基于pc-crsh的汽车碰撞事故仿真分析

基于pc-crsh的汽车碰撞事故仿真分析

0行人致伤方式的初步探索和实践探索中国是一个典型的混合交通国家。行人造成的伤亡绝对数量相当大。行人是道路事故的第二个受害者。2006年全国交通事故中行人死亡人数23285人,占当年所有死亡人数的26.03%。如何最大限度减少交通事故中的行人伤亡,是车辆工程和相关研究领域要解决的重要课题。近年来,国内汽车安全标准法规频频出台,安全系统的装车率很高,但这些主要是集中在车内乘员的保护方面,没有涉及行人保护的领域。因此研究我国行人事故的特点、行人的损伤机理和防护技术,制订相关的技术法规以促进汽车安全性设计的改进,具有重要的经济和社会意义。由于行人与汽车的碰撞后行人的运动响应复杂,国内对行人碰撞交通事故的再现及行人致伤方式特点只进行了初步地尝试与探索。本文以1起实际发生的小客车与行人的碰撞事故为研究对象,使用成熟事故再现软件PC-Crash对事故发生过程进行重建,对碰撞后行人的运动响应、损伤部位的动力学响应参数及行人的致伤特点进行分析。1事故分析1.1快跑穿越高速公路某日中午,小客车在高速公路最内侧车道由西向东直行,驾驶员发现1位行人由南向北快跑穿越高速公路。此时小客车驾驶员立即采取制动措施,并向左转向,但仍无法避免事故,车辆的右前部与行人左小腿相撞后,行人头部与右前风挡玻璃及A柱碰撞,此后被抛离约,当场死亡。现场道路为干燥沥青路面,可见状况较好,现场整体状况如图1所示。1.2前翼子板凹陷变形小客车右前保险杠蒙皮碎裂并脱落;发动机罩右前边缘及右前翼子板凹陷变形;前部挡风玻璃右侧1/3面积产生蜘蛛网状裂纹,右侧A柱上部褶皱变形;右外后视镜脱落;右后门车身上有行人头部血迹散落,如图2。1.3皮肤、战略损伤根据尸检报告,行人伤亡状况为:死者身高190cm。面部轻度变形,面部见广泛皮肤搓擦伤;口、鼻腔出血;两手背散在性皮肤搓擦伤,左小腿中段开放性粉碎性骨折;颈项部、躯干部、会阴部及其它尸表未见明显损伤。最终验尸结论为:该男性符合在交通事故中致颅脑损伤而死亡。2计算机再现分析2.1交通假人模型的应用基于动量冲量法,运用多刚体动力学理论建立车辆模型、行人假人模型及道路路面模型。车辆一般定义为刚体,在轮胎作用力(法向、侧向及纵向力)、空气阻力、重力、多体接触力的作用下运动。任何一个事故车辆均可从再现系统的车型数据库中提取,根据实际事故中的车辆进行相应参数的设置,不必进行有限元建模等,使得事故再现的时间大大缩减。在保证再现准确度的前提下,该特点是此种事故再现系统及方法被广泛应用的主要原因之一。多刚体行人假人模型是由19个关节相连接的20个刚性身体部位组成的一个系统。每个假人,都可以通过对几何参数、质量、接触刚度及摩擦系数的确定,来定义其属性,同时可以对各种身材(身高与体重)在各种初始条件(站立、行走、快跑)下的人员与车辆的碰撞进行模拟。假人身体部位及关节的数量对所需要的计算时间均有影响。在计算时间与模型的精度之间需要寻求一个平衡点。路面是由多个具有一定倾斜度的三角单元或多边形单元组合而成,假人与地面之间碰撞时的计算与假人与汽车之间的碰撞计算法则相同,只是地面时没有速度,且认为人体与地面的碰撞力,对地面的运动及形状均无任何影响。2.2行人制动参数有行人参与的事故进行再现仿真时,对碰撞后行人的运动响应有较大影响的参数均被视为关键参数,如下。1)碰撞车速:碰撞车速越高,行人头部与挡风玻璃碰撞的概率越高,行人碰撞后的运动轨迹越复杂,行人的伤害程度越大。