（车辆工程专业论文）汽车行人碰撞事故中行人颅脑动力学响应及损伤防护的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 行人作为道路交通使用者中的易受伤群体，事故发生率极高。汽车行人碰撞事故 中，行人颅脑损伤占身体各部位损伤总数的百分之三十以上，是造成死亡的主要原因。 颅脑创伤还可导致各种能力的丧失并伴随有长期后遗症，对受害者和社会造成严重的经 济损失。行人安全问题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。 本文的目的在于通过建立汽车行人碰撞的数学模型来研究事故中行人颅脑动力学 响应和生物力学响应，分析汽车行驶速度、前部结构尺寸和刚度对行人颅脑损伤的影响， 讨论行人损伤防护的可行性措施。 行人安全研究包括假人实验、尸体实验、事故重建、事故数据分析和计算机仿真研 究。本文通过m 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 5 0 百分位行人多体动力学数学模型模拟行人，汽车模型根据产品轿车前部几何形状尺寸 建立。汽车模型的机械特性根据欧洲新车评估计划动态试验结果定义。参考世界各国汽 车前部几何形状统计数据，设计了前部结构尺寸和刚度等参数。采用因子试验方法，在 汽车碰撞速度2 0 至5 0 公里孙时的条件下进行了汽车前部结构尺寸和刚度对行人颅脑损 伤影响的分析。 根据仿真和参数分析计算结果和颅脑损伤机理，研究了不同参数下行人颅脑损伤程 度。研究表明，汽车行人碰撞发生时，若汽车行驶速度在4 0 k i i 曲以上将极易导致行人 颅脑严重损伤，从而城市道路特别是行人密集区域汽车限速最好在3 0 4 0 妇l m ；汽车前 部结构刚度对行人颅脑损伤影响显著，适当降低发动机盖和挡风玻璃的刚度将有利于减 小行人颅脑严重损伤的风险性；汽车发动机盖缘高度对行人颅脑损伤影响也很显著，而 其它结构尺寸参数在一定程度上也可影响行人碰撞中的动力学响应。 本文为研究行人与汽车碰撞生物力学问题和开发行人颅脑损伤的防护技术，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：行人颅脑交通伤参数研究数学模型碰撞仿真 i i 汽车- 行人碰撞事故中行人颅脑动力学响应及损伤防护的研究 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 芒! = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = a b s t r a c t p e d e s 砸a n sa r et h em o s t 1 1 1 e m b l em a du s e r s ，a n df k q u e n t l yi n v o l v e di nv e l l i c l et r a f f i c a c c i d e n c e s t h eh e a d - b r a j ni n j 丽e si nv e h i c l e - p e d e 矧a i lc o l l i s i o n sa c c o u n tf o r3 0 o fa l l r e p o n e d u r i e so nd i 圩c r e n tb 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 lc o n s e q u e n c e 加l d s u c h 两1 1 r i e sc a nr e s l l l ti nd i s a b i l i t i e sa 1 1 di n p a r e m e 心，w l l i c hl e a dt os i 鲥丘c a n ts o c i a lc o s t s h o wt om d k ep e d e s t r i a n sm o r es a f c r ，h a sb e c o m ea ni s s u ew i t hw o r l d w i d ec o n c e m t h ea j mo f 血i st h e s i si st os i l n l l l a t et 1 1 ed y n 锄i cr e s p o n s e sa n db i o m e c h a l l i c a lr e s p o n s e s u s i n gav e h i c l e - p e d e s 雠a ni m p a c tm a 也e m a t i cm o d c l ，t oa n a l y s em ei n n u e n c e so