基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的自行車行駛事故模型研究

基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的自行車行駛事故模型研究

中國被稱為自行車之都。平均每三人配備一輛自行車。自行車作為一種便捷、便宜、無附件的交通工具，為人們提供了許多便利，但自行車事故的發(fā)生頻率并不總是上漲。據(jù)報道我國70%的交通事故與自行車有關(guān),其中以自行車與機(jī)動車發(fā)生為主,在此類事故中自行車騎車者常常損傷重、死亡率高,顱腦損傷是造成騎車者死亡的主要原因,而所有相關(guān)事故中自行車擁有者承擔(dān)第一責(zé)任的僅占4%~7%。作為交通事故中的弱勢群體,由于自行車及騎車者在發(fā)生碰撞后,短時間內(nèi)的運(yùn)動過程極為復(fù)雜,目前通過計(jì)算機(jī)仿真再現(xiàn)事故碰撞過程推斷致傷方式在國內(nèi)法醫(yī)學(xué)上尚未見報道。本文以一起真實(shí)的轎車與自行車交通事故為研究對象,通過計(jì)算機(jī)仿真研究建立人、車模型,運(yùn)用PC-Crash軟件進(jìn)行碰撞試驗(yàn)并對自行車騎車者的致傷方式、損傷特點(diǎn)及程度進(jìn)行分析。1材料和方法1.1cei剎車行駛匝道執(zhí)行不利某日夜,小雪,一輛桑塔納SVW7180CEI轎車沿快速機(jī)動車道由南向北行駛至某路口時,與由東向西行駛的一輛優(yōu)耐特26英寸女式自行車相撞,造成騎車人當(dāng)場死亡。1.1.1皮膚損傷的皮膚雙側(cè)眼瞼青紫,口、鼻腔及兩側(cè)外耳道積血,下頜、右顴部、額部正中皮膚擦傷,右眉弓外側(cè)皮膚擦挫傷,鼻背部見三處淺表挫裂創(chuàng)。右側(cè)季肋部、右肩胛處皮膚擦傷,左側(cè)季肋部皮膚擦挫傷,肩背部左側(cè)散在皮膚擦傷。左上肢多處皮膚擦傷,左肱骨中段骨折,左手小魚際挫裂創(chuàng)形成,左大腿下段外側(cè)大片皮膚青紫伴擦傷,左脛骨中段骨折,左小腿中段內(nèi)側(cè)刺創(chuàng)形成,左內(nèi)踝皮膚擦傷,左外踝前下方皮膚擦傷,右大腿下段內(nèi)側(cè)皮膚青紫,右膝外下方皮膚擦傷,右小腿內(nèi)側(cè)皮膚擦挫傷。1.1.2燈和燈藥物開裂轎車前保險杠斷裂脫落,面罩破裂缺損,發(fā)動機(jī)罩前端見多處擦痕伴凹癟,前擋風(fēng)玻璃碎裂,左前照燈與霧燈燈罩破損。自行車前叉左側(cè)分支向右擠壓變形,前輪扭曲變形,車軸斷裂,前擋泥板扭曲變形,車架向右彎曲,鞍座向左偏轉(zhuǎn)約45°,座套豁裂,鎖具左側(cè)及后三角架局部粘有燈罩玻璃碎屑,后輪扭曲變形,左支撐桿向右彎曲,見圖1。1.2計(jì)算機(jī)模擬方法1.2.1汽車重心位置設(shè)計(jì)根據(jù)事故現(xiàn)場情況,利用多剛體動力學(xué)方法,建立路面、轎車、自行車和騎車者的模型。地面建模:用位面表示地面,根據(jù)現(xiàn)場情況建立合適的平面大小。車輛建模:確定車本身的坐標(biāo)系,車前方為X軸正方向,車左側(cè)為Y軸正方向,上方為Z軸正方向,坐標(biāo)原點(diǎn)選在車的重心位置。車的表面選取橢球面來表示,根據(jù)車的具體外形參數(shù)確定橢球面的中心位置及半軸。把車的表面分為若干橢球面,而這些表面都是粘附在重心位置的一個剛體上,剛體用一個自由鉸鏈(humanjoint)與參考空間相連接,用來控制車的位置及旋轉(zhuǎn);同時輸入橢球面的材料剛度、重力加速度及輪胎等材料特性。騎車者建模:依據(jù)騎車者的身高、體重等信息建立人體假人模型,調(diào)節(jié)假人中各個鉸鏈的旋轉(zhuǎn)使其符合騎行狀態(tài)下的姿勢。調(diào)整假人位置及假人關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn),使假人模型能夠自然地坐在自行車模型之上,如圖2所示。1.2.2車與地面、自行車與地面、人與車、車之間的接觸設(shè)置所有可能接觸到的面與面之間的接觸,如車與地面、自行車與地面、人與車、車與自行車之間的接觸。接觸面類型有主面變形、從面變形以及兩種變形的“復(fù)合類型”。1.2.3碰撞前車載速度的計(jì)算運(yùn)用PC-Crash軟件,根據(jù)事故現(xiàn)場留下的痕跡、車輛停止位置以及人體拋距、落點(diǎn)等信息,并利用軌跡優(yōu)化方法使計(jì)算的碰撞后軌跡與實(shí)際的碰撞后軌跡在允許誤差范圍內(nèi)盡可能地相吻合,據(jù)此可推算出碰撞前轎車的速度在70km/h左右。