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基于p c c r a s h 下的车人交通事故伤害机理研究 中文摘要 行人保护是汽车被动安全研究领域的重要内容之一。我国由于汽车保有量的迅猛增 加、道路混合交通模式比例大、驾驶员素质的参差不齐等因素，汽车与行人发生交通事故 引起的人身伤亡数量及比例居高不下。在人身伤害事故中，头颈部和下肢的损伤占7 0 以 上，头颈部损伤是造成人员死亡的主要原因，而下肢创伤是交通事故中人员致残的主要因 素。因此，开展汽车与行人碰撞事故的分析及行人头部碰撞损伤机理的研究具有重要意义。 本文以提高碰撞事故中行人安全性为目的，在汽车与行人交通事故调查和分析的基础 上，以多刚体动力学为基础，建立人一车碰撞事故的模型，利用多刚体动力学仿真分析软 件p c c r a s h ，研究汽车一行人碰撞事故的动力学响应过程。在此基础上，对车一人交通事 故的随机因素进行大量的模拟仿真实验，得出在汽车与行人碰撞事故中，不同车型、碰撞 速度、行人身高和体位、撞击前后行人的运动姿态等，行人身体将遭受不同的碰撞作用， 从而产生不同的运动行为和损伤。在分析与行人伤害部位相关的动力学参数以及行人头部 伤害指标h i c 值、胸部3 m s 内的加速度等伤害指标的基础上，阐述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，预测和评估了行人身体碰撞部位伤害风 险，并依据相关实际案例验证了模型的有效性，总结出事故发生后人体头部伤害指标，碰 撞后行人运动状态及相应的动力学参数，并且研究了碰撞速度以及发动机前罩形状的关 系，提出车一行人事故伤害的可避免性问题。通过对汽车与行人碰撞事故仿真再现结果的 分析研究，提出改进汽车结构参数，最大限度减小对行人伤害的措施。 本文的研究为道路交通事故的仿真再现提供了一种新的、快捷的方法，它极大缩短了 事故再现的时间，为快速处理交通事故提供了可靠依据。 关键词：人一车碰撞事故；头部损伤；仿真；安全；事故再现；多体动力学 扬州大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h ep e d e s t r i a np r o t e c t i o ni so n eo ft h ei m p o r t a n tp r o b l e m si n p a s s i v ev e h i c l es a f e t y a r e a b e c a u s eo ft h er a p i di n c r e a s eo fc a rp o s s e s s i o nq u a n t i t y ，t h eu n e v e nm a k i n g so fa d r i v e r ，a n dt h eh i g hp r o p o r t i o no fm i x e dt r a f f i cm o d ew h i c hh a se x i s t e di nc h i n af o ral o n g t i m e ，t h eq u a n t i t ya n dt h ep r o p o r t i o no fv e h i c l e - p e d e s t r i a nc r a s ha c c i d e n t sa sw e l la sp e d e s t r i a n c a s u a l t ya r ea taf a i r l yh i 曲l e v e la ta l lt i m e i nt h e s ea c c i d e n t s ，t h eh e a di n j u r y , n e c ki n j u r ya n d c u r a r ei n j u r ya c c o u n t s7 0 o ft h es u md a n d i f i c a t i o n t h eh e a da n dn e c kd e p a r t m e n td a m a g ei s t h em a i nr e a s o nt h a tc a u s e sp e r s o n n e l sd e a t h t h e r e f o r e ，t h e d e v e l o p m e n to fa n a l y z i n g v e h i c l e - p e d e s t r i a nc r a s ha c c i d e n t sa n ds t u d y i n gp e d e s t r i a n sh e a dc r a s hi n j u r ym e c h a n i s mh a sa n i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h i ss t u d ya i m sa ti m p r o v i n gt h es e c u r i t yo fp e d e s t r i a