fv e m c l e s p e e d ，s t i f f h e s s 趾dd i m e n s i o no ff 幻n ts 仇l c n 】r et op e d e s t r i a i lh e a d - b r a i n l | d e s ，a n dt o d i s c l l s st l l em 啪so f p e d e s t r i a np r o t e c t i o n 丘d mv e h i c l cc o l l i s i o n s t h es t u d i e so fp e d c g t r i a n s a f e t yh a _ v e b e e n 谢d e l yc a r r i e do u tu s i n gd i 路r e n t a p p r o a c h e s ，i n c l u d i n gf i l l ls c a l ed 1 1 i i l m yt e s t s ，c a d a v e rt e s t s ，a c c i d e mr c c o n 蚰兀l c t i o n s ，a n a l y s i s o fa c c i d e n td a t aa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n s i i ln l i ss t u d yt 1 1 ev e h i c l e - p e d e 嘶a ni m p a c tm o d e l w a sd e v e l o p e du s i n gn m l t i - b o d yp r o g r 踟_ nm a d y m o n l e p e d e s t r i a nw a ss i m u l a t e du s i n g 恤c h a l i n e r sp e d e 嘶a n5 0 m a l ea d l d tm o d e l ，m ep a s s e n g e rc a rm o d e lw a sd e v e l o p e d b a s e do nm ef 如n tg e o m e t r yo fap r o d u c t i o nc a r t h em c c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h ec a rm o d e l w a sd e 矗n e db a s e do nr e s u h s 舶me l l r o n c a pd y n 锄i ct e s t s f a c t o r i a lt e s tm e t h o dw a s a d o p t e di nt l l i st l l e s i s ，t oa n a l y s em ei n n u e n c e so fp a s s e n g e rc a rf r o n ts t m 咖r e sa n ds t i 舫e s s o np e d c s t r i 趾h e a d - b m i n 蝎u r i e s i nt l l ep a r a m e t e rs t u d y 血ec a rf 如n t a lg e o m e 仃y 锄ds t i 曲e s s w a sd e f i n e db a s e dar e f e r e n c et op a s s e n g e rv c l l i c l e sp r o d u c e di nd i 伍：r e n tc o l h 衄e sa ti m p a c t s p e e d so f 2 0 ，3 0 ，4 0 ，a i l d5 0k r i 油 t h er e s u l t s 丹o m 恤i ss t u d yw e r ea i l a l y z e da i l dd i s c u s s e di nt e m l so f 删u r ym c c h a n j s m t h er e s u l t 咖e do u tt ob eo ft h a t ：f i r s to fa l l ，v e l l i c l es p e e dh a dt h es i g n i f i c 趾ti n 妇u e n c et o h e a d b r a i n 埘u r i e s ，i tw o u l dl e a df a t a l u r i e sw h e nt h es p e e de x c e e d4 0 k i i 汕；s c c o n d