（光学工程专业论文）汽车与行人碰撞事故调查分析及仿真研究.pdf

晦 学位论文 摘要 汽车一行人碰撞事故中行人致伤原凶、损伤类型和分布的研究以及改进汽车 安全性、减少人员伤亡是汽车被动安全领域研究的热点和难点之一。涉及交通损伤 流行病学、事故分析、损伤生物力学、和车辆工程学理论和方法。针对我国道路 交通环境和交通模式丌展行人碰撞保护研究是目前我国道路车辆交通安全领域急 待解决的重要科技问题，也是推动社会进步的一项重要工作。 本文以交通损伤流行病学为理论基础，采用事故分析与计算机仿真相结合的 研究方法，通过对交通事故中行人损伤及原因的深入分析研究，确定致伤机理及 其与汽车安全相关的因素。在事故分析研究的基础上，采用计算机仿真模型计算 导致损伤的主要动力学参数。预测和评估行人各部位的损伤风险。针对影响行人 动力学响应的主要因素：碰撞速度、车辆f i 部结构、刚度特性进行参数研究，为 改善车辆与行人的碰撞安全性以及行人损伤防护提供依据。因此本研究不但具有 现实的经济和社会意义，同时其研究方法和研究结果对于指导行人损伤研究和车 辆安全性设计有重要意义。 本文主要研究内容包括： ( 1 ) 在医院交通伤数据采集、分析和交警事故调查的基础上，研究了长沙市 地区汽车一行人碰撞事故的发生规律以及交通事故中行入致伤原因与损伤机理， 调查了汽车一行人碰撞中行人最易受伤的部位和原因，并与国外的研究情况进行 了对比分析。在过录和分析医院详细医疗诊断记录的基础上，采用目前国际上公 认的交通伤评分方法即简明损伤定级法( a i s ) 积格拉斯哥昏迷评分法( g c s ) 对伤员的伤情严重程度进行评定，确定了交通事故中行人受伤部位和伤势的分布 特点。 ( 2 ) 建立了长沙市地区2 0 0 0 年至2 0 0 3 年车辆行人交通损伤数据库事故 数据包括伤员类型、年龄、性别、身体创伤部位、刨伤程度a 1 s 等级分类、受伤 时间、治疗结果、是否复合伤、肇事车型等。使用结构化查询语言( s q l ) 创建 了伤员类型查询、身体刨伤部位查询、肇事车型查询等数据库对象。以上事故数 据传统上由医院和交警部门分别收集和保存，该数据库的建立不但可供交通安全 管理部门参考应用，同时为交通损伤流行病学研究、汽车安全性设计研究提供了 重要基础。 ( 3 ) 研究了深入事故调查的理论和方法。结合起典型汽车一行人相撞事故 调查，阐述了行人事故调查方法，特别是事故调查过程中必需采集的事故再现基 础数据。对这些理论和方法的掌握，是进行典型事故调查的前提条件，为将来进 ：= ：= = ： ：一。：耋：呈三堑全竺些塑塞坌堡垒竺i ! ! 丝! ：一：= ： 一步开展深入事故调查提供了理论和方法依据。深入事故调查是事故重建的基础， 对于改进汽车安全性、证实安全设施的有效性和制订安全法规也有重要意义。 ( 4 ) 使用多刚体三维分析软件m a d y m o 建立汽车一行人相撞计算机仿真模型 对真实的汽车一行人相撞事故进行事故重建，再现了汽车与行人碰撞动力学响应 过程，特别是碰撞时行人的运动轨迹。通过分析与行人伤害部位相关的动力学响 应参数包括速度、加速度、碰撞力以及行人头部伤害指标h i c 值、胸部伤害指数 r r i 等，研究了动力学响应参数与行人损伤部位及其伤情严重程度之间的内在联 系，预测和评估了事故行人身体碰撞部位伤害风险。 ( 5 ) 研究了不同汽车一行人碰撞条件下行人头部的动力学响应特性。借助计 算午几仿真模型，对行人头部碰撞汽车前部的动力学响应进行参数研究，包括选取参 数分析变量、确定仿真运算真值表、计算不同碰撞条件下行人头部损伤动力学参数， 分析了发动机盖和前挡风玻璃窗结构参变量对行人头部动力学响应及头部损伤的 影响，为保护行人头部的汽车发动机盖和前挡风玻璃窗安全性设计提供了参考依 据。 关键字：汽车一行人碰撞事故；损伤流行病学；事故重建：参数研究：损伤防护 i i a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nt h ep e d e s t r i a ni n j u r yc a u s a t i o n ，i n j u r yp a t t e r na n dd i s t r i b u t i o n s i nv e h i c l et r a f f i ca c c i d e n t sa n di m p r o v e m e n to ft h ev e h i c l ed e s i g nt or e d u c e p e d e s t r i a ni n j u r i e sa n de c o n o m i c a ll o s si s ac h a l l e n g et ov e h i c l es a f e t yc o m m u n i t y t h ed e v e l o p m e n to fs a f e rv e h i c l ef o rp e d e s t r i a np r o t e c t i o nf r o mw h i c hi sr e l a t e dt o f o l l o w