基于pc-crsh的汽車碰撞事故仿真分析

基于pc-crsh的汽車碰撞事故仿真分析

0行人致傷方式的初步探索和實(shí)踐探索中國是一個典型的混合交通國家。行人造成的傷亡絕對數(shù)量相當(dāng)大。行人是道路事故的第二個受害者。2006年全國交通事故中行人死亡人數(shù)23285人,占當(dāng)年所有死亡人數(shù)的26.03%。如何最大限度減少交通事故中的行人傷亡,是車輛工程和相關(guān)研究領(lǐng)域要解決的重要課題。近年來,國內(nèi)汽車安全標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)頻頻出臺,安全系統(tǒng)的裝車率很高,但這些主要是集中在車內(nèi)乘員的保護(hù)方面,沒有涉及行人保護(hù)的領(lǐng)域。因此研究我國行人事故的特點(diǎn)、行人的損傷機(jī)理和防護(hù)技術(shù),制訂相關(guān)的技術(shù)法規(guī)以促進(jìn)汽車安全性設(shè)計(jì)的改進(jìn),具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會意義。由于行人與汽車的碰撞后行人的運(yùn)動響應(yīng)復(fù)雜,國內(nèi)對行人碰撞交通事故的再現(xiàn)及行人致傷方式特點(diǎn)只進(jìn)行了初步地嘗試與探索。本文以1起實(shí)際發(fā)生的小客車與行人的碰撞事故為研究對象,使用成熟事故再現(xiàn)軟件PC-Crash對事故發(fā)生過程進(jìn)行重建,對碰撞后行人的運(yùn)動響應(yīng)、損傷部位的動力學(xué)響應(yīng)參數(shù)及行人的致傷特點(diǎn)進(jìn)行分析。1事故分析1.1快跑穿越高速公路某日中午,小客車在高速公路最內(nèi)側(cè)車道由西向東直行,駕駛員發(fā)現(xiàn)1位行人由南向北快跑穿越高速公路。此時小客車駕駛員立即采取制動措施,并向左轉(zhuǎn)向,但仍無法避免事故,車輛的右前部與行人左小腿相撞后,行人頭部與右前風(fēng)擋玻璃及A柱碰撞,此后被拋離約,當(dāng)場死亡?，F(xiàn)場道路為干燥瀝青路面,可見狀況較好,現(xiàn)場整體狀況如圖1所示。1.2前翼子板凹陷變形小客車右前保險(xiǎn)杠蒙皮碎裂并脫落;發(fā)動機(jī)罩右前邊緣及右前翼子板凹陷變形;前部擋風(fēng)玻璃右側(cè)1/3面積產(chǎn)生蜘蛛網(wǎng)狀裂紋,右側(cè)A柱上部褶皺變形;右外后視鏡脫落;右后門車身上有行人頭部血跡散落,如圖2。1.3皮膚、戰(zhàn)略損傷根據(jù)尸檢報(bào)告,行人傷亡狀況為:死者身高190cm。面部輕度變形,面部見廣泛皮膚搓擦傷;口、鼻腔出血;兩手背散在性皮膚搓擦傷,左小腿中段開放性粉碎性骨折;頸項(xiàng)部、軀干部、會陰部及其它尸表未見明顯損傷。最終驗(yàn)尸結(jié)論為:該男性符合在交通事故中致顱腦損傷而死亡。2計(jì)算機(jī)再現(xiàn)分析2.1交通假人模型的應(yīng)用基于動量沖量法,運(yùn)用多剛體動力學(xué)理論建立車輛模型、行人假人模型及道路路面模型。車輛一般定義為剛體,在輪胎作用力(法向、側(cè)向及縱向力)、空氣阻力、重力、多體接觸力的作用下運(yùn)動。任何一個事故車輛均可從再現(xiàn)系統(tǒng)的車型數(shù)據(jù)庫中提取,根據(jù)實(shí)際事故中的車輛進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置,不必進(jìn)行有限元建模等,使得事故再現(xiàn)的時間大大縮減。