ni nc r a s ha c c i d e n t s b a s e do n i n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so fv e h i c l e p e d e s t r i a nc r a s ha c c i d e n t s ，v e h i c l e - p e d e s t r i a nc r a s hm o d e l s a r eb u i l tb yp c c r a s h ，w h i c hi sam u l t i b o d yd y n a m i c ss i m u l a t i n gs o f t w a r e a f t e ra n a l y z i n gt h e r e s u l t so fa c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o n s ，c o n c l u s i o ni sm a d et h a td u r i n gt h ev e h i c l e - p e d e s t r i a nc r a s h a c c i d e n t s ，d i f f e r e n tc r a s he f f e c t sw o u l db eb r o u g h tt op e d e s t r i a n sb o d y ，f o l l o w i n gw i t hv a r i e t i e s o ff a c t o r ss u c ha sv e h i c l et y p e s ，c r a s hs p e e d s ，s t a t u r e sa n db o d yf o r m so f p e d e s t r i a n ，t h e m o v e m e n t sa n dt h ep o s e so fp e d e s t r i a nb e f o r ea n da f t e r c r a s h ，c o n s e q u e n t l y ，d i f f e r e n t m o v e m e n t sa n di n j u r i e sw i l lb ei n d u c e d b a s e do nt h es t a t i s t i c sa n da n a l y s i so nt h ep e d e s t r i a n a c c i d e n t s d a t e s ，s u m m a r i z et h ec h a r a c t e ro fv e h i c l e p e d e s t r i a na c c i d e n t s b yu s i n gt h es o f t w a r e p c c r a s hb u i l du pt h ev e h i c l ea n dp e d e s t r i a nm a t h e m a t i c a lm o d e l c o m p a r e dw i t ht h ea r t i c l e p u b l i s h e d ，v e r i f yt h ea n a l y s i sa n dc o n s i d e ro t h e rr a n d o mf a c t o r si n t ot h ee x p e r i m e n t ，t h e nc a r r y o u tn u m b e r so fs i m u l a t i o n s t h ek i n e t i cp a r a m e t e r sa n dt h ep e d e s t r i a n sp o s t u r e sa f t e ri m p a c t i o n w e r ec a l c u l a t e d ，a n dt h eh e a di m p a c tl o c a t i o nd i s t r i b u t i o nw a sr e c e i v e d t h ep r o b a b i l i t yo fh e a d i m p a c tl o c a t i o no nt h er e a l 11 3p a r to ft h eh o o da n dt h ew i n d s c r e e na r eg r e a t ，t h e nb r i n gu ps o m e a d v i c eo nt h ei m p r o v e m e n to ft h es t r u c t u r eo ft h eh o o d ，s u c ha sb a s e do nt h ei m p a c tl o c a t i o n a d j u s t i n gt h es t r u c t u r eu n d e rt h eh o o d ，f i x i n ga i r b a g so nt h ea c c u r a t ep o s i t i o n ，e t c t h er e s e a r c hn o to n l yh a st h er e a l i s t i ce c o n o m i c a la n ds o c i e t yv a l u eb u ta l s oh a sai n f l u e n c e t ot h ei n s t r u c t i o no nt h ep e d e s t r i a n s i n j u r ya n dt h ev e h i c l e s s a f e t yr e s e a r c h k e yw 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 ha c c i d e n t ，h e a d i n j u r y ，s i m u l a t i o n ，a c c i d e n t r e c o n s t r u c t i o n ，m u l t i - b o d yk i n e t i c s 基于p c c r a s h 下的车人交通事故伤害机理研究 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导f 独立进行研究工作所取得的研冗成果。 除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名：硌a 签字日期： 如哆年6 月夕日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关 部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人授权扬州大 学可以将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、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录 到 中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 学位论文作者签冬夕奎爵 签字日期，冬哆年6 月j 日 导师签名： 签字日期：月矿日 ( 本页为学位论文末页。如论文为密件可不授权，但论文原创必须声明。) 基于p c c r a s h 下的车- 人交通事故伤害机理研究 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 现代交通的发展，为人类社会的进步提供了强有力的基础保障。在现代社会中，交通 涉及人类日常生活的方方面面，在整个国家的政治和经济生活中更占有举足重轻的地位。 但是，伴随着道路交通日新月异的发展，汽车交通事故也随之而来。自1 8 8 9 年世界上发 生第一起车祸死亡事故至今，全球死于交通事故的人数总计高达3 2 0 0 多万人，远高于同 期死于战争的人数n 1 。当今全世界每年死于道路交通事故的人数超过百万人，平均每1 5 秒钟就有i 人死于交通事故“1 。道路交通事故已成为“现代社会的第一公害”。战争造成 的生命财产损失有时间性和地域性，而交通事故则是一场永不休止的全球战争。无论何时 何地，只要人参与交通，就存在涉及交通事故的危险性，道路交通事故已成为涉及千家万 户乃至每个人生命财产安全的日益严重的社会问题。表1 1 是2 0 0 0 年到2 0 0 7 年，我国 发生的交通事故数量，死亡人数的统计。 表1 1 近8 年来我国交通事故统计表 年份 事故次数 死亡人数受伤人数致死率 2 0 0 06 1 6 9 7 i9 3 8 5 34 1 8 7 2 11 8 3 l 2 0 0 17 5 4 9 1 91 0 5 9 3 05 4 6 4 8 51 6 2 4 2 0 0 27 7 3 1 3 71 0 9 3 8 15 6 2 0 7 41 6 2 9 2 0 0 36 6 7 5 0 7 1 0 4 3 7 2 4 9 4 1 7 4 1 7 4 4 2 0 0 4 5 1 7 8 8 91 0 7 0 7 74 8 0 8 6 41 8 2 1 2 0 0 54 5 0 2 5 49 8 7 3 84 6 9 9 1 l1 7 3 6 2 0 0 63 7 8 7 8 18 9 4 5 54 3 1 1 3 91 7 1 8 2 0 0 7 3 2 7 2 0 9 8 1 6 4 9 3 8 0 4 4 21 7 6 7 根据上述事故数据统计分析，在我国的汽车交通事故中，车辆与行人相撞的比例最高， 约占汽车交通事故总数的2 7 n 1 。就其原因，这与目前我国行人、自行车、摩托车和汽车 混行的混合交通状况有很大的关系。与欧、美、日的交通状况不同，国内道路大多是行人、 自行车、摩托车和汽车混行，这种混合交通模式是我国道路交通的一大特色，预计这种情况 在今后相当长的时间内都很难从根本上得到改善。 2 扬州大学硕士学位论文 在所有的道路使用者中，行人是最易受到伤害的群体之一，是车辆碰撞事故中的高危 人群。