i n gs u b j e c t s ：t r a f f i ci n j u r ye p i d e m i o l o g y ，a c c i d e n ta n a l y s i s ，i m p a c t b i o m e c h a n i c s ，a n dv e h i c l es a f e t yt e c h n i q u e s i nc h i n at h ep e d e s t r i a ns a f e t yi ss t i l ln o t o n l yas e r i o u ss o c i a lp r o b l e m ，b u ta l s oa ni m p o r t a n tt e c h n i c a li s s u et ob eu r g e n t l y r e s o l v e d t h i ss t u d ya i m sa ti d e n t i f i c a t i o no fd o m e s t i cr o a de n v i r o n m e n t ，t r a f f i ci n j u r i e s a n dt r a f f i cm o d eb yu s i n gt h ei n t e g r a t e dm e t h o do fa c c i d e n ta n a l y s i sa n dc o m p u t e r s i m u l a t i o n a f t e re x t e n s i v ea c c i d e n ti n v e s t i g a t i o nw i t hc o l l e c t e dd a t a ，t h ei n j u r y c a u s a t i o n sa n df a c t o r sr e l a t i v et ov e h i c l ea r ed e t e r m i n e d b a s e do nt h er e s u l t so f a c c i d e n t a n a l y s i s ，ar e a lc a r - p e d e s t r i a na c c i d e n ti sr e c o n s t r u c t e db ym e a n so f c o m p u t e rs i m u l a t i o n t h em a i ni n j u r yr e l a t e dp a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e dt op r e d i c ta n d e v a l u a t et h er i s ko fp e d e s t r i a ni n j u r i e si nt h ec o l l i s i o n s t h ep a r a m e t e r si n f l u e n c i n g t h ep e d e s t r i a nd y n a m i cr e s p o n s ed u r i n gt h ec r a s ha r es t u d i e d t h em a i nt a s k sa r e p r e s e n t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h et r a f f i ca c c i d e n td a t aw e r ec o l l e c t e df r o mw u j i n gh o s p i t a li nc h a n g s h a a c c i d e n t i n v e s t i g a t i o n w a sc a r r i e do u ti nt e r m so ft h eo c c u r r e n c eo f v e h i c l e - p e d e s t r i a nc o l l i s i o n si nc h a n g s h ac i t ya r e aa n dt h ei n j u r yc a u s a t i o na n d m e c h a n i s mo ft h ep e d e s t r i a n s i ti sf o u n dt h a tt h em o s tf r e q u e n t l yi n j u r e db o d y s e g m e n t sa r eh e a da n dl o we x t r e m i t i e sa n di n j u r ym e c h a n i s m so fd i f f e r e n tb o d y s e g m e n t sw e r ea n a l y s e d t h ed i s t r i b u t i o no fi n j u r e db o d