在保證再現(xiàn)準(zhǔn)確度的前提下,該特點(diǎn)是此種事故再現(xiàn)系統(tǒng)及方法被廣泛應(yīng)用的主要原因之一。多剛體行人假人模型是由19個關(guān)節(jié)相連接的20個剛性身體部位組成的一個系統(tǒng)。每個假人,都可以通過對幾何參數(shù)、質(zhì)量、接觸剛度及摩擦系數(shù)的確定,來定義其屬性,同時可以對各種身材(身高與體重)在各種初始條件(站立、行走、快跑)下的人員與車輛的碰撞進(jìn)行模擬。假人身體部位及關(guān)節(jié)的數(shù)量對所需要的計(jì)算時間均有影響。在計(jì)算時間與模型的精度之間需要尋求一個平衡點(diǎn)。路面是由多個具有一定傾斜度的三角單元或多邊形單元組合而成,假人與地面之間碰撞時的計(jì)算與假人與汽車之間的碰撞計(jì)算法則相同,只是地面時沒有速度,且認(rèn)為人體與地面的碰撞力,對地面的運(yùn)動及形狀均無任何影響。2.2行人制動參數(shù)有行人參與的事故進(jìn)行再現(xiàn)仿真時,對碰撞后行人的運(yùn)動響應(yīng)有較大影響的參數(shù)均被視為關(guān)鍵參數(shù),如下。1)碰撞車速:碰撞車速越高,行人頭部與擋風(fēng)玻璃碰撞的概率越高,行人碰撞后的運(yùn)動軌跡越復(fù)雜,行人的傷害程度越大。該參數(shù)權(quán)重重要,取83km/h。2)碰撞時行人速度:行人奔跑時速度約為12.2～14.0km/h,事故中行人高大,奔跑速度較快,故取14km/h。該參數(shù)權(quán)重中等。3)小客車平均制動減速度:事故發(fā)生時,車輛是否處于制動狀態(tài),對于碰撞后行人的運(yùn)動響應(yīng)有較大的影響,如果汽車未采取制動措施或者減速度很小,會出現(xiàn)2種情況:第1,速度超過某數(shù)值,行人就掠過風(fēng)擋玻璃而從車頂飛出,跌落在車后;第2,速度較低時,行人倒地后,會遭遇汽車的碾壓。故該參數(shù)權(quán)重重要,取-8.02m/s2。4)身高與體重:行人身材越高,頭部碰撞風(fēng)擋玻璃的概率越大。權(quán)重重要,取190cm、80kg。5)行人與地面的摩擦系數(shù):人體在干燥瀝青路面上滑動時的附著系數(shù)一般為0.64～0.67,本事故中取0.64。該參數(shù)權(quán)重重要。6)行人與小客車車身之間的摩擦系數(shù):人體與小客車車身之間的摩擦系數(shù)一般為0.2～0.3。該參數(shù)權(quán)重重要,取0.21。行人事故中的關(guān)鍵因素還包括人車碰撞時接觸的狀態(tài)及小客車前部車身造型。界定小客車前部保險(xiǎn)杠、發(fā)動機(jī)罩、前部擋風(fēng)玻璃的形狀的參數(shù),對碰撞后行人的運(yùn)動響應(yīng)影響較大,此處不多做討論。2.3行人雙輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)在大多數(shù)情況下,碰撞作用在行人質(zhì)心下面,一般的船形轎車與成年人的碰撞事故均屬于這種形式:汽車保險(xiǎn)杠碰撞行人的小腿,隨后大腿、臀部倒向汽車發(fā)動機(jī)罩前緣,然后上身和頭部與發(fā)動機(jī)罩前部,甚至與擋風(fēng)玻璃發(fā)生二次碰撞。常見的船形轎車與成年人碰撞時,行人運(yùn)動過程的劃分:1)車人接觸,行人身體碰撞并加速,身體移向汽車發(fā)動機(jī)罩、擋風(fēng)玻璃或A柱;2)從發(fā)動機(jī)罩、擋風(fēng)玻璃或A柱上拋出;3)落地后繼續(xù)向前運(yùn)動至靜止。