（车辆工程专业论文）轿车与行人碰撞及行人保护的仿真研究.pdf

摘要 随着经济的发展和人们生活水平的不断提高，我国汽车保有量和道路交通 运输量也在迅速增长，但由于驾驶员素质的参差不齐，以及国内道路长期存在 的混合交通比例大，管理不善及力度不够等原因，致使交通事故率在不断增加。 而在我国汽车交通事故中车辆与行人碰撞又占相当比例，统计显示约占汽车交 通事故总数的2 7 ，并且行人的伤亡率往往很高。在这些事故中头颈部和下肢的 损伤又占损伤总数的7 0 以上，头颈部损伤是造成人员死亡的主要原因，而下肢 创伤往往是交通事故中人员致残的主要因素。有专家预测，中国道路交通事故 死亡率在未来于年期间仍将在此高位徘徊。这个特点就决定了在我国开展行人 安全性研究工作有着特别重要的意义。 为了保护行人的安全，必须对交通事故进行细致的调查和科学的分析，基 于计算机仿真的车人碰撞事故再现具有成本低、准确度高、客观性强和内容丰 富等优点，能够为事故鉴定、汽车安全设计和损伤生物力学研究提供科学的依 据，因此这种虚拟试验技术具有重要的研究价值和社会意义。 本文利用目前在汽车安全研究领域广泛应用的m a d y m o 软件，建立了汽车与 行人碰撞模型，分析了汽车及行人的初始条件对行人损伤的影响。研究表明： 在轿车一行人碰撞事故中，因车辆外形、碰撞速度以及人车初始运动状态的不同， 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。 事实已经证明汽车安全气囊的作用巨大而且还有很大的应用前景。本文利 用计算机模拟技术设计一种引擎盖气囊，其中包括气囊几何尺寸的确定、气囊 气袋c a e 模型的建立，重点介绍了气囊模块模型的定义。通过虚拟实验模拟气 囊在人车碰撞事故中对行人的缓冲作用，得到的伤害指标与原始汽车模型对行 人的伤害指标做比较，得出引擎盖气囊对行人头部和胸部可以起到明显有效的 保护，同时探讨气囊的尺寸、气体压力以及泄气特性等参数对减小行人头部的 伤害的影响。 本研究是我国行人安全研究的有益探索，其研究方法和结论对于指导汽车一 行人碰撞事故再现分析、行人损伤尤其是损伤保护研究、行人安全法规的制订 有重要参考意义。 关键词：汽车行人碰撞保护仿真 a bs t r a c t a l o n gw i t hc h i n e s ee c o n o m yd e v e l o p m e n ta n dt h es t a n d a r do fp e o p l e sl i v i n g i m p r o v e m e n t ，a u t op o s s e s s i o nq u a n t i t yh a sb e e nn s l n gc o n t i n u o u s l ya st h es a m ea s r o a dt r a f f i cv o l u m e ，h o w e v e r ，b e c a u s eo ft h eu n e v e nm a k i n g so fd r i v e r sa n dt h eh i g h p r o p o r t i o no fm i x e dt r a f f i cm o d ew i t hi n c o m p l e t em a n a g e m e n tw h i c hh a se x i s t e di n o u rc o u n t r y ，a sar e s u l t t h et r a f f i ca c c i d e n tr a t ei n c r e a s e sc o n s t a n t l y 髓1 ep e d e s t r i a n i m p a c t e db yv e h i c l ea c c o u n t sh i g hr a t ei no u rc o u n t r yt r a m ea c c i d e n t ，a b o u t2 7 w i t hl l i 曲d e a t hr a t e i nt h e s ea c c i d e n t s ，t h ep r o p o r i o no fh e a di n j u r ，n e c ki n j u r ya n d c r u r ai n j u r ya c c o u n t s7 0 o ft h es u mi n j u r y t h eh e a da n dn e c kd a m a g ei st h em a i n r e a s o nt h ac a u s ep e s r o n n e l sd e a t ha n dc r u r ai n j u r yu s u a l l yc a u s ed e f o r m i t y t h e e x p e r tp r e d i c t st h a tc h i n e s er o a dt r a 伍ca c c i d e n td e a t hr a t ew i l lw a n d e ru pa n d d o w n i ns u c hh i g hp o s i t i o nd u r i n gt h ef o l