自行車以15km/h正常速度行駛。1.2.4人體下頜損傷的評估利用多剛體動力學(xué)方法建立的假人模型得到人體各受傷部位的動力學(xué)響應(yīng)數(shù)值,如加速度、力和力矩等。根據(jù)美國聯(lián)邦機(jī)動車安全標(biāo)準(zhǔn)FMVSS208中所規(guī)定的乘員頭部傷害評價方法,人體頭部損傷采用下式計(jì)算:HIC即頭部傷害指數(shù)(headinjurycriterion),式中:t2,t1為碰撞過程中所選擇的兩個時刻,a為頭部重心加速度,用重力加速度g的倍數(shù)表示,2.5是由實(shí)驗(yàn)得到的頭部權(quán)重指標(biāo)。2結(jié)果2.1事故車輛運(yùn)動過程圖3分別反映了騎車者在T=0ms、20ms、50ms、100ms4個不同時刻,與保險杠、發(fā)動機(jī)罩、擋風(fēng)玻璃下沿等碰撞的運(yùn)動過程。根據(jù)計(jì)算仿真結(jié)果顯示,騎車者的左小腿和小轎車保險杠發(fā)生了碰撞,臀部、肩背部和頭部分別與發(fā)動機(jī)罩和前擋風(fēng)玻璃下沿相撞,與事故車輛的保險杠斷裂、發(fā)動機(jī)罩凹癟、前擋風(fēng)玻璃碎裂等信息相吻合。另外,由于在轎車與自行車事故中,自行車的拋出機(jī)理要比騎車者復(fù)雜得多,存在很多不確定因素,所以本文模擬過程中只關(guān)注騎車者的落點(diǎn)和拋距,如圖4所示,計(jì)算模擬所得人體的拋距與落點(diǎn)位置與事故現(xiàn)場基本吻合。2.2發(fā)動機(jī)差滑移試驗(yàn)過程中,騎車者的左小腿與小轎車發(fā)生直接碰撞后,人體向左側(cè)傾倒并在小轎車發(fā)動機(jī)罩上發(fā)生滑移,頭部與擋風(fēng)玻璃下沿發(fā)生二次碰撞,后摔落至地面。根據(jù)事故模擬結(jié)果,人體主要部位致傷方式如表1所示。2.3組患者治療前后動力學(xué)反應(yīng)結(jié)果應(yīng)用PC-Crash碰撞軟件,由多剛體動力學(xué)建立的假人模型可以得到騎車者頭部、胸部加速度及左小腿受力曲線,如圖5所示。由仿真結(jié)果得到,騎車者頭部、肩背部、臀部及左下腿在分別與小轎車前擋風(fēng)玻璃下沿、發(fā)動機(jī)罩、保險杠發(fā)生碰撞。此時仿真動力學(xué)響應(yīng)結(jié)果示頭部最大加速度為3400m/s2,HIC為5030,胸部持續(xù)3ms加速度為79g,左小腿最大剪切力為11.8kN,左小腿最大力矩為1064Nm。與法醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)結(jié)果相比較,發(fā)現(xiàn)死者口、鼻腔及兩側(cè)外耳道積血,頭面部多處皮膚擦挫傷、淺表挫裂創(chuàng);右側(cè)季肋部、右肩胛處、肩背部皮膚擦傷,左肋弓上緣皮膚擦挫傷;左大腿下段外側(cè)皮膚青紫伴擦傷,左脛骨中段骨折伴刺創(chuàng)形成,上述損傷與動力學(xué)響應(yīng)結(jié)果可以相互印證。尤其是頭部傷害指數(shù)HIC為5030,遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)中1000的界限,該次撞擊可造成頭部嚴(yán)重?fù)p傷致騎車者死亡,與法醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)結(jié)論相吻合。3自行車交通事故發(fā)生的原因由于自行車騎車者遵章守法觀念淡薄、行動隨意、成群結(jié)隊(duì)、打傘騎車、騎車帶人等,加之自行車本身輕便靈活、穩(wěn)定性差,尤其是遇到冰雪路面、刮風(fēng)下雨等更容易摔倒,是造成自行車交通事故發(fā)生的主要原因。作為交通事故中的弱勢群體,騎車者往往一碰就倒、一倒就傷,而且損傷嚴(yán)重,譚宗奎等報道376例自行車傷顯示此類事故損傷以頭部為主,其次是四肢,其中騎車者死亡的主要原因是顱腦損傷。目前,與汽車碰撞是自行車事故發(fā)生的主要形式,對于不同的車輛款型,由于車身撞擊平面、碰撞方式各有千秋,人體的致傷方式及特點(diǎn)也存在著諸多差異,本文僅以轎車與自行車事故為例進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究并探討此類事故中騎車者的致傷特點(diǎn)。