l y ， s t i 缸e s s e so f c a r 舶n tp a n sa l s oa 腩c t e dt h el e v e lo f h e a d b r a i n 蜘u a n dp m p e r l yr e d u c i n g t l l es t i 盯n e s s e sh a dm eb e n e f i t so fi n l p r o v i n gh e a dp r o t e c t i o n ；r d l y ，m eh e i g h to f b o i l l l e t l e a d i n ge d g ew a sa l s oi m p o n a mt op e d e s t r i a i lh e a d _ b r a i ni n j 嘶e s ，a n do m e r 曲i l e n s i o n p a r 锄e t e r s ，m o r eo rl e s s ，h a dr e l a t i o n s l l i p st ot l l eo u 印u t s t l l i ss t i l d yp r o v i d e da ne 虢c t i v ea p p r o a c ha 1 1 ds i m u l a t i o nm o d e l sf o rr e s e a r c ho n 埘u r y b i o m e c h a n i c sa 1 1 dd e v e l o p m e n to fs 疵rv e 城c l ef o rp e d e s t r i a np m t c c t i o n k e yw o r d s ：p e d e s t r i a n ，h e a d b r a i nt m m c 竭u r y ，p a r a m e t e rs t 1 d y ，m a t h e m a t i c a l m o d e l - c r a s hs i m u l a t i o n i i i 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 何其他个人或集体己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。 作者签名： 日期：柝7 月日 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d 。 ( 请在以上相应方框内打“”) 嗍编7 月日 纽日期：蒯年7 月日 勉 矿 名名登奎者师作导 硕十学位论文 1 1 引言 第l 章绪论 自1 8 9 9 年第一起有记录的交通死亡事故以来，汽车在方便人类的同时，也 时刻威胁着人类的生命财产安全。随着近年来全球城市化进程的加速，机动车辆 数量增加迅速，交通事故发生率也频频上升。世界卫生组织( w h o ) 和世界银行共 同发表的预防道路交通伤世界报告指出2 0 0 2 年全世界有1 2 0 万人死于道路 交通车祸【l 】。由此造成了巨大的经济损失、严重的后果和社会不安定因素。交通 事故伤害已经成为威胁人类生命安全的“世界第一公害”【2 1 。 交通事故伤害中，约6 5 为易受伤害的道路使用者。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 o ( 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) 【3 1 。2 0 0 4 年，我国交通事故死亡人数统计 为1 0 万7 千多人，其中行人死亡人数约占2 5 1 4 】。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。 车辆行人碰撞事故中，行人头部和下肢损伤几率最大【5 j ( 表1 1 ) ，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。 表1 1行人人体各部位损伤统计1 5 1 人体各部位损伤分布( ) 澳大中国 人体部位 欧洲德国日本瑞典美国 利亚( 长沙) 4 1 9 l 例1 4 4 0 例3 6 0 例1 3 2 9 例1 3 4 2 例 1 6 3 例4 3 8 例 头部 3 9 32 8 42 9 82 9 92 8 62 6 53 2 7 面部 3 73 85 35 22 43 03 7 颈部 3 10 41 81 74 52 5o 0 胸部 1 0 47 11 1 61 1 78 51 0 89 5 腹部 4 92 o3 83 44 84 77 7 骨盆 4 95 o7 97 94 59 25 3 上肢 8 o8 88 18 29 o1 4 77 9 下肢2 5 8 2 7 4 3 1 33 1 63 7 2 2 8 63 3 3 未知部位 0 o7 6o 50 42 10 0o 0 总计1 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0l o ol o o 汽车行人碰樟中行人颅脑动力学响戍及损伤防护的研究 1 2 行人头部损伤防护技术发展现状 随着汽车技术的迅猛发展，人们越来越重视汽车的安全性问题。