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行人汽车事故仿真重建及行人头部损伤防护措施研究 摘要 在人车碰撞事故中，行人作为道路交通使用者中的弱势群体，事故发生率极 高，其中行人头部损伤占到身体其他部位损伤总数的百分之三十以上，是造成死 亡的主要原因。行人安全已经成为了一个世界各国高度重视的公共安全和社会问 题。因此，国内外专家对行人安全防护展开了大量的研究。 本文旨在通过研究真实的行人一汽车事故，运用数学模型通过计算机仿真对 行人事故进行重建，通过计算机仿真结果与损伤记录比较讨论相关参数的关系。 并研究汽车前部结构参数对行人头部损伤的影响，在事故重建及汽车前部结构参 数研究的基础上提出相应的改进措施。 通过开展深入的行人交通事故调查及数据采集，得到了大量的汽车和行人的 交通事故的详细信息。包括在事故现场采集行人一汽车交通事故的现场环境信息 以及交警与医院方面的车辆信息和损伤数据，并在这些行人一汽车交通事故中选 取了6 起各方面数据都比较齐全的事故案例。通过m a d y m o 软件建立了汽车- 行人碰撞模型，采用了瑞典查尔摩斯大学的行人多体动力学数学模型模拟行人， 对这6 起行人事故进行事故重建，了解了行人在事故碰撞过程中的头部动力学响 应，分析了个事故中行人头部线性加速度、h i c 值、头部角速度、头部角加速度 及头部相对车体的碰撞速度和角度等与行人头部损伤密切相关的参数。 通过采用正交试验设计方法，选择试验点，研究了汽车前部结构参数对头部 损伤参数的影响规律以及影响程度。讨论了行人头部防护措施，并提出了相应的 改进措施。在事故重建的基础上用改进后的车型与未改进之前的头部损伤参数进 行对比。 研究结果表明：h i c 值、头部角速度变化值和角加速度峰值可以用来预测颅 脑损伤；刹车距离和行人抛出距离可以用来估算碰撞速度。通过改进汽车前部结 构参数可以很好的降低行人头部损伤风险。 本文为研究行人与汽车碰撞生物力学问题和开发行人头部损伤的防护技术， 提供了一套有效的工具和仿真分析方法。模拟计算结果可作为车辆安全设计的依 据。 关键字：行人；头部损伤；事故调查；事故重建：实验设计 i i 硕十学位论文 a b s t r a c t p e d e s t r i a n sa r et h em o s tv u l n e r a b l er o a du s e r si nr o a dv e h i c l et r a f f i ca c c i d e n t ， w h i c hf o r m sm a i np a r to ft r a f f i ca c c i d e n ti nc h i n a t h eh e a d b r a i ni n j u r i e si n 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 sa c c o u n tf o r3 0 o fa l lr e p o r t e di n j u r i e so n d i f f e r e n t b o d yr e g i o n s ，w h i c ho f t e nr e s u l t e di naf a t a l c o n s e q u e n c e t h ep e d e s t r i a n ss a f e t yh a s b e c o m eas i g n i f i c a n ts o c i a lp r o b le ma n dc o m m o n a l i t ys a f e t yi s s u ew i t hw o r l d w i d e c o n c e r n s oe x t e n s i v er e s e a r c h e so np e d e s t r i a np r o t e c t i o nh a sb e e nc a r r i e do u tb y v e h i c l es a f e t ye x p e r t sa n dr e s e a r c h e r sb o t hh o m el a n da n da b r o a d t h eo b je c t i v eo ft h ep r e s e n tw o r kw a st os t u d yt h er e a lw o r l dc a rt op e d e s t r i a n a c c i d e n t s t h ea c c i d e n t sw e r er e c o n s t r u c t e d b yu s i n g m a t h e m a t i c a lm o d e l s s i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ho b s e r v e di n j u r ys e v e r i t yf r o mh o s p