即由接觸、飛行和滑移3個階段組成。對于大型車與行人碰撞事故,接觸點(diǎn)位于行人質(zhì)心上部,如大客車、平頭貨車等與成年人碰撞、轎車與兒童碰撞時,碰撞可能直接作用在行人的胸部甚至頭部。身體上部直接向遠(yuǎn)離汽車的方向拋向前方。如果汽車不采取制動,行人將被碾在車下。根據(jù)同濟(jì)大學(xué)事故組案例統(tǒng)計(jì)分析,行人的頭部和下肢是最容易受到傷害的部位,下肢損傷不足以造成行人死亡,70%～80%的行人死亡人員的致死原因?yàn)轱B腦損傷。行人致傷原因及致傷機(jī)理比較復(fù)雜,原因在于碰撞時行人不僅與汽車發(fā)生一次碰撞,還將與地面發(fā)生二次碰撞,造成行人死亡或嚴(yán)重傷害的主要原因是行人與車體的第1次碰撞,行人與地面的第2次碰撞也有可能造成行人身體的嚴(yán)重傷害,主要取決于行人身體與地面首先接觸的身體部位以及碰撞速度的大小。2.4受損部位的動態(tài)響應(yīng)評估方法2.4.1受害者接頭骨折的安全邊界目前國際通常采用HIC,即頭部傷害指數(shù)(HeadInjuryCriterion)作為頭部的傷害標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)于1971年由Versace提出,被美國道路安全局采用下述計(jì)算公式作為頭部傷害界限的標(biāo)準(zhǔn)。式中:t1、t2為碰撞過程中所選的兩個時刻;a為頭部質(zhì)心的合成加速度;2.5為實(shí)驗(yàn)得到的頭部權(quán)重指標(biāo)。HIC=1000作為頭部沖擊傷害的安全界限,據(jù)測定,當(dāng)HIC值為1000時,發(fā)生惡性頭骨骨折的概率為33%。目前為止,在頭部損傷研究和應(yīng)用中主要還是使用HIC值指標(biāo)評價行人頭部撞擊發(fā)動機(jī)罩以及擋風(fēng)玻璃等時的風(fēng)險(xiǎn)。2.4.2合成加速度和碰撞力在汽車與行人的碰撞事故中,行人胸部受到發(fā)動機(jī)罩或地面的強(qiáng)烈沖擊的情況,發(fā)生的頻率致命度都很高。目前國際上通常把3ms內(nèi)的合成加速度值60g作為安全界限值。我國的正面碰撞乘員保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)則CMVDR294也同樣采用這樣的損傷標(biāo)準(zhǔn)。使用PC-Crash的事故再現(xiàn)仿真結(jié)果中,只能對軀干部位的合成加速度及碰撞力曲線進(jìn)行輸出。因此,對于軀干部位的損傷,使用3ms內(nèi)的合成加速度值作為行人軀干部位損傷程度的衡量指標(biāo)。2.4.3下肢小鼠根骨折動態(tài)在汽車與行人碰撞事故中,下肢是行人身體最早與汽車保險(xiǎn)杠接觸的部位,其受傷頻率僅次于頭部。Nyquist等人在1985年使用尸體下肢樣本做脛骨動態(tài)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn),測量脛骨的耐受限度,得出男性脛骨骨折的碰撞力峰值為4.7±1.4kN。本事故對行人左小腿部位的剪切合力作為小腿部位的動力學(xué)響應(yīng)評價指標(biāo)。3模擬結(jié)果分析3.1左小視頻對比仿真結(jié)果中的小客車與行人的碰撞過程如圖3～圖7所示:行人處于奔跑狀態(tài),左腳稍領(lǐng)先右腳邁出,小腿部位即將與小客車保險(xiǎn)杠最右端接觸。15ms時,小腿開始與小客車最右側(cè)保險(xiǎn)杠接觸,導(dǎo)致保險(xiǎn)杠蒙皮碎裂并脫落,行人左小腿中段開放性粉碎性骨折;大腿開始與發(fā)動機(jī)罩邊緣接觸。