69UB,UK)Abstract:Thispaperdescribed

3、theprocessofusingfiniteelementmethodandcomputersimulationtechniqueforimpactingoflegformimpactorwhichappliedtoresearchonhumanlowerlegandkneeimpactedbycarbumperbasedonbiomechanicalcharacteristicsoflowerlegandkneeincarpedestrianimpactingaccidents,andthesimulationresultsclearlyshowedgoodagreementwithtes

4、tresultsfromlegformimpactorimpactedbycarbumper.Theresultsindicatethatcrashsimulationonlegformimpactorimpactedbycarbumperprovidesaveryusefulapproachtotheresearchanddevelopmentofpedestrianimpacttestingandinjuriescriteriaforreducingpedestrianinjuriesallpossiblyincarpedestrianimpactingaccidentsfromcarde

5、signaspects.Keywords:Crashsimulationimpact;Bumper;Lowerlegandkneeinjuries;Legformimpactor;Finiteelement0前言在涉及行人被汽车碰撞的道路交通事故中,行人被汽车前部碰撞的交通事故约占行人被汽车碰撞总数的6815%到8012%,其中大多数行人是被侧向碰撞,并且行人头部、骨盆和下腿(腿及膝关节部位)是常常受到严重伤害的部位1。在行人遭受腿及膝关节部位的严重损伤中,主要是被汽车保险杠碰撞,尽管人收稿日期:20000816体腿及膝关节的损伤一般不会有生命危险,但常常会造成人的终生残废或丧失工作能力。19

6、91年,欧洲试验车辆委员会提出要制定有关减轻行人受汽车前部碰撞损伤的法规,其中包括要通过机械腿碰撞装置(即腿部仿形器),研究行人腿及膝关节与汽车保险杠碰撞反应来评价腿及膝关节的损伤程度2。几年来,有关这方面的大量试验研究,特别是在利用腿部仿形器与汽车保险杠的碰撞,来确定膝关节最大弯曲角、作者简介:程秀生(1950-),男,吉林长春人,研究员,研究方向为汽车碰撞时的人体生物力学反应、损伤及保护.公路交通科技2001年第3期膝关节最大剪切位移和胫骨最大加速度等生物力学参数,并以此来评价人体腿及膝关节损伤程度的试验研究,已取得许多研究成果。但腿部仿形器的制造和相关的试验仍需要很大的资金投入,另一方面

7、,腿部仿形器在每次碰撞试验后其某些部件需要更换,不能重复使用,进而使研究费用进一步增大。通过建立腿部仿形器的碰撞模型,并应用计算机模拟碰撞技术,可实现腿部仿形器与保险杠碰撞过程的仿真,从而减少碰撞试验次数、降低研究成本和便于设计参数的优化。本文以腿仿形器为模拟对象,根据人体腿和膝关节部位受汽车保险杠碰撞的生物力学特性,应用有限元方法,对腿部仿形器与保险杠的碰撞过程进行计算机模拟与分析,模拟结果与试验结果吻合较好,从而为进一步研究行人与汽车碰撞时,保险杠及汽车前部参数对人体腿及膝关节和人体其他部位损伤程度的影响,提供可行的方法,对更深入研究如何从汽车设计1111碰撞损伤及股骨髁和胫骨髁的损伤。这

8、些部位的损伤程度(AIS)除了受人体质量、身高、年龄和性别等因素影响外,还受到汽车保险杠结构参数、保险杠高度、保险杠材料特性和碰撞速度及碰撞力的大小等因素的影响,以及这些因素对人体腿及膝关节不同碰撞位置的生物力学特性的影响。112损伤评价标准在受汽车保险杠碰撞的侧向碰撞力作用下,膝关节受到剪切力和弯曲力矩并产生相应的剪切变形和弯曲变形,而造成膝关节的损伤。对于给定的碰撞方向,膝关节的剪切变形和弯曲变形如图2所示,图中,u为膝关节部位的股骨和胫骨之间的相对剪切位移变形量(mm),为膝关节部位的股骨和胫骨之间)。和上述参数有关的评价腿及膝的弯曲变形角度(°4,表中的数值可看损伤评价标准膝

9、关节最大弯曲角max膝关节最大剪切变形umax胫骨最大加速度amax(距膝关节中心以下66mm处)表215°6mm150g人体膝关节及其连接部位附近的腿部结构如图1所示,其损伤程度可按损伤简略分度法3(AISAbbreviatedInjuryScale)进行不同等级分类(见表1)。图2膝关节的侧向碰撞变形图1膝关节部位解剖示意图碰撞损伤程度的分类(AIS)AIS0123452人体腿部仿形器与汽车保险杠的碰撞试验表1211腿部仿形器无损伤轻微损伤中等损伤较严重损伤(无生命危险)严重损伤(有生命危险,但可活)危险损伤(能否生存,不确定)人体腿部仿形器的结构如图3所示。腿部仿形器由股骨、胫