yr e g i o n si nt h ea c c i d e n t sw a s a l s oc o m p a r e dw i t hi n j u r yd i s t r i b u t i o n sf o u n df r o mo t h e rc o u n t r i e s f u r t h e r m o r et h e i n j u r ys e v e r i t yi sc o d e du s i n ga i sa n dg c so nt h eb a s i so ft h ed e t a i l e dc l i n i c a l d o c u m e n t sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n j u r ys e v e r i t yi sd e t e r m i n e d ( 2 ) ad a t a b a s eo fp e d e s t r i a na c c i d e n th a sb e e ns e tu pb a s e do nc o l l e c t e dc a s e si n c h a n g s h aa r e af r o m2 0 0 0t o2 0 0 3 t h ei n f o r m a t i o no fp e d e s t r i a ni n j u r e r sa n da c c i d e n t v e h i c l e sa r ed e s c r i b e di nt e r m so fp e d e s t r i a na g eg r o u p ，g e n d e r ，i n j u r yl o c a t i o na n d s e v e r i t ya sw e l la st h et y p eo ft h ev e h i c l e si nt h ed a t a b a s e ，w h i c ht r a d i t i o n a l l yi s c o l l e c t e da n dd o c u m e n t e ds e p a r a t e l yb yt r a f f i ca u t h o r i t i e sa n dh o s p i t a l t h ed a t a b a s e l i l 汽车一行人事故渊直分析及仿真研究 o b je c ti sb u i l tb ys q la c c o r d i n gt ot h eq u e r yo fr o a du s e r ，v e h i c l ea n di n j u r e db o d y p o s i t i o n t h ed a t a b a s ec a np r o v i d er e f e r e n c et ot h es t u d yo fi n j u r ye p i d e m i o l o g ya n d v e h i c l es a f e t yd e s i g n ( 3 ) t h et h e o r i e sa n da p p r o a c h e so fe x t e n s i v ea c c i d e n ts u r v e ya r ea p p l i e dt o a n a l y s i so fat y p i c a lv e h i c l e p e d e s t r i a nc o l l i s i o n t h es u r v e ya n da n a l y s i so ft h e t y p i c a la c c i d e n tn o to n l yp r o v i d ep r i m a lm a t e r i a lf o ra c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o n ，b u ta l s o o f f e ri m p o r t a n ti n f o r m a t i o nt oi m p r o v ev e h i c l es a f e t y ( 4 ) ar e a lc a r p e d e s t r i a na c c i d e n tw a sr e c o n s t r u c t e db yu s i n gm a d y m o m u l t i b o d ys o f t w a r e i nt h er e c o n s t r u c t i o n ，t h ek i n e t i ct r a c ko fv e h i c l ea n dp e d e s t r i a n a r ep r e s e n t e d t h em a i n d y n a m i cp a r a m e t e r sr e l a t e d t o p