l o w i n gt e ny e a r s t i l i sc h a r a c t e rd e t e r m i n e st o h a v ev e r yi m p o r t a n tm e a n i n g st ol a u n c hp e d e s t r i a n ss e c u r i t yr e s e a r c hw o r ki no u r c o u n t r y i no r d e rt op r o t e c tp e d e s t r i a n s ，p e o p l em u s tc a r r yo nt h ec a r e f u li n v e s t i g a t i o n a n dt h es c i e n c ea n a l y s i st ot h et r a 伍ca c c i d e n t b a s e do i lc o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h e v e h i c l e h u m a nc o l l i s i o nr e c o n s t r u c t i o nw i t hl o wc o s t ，h i 曲a c c u r a c y , o b je c t i v i t ya n d t h ea d v a n t a g e so fr i c hc o n t e n t s ，i tc a np r o v i d es c i e n t i f i cb a s i sf o rt h ea c c i d e n t i d e n t i f i c a t i o n t h ea u t os a f e t yd e s i g na n dt h er e s e a r c ho fd a m a g eb i o l o g ym e c h a n i c s s om i sv i r t u a lt e s tt e c h n o l o g yh a si m p o r t a n tr e s e r a c hv a l u ea n ds o c i a ls i g n i f i c a n c e i nt h i ss t u d y , 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 sa r eb u i i tb ym a d y m 0w h i c hi s u s e dw i d e l yi nt h ef i e l do fv e h i c l es a f e t yr e s e a r c h a st h i sr e s e a r c hi n d i c a t e s ，d i f f e r e n t c 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 so f f 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 fp e d e s t r i a n n sw e l lk n o w nt h a ta i r b a gi st h ee f f e c t i v ee q u i p m e r i tt op r o t e c tp e o p l ei nt r a m c a c c i d e n t s i nt h i sp a p e r ah o o da i r b a gh a sb e e nd e s i g n e db yc a d c a e t h es t e p s m a i n l yi n c l u d ea i r b a gs i z ea n ds i m u l a t i o nm o d e l i n g b yu s i n gtap e d e s t r i a na i r b a g , t h ei n f l u e n c eo fa i r b a gp r o t e c t i o nt ot h ep e d e s t r i a ni n j u r yw a sa n a l y z e d t h er e s u l t s h o w st h a th o o da i r b a g si sq u i t ee f f e c t i v ef o rp e d e s t r i a nh e a d f i n a l l y ，t h ep a r a m e t e r s o fh o o da i r b a gl i k es i z e ：i n i t i a lp r e s s u r e a i r b a go u t l e tc h a r a c t e ra r ei n s p e c t e d t h i ss t u d yi sau s e f u le x p l o r a t i o no fr e s e a r c ho np e d e s t r i a ns e c u