i t a lf o r r e a l i z i n gt h ec o r r e l a t i o no ft h e s ep a r a m e t e r s a n a l y s i so ft h ei n f l u e n c ea n di m p o r t a n c e o ff r o n ts t r u c t u r e so fp a s s e n g e rc a ro np e d e s t r i a nh e a di n j u r yw a sc a r r i e do u tt of i n d c o u n t e r m e a s u r e sf o rp e d e s t r i a np r o t e c t i o n t h r o u g ht h ei n - d e p t ha c c i d e n to ns p o ta n dr e t r o s p e c t i v ei n v e s t i g a t i o n s ，w eg o ta m a s so fa c c i d e n tc a s e sw i t hd e t a i l e di n f o r m a t i o n ，i n c l u d i n gd a t ao fp e d e s t r i a ni n j u r i e s ， a c c i d e n tv e h i c l e s ，a sw e l li n f o r m a t i o na b o u tr o a dc o n d i t i o n sa n de n v i r o n m e n t s i x p e d e s t r i a nc a s e sw e r es e l e c t e df o rr e c o n s t r u c t i o nu s i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l si nt h i s s t u d y t h em a t h e m a t i cp e d e s t r i a nm o d e lw a sd e v e l o p e db yc h a r m e l su n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yu s i n gm u l t i - b o d yc o d em a d y m o t r o u g ht h ea c c i d e n tr e c o n s t r u c t o nw e c o u l du n d e r s t a n dt h ep e d e s t r i a nh e a dk i n i m a t i c sr e s p o n s e ，a n dp h y s i c a lp a r a m e t e r s r e l a t e dt op e d e s t r i a nh e a di n j u r i e ss u c ha sh i cv a l u e ，h e a da n g u l a rv e l o c i t ya n d a c c e l e r a t i o na n dr e l a t i v ei m p a c tv e l o c i t ya n ds oo n b ya d o p t i n g t h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n td e s i g nm e t h o d ，t h e i n f l u e n c ea n d i m p o r t a n c eo ff r o n ts t r u c t u r e so fp a s s e n g e rc a ro np e d e s t r i a nh e a di n j u r yw a sa n a l y s e d t oi m p r o v es a f e t yp e r f o r m a n c eo ft h ec a rf r o n t i th a sb e e nf u r t h e rd i s c u s s e df o rt h e p r o t e c t i o nm e a s u r e so fp e d e s t r i a nh e a d r e s u l t sf r o mt h i ss t u d yi n d i c a t et h a th i cv a l u e ，m a x i m a lh e a da n g u l a rv e l o c i t y a n da c c e l e r a t i o nc o u l db eu s e dt op r e d i c th e a d - b r a i ni n j