根据公安部交通管理局的资料统计，我国2 0 0 0 年至2 0 0 3 年间道路交通事故行人伤 亡情况如表1 2 所示“1 。1 9 9 7 、2 0 0 3 年，在美国的交通事故中，行人的伤亡人数分别约占 交通事故伤亡总数的1 3 、1 0 佰1 ；在部分欧洲国家和日本，行人在交通事故中所占的伤亡 率高达3 0 5 1 。在中国，行人伤亡绝对人数相当大，而且，随着近年来汽车保有量的迅速增 加，驾驶员素质的参差不齐，以及中国道路长期存在的混合交通特点，行人在交通事故中的 伤亡总数将居高不下，甚至会有上升趋势。因此在我国开展行人安全性研究工作有着非常 重要的意义。 表1 2 我国道路交通事故行人死亡情况( 2 0 0 0 2 0 0 3 ) 限 年份死亡人数死亡率受伤人数 受伤率 2 0 0 02 4 5 8 0 2 6 1 9 5 5 1 0 4 1 3 1 6 2 0 0 12 8 2 7 42 6 6 9 7 5 1 3 71 3 7 5 2 0 0 22 7 5 7 52 5 2 1 7 6 7 7 91 3 ，6 6 2 0 0 32 5 6 7 32 4 6 0 6 8 0 4 01 3 8 0 在碰撞事故的行人受伤害部位分布情况的统计中，行人头部是受伤害最频繁的部位。 有资料统计，美国为3 2 7 ，欧洲为2 9 8 ，日本为2 8 6 ，澳大利亚为3 9 2 ，中国( 长沙) 为 3 1 7 。颅脑撞击损伤是交通事故中常见的损伤和主要致死原因之一，根据国外统计资料， 颅脑撞击损伤的发生率高达5 4 ；头部创伤在所有人体创伤中的比例约三分之一，在导致死 亡的创伤中比例高达6 8 7 1 。颅脑撞击损伤是伤后致死、致残的首要原因。根据美国国家 受伤防护与控制中心( n c i p c ) 的统计资料，美国每年约有2 5 0 ，0 0 0 人遭受严重颅脑损伤，其 死亡率高达2 3 ，为此付出的医疗费用高达4 5 0 亿美元，并造成许多不可忽视的社会问题。 1 2 国内外的研究现状与分析 行人的保护不同于车内乘员的保护。相对于车内的乘员来说，行人在车辆发生碰撞时， 其与车辆的相对位置和运动状态等因素远比车内乘员复杂的多，更具有不确定性n 1 。 美国交通部率先启动实验安全汽车计划( e s v ) ，旨在研究行人安全在内的各项汽车安 全技术。相对应的，欧洲于1 9 7 0 年成立的欧洲试验汽车委员会( e e v c ) n 先后启动了w g i o 、 w g l 7 这两个工作小组专门研究行人安全问题。日本汽车研究所( j a r i ) 、英国交通研究实验 室( t r l ) 、国际协调研究组织( i h r a ) 以及其它一些汽车制造商和科研院校也对行人安全和 事故再现做了比较深入的研究。在中国，行人安全的研究起步较晚，研究的范围也相对狭 基于p c c r a s h 下的车人交通事故伤害机理研究 窄。吉林大学1 2 1 主要研究了车辆前部结构对行人的伤害及相关设计方法，清华大学1 钉则 在国内率先进行了汽车撞行人的计算机仿真研究。湖南大学、上海交大、天津汽车技术中 心等单位也在行人安全和事故再现方面做了相关研究。 1 2 1 人车碰撞研究概述 人车碰撞事故再现首先是以人车碰撞过程仿真为基础，人车碰撞过程的研究主要是以 试验为主，理论计算为辅。试验既可以是物理试验，也可以是数值仿真试验。按试验方法 区分，行人被动安全研究可分为行人子系统撞击器( s u b s y s t e mm o d e l ) 试验和整体假人 ( f u ll s c a l ed u m m y ) 碰撞试验。 1 2 1 1 子系统模型研究方法 行人子系统撞击器试验就是用仿生撞击器模拟人体单个部位撞击汽车前部结构，如图 1 1 所示。 图1 1e e v c 行人子系统实验方案 这种试验的对象和方法都相对比较简单，有很好的可重复性和耐用性。而且，由于缺 乏成熟的实验用假人和仿真假人模型，以及p r - i s 实验( p o s t - m o r t e mh u m a ns u b j e c t ) 的昂 贵代价，使得子系统法成为目前比较常见的试验方法。行人子系统模型碰撞研究一般都以 e e v c 公布的报告n 6 1 为基础。e e v c 行人子系统试验包括：腿部撞击保险杠、儿童或成人头部 撞击发动机罩、大腿撞击发动机罩前沿、成人头部撞击风挡玻璃。当保险杠与腿部碰撞位 置高于5 0 0 m m 时，用大腿撞击器来代替腿部撞击器。 基于人体生物力学和事故分析的结果，e e v c w g l 7 建议需要测量的行人子系统模型。 实验的人体伤害指标及其限值如下： 腿部膝关节 膝关节最大侧向弯曲角度1 5 。 膝关节最大侧向剪切位移 r 6 m m 胫骨最大侧向加速度1 5 0 9 4 扬州大学硕士学位论文 大腿 大腿骨最大瞬时合力4 k n 腿骨最大弯曲力矩2 2 0 n m 头部 人头部h p c 值1 0 0 0 头部h i c 值1 0 0 0 除t e e v c 和欧盟，i s o 、i h r a 等组织也提出了自己的行人子系统实验方法，它们的方法 和评价标准也是以e e v c 标准为基础，内容体系大体一致，只在细节上略有不同。