e d e s t r i a ni n j u r y a r e c a l c u l a t e d ，i n c l u d i n gt h ea c c e l e r a t i o n ，i m p a c tf o r c e ，h i cv a l u ea n ds o o n t h e i n h e r e n tr e l a t i o nb e t w e e nt h ep e d e s t r i a ni n j u r ya n dd y n a m i cp a r a m e t e r si sa n a l y z e d a n dd i s c u s s e d t h er i s ko fp e d e s t r i a ni n j u r i e sc a nb ep r e d i c t e da n de v a l u a t e dw i t h r e s u l t sf r o mt h er e c o n s t r u c t i o n ( 5 ) ap a r a m e t r i cs t u d yo nd y n a m i cr e s p o n s e so fp e d e s t r i a nh e a di nd i f f e r e n t i m p a c tc o n d i t i o ni sc a r r i e do u tb yu s i n gs i m u l a t i o nm o d e l t h ec a rv a r i a b l e sa n d l e v e l su s e di nt h ep a r a m e t r i cs t u d ya r es e l e c t e d t h ed y n a m i cp a r a m e t e r sr e l a t e dt o h e a di n j u r i e sa r ec a l c u l a t e d t h ee f f e c t so fv a r i o u sc a rv a r i a b l e so nt h ei n j u r i e so f p e d e s t r i a nh e a da r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d a ne f f e c t i v ea n de c o n o m i c a la p p r o a c hi s p r o v i d e df o rt h er e s e a r c ho ni n f l u e n c e so fc a rf r o n tp a r a m e t e rt op e d e s t r i a nh e a d i n j u r i e s k e y w o r d s ：v e h i c l e p e d e s t r i a n c r a s h ； i n j u r ye p i d e m i o l o g y ； a c c i d e n t r e c o n s t r u c t i o n ：p a r a m e t e rs t u d y ；i n j u r yp r o t e c t i o n 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 名：力气 目期：如3 年j 月，乎目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：争确日期：一年r 月，p 日 剥币签名彳另亭豸趸日期州年f 月谚日 博士学位论文 第1 章绪论 1 1 道路交通事故现状和存在的问题 2 0 0 4 年世界卫生组织发布的世界预防道路交通伤害报告称，全世界每年 约有1 2 0 万人死于交通事故，每天有3 2 4 2 人死亡，而受到交通事故伤害的人数高 达5 0 0 0 万，相当于全球5 个最大城市人口的总和。尽管各国道路交通伤害的情况 很不相同，但从2 0 世纪六七十年代开始，道路交通事故死亡率在高收入国家已经 开始下降，而在中等收入和低收入国家则大幅度升高。从2 0 0 0 年至2 0 2 0 年，全 球道路交通伤亡的总数将上舟6 5 左右，而中低收入国家道路交通死亡人数将增 加8 0 。到2 0 2 0 年，全球每年死于交通事故的人数将达到2 3 4 万人，占全球每 年死亡人数的3 4 【l 】。行人、骑自行车人和驾驶摩托车手不但是道路交通安全中 的弱势群体，而且还是交通事故死亡的主体。高收入国家和低收入国家在事故中 死亡者的最大区别在于，前者的死亡者多在车内，而后者多在车外。欧美发达国 家，小汽车占全部机动车的7 0 以上，道路设施比较好，人、车混杂的路面较少， 车速较快，在交通事故中驾驶员和乘员受到伤害的比例较高，死亡人数占全部道 路交通死亡人数的7 0 以上【2 1 。 我国2 0 0 4 年共发生道路交通事故5 1 8 万起，直接经济损失2 3 9 亿元，死亡 人数1 0 7 万人，受伤4 8 万人【3 】。