u r i e s s k i dm a r k sa n dt h r o w d i s t a n c eo fp e d e s t r i a nc o u l db eu s e dt oe s t i m a t ei m p a c ts p e e d t h er i s ko fh e a di n j u r y c o u l db er e d u c e dt h r o u g hi m p r o v e m e n to ft h ef r o n ts t r u c t u r eo fa p a s s e n g e rc a r t h i ss t u d yp r o v i d e sa ne f f e c t i v ea p p r o a c ha n ds i m u l a t i o nm e t h o df o rr e s e a r c h i i i 行人汽车事故仿真蕈建及行人头部损伤防护措施研究 0 1 1i n j u r yb i o m e c h a n i c sa n dd e v e l o p m e n to fp r o t e c t i o nm e a s u r e sf o rp e d e s t r i a nh e a d t h ef i n d i n gf r o ms i m u l a t i o ns t u d yc a nb eu s e da sar e f e r e n c et ov e h i c l es a f e t yd e s i g n k e yw o r d s ：p e d e s t r i a n ；h e a di n j u r y ；a c c i d e n ti n v e s t i g a t i o n ；r e c o n s t r u c t i o n ；d e s i g n o fe x p e r i m e n t i v 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 珐律后果由本人承担。 作者签名：舯 日期：加降乡 学位论文版权使用授权书 月2 7 日 | 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 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) , f 4 e 者签名： 刷币答名孑 咛，j 嗍 新- 1 年乡月刀日，j 日期：左疙刀年乡月三日 渤隆日期：川年岁月矽日 一、， 赳7 刀 硕二学位论文 1 1 研究的背景与意义 第1 章绪论 汽车给人类的生活带来了巨大的变化，但同时，道路交通事故也给社会发展 带来一系列负面影响。随着汽车工业的发展，道路交通事故也呈现上升的趋势， 而行人作为道路使用者中的弱势群体，属于交通事故中的高危人群，死亡率极高。 2 0 0 0 年统计的交通事故中行人伤亡所占百分比为：欧洲1 9 0 ( 7 0 0 0 人) ，美国 1 1 3 ( 4 7 3 9 人) ，日本2 8 3 ( 2 6 0 5 ) ，韩国3 8 o ( 3 8 9 0 人) 【。从全球范围 来看，中、低收入国家的道路交通事故死亡率要比发达国家的高。数据表明，中 国每一万辆汽车造成人员伤亡是发达国家的几十倍，如表1 1 所示，这也更加说 明我国交通安全问题的严重性。2 0 0 2 年，中、低收入国家道路交通伤害死亡数占 全球所有国家道路交通事故死亡的9 0 。而且从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、低收入国家则大幅度升高。 据预测，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升6 5 左右，而中 低收入国家道路交通死亡人数将增加8 0 。如果不采取有效预防措施，道路交通 伤害将会给各国，特别是广大发展中国家带来更加严重的经济、社会后果【2 j 。2 0 0 7 年，我国交通事故死亡人数统计为8 万6 千多人，其中行人死亡人数约占 2 5 8 5 t 3 1 。行人交通损伤的防护已经成为一个世界各国车辆交通安全领域关注的 热门。 表1 12 0 0 3 汽车主要国交通死亡人数对比 最大，分别为4 1 9 和5 0 7 ，头部比例位居第二，分别为1 8 和1 8 5 ； 在死亡损伤级别中，头部比例最大，占6 0 t 4 1 。据欧洲委员会( e c ) 指令2 0 0 3 10 2 e c 称，从2 0 0 5 年1o f j 开始的第一阶段中，所有在欧盟销售的新车必须符 合新的行人碰撞法规。重量在2 5 t 或小于2 5 t 的所有新乘用车和轻型厢式车必须 通过三项试验，以满足车辆前部碰撞时保护行人免受头部和腿部伤害的法规要求。 在2 0 1 0 年开始的第二阶段，欧盟计划要求对不断加强的碰撞严重程度具有5 种试 行人汽卞事故仿真币建及行人头部损伤防护措施研究 验，其中2 项试验覆盖头部伤害，另外3 项则重点置于腿部和骨盆伤害。