基于madymo和pc-crsh的汽车碰撞事故仿真分析

基于madymo和pc-crsh的汽车碰撞事故仿真分析

15岁以下的儿童是行人事故频发的群体之一，数量仅为人口总数的18%，但占行人事故数量的1.3%。因此，对儿童行人事故机的研究非常重要。由于缺乏足够的实验数据，目前人们对儿童行人头部的损伤机尚不清楚。交通事故重建是了解儿童创伤机、评估当前受伤标准和耐受极限的重要手段。本研究首先确定了现场事故调查的方法和流程,在现场所采集数据的基础上,用MADYMO碰撞仿真软件,重现了长沙地区的一起12岁儿童行人事故,对该儿童头部与挡风玻璃碰撞的损伤机理进行了分析.对2种不同的数值模型得到的仿真结果与医学诊断结果进行了比较.1事故数据的来源1.1撞击前的驾驶信息由专业人员与交警同时到达事故现场,进行相关的事故数据采集和对事故进行深入调查分析.每一起事故采集的信息包括碰撞前、碰撞中及碰撞后3大部分.碰撞前的信息主要包括车辆的行驶速度、碰撞前的刹车情况、行人的初始姿势、步行的速度和方位、路面的类型和天气情况;碰撞中的信息主要包括碰撞速度、车辆的碰撞点、行人落地时刻与地面接触的部位、抛出距离、落地点、滑行距离及最终位置;碰撞后的信息主要包括行人的性别、年龄、身高、体重、损伤类型、损伤分布、损伤严重程度及造成损伤的原因、车辆的碰撞痕迹及现场留下的刹车痕迹等.选择重建事故的依据(SAMPLINGCRITERION)是肇事车辆的车型、行人的损伤、碰撞速度及行人的年龄、身高和体重.本文所采集的事故中,肇事车辆挡风玻璃与行人头部有明显的接触且对行人头部造成了一定的损伤.1.2事故车辆的驾驶信息本文所收集到的行人事故于2007年7月5日19:30左右发生在长沙市岳麓区杜英路45号地段.当时有路灯照明,天气晴好,路面为干燥的水泥路面.一辆小客车沿1方向由北往南行使(如图1所示),一小女孩突然沿2方向从车的右侧跑出,为了避开她,司机往左打方向盘,但右侧翼子板还是撞上了小女孩,碰撞前没有刹车.小车翼子板与儿童的肩膀发生了接触,然后整个人被小车掀起,头部砸在了玻璃上.根据目击者和司机的陈述及该路段的限速规定,可以估计车速为30～50km/h,初始碰撞位置、儿童行人的落地位置及车的最终停止位置如图1所示.现场以相交的两条垂直水泥路面分割线为坐标轴,测出了初始碰撞点、落地位置和车辆最终的停止位置的坐标.事故车辆的右侧翼子板有明显的凹痕,挡风玻璃的右下角破裂.车上碰撞点的位置、面积和深度都有详细的记录,这些信息为评估事故重建的可靠性提供了保证.经医院诊断,儿童的右顶部头皮血肿,脑出血;左锁骨粉碎性骨折.2事故重建本文用到的重建软件为MADYMO和PC-CRASH的结合.两者均为多刚体动力学软件.2.1基本理论2.1.1加速度和惯性程度刚体上任一点相对于某固定点的空间位置可由下面的矢量公式表示:Xi=xi+ri.(1)如果知道每个时刻的位置,可求出该点的速度和加速度:˙Xi=˙ri+wixi‚˙Xi=˙r‚(2)¨Xi=¨r+˙wi×xi+wi×(wi×xi).(3)X˙i=r˙i+wixi‚X˙i=r˙‚(2)X¨i=r¨+w˙i×xi+wi×(wi×xi).(3)矢量可由3个标量合成,矢量运算可转化为标量矩阵的运算.刚体关于它自身惯性中心的运动方程为:mi¨r=Fi,(4)Ji⋅˙ωi+ωi×Ji⋅ωi=Τi.(5)mir¨=Fi,(4)Ji⋅ω˙i+ωi×Ji⋅ωi=Ti.(5)式中:mi为质量;Ji为关于惯性中心的惯性矩;ωi为角速度向量;Fi为力向量;Ti为力矩(相对于惯性中心)向量;ri为位移向量.2.1.2ca整理u2004由Lagrange物质描述方法,变形可以由质点的初始位置向量Xa及时间t表示为:xi=xi(Xa,t).(6)在t=0时有初始条件:xi(Xa,0)=Xa,(7)˙xi(Xa,0)=vi(Xa).(8)x˙i(Xa,0)=vi(Xa).(8)式中:vi为初始速度.对于物体内任一有限部分应满足动量守恒定律.由Cauchy动量方程得:σij,j+ρfi=ρ¨xi.(9)σij,j+ρfi=ρx¨i.(9)式中:σij为Cauchy应力张量;ρ为瞬时质量密度;fi为体积力密度;¨xx¨i为加速度.