3.1事故事實(shí)及分析自行車騎車者與汽車相撞的運(yùn)動過程一般可分為接觸、自由飛行和滑移三個階段。碰撞開始自行車與汽車接觸,吸收汽車的沖撞能量,騎車者身體上部迅速傾倒向或上翻摔落于汽車發(fā)動機(jī)罩,下肢及自行車向上拋起并先后被拋向汽車前方落地后,自行車和騎車者分別以滑動和/或滾動的形式向前運(yùn)動至最后終止位置,即事發(fā)后的第一現(xiàn)場。本文通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),基本再現(xiàn)了事故發(fā)生的過程,如圖4所示。法醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)見鎖具左側(cè)及后三角架局部粘有燈罩玻璃碎屑、鞍座向左偏轉(zhuǎn)約45°及左脛骨骨折,符合小轎車撞擊自行車(含騎車者),致使騎車者向左傾倒并在發(fā)動機(jī)罩上發(fā)生滑移的特點(diǎn)。另外,對于碰撞點(diǎn)高于自行車騎車者系統(tǒng)質(zhì)心的情形,接觸過程可以視為瞬間完成的,即整個運(yùn)動過程僅由自由飛行和滑移兩個運(yùn)動階段組成,不在本文討論的范疇內(nèi)。3.2腳外踝關(guān)節(jié)損傷騎自行車者坐在自行車鞍座上,會陰部及陰囊、大腿根部內(nèi)側(cè)與鞍座緊密接觸,事故發(fā)生時,由于鞍座硌墊和摩擦作用,往往形成以上部位的損傷,本文案例中,鞍座向左偏轉(zhuǎn)約45°,座套豁裂,與形成大腿內(nèi)側(cè)多處皮膚青紫相互印證。同時,雙下肢之間因自行車管梁(上管、立管和下管)的硌墊,容易形成大腿內(nèi)側(cè)、膝部內(nèi)側(cè)條、片狀皮膚擦傷或皮下出血;并隨腳蹬管上下運(yùn)動,腳蹬管、鏈輪和鏈條與足弓內(nèi)側(cè)、內(nèi)踝關(guān)節(jié)周圍接觸磕碰,可造成內(nèi)踝關(guān)節(jié)及周圍皮膚損傷,形態(tài)為孤立、不規(guī)則的皮下出血和皮膚擦傷;由于緊急制動緊握車把,造成雙手虎口或大、小魚際皮下出血、皮膚擦傷等。在本起事故中,除陰囊損傷未檢見外,上述損傷均有發(fā)現(xiàn),模擬結(jié)果也基本再現(xiàn)了上述部位損傷的成傷過程。同時,本試驗(yàn)中騎車者左脛骨中段骨折,為典型的保險杠骨折,由小轎車保險杠直接撞擊所致,該處損傷中心距足底約21cm,自行車腳蹬管運(yùn)動范圍在距地面13~42cm之間,桑塔納小轎車保險杠碰撞中心距地面高度約48cm,結(jié)合自行車鎖具左側(cè)及后三角架局部粘有燈罩玻璃碎屑、碰撞中心距地面高度約42cm,在計(jì)算仿真結(jié)果中,三者損傷高度可以相互印證。另外,任建安等報道22例“自行車把綜合征”,即自行車把手突然撞擊腹部(常為左季肋部)造成脾破裂伴腸穿孔和腹膜后血腫,在本起案例中未檢見,事故模擬過程亦未仿真得出。3.3連接物的危險極限騎車者的頭部、胸部加速度曲線及左小腿受力曲線如圖5所示,第一次加速度最大值出現(xiàn)在100ms左右,此時騎車者頭部與前擋風(fēng)玻璃下沿發(fā)生碰撞;另一次峰值出現(xiàn)在1300ms左右,此時人體已經(jīng)落地,為頭部與地面發(fā)生摔跌所致。由圖5可以看出,第一次撞擊時頭部最大加速度達(dá)到3400m/s2,計(jì)算得到HIC值為5030,遠(yuǎn)超過安全標(biāo)準(zhǔn)中1000的極限,足以造成頭部嚴(yán)重?fù)p傷,與法醫(yī)學(xué)尸體檢驗(yàn)的重型顱腦損傷結(jié)果吻合,同時可以認(rèn)定頭部與前擋風(fēng)玻璃撞擊是造成騎車者死亡的直接原因。胸部持續(xù)3ms最大加速度為79g,略超過60g的上限,法醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)見騎車者肩背部、左季肋部多處皮膚擦挫傷,參照計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果,理論上應(yīng)造成胸腔器官的損傷。圖5中騎車者左小腿碰撞過程的受力曲線,第一次峰值出現(xiàn)在20ms左右,模擬結(jié)果顯示騎車者小腿部與保險杠發(fā)生碰撞,此時左小腿受力最大值為11.8kN,參考標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的大