该参数权重重要,取83km/h。2)碰撞时行人速度:行人奔跑时速度约为12.2～14.0km/h,事故中行人高大,奔跑速度较快,故取14km/h。该参数权重中等。3)小客车平均制动减速度:事故发生时,车辆是否处于制动状态,对于碰撞后行人的运动响应有较大的影响,如果汽车未采取制动措施或者减速度很小,会出现2种情况:第1,速度超过某数值,行人就掠过风挡玻璃而从车顶飞出,跌落在车后;第2,速度较低时,行人倒地后,会遭遇汽车的碾压。故该参数权重重要,取-8.02m/s2。4)身高与体重:行人身材越高,头部碰撞风挡玻璃的概率越大。权重重要,取190cm、80kg。5)行人与地面的摩擦系数:人体在干燥沥青路面上滑动时的附着系数一般为0.64～0.67,本事故中取0.64。该参数权重重要。6)行人与小客车车身之间的摩擦系数:人体与小客车车身之间的摩擦系数一般为0.2～0.3。该参数权重重要,取0.21。行人事故中的关键因素还包括人车碰撞时接触的状态及小客车前部车身造型。界定小客车前部保险杠、发动机罩、前部挡风玻璃的形状的参数,对碰撞后行人的运动响应影响较大,此处不多做讨论。2.3行人双轮驱动结构在大多数情况下,碰撞作用在行人质心下面,一般的船形轿车与成年人的碰撞事故均属于这种形式:汽车保险杠碰撞行人的小腿,随后大腿、臀部倒向汽车发动机罩前缘,然后上身和头部与发动机罩前部,甚至与挡风玻璃发生二次碰撞。常见的船形轿车与成年人碰撞时,行人运动过程的划分:1)车人接触,行人身体碰撞并加速,身体移向汽车发动机罩、挡风玻璃或A柱;2)从发动机罩、挡风玻璃或A柱上抛出;3)落地后继续向前运动至静止。即由接触、飞行和滑移3个阶段组成。对于大型车与行人碰撞事故,接触点位于行人质心上部,如大客车、平头货车等与成年人碰撞、轿车与儿童碰撞时,碰撞可能直接作用在行人的胸部甚至头部。身体上部直接向远离汽车的方向抛向前方。如果汽车不采取制动,行人将被碾在车下。根据同济大学事故组案例统计分析,行人的头部和下肢是最容易受到伤害的部位,下肢损伤不足以造成行人死亡,70%～80%的行人死亡人员的致死原因为颅脑损伤。行人致伤原因及致伤机理比较复杂,原因在于碰撞时行人不仅与汽车发生一次碰撞,还将与地面发生二次碰撞,造成行人死亡或严重伤害的主要原因是行人与车体的第1次碰撞,行人与地面的第2次碰撞也有可能造成行人身体的严重伤害,主要取决于行人身体与地面首先接触的身体部位以及碰撞速度的大小。2.4受损部位的动态响应评估方法2.4.1受害者接头骨折的安全边界目前国际通常采用HIC,即头部伤害指数(HeadInjuryCriterion)作为头部的伤害标准,该标准于1971年由Versace提出,被美国道路安全局采用下述计算公式作为头部伤害界限的标准。式中:t1、t2为碰撞过程中所选的两个时刻;a为头部质心的合成加速度;2.5为实验得到的头部权重指标。HIC=1000作为头部冲击伤害的安全界限,据测定,当HIC值为1000时,发生恶性头骨骨折的概率为33%。目前为止,在头部损伤研究和应用中主要还是使用HIC值指标评价行人头部撞击发动机罩以及挡风玻璃等时的风险。2.4.2合成加速度和碰撞力在汽车与行人的碰撞事故中,行人胸部受到发动机罩或地面的强烈冲击的情况,发生的频率致命度都很高。目前国际上通常把3ms内的合成加速度值60g作为安全界限值。我国的正面碰撞乘员保护设计规则CMVDR294也同样采用这样的损伤标准。使用PC-Crash的事故再现仿真结果中,只能对躯干部位的合成加速度及碰撞力曲线进行输出。