欧盟参照 e e v c 标准，2 0 0 3 年制订法规d i r e c t i v e2 0 0 3 1 0 2 e c 推行行人子系统实验方法以及相应 的仿生撞击器规范。t n o 等汽车安全仿真软件公司也相继开发了行人子系统模型的数值仿 真模型。 但是，随着研究的深入，n h t s a 、j a ri 、i h r a 等纷纷指出：s u b s y s t e m 实验不能很好反 映真实事故环境中的人车相互作用关系，用它来评价汽车对行人的安全性会有一定程度的 失真。例如，利用大腿撞击器碰撞发动机罩前沿大大减弱了大腿部位的旋转和滑移作用， 使测得的冲击大于实际情况。 1 2 1 2 整体假人研究方法 相对子系统方法而言，整体假人试验也有其不可替代的优势。完整的假人比子系统模 型更能反映人体各部分运动的综合影响，也更能反映人体的生物特性，而且还能模拟行人 与地面的二次碰撞。由于没有比较完善的机械式的行人假人模型，一般都用数值仿真来代 替物理实验。由j a rin 8 1 和t n on 钉建立的行人假人数值模型经过了比较充分的验证，已并 已广泛应用到的实际研究中，见图1 2 。 图1 2 整体假人数值仿真及验证 盔侈篮e 基于p c - c r a s h 下的车人交通事故伤害机理研究 越来越多的研究者利用子系统试验与整体假人试验相结合的办法来解决问题。k u e h n 趵1 提出利用整体假人碰撞仿真，提高子系统试验的真实性。发挥整体假人的优势，首先 得到重点分析的人体区域的运动学参数。然后，将整体假人的仿真结果作为子系统试验的 输入条件，利用e e v c 子系统试验，评价汽车的行人安全性。这样做既可以反映汽车前部结 构外形对行人运动的影响，也能更合理地确定人车接触的位置。相类似地，n h t s a 2 1 1 提出 利用子系统试验计算比较人体关键部位的伤害情况，并结合整体假人碰撞仿真，可以减少 p 删s 验证实验的数量。 1 2 2 人一车碰撞事故再现 人车碰撞事故再现是利用人车碰撞仿真，根据己知的人体损伤、车辆变形、现场信息 等证据，求解事故发生时的车辆和行人运动，解释事故发生时情形。事故再现是人一车碰 撞仿真的目的之一，它既可以为事故鉴定服务，也可以部分取代p - i s 实验为行人安全研究 提供宝贵的数据。 碰撞事故再现始于2 0 世纪7 0 年代，也经历了由依靠经验公式判断到数值仿真试验的发 展过程。根据事故数据和实验记录，统计分析行人抛距与车速间的内在规律，成为早期鉴 定碰撞车速的主要方法。随后，y a n g 、i s h i k a w a 、h a p p e en 2 1 分别建立了多刚体行人假人 模型，使数值仿真事故再现成为可能。m o s e r 呦1 等将行人模型引入事故再现软件p c c r a s h 。 f o r d 2 4 1 公司建立基于l s - d y n a 的行人仿真假人模型进行事故再现，各种车型对行人造成 的伤害。r o o i j 2 目建立复杂的多刚体车辆模型，把子系统试验法与整体假人试验法相结合 进行事故再现。m o n a s hu n i v e r s i t y 协根据6 起真实交通事故做事故再现，评价用数值模 型做事故再现的可行性。 人车碰撞事故再现在很大程度上受到了行人仿真技术的影响。总体上，建模技术逐渐 由单纯的多刚体模型向多刚体与有限元相结合的模型过渡，充分利用多刚体计算效率高和 有限元能精确反映结构几何外形和接触刚度的特点。 当前，国际上用于事故再现分析的计算机软件逐渐发展并趋于完善，主要集中在欧美 和日本等发达国家。美国于7 0 年代开始应用计算机辅助进行交通事故分析，相应的软件 有s m a c 、c r a s h 、e d c r a s h 和e d s m a c 等，其中s m a c 软件是模拟类软件的代表，主要使用 牛顿第二定律的数值积分进行求解；c r a s h 软件则采用碰撞前后的能量守恒和平移动量守 恒求解碰撞过程；奥地利h s t e f f a n 博士开发t p c c r a s h 软件，是用于典型交通事故的模 拟系统，近年来还在不断将其完善，将多体系统动力学软件m a d y m o 的人体模型引入车撞行 人等事故情形的分析中扮1 ；法国i n r e t s 研制t a n a c ，除微机版本外，还开发了增强型的 6扬州大学硕士学位论文 工作站版本，使用1 2 1 4 自由度的多体系统车辆模型，后处理中实现了数字图像动画仿真； 日本j a r i 还推出了j 2 d a c s 软件等。此外，9 0 年代由d d a y 研制的f i v e 仿真软件 ( h u m a n - v e h i c l e - e n v i r o n m e n t ) 伽，为一综合性的实用化仿真软件。各种软件由于使用模 型的差异，其相应的理论基础、适用领域和基本功能也各具特色。将上述各种软件相互集 成而结合使用，发挥各自的优势，是目前事故再现仿真软件应用的一大特点。比如，h e r m a n n s t e f f a n 等人将p c - c r a s h 和m a d y m o 集成，利用前者的汽车、环境模型和后者的人体模型， 实现了对交通事故中行人运动情况的仿真n 。 