在过去很长 一个时期内，学者和专家关注的问题主要集中于乘员的主被动安全研究，而基于 行人保护方面的安全性研究起步较晚。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 嵋】，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。制定相应的行人安全法规是一条解决行人损伤问题的有效 途径，欧洲日本等国的研究发展之路可以作为中国行人安全保护研究的借鉴。 1 2 1 欧洲行人安全法规的发展历史 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 8 10 1 。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。1 9 9 1 年6 月，w g l o 完成了上述工作，在第1 3 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( 图1 1 ) ，并于 1 9 9 4 年提出最终改进方案。1 9 9 4 年，w g l o 解散。 1 9 9 7 年5 月，在e e v c 操作委员会的促成下，w g l o 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 【9 】。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1 9 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u ： 成人头部 图1 1子系统冲击器试验 2 硕士学位论文 表1 2e e v c 行人法规p h a s e1 ( 头部冲击器) 相关参数 儿童头部冲击器成人头部冲击器 与发动机盖前部( i s o ) 与挡风玻璃( 只做记录) 冲击器质量 3 5 k g 4 8k g 碰撞速度3 5k m m 3 5k m m 碰撞角度 5 0 。3 5 。 w a d l 0 0 0 或发动机盖缘参考 应用区域 线至发动机盖后缘参考线 挡风玻璃区域 b r r ，发动机盖整个区域 2 3 区域：h i c s l 0 0 0 测试要求 h i c s l 0 0 0 l ，3 区域：h i c 丑0 0 0 表1 3e e v c 行人法规p h a s e2 ( 头部冲击器) 相关参数 儿童头部冲击器成人头部冲击器 与发动机盖前部与发动机盖后部 冲击器质量 2 5 蚝 4 8 k g 碰撞速度 4 0k m i i4 0k m m 碰撞角度 5 0 。6 5 0 应用区域 、 ，a d l o o o 至1 5 0 0、m d 1 5 0 0 至2 1 0 0 测试要求 h i c 1 0 0 0 图1 2 绕转距离定义 第一阶段( p h a s e1 ) ：到2 0 0 5 年7 月1 日为止，欧洲汽车工业协会( a c e a ) 成 员中所有新车型都必须通过2 项部件冲击试验( 下肢和儿童头部) 。到2 0 1 0 年7 月 1 日为止，所有新车中的8 0 必须通过试验，2 0 1 1 年达到9 0 ，到2 0 1 2 年达到1 0 0 。 汽车珩人嗣f 撺中行人颅腩动力学响府及损伤防护的研究 第二阶段( p h a s e2 ) ：到2 0 0 5 年7 月1 日为止，所有新车型都必须通过全部 4 项部件冲击试验。到2 0 1 0 年7 月1 日为止，所有新车中的8 0 必须通过试验， 2 0 1 1 年达到9 0 ，到2 0 1 2 年达到l o o 。 表1 2 和1 3 中仅列出了头部冲击器试验的相关参数( 绕转距离w a d 定义见 图1 2 ) 。 1 2 2 其它行人安全法规介绍 美国、日本和澳大利亚等国也开展了大量的行人安全防护研究。美国国家高 速公路交通安全管理局( n h t s a ) 于1 9 9 4 年1 9 9 8 年实施了行人碰撞数据研究； 日本汽车研究所( j a r i ) 分别于1 9 8 7 1 9 8 8 年以及1 9 9 4 1 9 9 8 年对行人碰撞数据 进行研究；澳大利亚a d e l a i d e 大学的交通事故研究机构通过头部碰撞来研究汽车 前端对人体头部的损伤【1 2 1 。