30ms時,左側(cè)大腿根部外側(cè)與發(fā)動機(jī)罩的右前端接觸,左臀部與右側(cè)翼子板接觸。75ms時,行人肩部與前部擋風(fēng)玻璃碰撞,導(dǎo)致?lián)躏L(fēng)玻璃右下部大面積損壞;頭部與右前A柱碰撞,導(dǎo)致A柱變形,該碰撞是導(dǎo)致行人嚴(yán)重顱腦損傷的主要誘因。105ms時,行人頭部或肩部與右側(cè)后視鏡碰撞,導(dǎo)致后視鏡脫落。此后行人停止與汽車的接觸,進(jìn)入在空中的翻轉(zhuǎn)狀態(tài),在空中翻轉(zhuǎn)時,頭部的血跡甩至小客車右后門表面。3.2動機(jī)罩邊緣碰撞根據(jù)車損及行人損傷狀況,可得人車之間的接觸狀況:首先是左小腿與保險(xiǎn)杠、大腿與發(fā)動機(jī)罩邊緣碰撞;此后左側(cè)大腿根部外側(cè)與發(fā)動機(jī)罩的右前端接觸,左臀部與右側(cè)翼子板接觸;最終軀干部位與發(fā)動機(jī)罩后端接觸,行人肩部與前部擋風(fēng)玻璃碰撞,頭部與右前A柱碰撞,見表1。仿真結(jié)果中行人與車輛的接觸部位與尸檢報(bào)告中行人的加害部位高度一致。3.3受損部位的動態(tài)響應(yīng)分析本事故中損傷部位的動力學(xué)響應(yīng)評價參數(shù)主要包括:行人頭部、軀干等合成加速度曲線及左小腿的受力曲線。3.3.1地面撞擊者承擔(dān)最大加速度75ms時頭部開始與小客車A柱接觸,至89ms時頭部合成加速度達(dá)到第1個峰值1320m/s2;1.331s行人身體與地面第1次接觸,1.336s時頭部與地面碰撞,頭部合成加速度達(dá)到第2次峰值660m/s2,如圖8所示。仿真結(jié)果中頭部最大加速度為1320m/s2,HIC為1536,遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的1000的指標(biāo),該次撞擊可造成嚴(yán)重顱腦損傷并造成人的死亡,與法醫(yī)出具的驗(yàn)尸報(bào)告中的結(jié)論一致。可以認(rèn)定:行人頭部與小客車及地面的碰撞導(dǎo)致其嚴(yán)重顱腦損傷,而頭部與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左右時,行人軀干部位持續(xù)3ms加速度峰值達(dá)74.9g;當(dāng)1.404s,軀干部位第1次著地,導(dǎo)致行人軀干部位產(chǎn)生約30.3g的加速度,如圖9所示。軀干部位持續(xù)3ms最大加速度略高于60g的上限,根據(jù)仿真結(jié)果,理論上應(yīng)可以造成行人胸腔器官的損傷。根據(jù)法醫(yī)檢驗(yàn)報(bào)告,行人胸腹部并未見明顯外部損傷,但由于尸體沒有解剖,故不能判斷行人胸部內(nèi)部損傷程度。3.3.3小鼠左前杠桿骨折20ms左右時,小腿部剪切力達(dá)到第1個峰值5.7kN,根據(jù)仿真結(jié)果,此時系左側(cè)小腿部位與右前保險(xiǎn)杠碰撞所致。參考Nyquist等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,此次峰值可以造成小腿部位的脛骨及腓骨骨折,這與驗(yàn)尸報(bào)告中行人左小腿中段開放性粉碎性骨折的結(jié)論相一致。1.370s、1.660s時小腿部受力第2、第3次出現(xiàn)峰值,此時系行人小腿部位與地面開始接觸時所造成的。4行人事故仿真行人事故再現(xiàn)主要包括推算汽車的碰撞速度、碰撞點(diǎn)、行人的行走速度和方向、人車碰撞接觸過程中的狀態(tài)及行人碰撞后