考虑到我国的实际情况，我国与高度机动化的 欧洲、美国的交通情况差异很大。我国许多城市道路交通、普通公路上都是机动 车、非机动车及行人混合通行的交通模式，只有少数高等级公路( 高速公路) 才 是封闭的机动车道路，并且这种混合交通模式作为我国遂路交通的一大特色，在 今后相当长的时间内难以有大的改变。因此行人交通安全是我国道路交通安全现 在和将来都要面临的一个严竣和突出的问题。 行人交通事故发生及其原因是非常复杂的，受道路交通环境、交通安全法规 的制订与实施、公民交通安全意识、汽车安全性等诸多因素影响。随着我国国民 经济的快速增长，人民生活水平不断提高和安全意识的增强，汽车工业和交通运 输事业将不断向高层次发展，必然对汽车安全性提出新的要求。因此研究车辆行 人相撞事故中人员损伤的防护，改进汽车的安全性设计，减少行人损伤的风险， 在我国具有重要的经济及社会意义。 1 2 汽车一行人碰撞事故研究的历史和现状 欧美汽车工业发达国家对汽车交通事故中人体损伤生物力学和汽车被动安全 汽车一行人事故调查分析及仿真研究 技术的研究已有四十多年的历史。澳大利亚的r o b e r t s o n 等人于6 0 年代中期即开 始从事交通事故中行人的安全问题研究i 引。美国和欧盟于7 0 年代中期开始注意到 行人的安全问题。从7 0 年代以来，人们使用生物样本、机械假人、以及数学模型 开展了多种研究，包括人体的损伤机理、耐受限度、汽车前部结构设计对行人损 伤严重程度的影响、损伤防护技术以及安全对策等( 5 - 15 l 。八十年代美国行人研究 主要侧重于对行人交通事故的原因进行分析( p i c s ，p e d e s t r i a ni n j u r yc a u s a t i o n s t u d y ) ，1 9 9 4 年美国国家公路交通安全管理局( n h t s a ，n a t i o n a lh i g h w a yt r a f f i c s a f e t ya d m i n i s t r a t i o n ) 发起了一项历时四年的行人碰撞事故数据研究( p c d s ) ，目 的是检验近年来车辆采取安全措施的有效性，同时将典型事故调查样本作为行人 交通伤事故重建试验和仿真研究的原始数据，作为制定行人碰撞试验法规的重要 依据。欧洲交通安全委员会( e t s c ) 1 9 9 7 年提出，有利于行人安全的汽车设计 可以使交通事故中行人的死亡率下降约7 【l “。8 0 年代以来，欧洲机动车辆试验 委员会( e e v c ) 通过总结欧洲各国的研究成果，讨论了改进汽车前部结构设计 达到保护行人的目的【1 7 】。 当前汽车与行人相攮事故研究的热点集中在行人损伤机理的研究、损伤评估准 则的确定、机械和数学模型的建立、汽车碰撞行人事故调查分析、事故重建以及行 人防护措施开发等方面。由于影响安全防护效果的因素很多，尤其是涉及到事故 现场情况和人体损伤，是多学科综合问题，必须着眼于包括交通事故流行病学和 生物力学、事故分析理论和车辆工程学理论和方法的综合研究。 1 2 1 汽车一行人碰撞交通事故统计分析 1 2 1 1 国外汽车行人碰撞交通事故统计分析 据统计，欧盟每年约有7 ，0 0 0 行人死于车祸，伤9 0 ，0 0 0 多人，导致了严重的 人员伤亡和巨大的经济损失。因此，行人安全问题已经成为欧盟汽车交通安全中 优先考虑的问题。美国每年约有5 ，0 0 0 行人死于车祸，印度则高达2 4 ，0 0 0 人，见 表1 1 。世界各国因本国国情不同，行人在道路交通事故中死亡的比率也有所不 同，高度机动车化的国家和非机动车化的国家交通事故中行人的死亡率( 行人在 交通事故中的死亡人数占交通事故死亡总数的百分比) 有很大区别。总的来说， 非机动车化国家行人的死亡率远高于机动车化匿家，其中德国为1 3 5 ，美国为 1 2 ，日本为2 7 ，英国为3 0 ，印度则高达4 2 1 8 - 2 q 。 2 博士学位论文 表1 1 世界各国道路交通事故中的行人死亡率 欧盟 行人美国日本印度 德国 法国 瑞典其他 死亡人数 1 1 7 89 8 77 44 5 5 74 9 0 62 6 4 32 4 0 0 0 死亡率1 3 5 1 2 21 3 81 8 61 22 74 2 过去二十年，美国、欧盟、日本的行人死亡人数已经处于持续下降趋势。从 图1 1 中可以看出自1 9 8 8 至1 9 9 8 年十年间，美国的行人死亡人数已经从每年近 7 0 0 0 人下降至不到5 5 0 0 人，从占交通事故死亡人数的2 8 下降至1 2 。受伤人 数从6 5 0 0 人下降到不到5 0 0 0 人，1 9 9 9 年出现回弹，受伤人数又上升了2 3 2 。 行人伤亡人数的下降主要归功于城区道路交通环境的改进，以及采取了有利于行 人保护的机动车安全性设计措施可能也是原因之一，欧盟车辆试验委员会 ( e e v c ) 通过试验研究发现，轿车前端发动机盖外端采用光滑圆角设计以及采 取降低保险杠高度等措施可以减少行人损伤的严重程度【2 2 1 。