有关成 年人与儿童的标准也必须达到。法规的本阶段在未反对情况下没有被明确界定， 这是因为产业集团、整车制造商和欧盟将继续讨论最后规则，以便通过修改现有 法规。有关行人保护的新法规的预备性草案提案已于2 0 0 5 年6 月2 4 日出版。这 一新法规也适用于带有制动助力系统的强制性装备在所有小于2 5 t 的新车型上， 并在出版公布后的9 个月生效。车辆行人碰撞事故中，行人头部和下肢损伤几率 最大，而头部的严重损伤往往是造成死亡的主要原因。因此，研究行人的颅脑损 伤机理及防护技术，改进汽车安全性结构设计，在当前中国具有重要的经济及社 会意义。 1 2 行人头部损伤防护技术发展现状 国外汽车专家对行人安全研究目前为止已有四十多年的历史。6 0 年代中期澳 大利亚r o b e r t s o n 等人就开始从事行人安全问题的研究【5 】。2 0 世纪7 0 年代开始， 欧洲开始进行基于行人保护的汽车安全性研究【6 培】，目前已经建立了相应的行人法 规，把行人保护推上了一个新的台阶。并开始使用生物样本，机械假人，以及数 字仿真模型，展开了人体生物力学，损伤防护技术以及安全措施的研究【9 】。8 0 年 代开始，美国行人研究工作重点转移到行人交通事故数据研究，并建立专门的行 人事故调查与统计机构和事故数据库p c d s ，德国日本也建立相应事故调查机构 事故数据库，如德国的g i d a s ，日本的i t a r d a 等。通过交通事故统计与深入分 析，对行人损伤特点和事故原因分析，从而探讨出相应的防护措施并制定合理的 碰撞法规。19 9 7 年欧盟所属的欧洲车辆安全委员会( e e v c ) 成立行人工作组 w g l7 ，负责行人法规的制定工作，并于2 0 0 3 年欧盟颁布了基于行人保护的法规 “d i r e c t i v e2 0 0 3 10 2 e c ”。总结过去对汽车安全的研究主要有以下几个方面：交通 事故统计与损伤流行病学研究，损伤生物力学的研究，行人安全试验与法规的研 究，以及行人安全的防护措施的研究。 1 3 事故统计与损伤流行病学研究 交通事故损伤流行病学是应用流行病学的原理和方法，从人群的角度来研究 道路交通事故中损伤发生的特点及其危害程度和危险因素的分析，提出合理的防 范对策和措施。交通事故损伤流行病学研究的基础是可靠的事故统计数据，这些 数据应该是从交通管理部门、医院和保险部门等权威机构获得。通过事故调查与 分析，从大量的交通事故统计资料中寻找交通事故的原因，交通事故的发生特点 以及行人损伤的发生规律，确定人、车、环境在事故中的作用，以此作为立法机 构制定合理精确的安全法规、汽车企业生产安全汽车、以及交通管理部门实现安 2 硕士学位论文 全交通管理的依据和努力的方向，从而更好地预防和减少交通事故发生。 如表1 2 所示。头部和下肢是主要的损伤部位，分别占4 1 6 和3 6 5 。轻伤 案例中，4 8 9 的行人是下肢受伤，2 3 9 是头部伤，16 3 是上肢伤。重伤案例 中，5 0 4 是头部伤，2 8 3 是下肢伤。死亡案例中，9 5 是头部受伤所致。由此可 见，轻伤以下肢伤为主，头部损伤是导致重伤及死亡的主要原因【10 1 。 表1 2 行人事故的损伤部位与损伤严重度分布 德国g i d a s 行人数据3 2 4 是头部伤，2 5 3 是下肢伤，其次是上肢伤， 1 5 8 ，胸部伤，1 3 5 。头部和下肢损伤最为常见，且头部伤多于下肢伤，上肢 和胸部也都是常见的损伤部位( 图1 1 ) 。 3 5 o 3 0 0 2 5 o 2 0 o 1 5 o l o 0 9 6 5 0 o o 头颈胸上肢 腹骨盆下肢 图1 1 行人交通伤案例损伤部位分布图 碰撞车速是汽车一行人事故损伤风险的主要评估指标。研究表明，在汽车一 行人事故中，约有7 0 的事故司机在碰撞行人前采取了制动措施。9 5 的行人事 故发生时肇事车辆的速度低于5 0k m h ，如图1 2 所示。当车速低于2 5k m h 时， 行人通常受轻伤，车速介于2 5 5 5k m h 之间时，行人通常受重伤，当车速高于 5 5k m h 时，行人将很难幸存( 图1 2 ) 。 3 行人汽车事故仿真重建及行人头部损伤防护措施研究 事 故 数 图1 2 不同碰撞速度下的行人损伤分布图 行人事故中以头部和下肢伤最为常见，相关研究表明，头部和下肢的损伤风 险随着碰撞速度的增加而增加，如图1 3 所示。当碰撞速度低于3 0k m h 时，以 a i s 2 3 的下肢损伤为主，当速度高于4 0k m h 时，头部致命伤的风险急剧增加( 图 1 3 ) 。 1 0 0 损 伤 风 险 ( ) 碰撞速度( k i n h ) 图1 3 汽车一行人事故中头部和下肢损伤风险图 1 4 行人保护研究主要工作介绍 目前行人保护研究工作主要可以归纳为以下六个方面： 1 ) 行人事故统计及其形态分析； 2 ) 行人法规研究； 3 ) 损伤机理及生物力学的研究； 4 ) 行人事故重建； 5 ) 数值假人和冲击器的开发与验证； 4 硕十学位论文 6 ) 为了保护行人的各种安全装置及车体结构的设计与该进。 