1 3 本文模拟软件的选取依据 在一般的汽车被动安全性研究中往往都是从运动学理论、动力学理论、有限元仿真等 方面建立详细的人体及车辆模型来进行仿真，对车的运动情况、变形情况、人的损伤程度 等都做了具体分析，笔者认为从另一个角度来考虑保护行人的措施，即研究人与车碰撞时， 车头形状，汽车的刚度等对于行人的运动学和整个轨迹的影响，这样也能获得在设计发动 机罩板时需要的一些参考性意见。由于这方面的研究可以忽略车身碰撞变形，即：在人一 车碰撞事故中车辆变形相对较小的情况下，利用多刚体动力学方法采用多个刚体来描述一 个系统，这样，通过刚体之间的一定穿透量来模拟碰撞变形，而不必建立详细的有限元模 型就可达到较好的仿真再现效果。同时整个仿真过程具有计算时间短、仿真效率高、结果 易修正等优点，能够达到快速的交通事故再现研究作用。 为此，我们考虑引进集中在欧美和日本等发达国家，运用的比较成熟的奥地利p c - c r a s h 软件，该软件已经将多体系统动力学软件m a d y m o 的人体模型引入汽车撞行人等事故的情 形，据此来进行仿真，可以很好的实现交通事故中行人运动情况的模拟。 1 4 主要研究内容 道路交通事故是一个非常复杂的过程，它历经时间短，车速变化大，人体和车身都有 可能受到很大的冲击力，要完整再现整个交通事故的过程非常困难。事故再现是根据事故 现场遗留的刹车痕迹、车体破坏变形、人体损伤等基本信息利用数值模拟的方法推断事故 过程。因此，建立准确的碰撞事故模型至关重要。根据道路交通事故特点，事故再现仿真 可过程分为两个阶段。 1 碰撞持续阶段的仿真。车与车( 或者行人) 开始接触瞬间到脱离接触瞬间的时间历 程。主要描述车辆发生碰撞瞬间的状态以及车与行人的碰撞部位，此时车辆山碰撞瞬间的 碰撞初速度，变成碰撞结束瞬间的碰撞后速度。如果是车一行人碰撞，则可以确定人体的 受伤部位。 基于p c c r a s h 下的车人交通事故伤害机理研究 2 碰撞后，车辆及行人的自由运动仿真。在人一车碰撞的分离阶段，车辆和人体的运动 是相当复杂的，车辆在地面摩擦力等约束下，速度发生剧烈变化。行人与地面也会产生碰 撞，人受到的作用力很大，极有可能致死，人体各部位的加速度和力则可以衡量事故中行 人的安全性。 根据本文的研究对象和交通事故的特点确定本文的主要研究内容： a ) 研究适用于交通事故再现的车辆和行人多刚体模型。 b ) 研究多刚体模型车一行人事故再现的方法，并通过案例验证这一方法。 c ) 研究在交通事故中的行人伤害，对人体损伤的生成原因及损伤程度进行合理解释， 并得出伤害度指标与碰撞速度的关系，从而为汽车碰撞事故鉴定提供理论依据及数值参 考。 8扬州大学硕士学位论文 第二章p c - c r a s h 软件及人体多刚体模型 2 1p c - c r a s h 仿真分析软件简介 p c - c r a s h 软件是以运动学，动力学的原理，如速度，加速度关系式，牛顿定律，尤拉 算式及动量守恒，能量守恒原理等为理论基础，建立多组物理和数学模型，以反映事故过 程中事故诸元素的相对运动及相互作用状态和内在联系。同时，通过在事故现场中采集的 各种物理参数在相应“顺序窗口”中的输入和校正，使得该起碰撞事故能在计算机上做碰 撞模拟，最终可确定事故处理中所需要的诸如碰撞速度，碰撞前制动初速度及驾驶员的反 应和操作情况等事故数据和资料。 p c c r a s h 系统的应用过程，大致可以分为以下几步： 1 ) 构制现场图：利用p c - s k e t c h 构制出与实地相近的现场路面图形，并且将其输入到 p c - c r a s h 事故模拟分析中去。 2 ) 选车：可以从数据库中调出所需要的车辆图形及相应的参数，如果事故车是数据 库内所没有的新产品，可重新写入存用。 3 ) 设定车辆与行人的初始位置：将碰撞车辆与行人摆在找出的碰撞点上。 4 ) 行驶状况写入：将碰撞前的各种行驶状况数据写入，以此可以确定相应的驾驶和 行走情况。 5 ) 碰撞模拟：通过调整碰撞速度、车辆与行人的碰撞角度等，确定出碰撞发生的各 种可能性，作模拟碰撞实验，直至最终符合事故终了时车辆和行人的基本状态，得出所求 的数据。 6 ) 输出结果：将模拟结果输出并打印成相应文件材料。 2 2p c - c r a s h 软件的算法原理 2 2 1 概述 对于事故的分析一般都包括模拟和再现两部分，即所有的车辆运动不是用正向( 正推) 时间步长，就是负向( 反推) 时间步长。模拟就是包括车辆所有的正推运算运动，事故再 现的反推模拟除了所有的计算是基于负的时间步长外，其余是和正推模拟同等的。另外， p c c r a s h 包含两种车辆运动模拟模型：运动学模型( 默认) 和动力学模型。 2 2 2 软件中的坐标系 车辆被定义为在外力作用下移动的刚体。为了简化几何定义，这里要用到三种坐标系。 包括固定的全局坐标系o x y z ，和车辆连接在一起的车辆坐标系o ，x ，y ，z 7 ，以及每个车轮 基于p c - c r a s h 下的车人交通事故伤害机理研究 9 上的第三坐标系rrz 。