日本也建立了相应的行人安全保护法规，包括2 个头 部冲击器测试【13 1 。 我国的汽车安全性研究起步较晚，目前尚未建立行人安全法规，但是行人保 护的研究工作正在积极开展叫，1 2 l 。国内相关院校及一些科研单位正在进行前期研 究，可以预见不久的将来中国也将拥有自己的行人保护法规。 1 2 2 1i h r a 法规 表1 4i h r a 行人法规( 头部冲击器) 相关参数 儿童头部冲击器成人头部冲击器儿童头部冲击器成人头部冲击器 与发动机盖前部与发动机盖后部与挡风玻璃与挡风玻璃 冲击器质量 3 5 k g4 5 i q g3 5 k g4 5 蚝 碰撞速度 3 2 h n ，h3 2 k m i i3 2 k m i i3 2 k m ，i i s e d 肌6 5 06 5 。4 0 。4 0 。 碰撞 s u v6 0 09 0 。4 0 04 0 。 角度 1b o x2 5 。5 0 。5 0 。5 0 。 w a d l 0 0 0 或发动 机盖缘参考线至w a d l o o o 至1 7 0 0 、d 1 7 0 0 至2 1 0 0、d 1 7 0 0 至2 1 0 0 应用区域 w a d l 7 0 0 或发动或挡风玻璃后缘 或b r r 或w r r 机盖后缘参考线参考线w r r b r r 测试要求h i c 1 0 0 0 i | 玎乇a 的头部冲击器实验包括成人与儿童头部冲击器与发动机盖及挡风玻璃的四项 试验。试验的车型分为三类，s e d a n 、s u v 和lb o x ，分类依据： ( 1 ) b l e ( 发动机盖缘高度) 8 3 5n l i i l ，s u v ： 4 硕士学位论文 ( 3 ) 发动机盖倾斜角芝3 0 0 ；1b o x ( 一厢车) 具体实验参数见表1 4 。 1 2 2 2 日本法规草案 日本法规草案基本遵循认法规，只有冲击器和发动机盖碰撞试验( 表1 5 ) 。 试验车型的定义同渔定义。 表1 5日本行人法规草案( 头部冲击器) 相关参数 儿童头部冲击器与发动机盖前部成人头部冲击器与发动机盖后部 冲击器质量 3 5 l ( g4 5 k g 碰撞速度 3 2 k m l l 3 2 h i 仉i s e d 6 5 。6 5 0 碰撞角 s u v6 0 。 9 0 0 度 lb o x2 5 。5 0 0 w a d l 0 0 0 或发动机盖缘参考线至 应用区域 ，a d l 7 0 0 或发动机盖后缘参考线w a d l 7 0 0 至2 1 0 0 或b r r b r r 2 ，3 区域：h i c s l 0 0 0 测试要求 l 3 区域：h i c 雯o o o 1 2 2 3e u r o n c a p 测试 欧洲新车评估计划在e e v cp h a s e l 和p l l a s e 2 的基础上，制定了一系列的测试方法， 针对行人安全进行试验打分。2 0 0 5 年，雪铁龙c 6 以其优异的行人保护装置获得了 e u r o _ n c a p 测试4 星得分，是目前为止行人安全测试的最高得分m 。 表1 6 e u r o - n c a p 测试( 头部冲击器) 相关参数 儿童头部冲击器成人头部冲击器儿童头部冲击器成人头部冲击器 与发动机盖前部与发动机盖后部与挡风玻璃与挡风玻璃 冲击器质量 2 5 蚝4 8 l ( g 2 5k g 4 8 毽 碰撞速度4 0k m m4 0 k m m4 0 l ( 1 n l l4 0 h n ，1 1 碰撞角度5 0 。6 5 。5 0 06 5 0 应用区域w a d l 0 0 0 至1 5 0 0w a d l 5 0 0 至2 l o o、 a d l 5 0 0 至2 1 0 0、 ，a d l 5 0 0 至2 1 0 0 测试要求h i c s l 0 0 0 1 3 5 0 1 2 3 行人安全防护方法 行人安全防护的方法主要分为两类：主动安全和被动安全。主动安全的目的 在于避免车辆和行人碰撞的发生，被动安全的目的在于当碰撞不可避免时尽量减 小行人的损伤【m 16 1 。 5 汽车行人碰樟中行人颅脑动力学响府及损伤防护的研究 主动安全方法主要有1 5 ，1 6 】： ( 1 ) 加强交通管理，采用车辆限速装置； ( 2 ) 采用辅助制动装置，降低汽车与人碰撞的速度； ( 3 ) 采用电子探测装置，避免事故的发生； ( 4 ) 采用视野扩大辅助装置，加强驾驶员事故预见能力。 被动安全方法主要有1 5 ，1 6 】： ( 1 ) 低速碰撞下友好的汽车前部结构设计( 保险杠、发动机盖和挡风玻璃等) ； ( 2 ) 高速下可弹出的发动机盖设计； ( 3 ) 高速下a 柱行人气囊设计； ( 4 ) 高速下保险杠气囊设计( 图1 3 ) 。 