1 4 1 行人事故统计及其形态分析 行人事故统计及形态分析主要根据交通流行病学，分析行人事故的特征如行 人伤亡数量各年相比的发展趋势、伤亡行人的年龄分布、事故中车型的分布、行 人碰撞损伤部位分布及造成损伤的原因等。目前在国外欧洲、美国和日本等发达 国家，有专门的机构对发生在本国的交通事故进行专业的统计分析并建立了相应 的数据库。而在我国对交通事故的统计目前主要还是靠公安部一年一度的交通事 故统计年报，这些年报所提供的数据只能大体了解到交通事故发生的大体动态趋 势，远远达不到进行详细的事故形态分析的要求，而且由于各种原因数据不太完 整性，可靠性也不高。 1 4 2 行人安全法规 目前，世界不同国家和组织都有自己的行人法规和行人安全评价的实验方法， 安全评价试验比较有影响力的是欧洲汽车安全委员会( e e v c ) ，国家标准化组 织( i s o ) 和国际协调研究机构( i h r a ) ，其中i s o 组织主要是用于汽车部件的 研究与技术开发，而不用于法规试验。由于中国的正碰与侧碰法规都是参考欧盟 e e v c 而制定，所以在此只详细介绍e e v c 行人法规。 小腿冲 击器 图1 4e e v c 行人法规冲击器试验 欧洲车辆安全促进委员会( e e v c ) 于1 9 8 7 年成立工作组1 0 ( w g l o ) ，从事 行人安全研究【。1 引。该工作组1 9 8 8 年1 月起开始其研究工作，并于1 9 8 9 年第1 2 届世界汽车安全促进会议( e s v ) 第一次工作报告中提出：为了建立良好的基于 行人保护的测试方法，必须进行一系列的前期研究( 包括假人实验、尸体实验、 事故重建、事故数据分析和计算机仿真) ，并且通过典型车型的测试以确定其可行 性。19 9 1 年6 月，w g l 0 完成了上述工作，在第13 届e s v 会议第二次工作报告 中提出汽车与行人碰撞安全性的子系统冲击器实验评价方法，并于1 9 9 4 年提出最 行人汽车事故仿真重建及行人头部损伤防护措施研究 终改进方案。1 9 9 4 年，w g l 0 解散。 l9 9 7 年5 月，在e e v c 操作委员会的促成下，w g l0 的成员再次相聚在一起， 讨论行人防护测试技术新的发展，并于6 月建立了新的行人保护研究小组e e v c w g l 7 【1 引。w g l 7 的主要任务为一方面根据新的事故分析数据和生物力学试验数 据调整19 9 4 年的最终方案，另一方面准备和国际协调研究机构( i h r a ) 的合作。 此后w g l 7 进行了大量的研究工作，为行人法规的正式出台奠定了坚实的基础。 2 0 0 3 年1 1 月，欧盟颁布了基于行人保护的法规“d i r e c t i v e2 0 0 3 1 0 2 e c ”。 该法规将分两个阶段施行【l4 1 。 表1 3 第一阶段e e v c 行人法规头部冲击器试验条件与要求 表1 4 第一阶段e e v c 行人法规下肢冲击器试验条件与要求 由于利用实车与实验用行人假人进行碰撞的实验费用较高，测试过程复杂， 实验结果的重复性较低，且假人的姿势及碰撞前假人相对于实车的位置等对碰撞 结果影响较大，因此目前一般都采用冲击器模型对汽车前部进行评价。该试验方 法主要包括以下几个子试验，见图1 4 ： ( 1 ) 小腿模块试验，当保险杠高度小于5 0 0 m m ，小腿冲击器与保险杠碰撞试验； 6 硕十学位论文 ( 2 ) 大腿( u p p e rl e g f o r m ，包括骨盆) 模块试验，当保险杠高度大于5 0 0 m m ， 将进行大腿冲击器与前保险杠和发动机罩前缘的碰撞试验； ( 3 ) 头部模块试验，包括儿童头部冲击器与发动机盖顶部的碰撞试验，成人头 部冲击器与发动机盖顶部和挡风玻璃碰撞试验。试验条件分两个阶段施行。 大腿冲击试验条件，如碰撞速度和碰撞角度并没有确定的数值，根据不同车 型前部结构参数而定：如图1 5 所示，横坐标为发动机盖高度，纵坐标为保险杠 前缘相对于发动机盖前缘伸出长度，曲线为冲击器拟采用的碰撞速度。根据发动 机盖高度和保险杠伸出长度值在图上的交叉点，在最近的曲线上的投影为冲 击器所采用的碰撞速度。如图1 6 所示，横坐标为发动机盖高度，纵坐标为拟采 用的 碰撞角度，a 、b 、c 三条曲线分别为保险杠伸出长度为o m m ，5 0 m m 和1 5 0 m m 。 发动机盖高度值在曲线上的投影，其对应的纵坐标即角度为冲击器所采用的碰撞 角度。 表1 5 第二阶段e e v c 行人法规头部冲击器试验条件与要求 表1 6 第二阶段e e v c 行人法规下肢冲击器试验条件与要求 7 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 4 5 3 5 3 0 醚2 5 嘏 靶 爱! o 1 5 o o 行人汽车事故仿寅重建及行人头部损伤防护措施研究 碰撞速度f 妯m ) 2 02 53 03 54 0 。 oo ； - - - - 一肛- - ；- 一 。o 。 悟 ” 肛-；! - f 。：。 