有限单元离散化并引入虚位移场后也可写成Ma=Fext-Fint.(10)式中:M为质量矩阵;a为结点加速度向量;Fext和Fint为结点的外和内力向量,包括外载力、接触力和内应力.2.2模型结构与材料参数行人跟车的接触位置为右侧翼子板和挡风玻璃右下角,这些位置用多刚体椭球很难准确地描述出几何特征.本文用有限元(FEM)与多刚体耦合的方法建立了2种车体模型,即有限元(FE)与多刚体耦合模型及多面体(FACET)与多刚体耦合模型.接触部位用FE或者FACET描述其几何特征,非接触部位用多刚体椭球描述以节省计算时间.多面体车体模型部分是在有限元车体模型基础上发展而成的.赋予各个部件以空材料,其刚度特性由力-穿透曲线来描述.曲线来源于欧洲NCAP试验(图2).2种车体模型几何尺寸均基于与事故车辆同制造商、同型号和同批次的有限元数学模型.车辆前部包括保险杠、翼子板、A柱及挡风玻璃等.由49263个节点和48656个单元组成.其材料参数来源于经过正面碰撞验证的车体模型(见表1).2.31人体测量学模型的形成对事故重建来说,获得一个与受害者人体测量学足够接近的假人模型是相当重要的.通常事故受害者的身高和体重与可直接获得的假人模型偏离比较大,所以必须通过放缩方法来得到所需的假人模型.目前MADYMO软件中SCALER模块可获得的参考模型有3种:6岁坐姿儿童混Ⅲ模型,5百分位坐姿女性混Ⅲ模型和50百分位坐姿男性混Ⅲ模型.该方法的第一步根据相关人群产生一组描述目标模型的人体测量学的关键参数,参考模型的人体测量学参数也是由这些关键参数描述的;第二步朝目标模型放缩参考模型.对不同的人体部分采用不同的放缩因子,这些因子通常取源于人体身高、质量、惯性、铰链位置、椭球的尺度、铰链类型、接触模型和接触特性等.根据现场收集到的受害儿童身高和体重,本文12岁儿童行人模型由6岁坐姿儿童混Ⅲ模型放缩而成,该模型是51个椭球由28个铰链连接而成的(如图3所示).2.4madymo仿真计算MADYMO两种模型中设定的初始边界条件是一致的:依据事故车辆及行人的最终位置、车辆的运动轨迹和可能行驶的速度范围等信息通过PC-CRASH仿真优化得到碰撞速度、碰撞位置及减速度等关键参数.根据目击者的描述,碰撞点的位置及该路段的限速,分别用车体速度60km/h,50km/h,45km/h,40km/h和35km/h;小孩的跑动速度分别为0,6km/h和10km/h;行人左脚在前、右脚在前几种情况进行试算,一共进行了5×3×2=30组仿真计算.经分析看出车体速度为35km/h,行人的跑动速度为10km/h和右脚在前时得到的仿真结果与实际情况最为符合(图1).把这些关键参数作为边界条件定义MADYMO仿真模型.此外,由事故地段为干燥的沥青路面,根据经验设定车与地面的摩擦因数为0.7来模拟车体刹车后的减速度;根据文献资料设定人与车和地面的摩擦因数分别为0.5和0.7.3结果分析3.1行人运动过程仿真事故重建动态响应过程可以通过车辆受损信息、抛出距离、车上碰撞点位置和行人落地后的姿态来评估.整个仿真过程计算时间为950ms,图4是2种仿真结果在20ms,100ms和160ms时的行人动态响应对比,分别与保险杠撞击小腿、头部撞击挡风玻璃、头部撞击A柱的时刻对应.两模型中的行人运动过程比较接近,但还是有少许差别,特别是左腿的运动过程,这可能与不同算法所导致不同的穿透量有关.3.2行人对比仿真从现场草图可以估算出行人的抛出距离约为2.92m,多面体(FACET)模型中行人的抛出距离为3.3m,有限元(FE)模型中行人的抛出距离为3.7m,仿真值与实际值很接近.车体上碰撞点位置的对比如图5所示,仿真中右侧翼子板上3个凹痕A,B,C和挡风玻璃右下角的碰撞点D与现场测得的位置都很接近.3.3交叉试验结果研究颅脑的动力学响应,主要分析头部在碰撞过程中的运动、碰撞速度、碰撞相对速度及碰撞角度.本研究输出的头部损伤评估参数有HIC15,头部角速度和角加速度等.此外,头部相关输出参数还有头部与挡风玻璃的碰撞时刻,碰撞相对速度及碰撞时刻与水平面的夹角.碰撞速度是指碰撞开始时刻头部的绝对速度,定义如下:v=√v2x+v2z.