图1 3 a u t o l i v 公司设计的弹出式发动机盖及a 柱气囊的行人保护装置 1 3 课题来源 本文的研究课题来源于国家自然科学基金项目“交通事故中乘员头部损伤防 护技术与方法研究”，项目编号1 0 4 7 2 0 3 1 。该项目以损伤生物力学、多刚体与有限元 方法为基础，采用碰撞试验和计算机仿真技术，研究交通事故中乘员及行人的生物力学 响应，确定导致头部损伤的原因及其与汽车安全相关的因素。由此讨论汽车乘员及行人 在车辆交通事故中的头部损伤防护方法和途径。 1 4 本文研究目的和主要工作 课题主要研究汽车一行人碰撞事故中行人颅脑损伤防护技术。本论文工作目的 在于建立一系列汽车一行人碰撞多剐体模型，结合损伤生物力学原理，分析碰撞过 程中行人颅脑动力学响应，讨论基于被动安全的行人颅脑损伤防护技术。 本论文的主要工作列举如下： ( 1 ) 针对行人头部损伤进行了一定量的论文研究工作，叙述了相关颅脑损伤 生物力学知识及损伤评价指标； 6 硕士学位论文 ( 2 ) 建立了车辆一行人碰撞的多刚体模型，分析并阐述了碰撞过程中行人颅脑 相应动力学响应： ( 3 ) 采用因子试验方法进行了一系列参数研究，分析并讨论了汽车行驶速度、 前部结构和刚度对行人颅脑损伤的影响； ( 4 ) 总结了可行的行人颅脑损伤防护方法。 汽车- 行人碰掩中行人颅腑动力学响戍及损伤防护的研究 第2 章颅脑损伤生物力学 损伤生物力学是一门交叉学科，它是医学与工程学的有机结合【”吨0 1 。从医学 角度，交通事故中人体组织和器官的损伤生物力学分析主要着眼于后期治疗和康 复各阶段；从工程学角度，则主要侧重于研究损伤机理以及如何通过工程设计来 避免或是减小损伤。 2 1 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肤。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( 图2 1 ) 。 图2 1头部解剖学结构 头皮 头骨 脑膜 藏 2 2 颅脑主要损伤及机理 头部损伤的常见形式一般为颅骨和脑的损伤【2 1 ，2 2 1 ，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 硕士学位论文 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【2 1j ；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) 【2 2 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 3 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 硬膜外血肿 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 4 1 ，而接触力不是产生急性 硬膜下血肿的必要条件【2 5 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 9 汽车行人碰掩中行人颅脑动力学响府及损伤防护的研究 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 吼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【2 “。 以上各损伤的主要机理列表如下： 表2 1颅脑伤损伤机理1 4 颅脑损伤类型损伤机理 1 颅骨骨折头部与车体的碰撞力 2 冲击伤碰撞力的作用造成碰撞点一侧的损伤 2 对侧冲击伤 线加速度的作用造成碰撞点对侧的损伤 2 脑膜外血肿 碰撞力的作用造成碰撞区域的损伤 2 脑硬膜下血肿 碰撞力、头部线加速度及角加速度 3 脑震荡角速度及角加速度，颅骨大脑相对运动 3 神经轴突损伤角速度及角加速度 卜碰撞力造成的颅骨损伤 2 一动脉或桥静脉断裂造成的颅内血管损伤 3 一脑组织内的神经轴突受到剪切应力造成的脑神经损伤 2 3 颅脑损伤评价及耐受限度 颅脑损伤的严重程度可以根据不同的损伤评价方法来定义。从医学的角度来 看，目前常用的是简明损伤定级法、格拉斯哥昏迷分级等2 7 1 。从生物力学角度， 研究人员通过大量的实验和事故统计，建立了一系列损伤耐受限度值，以此来比 较人体动力学响应参数，预测人体可能发生的损伤。 2 3 1 颅脑损伤医学评价方法 2 3 1 1 简明损伤定级法a i s ( a b b r e v i a t e di n j u r ys c a l e ) a i s 从损伤生物力学角度出发，根据器官、组织的损伤程度将其量化分级， 是交通事故中人体损伤的主要评估方法。