7 ： 匆- 争 t - 7；。j 。- - 。 斗一 ； ，： | | 一 一z 一 ：一j ，i 。 刊 -die-鹘 ；j i j 蛰 。r 。、。t 。产- ： ：，； ! ： - ：i z ： i 7 7 。 - j ： jj ， i x i 。l - - 。 - i。、1 - j - - - - - 一n 1，lf 限1 - - 。甜 5 5 06 0 06 5 07 0 07 5 08 0 08 5 09 0 09 5 01 0 0 01 0 5 0 发动机盖前缘离地高度( 糊) 图1 5 不同汽车前部结构，大腿冲击器所采用的碰撞速度 ! 。 、 文 。 1 入 义j 奠：b 吣： ” 。、 、 t 。io 。f 。 芝 吣 、o 。1 i i 。 i 。f 。、 l - - - - 。l - - - p - 。l - ，一- - 。 b a 5 5 06 0 06 5 07 0 0 t 5 08 0 0 $ 5 09 0 09 5 01 0 0 01 0 5 0 发动机蔫前缘离地高度( r a m ) 图1 6 不同汽车前部结构，大腿冲击器所采用的碰撞角度 8 喜曼巡半丑量婆笾毕 硕十学位论文 1 4 3 损伤机理及生物力学 人体损伤机理及生物力学是研究人体各器官在外部和内部条件作用下产生的 物理变化以及这些变化给人体带来的生理变化。在过去的3 0 年里汽车与行人碰撞 的损伤机理被广泛的研究，主要有三个研究方法：深入的事故调查，用行人替代 品如尸体和机械假人进行碰撞实验及利用数值模型进行研究【l 引。交通损伤机理研 究对检测车辆的碰撞环境，损伤原因，明确动态响应，确定损伤机理和定义损伤 标准有很大的作用，这些研究结果有助于我们理解行人的损伤。 1 4 4 行人事故重建 行人事故重建主要包括推算汽车的初始速度、汽车的碰撞速度、反应地点、 碰撞点、行人的行走速度和方向等，透彻地了解碰撞行人事故的碰撞或初始接触 的过程是分析行人交通事故的重要环节，事故再现的基础是事故现场的勘查物证 ( 如痕迹、证据) ，勘查的重要内容涉及到工程、医学、天气方面、心理学方面等 f 1 6 】。每一起事故重建一般来说可以分为三大块：数据采集、事故重建和结果分析。 数据采集的完整性和可靠性是事故重建结果可靠的基础，它包括三个阶段的信息： 碰撞前、碰撞中和碰撞后( 表1 7 ) 。重建过程包括车辆模型的建立、行人模型的 缩放和各种边界条件的输入，结果分析包括车辆、行人及事故本身三个方面。 表1 7 行人事故信息采集表 9 至：耋三兰垫竺墨墨耋墨：i 生兰量塑望竺兰望碧要耋 一个成功的事故重建不仅可以帮助我们分析事故的原因和事故是否可以避 免，更重要的是重建得到的损伤参数和实际不同身体部位的损伤关系可以扩展我 们对损伤机理和活人体耐受极限的了解。这些数据通常很难通过其他途径获得。 而且，由于无法获得儿童的生物力学特性，事故重建是唯一可行的途径来评估儿 童模型的可靠性”。 145 数值假人和冲击器 数值假人和冲击器理论上完全可以替代相应的物理碰撞试验r 降低汽车的研 发成本和减少研发周期，加速汽车产品的更新换代。最早的碰撞假人是美国空军 开发的，用于紧急状态下飞行员的喷射仿真研究。目前在仿真研究中常用的5 0 百分位男子成人假人多刚体模型如图17 所示。其中a 、b 、c 模型为可模拟腿部 骨折的模型。 a 卺擎惫袁 溺 亨 l l f 圈17 常用的行人假人模型 ac h a l m e r sp e d e s t r i a nm o d e l ( y a n ge ia l1 9 9 7 ) ； bt n op e d e s t r i a nm o d e l ( t n o ，2 0 0 1 ) ； c ：c h a l m e r sp e d e s t r i a nm o d e l ( y a n ge ta l2 0 0 1 ) ： dj a r lp e d e s t r i a nm o d e l ( n e a l ee ta l2 0 0 3 ) ， e u n i v e r s i t yo f a d e l a i d ep e d e s t r i a nm o d e l ( g a r r e n t t m ，1 9 9 8 ) fh o n d ap e d e s t r i a nm o d e lf o k a m o l oe ta l ，2 0 0 1 ) 本文中用到的儿童行人模型是在瑞典查尔摩斯大学的c m p ( c h a l m e r s p e d e s t r i a n m o d e l y a n ge ta 1 1 9 9 7 ) 的基础上缩放而成( 图18 ) 。并经过了现场事 故重建的评估，仿真重建结果证明该儿童模型生物逼真度较好【吲。 黼管 图】83 、6 、9 和1 5 岁的儿童模型匣成年男性假人 除了多刚体模型外，有限元数学模型在人体生物力学的研究中也发挥了很大 的作用，它能从模拟人体动态机械响应中准确、有效地求出人体受载时生理组织 的变形、位移、应变和应力。