r i t yi no u r c o u n t r y t h em e t h o d sa n dc o n c l u s i o n so ft h i ss t u d ya r ep r o v i d e dw i t hi m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e o n p r o v i d i n g r e f e r e n c ef o r 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 r e c o n s t r u c t i o n ，r e s e a r c ho np e d e s t r i a nm j u r ye s p e c i a l l yn e a dm j u r yp r o t e c t i o n , a n d l e g i s l a t i o no fp e d e s t r i a np r o t e c t i o n k e yw o r d s ：v e h i c l ep e d e s t r i a ni m p a c tp r o t e c t i o n s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 ， 签名：笸军丝日期：空望：丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 、 、 日期：2 盛：乡 ， 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着汽车被动安全性技术研究的不断深入和应用，更加安全的车身结构以及诸如安 全带、安全气囊等被动安全装置已经被广泛采用，使得车内人员得到更有效的保护，进 而有效地降低了事故中乘员的伤亡率。出于对事故中车内乘员保护的考虑，车身的外部 结构和材料强度不断得到提高，但是这直接导致在人一车碰撞的交通事故中汽车对行人 构成了极大的安全威胁。 每年全世界都有大量的行人在交通事故中受伤、致残甚至死亡。据资料显示，2 0 0 3 年日本交通事故中行人死亡人数为7 7 0 2 人，美国行人死亡人数为4 7 4 9 人，中国同年度 交通事故死亡人数超过1 0 万人，其中行人2 5 万余人，约占死亡总人数的2 5 1 。即 使在近两年，欧盟机动车造成的行人死亡占整个交通死亡事故的i 5 ，这相当于每年约 有8 0 0 0 人因此丧命。在日本，每年约有2 7 0 0 名行人丧身于车轮下，这占了整个日本交 通死亡率的8 0 弘。可以看出作为发展中国家的中国，人口众多，基础设施相对薄弱， 人们的交通安全意识还没有足够高，以混合交通为主的路面交通情况更加导致了人一车 碰撞交通事故中极高的行人伤亡率，并且专家预测这种情况在相当长一段时间很难从根 本上得到改善。 考虑到行人所处的弱势地位，虽然2 0 世纪7 0 年代后期己出现对涉及行人的车辆事 故的调查研究，但直到最近几年，行人保护才成为当今世界汽车交通安全性研究中的一 个热点问题。各国的立法机构和汽车制造厂商才在汽车对行人的保护方面做了大量工作 并制定了相关的法规。在法规的制约下，以及为了提高产品的竞争力，各大汽车制造商 和一些研究机构纷纷投入专门的技术人员和最先进的实验设备从事行人保护的实验分 析和技术开发工作。采用何种措施降低汽车与行人碰撞时对行人产生的伤害在美国、欧 洲、日本等国家已受到高度重视，计算机技术的高速发展使行人数值假人和计算机仿真 再现方法在上述世界发达国家得到了广泛的应用，数学模拟能预测实验结果，且具有较 大的灵活性，可以给汽车碰撞研究提供快速经济的手段，免去一部分耗资巨大、过程危 险而复杂的汽车碰撞实验。 在我国，相比发达国家而言行人安全性研究起步较晚，研究水平较为滞后，对真实 事故的研究相对不足。因此，目前在内展开大量相关行人安全性技术研究，改善汽车对 行人安全保护，尽可能减少人车碰撞中的人体伤害和带来的社会损失，降低行人死亡率， 是一个较为迫切的问题。因此，针对我国行人事故现状，研究行人保护的相关技术，具 有重要的现实意义。 l 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 行人保护技术发展现状 1 2 1 行人保护研究的主要内容 目前国内外对于行人安全的研究概括起来主要包含如下的几个方面：交通事故调查 与分析研究，损伤生物力学研究，行人模型研究，行人冲击器模型研究以及行人安全性 试验评价方法研究。 ( 1 ) 交通事故调查与分析研究 在对汽车与行人碰撞研究方面，通过交通事故统计，建立较完备的行人与汽车碰撞 事故分析数据库，包括发生碰撞的行人特点( 身高、性别、年龄等) 、碰撞发生时的路 面及天气状况、行人与车辆的碰撞部位、碰撞时行人的身体姿态( 如手和腿的位置状态) 、 行人受伤害的程度等。根据这些统计数据，可以知道当行人与车发生碰撞时，可能性较 大的行人状态、碰撞位置、易发生碰撞的人群等，从而为计算机仿真和试验参数定义提 供参考，并可以用于指导减少行人损伤的相关措施的制定。 ( 2 ) 损伤生物力学研究 在对行人损伤研究方面，国内外目前主要从医学、生物力学角度，通过开发人体模 型和进行仿真试验等方法对行人各部位部损伤进行研究。