虽然发达国家的行人 死亡总数已经有了很大下降，行人交通安全问题仍然是道路交通安全中一个非常 严重和尚未彻底解决的社会问题。 7 0 6 5 鉴6 0 u 蔓5 5 妞 5 0 4 5 l o s 1 0 4 1 2 1 0 糕 - $ 削 8 妊 6 1 9 8 8 1 9 9 01 9 9 21 9 9 41 9 9 61 9 9 8 图1 1 美国历年行人伤亡曲线圉 1 2 1 2 国内汽车行人碰撞交通事故统计分析 据公安部交通管理局发布的统计资料表明，2 0 0 3 年中国因道路交通事故导致 死亡的行人2 5 6 7 3 人，摩托车驾驶员2 1 1 5 6 人，骑自行车者1 4 6 6 4 人，分别占道 路交通事故死亡人数的2 4 6 、2 0 2 7 、1 4 0 5 蜊2 引。从表1 2 可以看出，2 0 0 0 2 0 0 3 年，摩托车手、骑自行车人和行人伤亡约占因道路交通事故死亡总人数的6 0 ，死亡人员中尤以为行人最多，约占2 5 ，历年统计数差别不大。 汽车一行人事故调查分析及仿真研究 表1 2 易受伤害道路使用者死亡人员统计 摩托车手骑自行车人行人总计 年度 死亡人数死亡率死亡人数死亡率死亡人数死亡率死亡人数死亡率 2 0 0 01 7 1 9 41 8 3 21 4 9 7 91 5 9 62 4 5 8 02 6 1 95 6 7 5 36 0 4 7 2 0 0 12 0 2 4 41 9 1 11 6 9 1 01 5 2 82 8 2 7 42 6 6 96 4 7 0 86 1 0 8 2 0 0 22 1 9 0 92 0 0 31 6 4 0 71 5 0 02 7 5 7 52 5 2 16 5 8 9 16 0 2 4 2 0 0 3 2 1 1 5 62 0 2 71 4 6 6 41 4 0 52 5 6 7 32 4 6 06 1 4 9 35 8 9 2 我国各省市对普通公路行人事故的调查表明，行人死亡率高达2 5 4 0 ， 高速公路中行人事故的死亡率则更高【2 4 也7 1 ，见表1 3 。由此可见，行人是我国道 路交通事故中的高危人群，是仅次于机动车驾驶员处于第二位需要优先保护的对 象。 表1 3 各省市行人交通事故死亡率 普通公路 行人百分比( o a )高速公路行人百分比( ) 成都普通公路 3 0 1 重庆高速 7 6 6 北京普通公路 3 9 9 沈阳一大连高速 6 0 3 上海普通公路 2 4 7 1 2 2 汽车一行人碰撞事故典型案例分析 典型汽车行人相撞事故样本一方面可以为行人交通伤事故重建试验和仿真研 究提供原始数据，另一方面也是制定行人碰撞试验法规的重要依据。虽然许多发 达国家都建有自己的深入事故调查机构以及相应的典型事故数据库，有价值的车 辆一行人相撞事故样本还是非常难得。以下这起典型的车辆一行人相撞事故来自 于美国行人碰撞事故数据研究系统( p c d s ) ，事故发生在某小区内的一条街道， 事发时天气状况良好，街道路面干燥，事故车辆为一辆小型家用轿车，受伤行人 为一成年男性行人，年龄为3 5 岁，身高1 7 5 m ，体重7 9 k g 。事故发生时行人正 快步行走，手里拎着午餐盒和热水瓶，发生碰撞时车辆前部碰撞在行人右侧，车 辆先撞击行人右腿，碰撞位置接近车身中部。为了说明碰撞时行人与车身的接触 位置，在车身前部碰撞处采用了白色三角形标志来表示，见图1 2 ( a ) ，行人头部 撞在挡风玻璃左侧，骨盆则撞在了发动机盖靠近左侧梁处，分别见图1 2 ( b ) ，( c ) 。 医院的伤情诊断为行人左眼眶处骨折，左侧锁骨骨折，右腿膝关节韧带撕裂，左 腿膝关节脱臼，以上各部位伤情评分均为a i s 2 ，另外行人右小腿胫、腓骨粉碎性 骨折，伤情评分为a i s 3 。通过测量车辆制动印迹的距离，推算得出轿车碰撞行人 时的速度为6 9 k m h 。基于以上事故调查数据，该起轿车一行人相撞事故重建见图 1 3 1 9 3 。 4 博士学位论文 ( b )( c ) 图1 2 事故车辆的碰撞位置 9 3 1 圈1 3 轿车一行人相擅事故重建” 1 2 _ 3 汽车一行人碰撞事故的研究方法 目前广泛应用实验和仿真手段来研究汽车一行人碰撞事故，包括尸体实验、 机械假人试验和数学模型仿真等。在过去的三十年，这些研究方法在车辆行人碰 撞事故研究领域的使用，为行人损伤机理的探讨、评估车辆前部车体安全性以及 损伤防护方面的设计应用做出了巨大贡献。 1 2 3 1 试验研究 ( 1 ) 假人试验 拟人机械装置试验即假人试验主要用于研究碰撞事故过程中车辆与人体的相 互作用，测试与人体损伤相关的动力学响应参数，评估车辆对行人韵保护能力以 及相关安全设施的性能。 早期的拟行人试验装置( a t d ) 是从p a r t 5 7 2 ( h y b r j d i i ) 和6 岁儿童假 人发展而来的，例如a p r o d 和m i r a a t d 假人【2 8 2 钔。n i e d e r e r 等人于1 9 8 3 年 对传统行人假人的可靠性进行分析后，指出其缺陷主要是在髋关节和膝关节部位， 表现为假人的膝关节部位在侧碰撞时缺乏灵活性，髋关节的内收角度也只有5 0 1 0 。