(11)v=v2x+v2z−−−−−−√.(11)式中:vx为头部水平方向的速度;vz为头部竖直方向的速度;v为头部绝对速度.碰撞的相对速度是指碰撞开始时刻头部相对汽车的速度,定义如下:v′=√(vx-vcx)2+v2z.(12)式中:v′为碰撞时刻头部相对车体的速度;vcx为碰撞时刻汽车的行驶速度;其他同式(11).碰撞角度是指头部与车体接触碰撞开始时刻头部相对水平地面的角度,定义如下:β=arctan(vz/vx).(13)式中:β为头部合成速度与水平面的夹角;其他同式(11).头部损伤评价准则目前最常用的是HIC(HeadInjuryCriterion),它是在1960年美国韦恩提出的直线加速度下头部耐冲击性的损伤标准WSTC曲线的基础上形成的.该准则是根据实验得到的经验数据建立的,它将受伤程度作为有效加速度和冲击时间间隔的函数,即:ΗΙC=[(t2-t1)(1t2-t1∫21a(t)dt)2.5]max.(14)式中:a(t)为碰撞过程中头部质心合成加速度;t2-t1为HIC达到最大值的时间间隔.本研究用到的颅脑创伤医学评价方法为简明损伤定级法AIS(AbbreviatedInjuryScale).它是从生物力学的角度出发,根据器官、组织的损伤程度将其量化分级,是交通事故中人体损伤的主要评估方法.它一共分为8个等级,等级编号本身没有含义(见表2).较重伤表示无生命危险,严重伤表示有生命危险但有生存的可能,危重伤表示有无生存可能无法预料,最危重伤表示死亡或者无法救治.根据颅脑损伤AIS分级标准,本研究采集到的事故中行人的颅脑损伤主要为:右顶部头皮血肿,对应的损伤等级为AIS1;脑出血,根据其严重性对应的损伤等级为AIS4.表3为计算得到的头部损伤及相关参数输出对比及各参数两者的平均值.图6为2种模型中头部相对车体运动的合成速度.图7为2种模型计算得到的头部加速度曲线对比,其中1,2,3,这3个峰值分别是由保险杠撞击腿部,头部撞击挡风玻璃和头部撞击A柱引起的.4讨论4.1汽车碰撞瞬时速度值的确定本文重建所用到的事故信息是由专业团队从事故现场采集得到的.在轿车与行人事故重建中,汽车碰撞瞬时的速度和行人的相对位置、行走速度是相当重要的,但也是难以准确得到的,需要通过其他更多的物证进行判读.为了获得准确的汽车碰撞瞬时速度值,可能的途径包括司机的供词、目击者记录、道路限速标志、测速雷达信息、刹车痕迹、散落物痕迹、摄影摄像、行人抛距等.通过对这些信息综合分析,得到人-车碰撞的初始接触点和碰撞瞬时车速;对于行人碰撞时刻的速度,通过司机描述和目击者证词,能够得到的仅仅是行人的相对方位和移动方向,关于速度概念往往是用停止、慢走、快速行走或者奔跑来形容,很少能够给出量值的表达.而行人的运动往往影响到人-车碰撞过程中的人体响应过程,从而导致复杂的致伤模式.4.2车模的材料特性和接触特性本文所建立的2种车体模型的几何特征取自于事故车辆的有限元数学模型,完全可以达到事故重建标准.有限元(FE)车模的材料特性来源于经过正面碰撞验证的车模,多面体(FACET)车模的接触特性来源于欧洲NCAP同类型车辆试验.2种计算模型得到的仿真结果与实际比较吻合.4.3生物逼真度值12岁儿童模型用MADYMO软件中的SCALER模块基于标准的参考模型放缩而成,其肩部生物逼真度不高,没有锁骨的相关损伤参数输出.对本事故左锁骨粉碎性骨折无法进行损伤评价.肩部缺陷也会对头部的运动造成一定的影响.4.4头架和调整算法比较时,优化算法一般在充在本文中用到了有限元方法和多刚体动力学方法.从图4可以看出行人的整个运动过程很相似;从表3中可以看出2种算法得到的HIC15和头部角速度比较接近;图5显示的车体上ABCD碰撞点的位置和变形模式和实际情况比较吻合;图7是2种算法得到的头部加速度曲线对比,除了峰值3出现时间有少许差别外,其他大体吻合.4.5损伤方面的研究本研究用于评价头部损伤的指标主要有HIC,头部角速度和头部角加速度.行人-汽车碰撞人体头部的运动是典型的平移加速度和旋转加速度混合作用的结果,其中平移加速度具有重要影响,HIC对损伤的预测效果具有相当的准确性,尤其在头部骨折和严重脑损伤方面.研究表明,头部