10、骨和连接它们的膝关节变形元件组成,仿形器的胫骨部分包括了脚的重量,其膝关节变形元件有类似于人的膝关节能承受侧向载荷的剪切和弯曲刚度的作用。仿形器的外层有25mm厚的吸能泡沫和6mm厚的尼龙层,分别代表人体腿的肌肉和皮肤。尽管腿部仿形器的外形和实际的人体腿和膝关节不完全一样,但其长度、质量、重心和惯性矩等生物力学特性参数则代表了第50百分位成年男性的相关特性。84在行人被汽车前部碰撞的交通事故中,人体腿及膝关节被保险杠碰撞的损伤主要涉及股骨及胫骨的骨折和膝关节的损伤,而膝关节的损伤涉及韧带的损伤碰撞仿真技术在人体腿及膝关节与汽车保险杠碰撞研究中的应用程秀生等腿部仿形器的特征参数见表3。仿形器与汽

11、车保险杠碰撞试验,经数据处理所得到的5次试验的平均值如表4所示。图4腿部仿形器与汽车保险杠碰撞试验原理腿部仿形器碰撞试验损伤评价参数的最大值表4碰撞速度保险杠高度(m/s)1111(mm)500膝关节最大)弯曲角(°9166膝关节最大胫骨最大剪切位移(mm)加速度(g)211113415的峰值,试验,说明在碰撞速度为1111m/s和保险杠高度为500mm的条件下,人体腿及膝关节将受到小于AIS2级的损伤。3腿部仿形器与汽车保险杠碰撞的计算机模拟311碰撞模拟图3参长度(mm)质量(kg)距膝关节中心的质心尺寸(mm)惯性矩(kg/m2)直径(不包括表皮层)(mm)胫骨49441823

12、30112070表3股骨4328162170112770以试验用腿部仿形器(见图3)和保险杠为模拟对象,根据动力学有限元法6和碰撞动力学7的基本原理所建立的碰撞模型(见图5),其节点的速度、加速度和位移的计算是采用直接积分法中的显示算法进行。模拟计算中,还综合考虑了网格中最小单元的尺寸,材料的弹性模量和密度等因素对确定稳定条件下的时间步长的影响和单元尺寸对计算时间和成本的影响。应用LSDYNA3D8软件,在图形工作站上进行的碰撞模拟,其节点总数为12568个,对一个35m/s的模拟碰撞过程,其计算机运行时间约5h。模拟计算时,腿部仿形器模型的输入参数由表3给出,保险杠材料参数如表5所示。计算机

13、模拟碰撞(见图6)的计算值如表6所示。保险杠材料参数参数密度(kg/m2)弹性模量(MPa)屈服强度极限(MPa)泊松比剪切弹性模量(MPa)212试验原理腿部仿形器与汽车保险杠的碰撞试验(见图4)采用被动碰撞方法,仿形器通过定向加速产生与汽车纵向平面平行的水平运动,与静止的汽车保险杠中央部位产生碰撞。忽略实际碰撞时行人脚与地面之间的摩擦力,试验时,不管汽车是支起(见图4的右半部分)还是被固定在地面上(见图4的左半部分),始终要保持腿部仿形器与地面不接触。试验需测定的膝关节剪切位移和弯曲角的角度传感器分别安装在膝关节变形元件和膝关节与胫骨及膝关节与股骨连接的相关部位(见图3),加速度传感器安装

14、在距膝关中心节以下66mm处。腿部仿形器碰撞试验的有关剪切位移、弯曲角和加速度测定数据的滤波频率为1000Hz,采样频率为10kHz5。213试验数据表5数值1400450060013900根据上述试验原理,参照欧洲试验车辆委员会相关研究机构建议的碰撞车速和保险杠高度进行的腿部85公路交通科技2001年第3期图8膝关节剪切位移的碰撞时间历程(a)腿部仿形器模型(b)汽车保险杠模型图5碰撞模型模拟碰撞的计算值碰撞速度保险杠高度膝关节最大膝关节最大剪(m/s)1111(mm)500)弯曲角(°9141表6胫骨最大加速度(g)13917切位移(mm)2120图9图6模拟碰撞312模拟碰撞与