，而实际人体髋关节的内收角度通常为4 0 。 3 0 1 。a l d m a n 等人于1 9 8 6 年开发了 一个旋转对称行人假人( r s p d ) ，该假人在设计时考虑了人体测量数据和生物力 学数据，更符合行人下肢损伤机理的要求，改进了传统假人下肢的生物逼真性。 改进后的r s p d 能够测量行人下肢的损伤生物力学参数，已经用于评估下肢损伤 风险和保险杠的安全性【3 1 1 。i s h i k a w a 等人于1 9 9 4 年开发了r s p d h y b 行人假人， 该假人是在r s p d 和h y b r i d i i 的基础上研制完成，可用于对汽车前部车体的参 数研究【3 2 1 。 汽车一行人事故调查分析及仿真研究 总的来说，传统试验假人的缺点是缺乏好的生物逼真性和可重复性，主要表 现在假人在模拟汽车一行人碰撞试验运动学响应时肢体过于僵硬。因此，目前日 本正在开发生物拟合性能较好的行人假人，如本田公司开发的p o l a ri i d u m m y 等。 ( 2 ) 尸体试验 尸体试验真实地反映了人体的运动学响应以及碰撞生物力学响应，对研究施 加到人体的载荷以及由此导致的损伤机理等方面起了非常重要的作用。某些情况 下也被用于假人实验和数学模型的对比研究。由于尸体试验受到道德、宗教、数 量限制以及高昂的使用费用等各方面条件的限制，不可能被广泛采用。 f b r u n - c a s s a n 等人于1 9 8 3 年使用不同类型假人和尸体进行了汽车行人侧碰 撞试验，试验目的是比较事故重建中假人试验与尸体试验结果的不同，特别是在 行人运动学响应以及碰撞生物力学响应方面，这些不同主要是由于假人和尸体的 生物逼真度不同造成。试验结果表明：h y b r i d i i 和a p r o d 假人的头部碰撞位 置比较一致，o n s e r 假人试验和尸体试验的头部碰撞位置比较相同；假人和 尸体试验在头部运动轨迹以及与头部与挡风玻璃的碰撞速度方面有所不同，尸体 试验的头部运动轨迹较平坦，h y b r i d l i 和a p r o d 假人的头部运动轨迹较长且较 弯曲，并且头部碰撞速度比尸体试验低；不同类型假人和尸体试验测量得到的 人体各部位加速度值在同一个数量级。o n s e r 假人下肢的加速度值与尸体试验结 果最接近，h y b r i d i i 和a p r o d 假人的膝关节加速度值都比尸体试验结果低，但 是踝关节加速度值比尸体试验结果高，因此得出o n s e r 假人更适合用在事故重 建中行人下肢损伤的研究f 3 3 】。 d i m i t r i o s k a l l i e r i s 和g e o r gs c h m i d t 等人于1 9 8 8 年采用假人和尸体进行了汽 车前部车体碰撞试验，用以研究施加到人体的载荷及导致损伤的机理。试验使用 的尸体没有经过防腐处理，年龄在1 9 7 8 岁，试验使用的假人为h y b r i d 假人，汽 车在轨道上的行驶速度分别从2 3 k m h 至4 1 k m h ，试验测得了头、胸、腹、膝关 节、踩关节等部位的加速度。尸体试验结果表明：有8 例胫骨和腓骨开放性骨 折，损伤原因与试验对象的年龄和碰撞速度有关。当碰撞速度为4 1 k m h 时，有1 例肩部骨折；在6 例脊椎损伤中，1 例伤情评分为a i s i ，2 例为a i s 2 ，1 例为a i s 3 ； 没有出现1 例骨盆、胸部、头骨骨折；h y b r i d l i 假人和尸体试验的运动轨迹在 碰撞速度为2 3 k m h 时非常相似，当碰撞速度提高时，二者的运动轨迹存在较大 不同：尸体试验后观察没有出现1 例头骨骨折；出现3 例头皮伤，伤情为a i s l ； 经目测后没有发现1 例脑损伤，但是不排除脑挫伤等无法用肉眼观察到的伤情， 因此有伤情为a i s 2 或a i s 3 的可能：观察到的下肢伤有胫骨和腓骨的开放性 骨折和粉碎性骨折；当碰撞速度降为3 0 k m h 时，仍会出现上述情况；试验中 没有出现大腿骨、骨盆和腹部伤，出现3 例胸部皮肤伤。由于试验样本数量有限， 6 博士学位论文 试验结果是否具有普遍意义还有待进一步研究。针对汽车前部车体结构，作者提 出向后倾斜的汽车发动机盖可以减小大腿骨和骨盆的损伤严重程度；可变形的发 动机盖后端、减少尖锐棱边的发动机盖等结构可以减轻行人损伤；采用吸能材料 的保险杠在碰撞速度为3 0 k m h 时，仍会造成行人下肢开放性骨折和粉碎性骨折， 即使年轻人也不例外h 】。 i s h i k a w a 等人于1 9 9 3 年使用了5 例没有经过防腐处理的尸体样本研究碰撞速 度及保险杠中心高度、保险杠伸出长度、发动机盖缘高度等车辆前部参数对人体 损伤的影响。试验样本为不同身高、体重的成年男性，年龄从4 8 岁至6 8 岁，车 辆的行驶速度分别从2 5 k m h 至3 9 k m h 。试验时每个尸体样本都使用悬吊装置以 保证人体处于自然的直立步行姿势，在人体的头部质心、第六节胸椎处、第五节 腰椎处分别放置了一个3 轴加速度计用来测量不同碰撞速度条件下行人头部、胸 部、骨盆的动力学响应，在人体的胫骨1 5 2 0 e m 处放置了一个单轴加速度计用 来测量人体下肢的加速度。