每个坐标系的原点和方向描述如下( 见图2 1 ) ： zy 。 z x 7 图2 1 车辆三坐标系图 1 、开始运行p c c r a s h 时，全局坐标系o x y z 的原点在计算机屏幕的中间。坐标方向为： x 轴一正向指向屏幕的右侧； y 轴一正向指向屏幕表面向内； z 轴一在重力方向上竖直向上。 2 、车的质心定义为车辆坐标系0 ，x 7y 7z 7 的原点。坐标方向为： x7 轴一正向指向车辆的前部，和车辆纵向对称轴致； y 轴一正向指向车辆的左侧，并垂直于车辆的纵向对称面； z7 轴一正向指向一个向上的方向，由右手定则来决定。 3 、轮胎和路面之间的接触点作为每个轮胎坐标系r 的原点。坐标方向为： x ”轴一在路面上，和轮胎的纵向轴方向一致，正向指向轮胎前部； y ”轴一在路面上，正向指向轮胎的左侧； z ”轴一垂直于路面，正向指向上方。 矢量) ( f f i 确定了车辆质心在全局坐标系中所在的位置。车辆的旋转依据旋转矩阵t 来确 定，矩阵t 是包括三个方向旋转的组合式。旋转变换次序定义如下( 见图2 2 ) ： l 、车辆质心位置的变换，首先是关于全局坐标系中的z 轴的旋转( 矽。) ； 2 、其次是关于车辆坐标系中y7 轴的旋转( 咖。) ； 3 、最后是关于车辆坐标系中x 轴的旋转( 西。) 。 1 0扬州大学硕士学位论文 y 蚓“c o s 3s 。i n s 矧 l 001j 鸩仨三三 m = 竺0 纠 丁= ( m ) ( 鸩) ( 坞) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 基于p c c r a s h 下的车人交通事故伤害机理研究 c o s # 2s i n # 3 s i n # , s i n 痧2s i n 谚3 + c o s 1c o s # 3 c o s # ls i n # 2s i n # 3 s i n # 1c o s 3 fc o s # 2c o s # 3 s m 确s i n # 2c o s # 3 一c o ss i n # 3c o s 破s i n # 2c o s 缟+ s i n a is i n 矽b1 t 一= ic 0 s 欢s i n 庐b s i n ls m 欢s i n 谚3 + c o s 磊c o s # 3c o s d ls i n 2s i n # 3 - s i n # ic o s # 3i ( 2 6 ) l s i n # 2s i i l 稿c o s 磊c o s # ic o s 矽, 2 j 2 2 3 汽车的运动方程 m 2 = f ( 2 7 ) 一 j = f m ( 2 8 ) 一 一7 戈= f x m ( 2 9 ) 少= fv m ( 2 1 0 ) ，v 、_ 2 = e f m ( 2 1 1 ) z l = m ( 2 1 2 ) _ 一 、一 包西+ 彩包彩= m ( 2 1 3 ) f l 一0 一k 见= l 一， ，一， 。 j x yyy z i 一，一， x z y z 2 ( 2 1 4 ) 由于车辆局部坐标系选取一7 平面作为汽车的对称面，因此，轴就成为主轴，所 l f uo 厶 、，欢唬 唬；穹啵啷瞄 一嘲嘲噍办 吼 。弓； m么? 湖 o r ，仪晚红 欢硌 s x a 峨一渺仪欢噍 n m 蓦爱 孬萌 n g 螂 以在这里厶，= o ，r ，= o 。 这时，车辆转动惯量厶：一仍然存在。由于大多数车辆的质心基本都会在汽车中心位置 上并且汽车的质量分布都在纵向上对称的分布，所以在p c - c r a s h 软件中把l - ：这个分量 假定为零。 所以，口c 就简化为： o c = ，0o x 0，0 y 0o， z ( 2 1 5 ) 系统的微分方程司以分解成公式( 4 1 6 ) ( 4 1 7 ) ( 4 1 8 ) 的形式，并且每个h - 程都可以 独立求解。 吒= 略一乞w z + w y w ( 2 1 6 ) 0 吨= 鸭+ 乞w z 一t w z ( 2 1 7 ) 乞屹= 坞一0 喙w y + w y ( 2 1 8 ) 2 2 4 运动方程的求解 首先，质心处各方向的加速度分量在全局坐标系中表示为： 戈= 鲁 ( 2 1 9 ) p = 鲁 ( 2 2 0 ) 2 = 鲁 ( 2 2 1 ) 质心处豺af 时刻的速度可以由下式求得： 墨，+ f ) = 墨，) + t ，) a t ( 2 2 2 ) y ( t + 址) = y ( t ) + 誓f ) a t ( 2 2 3 ) z m = z + z t ) a t (224)it)( f + a ，) 一7 质心处什才时刻的坐标可以由下式求得： x ( t + 6 t ) - 五，) + 墨矿垃+ l ，) 等 ( 2 2 5 ) y ( t + 6 t ) - k f ) + 枷蚺或，) 等 ( 2 2 6 ) 基于p c - c r a s h 下的车- 人交通事故伤害机理研究 z ( f + 址) = z ( ，) + 2 ( f ) f + 之( ，) _ a t 2 ( 2 2 7 ) 其中，芒为积分的时间步长，其大小可以在软件中更改( 默c j k 似j 5 m s ) 。 