2 0 世纪6 0 年代开始国外就有学者使用数学模型束 研究头部损伤，随着计算机技术的高速发展，在过去的几十年里，全世界使用3 d 有限元模型模拟头部碰撞损伤方面做了很多有重要意义的工作并取得了很好的成 绩。最近几年我国人体有限元模型才开始在学校和科研脘所进行丌发，虽然起步 较晚，但已经取得了一些成果并慢慢的应用于实践。湖南太学在国家自然科学基 金的支持下，已经成功开发了头部有限元模型h b m ( 图19 ) 1 9 。此外，还开发 了颈部、胸椎和f 肢有限有限元模型。 图19h b m 有限元头部模型 为了进行法规仿真研究，各种数值冲击器也相继成功开发并得到应用。目前， 商业化的儿童头锤冲击器有t n o 开发的m a y m o ( m a t h e m a t i c a ld y n a m i cm o d e l ) 儿章头锤，它包括多剐体( m u l t i b o d y ) 、多面体( f a c e t ) 和有限元三种类型。英 国a r u p 公司基于欧洲车辆安全促进委员会( e e v c ) 下属的行人保护研究小组 w g l7 研究工作的基础上开发了d y n a 有限元头锤。 1 46 行人安全防护措施 随着汽车研究的不断深入，行人安全已经引起了国内外研究的广泛重视，目 行人汽车事故仿真重建及行人义部损伤防护措施研究 前各国主要采用主动防护方法和被动防护方法来提高行人保护的安全性。主动防 护方法是在汽车与行人碰撞事故发生前或在事故发生时主动采取一些措施来避免 事故发生或减小事故后果；而被动防护方法则是通过改变车身结构或防护设备来 减少在碰撞过程中对行人产生的伤害。 目前，国内外对于行人保护的主动防护方法主要有2 0 】： ( 1 ) 采用辅助制动装置，降低汽车与人碰撞的速度，从而降低对人的损伤。 ( 2 ) 采用电子探测系统，避免事故的发生。 ( 3 ) 加强交通管理，普及交通安全知识，提高市民交通安全意识，采用车辆限 速装置。 由于行人与汽车发生碰撞的位置一般为汽车前部，被动防护方法主要通过改 变汽车前部造型和结构和增加防护设备，具体包括以下几个方面： ( 1 ) 改变保险杠的结构和性能来降低对行人下肢的损伤； ( 2 ) 改变发动机罩的结构和性能来降低对行人头部的损伤； ( 3 ) 改变翼子板的支撑结构和性能，设计成容易压溃变形的结构，降低对行人 头部的损伤。改变汽车前部造型，寻求对行人损伤较小的汽车前部造型； ( 4 ) 采用自动弹升式发动机罩，有效增加发动机罩与发动机舱中的零部件之间 的间隙，避免行人头部与硬物接触，降低对行人头部的损伤； ( 5 ) 采用汽车前保险杠安全气囊和前风窗安全气囊，降低对行人头部的损伤。 1 5 本文研究目的和主要工作 本论文工作的主要目的在通过展开事故调查，得到真实的汽车行人碰撞事故 案例信息。再通过对得到的事故案例进行事故重建，分析讨论各相关参数的关系。 再通过对汽车前部结构的分析，提出相应的头部损伤防护措施，并通过重建的事 故进行头部损伤的论证和讨论。 本论文的主要工作如下： ( 1 ) 针对行人头部损伤进行了大量的文献研究工作，叙述了相关颅脑的损伤 生物力学知识和损伤评价指标； ( 2 ) 展开了深入的行人交通事故的调查及事故数据采集。由开展事故调查得 到事故案例，通过筛选出合适的行人一汽车事故案例，选择其中6 个案例进行事故 进行重建。 ( 3 ) 通过筛选得到的事故案例，对行人一汽车事故进行事故重建。通过计算 得到结果，并分析各事故中的行人头部损伤和动力学相应过程，讨论了行人碰撞 过程中的动力学响应参数和损伤严重程度的关系； ( 4 ) 讨论汽车前部各个结构参数对人体头部损伤的影响程度以及规律。通过 正交试验设计方法来进行试验选点，通过直观的水平趋势图和极差计算，分析出 1 2 硕士学位论文 各个结构参数对损伤参数的影响趋势和影响显著性。并通过重建的事故案例对行 人头部损伤进行论证和讨论。 ( 5 ) 总结了全文的工作，认为改进汽车的前部结构对行人的头部防护是可行 的。 1 3 行 汽车事故仿真重建厦行 盐邮损伤防护措施研究 第2 章头部损伤生物力学 2 i 人体头部解剖学结构 人体头部按照其解剖学结构分为面部和颅脑部。面部包括1 4 块面颅骨及其肌 肉、皮肤、血管和神经组织；颅脑部包括8 块头骨、脑、脑膜、头皮及其血管和神 经组织”“。本文主要针对颅脑部损伤进行研究，所以在后面的叙述中“头部”均特 指颅脑部分。人体头部包括重要的中枢神经系统和众多感觉器官以及对它们起保 护和支撑作用的头颅结构和皮肽。头部的解剖学结构按照由外至内的组织结构划 分，依次为头皮、头颅骨、脑膜和脑。 2 2 颅脑主要损伤及机理 图2 1 头部解剖学结构 、蛛网腰 、蛛向厦下空间 、戢脑腰 墒 头部损伤的常见形式一般为颅骨和脑的损伤t2 2 ”】，头部损伤通常被称为颅脑 伤，交通事故中的颅脑损伤主要有颅骨骨折，脑挫裂伤( 冲击伤及对侧冲击伤) ， 硬膜外血肿，硬膜下血肿，脑震荡和弥漫性神经轴突损伤( d a i ) 等。