试验过程使用了高速摄像机记录人体的运动轨迹，并 对每次碰撞试验后的尸体样本进行解剖研究以确定试验对象的损伤部位和伤情严 重程度。尸体试验结果表明：当碰撞速度为2 5 k m h 时，人体试验的结果为目 测后无伤；碰撞速度为3 2 k m h 时，有2 例人体的下肢出现了股骨和胫骨骨折， 伤情评分为a i s 3 ，有1 例颈部出现了第7 节颈椎骨折，1 例为头面部皮肤擦伤， 伤情评分分别为a i s 3 和a i s 2 ；碰撞速度为3 9 k m h 时，头部出现颅骨右侧骨 折，伤情评分为a i s 5 ， 并且左下肢出现胫骨侧向骨节、腓骨头骨折以及韧带撕 裂，右下肢出现胫骨中间骨节骨折，伤情评分均为a i s 3 。该试验数据对于研究轿 车碰撞行人的损伤研究有重要参考价值，已经广泛应用于人体数学模型的研制和 开发3 ”。 1 2 3 2 仿真研究 随着计算机硬件与软件的快速发展，数学模型逐渐成为试验方法的补充，并 且在损伤生物力学和汽车安全研究领域发挥越来越大的作用。计算机仿真开发的 大量数学模型可以应用于人体碰撞响应研究、碰撞事故分析、安全装置设计、汽 车防撞性研究以及各种类型汽车碰撞事故的损伤风险评估。数学模型的计算机仿 真优点在于仿真过程的可重复性以及以快速和经济的方式进行参数研究的可行 性。经过实验验证的数学模型仿真后的结果可以补充实验中获得的数据，因此利 用数学模型可以大量减少实验要求需要的人体生物样本实验的次数。数学模型还 可以用来计算生物组织的某些物理量，比如应力、应变分布等，通常采用的试验 方法获得这些数据不但非常困难，而且不太可能。因此，经过试验验证的数学模 型，其仿真结果可以补充试验中获得的数据，从而大量减少试验要求所需要的人 体生物样本的数量。现阶段可以用于损伤生物力学研究的主要数学仿真模型有两 汽车一行人事故调查分析及仿真研究 种，多刚体模型和有限元模型。 目前在汽车被动安全性研究方面，具有代表性的几个商业化软件有美国 c a l s p a nc o r p o r a t i o n 开发的c a l 3 d 软件，荷兰t n o 开发的m a d y m o 软件，美 国l i v e r m o r e 软件技术公司l s t c 开发的l s d y n a 3 d 软件，以及法国e s i 公司 的p a m c r a s h 软件。根据建模方法和功能的不同，可以将这些软件分为两类： 一类是基于多刚体系统动力学理论建模，m a d y m o 和c a l 3 d 就属于这一类；另 一类是基于显式有限元理论建模，以l s d y n a 3 d 和p a m c a r s h 为代表。 ( 1 ) 多刚体软件m a d y m o m a d y m o ( m a t h e m a t i cd y n a m i cm o d e l ) 是由荷兰t n o 汽车安全研究中心 与荷兰d e l f t 技术大学合作开发的大型动力学分析软件，已有2 0 多年的开发和应 用历史，是成熟的动力学分析软件。其最新版本为m a d y m o3 d6 1 。m a d y m o 是在碰撞生物力学领域和碰撞事故分析中应用最广泛的软件，广泛应用于世界各 国研究院所、汽车工业界和汽车安全研究领域。 t n o 公司于2 0 0 1 年推出的m a d y m 0 6 0 提供了5 个行人数学模型【9 4 】，分别 是3 岁儿童、6 岁儿童、5 百分位成年女性行人模型、5 0 百分位成年男性行人模 型、9 5 百分位成年男性行人模型，如图1 4 所示。儿童模型的人体测量数据来源 于儿童假人，成人数据则是基于欧洲的人口统计数据。在m a d y m 0 6 0 中，可以 使用比例方法定义人体各部位的几何形状、质量分布、惯性矩、重心位置、关节 位置等，因此根据g e b o d 提供的人体数据可以创建任意身高、体重、年龄、性 别的行人模型。 图1 4m a d y m o 行人多刚体模型【9 4 】 ( 2 ) 汽车一行人碰撞仿真研究发展状况 从7 0 年代以来，国外许多学者开始用数学模型进行汽车一行人碰撞的仿真研 究。一方面经过试验验证的数学模型对于深入分析事故中人体的伤害部位和程度、 改进汽车的安全性设计起着非常重要的作用；另一方面利用数学模型可以大量减 博士学位论文 少试验要求需要的人体生物样本的数量，也是填补尸体试验不足的重要方法。 p a d g a o n k a r 等人于1 9 7 7 年使用c a l s p a ng r o s sm o t i o ns i m u l a t i o r 软件模拟了 一个三维汽车一行人碰撞【3 6 】。w o k 和j a n s s e n 等人于8 0 年代开发了一个行人 m a d y m o 模型，行人的身高、体重、惯性距和关节定义都来源于h y b r i d i i 假人， 通过对行人模型的运动过程分析，更好地理解了行人的碰撞响应机理。w i s m a n s 和w i j k 于1 9 8 2 年指出，假人数学模型的动力学响应看上去非常僵硬，因此模拟