发动机罩、前风窗以及a 柱区 域是导致头部损伤的主要部件，而保险杠和发动机罩前缘是导致下肢损伤的主要部件。 由于人体头部结构复杂，对载荷响应较为敏感，因此主要通过对真实人一车碰撞事故中 行人头部的损伤分析统计以及事故重建的方法对头部进行损伤机理研究。另外，也可以 通过p m h s t ( p a s tm o r t a lh u m a ns u b j e c tt e s t ) ，即人体尸体试验分析头部损伤机理。 ( 3 ) 行人模型研究 具有较高人体生物逼真度的行人模型对试验的有效性有重要影响，行人模型的建立 是研究汽车对行人损伤的基础，也是研究的重要手段和方法。国内对行人模型的研究处 于起始阶段，目前还没有开发出能模拟人体特性的行人模型。国外在行人模型研究方面 已经开展了很多工作，并且开发出了一系列生物拟合性较好的专用行人假人，而通过对 行人模型的尺寸及特性进行相应的缩放，就可以得到的不同身材的行人模型，这些模型 包含可用于实车试验的实物模型和用于仿真实验的有限元模型和多刚体模型。行人模型 被广泛应用于分析汽车前部造型及结构对行人损伤的影响，其试验结果与人体在实际碰 撞中的损伤基本相符。 ( 4 ) 行人冲击器模型研究 利用行人冲击器模型( 如下图1 1 所示) 也是分析汽车前部对行人损伤的重要方法 之一。由于冲击器试验布置简单、试验成本低、可重复性高，目前采用冲击器模型对汽 车前部进行评价已经成为行人安全研究的重点，该试验方法已成为评价新车行人安全性 2 武汉理工大学硕士学位论文 能的主要方法。目前，各国研究机构根据各自的研究重点，建立了不同的人体头部冲击 器模型和仿真模型，并相应地制定了包括头部冲击器在内的人体冲击器试验方法和相关 评价指标。但所有的这些试验方法和试验模型都不同程度的存在着各自的局限性。 在基于以上研究成果，又有专门针对行人安全性试验评价方法的研究。 1 2 2 国内外研究现状 图1 1 行人模拟子系统冲击器 实验是行人安全研究的主要手段，通过各种碰撞试验( 包括实车试验、模型模块试 验和计算机仿真等) 来模拟和再现碰撞事故，从中研究碰撞事故的规律，进而探索避免 事故发生或减轻事故损失的方法，己经被世界各国的研究人员所普遍接受。 按实验方法区分，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 ) 实验和整体行人( f u l l - s c a l ed u m m y ) 碰撞实验。目前的研究主要倾向于利用行人子系 统模型进行研究，即用规范的撞击器模拟人体各部位进行试验，并以整体假人碰撞实验 为辅。这一方面是因为处于法规制订和汽车制造商的要求，所研究的对象和对应的实验 方法不宜过于复杂。另一方面是由于缺乏成熟的实验假人和仿真假人模型，以及p m h 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。行人子系统模型碰撞研究一般都以 e e v c 公布的报告为基础。这方面的研究业已成熟，包括欧盟、a c e a 、e u r o n c a p 在内的 很多机构均采用了这项技术。但是，随着研究的深入，n h t s a 、j a r i 、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，有一定程度的失 真。例如，在利用大腿撞击器碰撞发动机罩前沿时，实验弱化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。 为了减少实验开销及其带来的复杂性，不少研究者也用数值仿真的事故再现来验证 研究结果的可靠性，甚至完全代替p m h s 实验。数字化假人模型不仅需要能适应人体运 动学分析，而且能进行人体损伤分析。1 9 7 5 年，美国国家空军实验室 1 5 建立了三维 多刚体假人a t b ( a r t i c u l a t e dt o t a lb o d y ) ，后被包括在l s - d y n a 软件包内，被广泛 应用于乘员安全的仿真试验。后来，随着a t b 拟人试验装置的发展，越来越多的机构和 单位开始以实车碰撞试验用假人为原型，建立它们的数字仿真模型。荷兰应用科学研究 3 武汉理工大学硕士学位论文 院( t n o ) 采用多刚体系统动力学方法构建人体运动系统，用椭球面模拟人体几何外形， 建立了h y b r i d i i i 多刚体假人。t n o 提出以刚性的有限元曲面代替椭球面，建立了可以更 精确模拟人体几何外形的f a c e t 假人模型。通用汽车公司和美国n h t s a 分别建立了 h y b r i d h i 假人的有限元模型。该模型可完全满足现有的汽车安全法规的要求，可对头部、 颈部、胸部、大腿等部位的损伤进行预测。德国汽车研究组织( f a t ) 根据侧碰假人u s s i d 、 e u r o s i d - 1 和e u r o s i d - 2 ，建立了相应的有限元假人模型，并进行实验验证。另外，如 l s t c 、e s i 、m e c a l o g 等公司也分别结合各自的有限元仿真求解器l s d y n a 、p a m c r a s h 、 r a d i o s s ，建立了不同版本的数字化假人p 1 。