造成以上 损伤的主要因素包括：集中压力，颅内粘性负载和颅脑惯性负载1 2 2 1 ；也可以认为 是碰撞力因素和惯性因素( 包括线性加速度和旋转加速度) 1 2 3 1o 其中t e a s d a l eg 等人认为脑挫裂伤是最常见的脑损伤主要源于血管和组织破坏，并且在脑回的 脊部最为严重”，o m m a y aa k 等人认为硬膜下血肿时一种危险程度极高的损损 伤，它源于桥状静脉与动脉的撕裂，而硬膜外血肿损伤机制主要是惯性因素，如 线性加速度和角加速度口”。g e n n a r e l l it a 等人认为弥漫性神经轴突损伤是闭合性 蒜一 蒸艘 硕士学位论文 脑损伤中一种严重的原发性损伤，是导致脑外伤病人死亡的主要原因，它的严重 行取决于角速度大小、持续时间以及其实角加速度大小和方向【2 6 1 。 2 2 1 颅骨骨折 头颅骨骨折分为头盖骨底部区域的骨折和颅骨拱顶部分的骨折。交通事故中 行人颅骨骨折主要和颅骨碰撞位置以及接触范围有关，当碰撞力超过了其耐受限 度时，颅骨的骨折就会发生。颅骨骨折又可以分为凹陷性骨折和线性骨折。当颅 骨碰撞区域小于2 平方英寸时发生凹陷性骨折，这是在碰撞点下方受力迅速集中， 能量通过局部骨折吸收；当碰撞区域较大时，能量扩散，头顶部的冲击易于在远 离冲击点处产生较宽的线性骨折。线性颅骨骨折的模式取决于冲击区域的形态学， 包括局部厚度、骨质特性和骨缝的存在。 2 2 2 脑挫裂伤 脑挫裂伤是最为常见的脑损伤，尸检统计约为8 9 ，它源于血管和组织破坏， 并且在脑回的嵴部最为严重，损伤可累及不同深度的白质【2 7 1 。脑挫裂伤可以分为 同侧冲击伤( c o u pc o n t u s i o n s ) 和对侧冲击伤( c o n t r e c o u pc o n t u s i o n s ) ，后者往 往较重。冲击伤是碰撞作用下造成碰撞点一侧的损伤，碰撞力因素是其损伤机制； 对侧冲击伤是碰撞作用下由于颅内粘性负载形成冲击点对面的负压作用而造成的 损伤，惯性因素是其损伤机制。碰撞中的挫裂伤到底是冲击伤还是对侧冲击伤取 决于多少冲击能量在冲击点被变形的颅骨吸收。脑挫伤病人死亡率较高，5 0 岁以 上或者昏迷病人有较高危险性。 2 2 3 硬膜夕i 、血肿 硬膜外血肿源于对颅骨的局部冲击，通常通过折断的骨缘造成内面的硬膜静 脉或动脉撕裂，碰撞力因素是其损伤机制。如果颅骨变形造成硬膜从颅骨的内板 剥离，则可能造成血管撕裂，这是一种未发生颅骨骨折情况下的脑硬膜外血肿。 大多数硬膜外血肿经常发生于脑半球的侧表面，如果是主动脉，则易引起神经功 能丧失。 2 2 4 硬膜下血肿 硬膜下血肿占脑损伤总数3 6 ，死亡率高达3 5 5 0 ，是一种危险程度很高 的损伤。它源于桥状静脉与动脉的撕裂，与硬膜外血肿不同的是，硬膜下血肿的 损伤机制主要是惯性因素( 线性加速度和角加速度) 【2 8 1 ，而接触力不是产生急性硬 膜下血肿的必要条件【2 9 1 。 2 2 5 脑震荡 脑震荡能引起永久性神经功能障碍，记忆丧失，知觉丧失和昏迷。它的损伤 1 5 行人汽车事故仿真霞建及行人头部损伤防护措施研究 汽车行人碰撞中行人颅脑动力学响应及损伤防护的研究机制主要是惯性因素，由 于长时间的角加速度，产生颅骨与大脑之间的相对运动，从而造成大脑的深层结 构变形，实际上脑震荡是一种弥漫性脑损伤。 2 2 6 弥漫性神经轴突损伤( d i f f u s ea x o n a li n j u r y , d a i ) d a i 又称神经纤维撕裂伤，是闭合性脑损伤中一种严重的原发性脑损伤，在 交通伤中较为常见，它是导致脑外伤病人死残的主要原因，是一种危险程度很高 的损伤。损伤部位主要为大脑皮质、白质等处，也可向下累及中脑和脑干。病人 伤情一般很严重，伤后昏迷数天或数周，约有半数病人在伤后一个月内死亡。d a i 的严重性取决于加速度的大小、持续时间以及起始的角加速度和运动方向。 以上各损伤的主要机理列表如下【3 0 】： 表2 1 颅脑伤损伤机理 颅脑损伤类型损伤机理 颅骨骨折 冲击伤 2 对侧冲击伤 2 脑膜外血肿 2 脑硬膜下血肿 。脑震荡 3 神经轴突损伤 头部与车体的碰撞力 碰撞力的作用造成碰撞点一侧的损伤 线加速度的作用造成碰撞点对侧的损伤 碰撞力的作用造成碰撞区域的损伤 碰撞力、头部线加速度及角加速度 角速度及角加速度，颅骨大脑相对运动 角速度及角加速度 2 3 头部损伤评价标准 作用于人体头部的载荷通常有以下三种形式：直接碰撞、惯性加速度冲击加 载和静态加载。这些载荷作用的结果，导致颅脑结构出现变形，同时引起脑的不 同类型的应力：压缩应力、拉伸应力和剪切应力。当这些应力值超过一定值的时 候就会引起各种类型的损伤。损伤评价标准是通过与损伤强度相关的物理参数或 一个由若干物理参数组成的函数来定义。与人体某个部位受到损伤的危险程度相 关，用来衡量负载是否超过了导致某种损伤的程度。相应于损伤评价标准，耐受 限度是对应的物理参数或者函数的阈值，超过它就会产生某种伤害或者有可能导 致某种损伤。损伤的严重程度可以根据不同的损伤评价方法来定义。从工程学的 评价方法来看，最常用的有韦恩州立大学头部耐受限度曲线w s t c ( w a y n es t a t e t o l e r a n c ec u r v e ) 、头部冲击剧烈成