可以利用下式将全局坐标系下的速度变换为局部坐标系下的速度，t 。1 的表达式同公式 ( 2 5 ) ： 矿7 = ，矿 ( 2 2 8 ) 车辆局部坐标系各方向角加速度向量： 妒盟壁掣型 ( 2 2 9 ) = 婴生宅坠地型 ( 2 3 。) 话= ! 丝：生兰：竺i 二生：监：兰：! z i z 。 ( 2 3 1 ) 1 段设角加速度在a 舌时i 司内为一定值，则什a 芒时刻的角速度就可以表示成： 峨，似) = 屹i ，) + 以- a t ( 2 3 2 ) w y = w y ? n + 以a t(233)(t-at) 1 o ( ，) o 、一 w z i 舢) = 屹( ，) + 屹a t ( 2 3 4 ) 此刻，汽车旋转过的角度即为： 丸t ( ，+ 矿+ 屹a t + w x “等 ( 2 3 5 ) 纸他，= 饥，+ 蚺，等 ( 2 3 6 ) 啦= 纸，+ a t + , z b 等 ( 2 3 7 ) 这些在汽车局部坐标系中得到的旋转角度必须变换为与最初定义的旋转轴一致的汽 车全局坐标系下的旋转角度才可以方便使用。 在惯性坐标系中的旋转轴的方向为： 1 4 扬州大学硕士学位论文 q = 蚤 ，乞= 羔 ，岛= 三 圣 c 2 3 8 ， = s i n ( # 1 )c l = c o s ( 办) ( 2 3 9 ) s 2 = s i n ( 2 )e 2 = c o s ( 红) ( 2 4 0 ) s 3 = s i n ( 孕5 1 3 )c 3 = c o s ( 红) ( 2 4 1 ) 破，2 ，3 = 丁丸：y ：z ( 2 4 2 ) 于= 墨三三l 兰 一1 = j c 2 二 苫0c$。1二*?s2一c：1*s巳2 c 2 4 3 ， 破= 九+ 量兰力，+ ! 丛龙( 2 4 4 ) c， 呜= l 力+ l 红( 2 4 6 ) 基于p c c r a s h 下的车人交通事故伤害机理研究 1 5 表2 1 和2 2 所示。 表2 1 人体的刚体定义 b o d y0胸部 b o d y1 0 左上臂 b o d y1臀b o d y1 1右小臂 b o d y2左大腿b o d y1 2颈 b o d y3左小腿 b o d y1 3 头 b o d y4左脚 b o d y1 4 左膝 b o d y5 右大腿 b o d y1 5 右膝 b o d y6 右小腿 b o d y1 6虚拟左小腿 b o d y7右脚 b o d y1 7 虚拟右小腿 b o d y8 右上臂 b o d y1 8 虚拟左大腿 b o d y9右下臂b o d y1 9虚拟右大腿 表2 2 人体的关节定义 关节0连接刚体0 - 1关节1 0连接刚体8 - 9 关节1连接刚体0 1 2关节1 1连接刚体1 0 - 11 关节2连接刚体0 - 1 0关节1 2连接刚体1 2 - 1 3 关节3连接刚体0 8关节1 3连接刚体2 - 1 4 关节4连接刚体1 - 2关节1 4连接刚体5 - 1 5 关节5连接刚体1 5关节1 5连接刚体3 - 1 6 关节6连接刚体2 - 3关节1 6连接刚体0 - 1 7 关节7连接刚体3 - 4 关节1 7连接刚体0 - 1 8 关节8连接刚体5 - 6 关节1 8连接刚体0 - 1 9 关节9连接刚体6 7 在表2 1 人体的刚体定义中，刚体1 6 刚体1 9 是人体的腿部模型，由于腿部椭圆模型 1 6 扬州大学硕士学位论文 在模拟中不易进行人体与缓冲器接触时的受力分析，而这四部分相对于刚体2 、3 、5 、6 来 说有更接近球状的外形轮廓，所以对其进行虚拟大、小腿刚体假设。 图2 3 多刚体假人模型 2 3 2 多刚体系统坐标系 多体系统使用两种坐标系。第一坐标系是地面坐标系，第二坐标系是刚体固定坐标系， 它是用椭球体的半轴来定义的。这两种坐标系均符合右手法则。如图2 4 所示。 地面参考系是一个单独的牛顿惯性参考系，它固定在一个“绝对静止”的空间中。通 过地面参考系建立机械系统的“绝对静止”参考系。属于地面框架上的任何一点的速度和 加速度均为零。 系统的坐标系广泛采用直角坐标系，直角坐标系有一个原点和三个互相垂直的单位坐 标系矢量组成，常用的笛卡尔坐标系就是一个采用右手规则的直角坐标系。运动学和动力 学的所有矢量均可以用沿三个单位坐标矢量的分量来表示。 z p e 工 图2 4 惯性坐标系和固结在椭圆球上的坐标系 对于多体系统中每一个刚体，可分别规定下列特性参数： 几何外形。每个刚体均由一椭球体来表示，其a ，b ，c 轴长及扁平率n 可以任意设定。 质量和转动惯量。每个刚体相对于三个轴的转动惯量及其质量要事先设置。 刚度系数。每个刚体都有不同的刚度系数，这个系数在计算接触力的时候要用到。 基于p c c r a s h 下的车人交通事故伤害机理研究 1 7 摩擦系数。可以确定两种摩擦系数。一种是用于椭球体与车体接触的摩擦系数，另一 种是椭球体之间以及椭球体与地面之间接触的摩擦系数。这些摩擦系数都假定为与贯入量 无关。 利用上述坐标系，对每一个刚体，即每一个扁平率为n ，半轴为a ，b ，c 的椭圆球的表 面和法向面，可用下式描述： p