2 0 世纪6 0 年代中期，为了给研究者提 供一个精确的方法来量化和比较车祸伤员的伤势，同时为了对损伤的描述语言进 行标准化，由美国医学会( a m a ) 、美国机动车医学会( a a a m ) 、汽车工程师学 1 0 硕士学位论文 会( s a e ) 召集5 0 多位解剖学、生理学、临床医学、机械工程学等专家于1 9 6 9 年制定，并以美国医学会机动车安全医学问题委员会名义于1 9 7 1 年公布了第一 版简明损伤定级标准，经过2 0 多年6 次修订充实，1 9 9 8 年美国机动车医学协会 ( a a a m ) 修订至最新版a i s 9 0 【2 钔。a i s 将损伤分为8 个等级，等级编号本身没 有含义( 表2 2 ) 。较重伤表示无生命危险；严重伤表示有生命危险但有生存可能； 危重伤表示有无生存可能无法预料；最危重伤表示死亡或者无法救治。 表2 2a i s 评分标准1 2 9 l a i s 等级 l n j u r ys e v e r i t y ( 损伤程度) 0 n o 询u r y ( 无损伤) l m i n o r ( 轻微伤) 2 m o d e r a t e ( 中度伤) 3 s e r i o u s ( 较重伤) 4 s e v e r e ( 严重伤) 5 c r i t i c a l ( 危重伤) 6m a x i m u mi n j u r y ( 最危重伤) 9 u n k n o w n ( 未知等级) a i s 颅脑损伤分级如下口1 】： 表2 3a i s 颅脑损伤分级 整个颅脑区域血管神经颅内器官颅骨 挫伤( 6 )各种血管损伤( 3 - 5 )脑神经损伤( 2 )脑千损伤( 5 - 6 )颅底损伤( 3 - 4 ) 头皮损伤( 1 3 )小脑损伤( 3 5 )穹隆损伤( 2 - 4 ) 大脑损伤( 3 5 ) 2 3 1 2 格拉斯哥昏迷分级g c s ( g 1 a s g o wc o m as c a l e ) g c s 是专门针对颅脑损伤的一种计分方法，在医学临床治疗中使用较多。 格拉斯哥市的医生们于1 9 7 4 年提出了g c s 方法，通过对脑外伤病人的病情观察 来判断预后。 g c s 评分可以通过呼唤和刺激的方法将昏迷程度量化，对伤者的睁眼、言语 和运动三方面的反应进行记分，其中运动反应对病情最有提示作用。g c s 最高分 为1 5 分，最低分为3 分，分数越低表明意识障碍程度越重。据此，再加上意识 障碍的时间因素将病例分为：轻型：g c s 为1 3 1 5 分，伤后意识障碍在2 0 分钟以内；中型：g c s 为9 1 2 分，伤后意识障碍在2 0 分钟至6 小时；重 型：g c s 为3 8 分，伤后昏迷或再昏迷在6 小时以上。 g c s 和a i s 都是从医学的角度定义头部损伤等级的，下面将介绍从工程学角 度出发，利用生物力学原理定义的头部损伤评价。 汽车行人碰掩中行人颅脑动力学响府及损伤防护的研究 2 3 2 颅脑损伤工程学评价方法 2 3 2 1 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 et 0 l e r a n c e c u r v e ) 1 9 6 0 年，美国韦恩州立大学的l i s s n e r 等人提出w s l ，第一次将头部损伤耐受 限度量化【3 ”，到现在为止仍有大多数损伤评价指标以此为基础。w s t c 描述了相 同的头部接触性损伤条件下线形加速度与其作用时间的关系。 图2 2 为现在广为应用的w s t c 曲线。图中纵坐标表示作用在头后部的有效 加速度或者平均加速度，横坐标表示该加速度作用时间。图中曲线为头部耐受限 度曲线，曲线以上部分表示可能造成头部a i s3 或更高的损伤。从曲线可以看出， 有效加速度( 平均加速度) 作用的时间越长，颅脑损伤几率也就越大。 w s t c 曲线也有不足之处，因为实验数据是通过防腐处理的尸体实验获得， 生理特性与鲜活躯体有所区别，实验采用的是前碰撞而压力传感器安装在头部后 侧。并且由于人体的差异，w s t c 只能在一定程度上反映头部的耐受限度，并不 完全符合真实情况。 5 4 3 0 0 抛 伯0 o 24 6 8 1 01 23 0 作用时间( t $ ) 图2 2 w s t c 曲线 2 3 2 2 头部冲击剧烈程度指数s i ( s e v e r i t yi n d e x ) w s t c 中有效加速度一作用时间曲线较为复杂，这使得有效加速度定义较为复 杂。为了解决这个问题，g a d d 建立了头部冲击剧烈程度指数s i ： 田= e 口2 5 ( f ) 西 ( 2 1 ) 式2 1 中4 似表示角速度，单位为g ；丁表示作用时间；f 单位为肼。 