15、试验结果的对比由模拟碰撞得到的有关膝关节弯曲角、膝关节剪切位移和胫骨加速度的时间历程与前述的试验结果对应的时间历程,如图7、图8和图9所示,其中图9的胫骨加速度是指距膝关节中心66mm处的加速度。由以上各图可知,在整个碰撞过程,两者都有很好的一致性,计算机模拟碰撞能反应腿部仿形器与汽车保险杠的碰撞过程。,和表6可知,膝关节最大弯曲216%,膝关413%,胫骨最大加速度的误差为319%。以上误差分析结果表明,模拟碰撞的计算结果接近腿部仿形器与汽车保险杠碰撞试验所测定的损伤评价参数平均值,因而,可根据表2的损伤评价标准用上述模型对腿及膝关节的损伤程度进行正确预测。上述的腿部仿形器与汽车保险杠碰撞试

16、验与相应的计算机模拟碰撞,是在给定的碰撞速度和保险杠高度下进行的,大量的行人与汽车碰撞的交通事故表明,在汽车保险杠参数不变的情况下,碰撞速度不同,对腿及膝关节损伤严重程度的影响也不同,即使碰撞速度不变,汽车的保险杠高度、形状和刚度的变化都直接影响腿及膝关节的损伤严重性,应用上述的计算机模拟碰撞方法,便于调整不同的控制参数和计算模型,以便通过参数的优化和组合,找出影响腿和膝关节损伤的主要因素,并从安全性考虑确定汽车保险杠参数的最佳设计方案,同时也可减少碰撞试验次数,降低研究开发成本。4结束语图7膝关节曲角的碰撞时间历程本文应用有限元法和计算机模拟技术,对腿部仿形器与汽车保险杠的碰撞过程进行了模拟

17、碰撞与分析,其模拟结果与试验结果有很好的吻合,进而为更有效更经济地进行有关人体腿及膝关节与汽车保险杠的碰撞研究提供了可行的方法。同时也为进一步研究如何改进汽车前部外形和结构设计,最大限度减轻行86碰撞仿真技术在人体腿及膝关节与汽车保险杠碰撞研究中的应用程秀生等人身体不同部位在被汽车前部碰撞的交通事故中的损伤程度,以及为建立相应的法规提供一定的工作基础。注:本文的研究工作是作者在英国拉夫堡大学(LoughboroughUniversity)完成的,得到了T1J.Gordon教授的大力协助和G1Zhou博士的精心指导,在此向他们及研究组其他成员表示谢意。参考文献:1OtteD.Influenceo

18、fvehiclefrontgeometryontheinjurysituationofin2juredpedestrians.Germany:Roadtrafficaccidentresearch,1989.2HarrisJ,LawrenceGL,HardyB.TestMethodstoEvaluatetheProtec2tionAffordedtoPedestriansbyCars.TransportRoadResearchLaborato2ries(TRRL)documentwp/vs/216,199107.3日佐腾武,吴关昌,陈倩译.汽车的安全.北京:机械工业出版社,198814Euro

19、peanExperimentalVehiclesCommittee.Proposalsfortestmethodstoevaluatepedestrianprotectionforcars.Paris:EEVCWorkingGroup10report,presentedtothe13thESVConference,19911115SAEJ211INSTRUMENTATIONFORIMPACTTEST.SAEHandbook,198416王勖成,邵敏.有限单元法基本原理和数值方法.北京:清华大学出版社,1996,ISBN7302024219.7WileyC.ImpactDynamics.VANN

20、OSTRANDREINHCLD,NewYork,USA,1982.8LSDYNAversion940.KEYWORDinputmanual.LivermoreSoftwareTechnologyCorporation,19971(上接第82页)尽管EPS,存在一些问题需要解决,性能是关键问题。性能的主要因素,转向系统的匹配都将影响到转向操纵力、转向路感等问题。概括地说,电动助力转向技术的发展方向主要为:改进控制系统性能和降低控制系统的制造成本。只有进一步改进控制系统性能,才能满足更高档轿车的使用要求。另外,EPS的控制信号将不再仅仅依靠车速与扭矩,而是根据转向角、转向速度、横向加速度、前轴重力

21、等多种信号进行与汽车特性相吻合的综合控制,以获得更好的转向路感。未来的EPS将朝着电子四轮转向的方向发展,并与电子悬架统一协调控制。5结束语2500万套。所以,我国有必要加大投入进行研究开发。参考文献:1NakayamaT,SudaE.ThePresentandFutureofElectricPowerSteer2ing.Int.J1ofVehicleDesign,1994,15(3,4,5):243-254.2KenRogers,WilliamKimberley.TurningSteeringtoElectric.Automo2tiveEngineer,2000,108(2):39-41.3KamiBuchholz.TRWDemonstratesElectricallyPoweredSteeringandActiveRollControl.Auto