因此,对于躯干部位的损伤,使用3ms内的合成加速度值作为行人躯干部位损伤程度的衡量指标。2.4.3下肢小鼠根骨折动态在汽车与行人碰撞事故中,下肢是行人身体最早与汽车保险杠接触的部位,其受伤频率仅次于头部。Nyquist等人在1985年使用尸体下肢样本做胫骨动态三点弯曲实验,测量胫骨的耐受限度,得出男性胫骨骨折的碰撞力峰值为4.7±1.4kN。本事故对行人左小腿部位的剪切合力作为小腿部位的动力学响应评价指标。3模拟结果分析3.1左小视频对比仿真结果中的小客车与行人的碰撞过程如图3～图7所示:行人处于奔跑状态,左脚稍领先右脚迈出,小腿部位即将与小客车保险杠最右端接触。15ms时,小腿开始与小客车最右侧保险杠接触,导致保险杠蒙皮碎裂并脱落,行人左小腿中段开放性粉碎性骨折;大腿开始与发动机罩边缘接触。30ms时,左侧大腿根部外侧与发动机罩的右前端接触,左臀部与右侧翼子板接触。75ms时,行人肩部与前部挡风玻璃碰撞,导致挡风玻璃右下部大面积损坏;头部与右前A柱碰撞,导致A柱变形,该碰撞是导致行人严重颅脑损伤的主要诱因。105ms时,行人头部或肩部与右侧后视镜碰撞,导致后视镜脱落。此后行人停止与汽车的接触,进入在空中的翻转状态,在空中翻转时,头部的血迹甩至小客车右后门表面。3.2动机罩边缘碰撞根据车损及行人损伤状况,可得人车之间的接触状况:首先是左小腿与保险杠、大腿与发动机罩边缘碰撞;此后左侧大腿根部外侧与发动机罩的右前端接触,左臀部与右侧翼子板接触;最终躯干部位与发动机罩后端接触,行人肩部与前部挡风玻璃碰撞,头部与右前A柱碰撞,见表1。仿真结果中行人与车辆的接触部位与尸检报告中行人的加害部位高度一致。3.3受损部位的动态响应分析本事故中损伤部位的动力学响应评价参数主要包括:行人头部、躯干等合成加速度曲线及左小腿的受力曲线。3.3.1地面撞击者承担最大加速度75ms时头部开始与小客车A柱接触,至89ms时头部合成加速度达到第1个峰值1320m/s2;1.331s行人身体与地面第1次接触,1.336s时头部与地面碰撞,头部合成加速度达到第2次峰值660m/s2,如图8所示。仿真结果中头部最大加速度为1320m/s2,HIC为1536,远大于标准中所规定的1000的指标,该次撞击可造成严重颅脑损伤并造成人的死亡,与法医出具的验尸报告中的结论一致。可以认定:行人头部与小客车及地面的碰撞导致其严重颅脑损伤,而头部与A柱的碰撞是造成行人死亡的主要原因。3.3.2行人冠部加速度分布55ms左右时,行人躯干部位持续3ms加速度峰值达74.9g;当1.404s,躯干部位第1次着地,导致行人躯干部位产生约30.3g的加速度,如图9所示。躯干部位持续3ms最大加速度略高于60g的上限,根据仿真结果,理论上应可以造成行人胸腔器官的损伤。根据法医检验报告,行人胸腹部并未见明显外部损伤,但由于尸体没有解剖,故不能判断行人胸部内部损伤程度。3.3.3小鼠左前杠杆骨折20ms左右时,小腿部剪切力达到第1个峰值5.7kN,根据仿真结果,此时系左侧小腿部位与右前保险杠碰撞所致。参考Nyquist等人的实验结果,此次峰值可以造成小腿部位的胫骨及腓骨骨折,这与验尸报告中行人左小腿中段开放性粉碎性骨折的结论相一致。1.370s、1.660s时小腿部受力第2、第3次出现峰值,此时系行人小腿部位与地面开始接触时所造成的。4行人事故仿真行人事故再现主要包括推算汽车的碰撞速度、碰撞点、行人的行走速度和方向、人车碰撞接触过程中的状态及行人碰撞后