g a d d 定义，在前碰撞中，耐受限度为甜值1 0 0 0 ，即超过1 0 0 0 将可能发生 脑震荡；在未发生接触的碰撞中，耐受限度值为盯值1 5 0 0 【3 2 l 。s i 评价指数仍然 只考虑了线性加速度，未考虑角加速度的影响。 1 2 ”v嚣一曩凝拓 硕士学位论文 2 3 2 3 头部损伤评价标准h i c ( h e a di n j u r yc r i t e r i a ) 结合w s t c 和s i ，美国政府提出了h i c 作为损伤评价标准，这也是目前最 为常用的损伤评价指标，定义如下： 脚c = 【( f 2 一f 1 ) c e 2 4 0 ) 西) ”】雠 ( 2 2 ) 2 1 1 i 。 式2 2 中口彬表示碰撞过程中头部质心合成加速度；b n 表示用c 达到最大值时的时 间间隔，在实际应用中最大时问问隔取1 5 m s ；用c 值1 0 0 0 代表2 0 a i s3 + 的头部损 伤风险。h i c 值只应用在硬碰撞中，也就是要发生接触。 由于h i c 值时间里在w s t c 基础上的，所以它存在w s l 的不足。h i c 只考虑线 形加速度和作用时间的影响，而没有考虑角加速度等因素，并不能全面地预测损伤风险。 2 3 2 4 颅骨及脑耐受限度回顾 除了上述评价方法，还可以针对颅骨和脑各部分的耐受限度进行损伤预测。 世界各国的研究者已经作了大量的实验，下表中列出了颅脑不同部位的损伤耐受 限度与碰撞力、角速度及角加速度相对应的关系： 表2 4 颅脑耐受限度与碰撞力及动力学响应的关系f 5 碰撞力角加速度角速度结论来自 部位 ( k n ) ( r a d ，s 2 )( m d ，s ) 额骨 3 6 9 0 h 0 d g s o n d1 1 l o m a s ( 1 9 7 1 ) 颧骨 0 5 2 9 n a l l u m 等( 1 9 6 8 ) 颞骨5 o - 1 2 5 a l l s o p 等( 1 9 9 1 ) 颅骨 枕骨 6 4 s a e ( 1 9 8 0 ) 上颌骨 2 o 4 2 n y q u i s t 等( 1 9 8 6 ) 下颌骨 o 8 3 4s c h n e i d 目dn a h u m ( 1 9 7 2 ) 1 8 0 06 0 - 7 0 o m m a y a 等( 1 9 6 7 ) ， 4 5 0 0 5 0 - 7 0 l 0 w e i l i l i e i m ( 1 9 7 4 ) 脑1 7 0 03 2 e w i n g 等( 1 9 7 5 ) 1 6 0 0 02 5 a p r ( 1 9 8 8 ) 1 3 6 0 04 8 由于脑的结构复杂性，目前尚未建立如同h i c 值的损伤评价标准。研究者们 根据实验得到的数据，将离散的脑部耐受点做成相应的平滑曲线( 图2 3 ) ，用来 表示某一脑部组织应变下角加速度与角速度变化量的关系，如：当角加速度超过 4 5 0 0r a d s 2 并且加速度变化量超过5 0r a d s 时，脑组织应变率大于5 ，此时将有可能发 生桥静脉的断裂。所以，只要得到头部角速度变化值和角加速度峰值，就可以预测脑组 织的应变，从而分析可能出现的脑损伤。 汽车- 行人碰撺中行人颅脑动力学响戊及损伤防护的研究 ；7 ， 奎o 铀髓憾妇 f l _ _ - _ 。 o趵口弱l l 趵l 柏 角速度变化壤i 囊艘彗 图2 3 临界应变曲线t ，j 损伤评价标准以及耐受限度值是工程上广泛应用于预测人体损伤的理论基 础和研究方法，本文的仿真研究以此为基础，建立输出参数与预测损伤的关系， 进行车辆。行人碰撞中的颅脑损伤防护研究。 2 4 本章小结 本章介绍了头部的解剖学结构，从损伤生物力学的角度分析了各种颅脑损伤 的致伤机制，总结如下： ( 1 ) 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 ) ； ( 2 ) 造成行人颅脑损伤的重要因素包括碰撞因素和惯性因素，具体包括碰 撞力、线加速度和角加速度； ( 3 ) 颅脑损伤主要分为集中性损伤和弥漫性损伤，而弥漫性损伤后果更为 严重，容易造成行人的直接死亡； 本章还介绍了颅脑损伤的评价方法和颅脑组织的耐受限度，总结如下： ( 1 ) 医学上常用的交通事故人体颅脑损伤评价方法包括简明损伤定级法 ( a i s ) 和格拉斯哥昏迷分级( g c s ) ； ( 2 ) 工程上常用h i c 值来预测评价行人颅脑损伤程度，超过耐受限度l o o o 将有可能造成a i s3 以上的损伤； ( 3 ) 研究者经过大量生物力学试验得到了颅骨各部分的脑受限度值可用来 预测颅骨损伤，而脑组织及其血管损伤可通过临界应变曲线来预测。 本章的结论作为本文参数研究分析的依据，了解