但由于目前还没有统一的行人碰撞假人标 准，各国的改装方法也各不相同，因此如何改装才能比较好的再现碰撞过程及其规律， 还需要从事这方面研究工作的科研人员不断探索。 利用计算机仿真技术，建立行人模型和车辆模型进行各种碰撞事故的模拟再现，可 以获取在碰撞过程中人体的运动过程和身体各部位的受力情况，并对其进行运动学、动 力学分析，从而得到人体与车辆发生碰撞时的损伤机理，寻求减轻人体损伤的解决方案。 目前以m a d y m o 和a p m - s a f e 等为代表的以多刚体动力学理论为基础的模拟计算软件是碰 撞仿真研究的常用工具。 由于发达国家的国情，当前的研究对象以小型车为主，整车高度一般小于1 9 0 0 m m ， 包括小轿车、s u v 、小型客车等车型。行人安全性的评价主要以行人所受伤害为依据。 研究人员指出，有超过5 0 的行人伤害是由汽车前部接触造成的，致命伤( a i s5 6 ) 以头部伤为主，下肢和臀部伤是最常见非致命伤，约占总数的3 7 p 1 。另外，儿童行 人面临的安全问题同样不容忽视，因交通事故身亡的儿童有1 3 是行人。所以对小型汽 车，评价行人安全性就是评价车前部结构对儿童或成人行人的头部和下肢造成的伤害。 我国在汽车行人保护研究刚刚起步，由清华大学的黄世霖教授开发的m u l 3 d 软件， 可以很好的模拟分析汽车与行人碰撞。清华大学碰撞试验室也建立了行人碰撞试验台， 在1 9 9 8 年的时候，就己经开始做行人碰撞方面的试验。这类试验主要是用一些人体模 块进行头部、小腿、大腿碰撞的研究。研究现实国内人车事故中车速有2 3 都小于 4 0 k m h ，2 5 岁以上人群占了7 9 。在国内，吉林大学、清华大学、湖南大学、同济大学、 上海交通大学等高校都已经将h y b r i d i i i 数字仿真假人广泛应用到汽车碰撞安全性的数 值模拟。另外，国内的学者在行人子系统撞击器模型的改进和应用上进行了相关研究， 根据多刚体动力学方法，开发了“汽车碰撞人体运动响应 软件系统。国内也正在开始 建立可用于碰撞分析的中国标准人体的“骨骼一肌肉一韧带 生物力学系统。 1 2 3 行人的防护技术应用 行人的保护不同于车内乘员的保护。相对于车内乘员来说，行人在与车辆发生碰撞 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。 4 武汉理工大学硕士学位论文 通过多年的研究和探索，对交通事故中造成行人伤害的主要原因及其影响因素己经有了 初步认识，即：行人的损伤程度主要取决于碰撞时车辆的速度、车辆前部形状及碰撞区 域的能量吸收特性。 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小行人的损伤。目 前改进车辆的行人防护特性主要遵循以下两个原则： 通过优化车辆前部结构形状降低发生碰撞后行人各部位与车辆之间的相对碰撞 速度。如图1 2 所示为新开发的保险杠设计为圆润的汽车前部结构，采用了高密度泡沫 材料，通过泡沫的弹性或结构的变型吸能性，可以控制对腿部的冲击过程，减小撞击力 量，从而有效地保障行人的膝、腿免受严重伤害。 图12 使用t p o 注塑成型的吸能块改善保险杠对行人保护性能 降低碰撞区域的剐度、改进碰撞区域的能量吸收特性。如开发的可弹出的发动 机盖采用自动弹出式发动机罩( 如图i 3 ) ，有效增加发动机罩与发动机舱中零部件之 间的间隙，避免行人头部与内部刚性零件接触，降低对行人头部的损伤。采用汽车前保 险杠安全气囊和前风窗安全气囊( 如图14 ) 。 图1 3 福特捷豹吸能发动机罩技术示意图 武汉理工大学硕士学位论文 图i 4 本田p u y o 外置安全气囊 此外，主动安全方法主要有：( 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。 1 3 本文研究目的、研究内容及方法 在人车碰撞的交通事故中行人身体的各个部位都有可能受到损伤，但不同部位的损 伤程度会根据其生物力学特性以及碰撞中与车体接触位置的不同而有所不同。研究显示 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。因此研究行人的头部损伤防护技术具有重要的经济及社会意义。 本文以以典型汽车一行人交通事故分析为基础，利用多刚体动力学仿真分析软件 m a d y m o 建立汽车一行人碰撞模型通过仿真分析得出行人的伤害指标，总结人车碰撞事 故特点。在数据可靠性得到保证的基础上，建立车外气囊模型，研究气囊的部分参数与 行人伤害的关系。具体研究内容如下： ( 1 ) 在查阅大量文献的基础上，考察了国内外汽车被动安全性研究现状，概述了汽 车被动安全性，尤其是行人保护研究开发方面的研究方法取得的最新成果及最新发展动 态，介绍了汽车碰撞计算机模拟理论。 ( 2 ) 介绍生物力学以及碰撞中的人体受伤情况。对行人人体主要伤害部位进行了解 剖结构及损伤生物力学方面的介绍。叙述了其损伤形式、损伤机理及相应的损伤评价标 准，同时对行人安全法规的发展做了介绍。 ( 3 ) 通过计算机技术建立所研究的汽车模型及行人模型。通过模拟碰撞。与真实碰 撞事故及碰撞试验所的数据对比，确保模拟的可靠性。对比分析不同参数设置下人一车 碰撞事故中行人运动特性差异，总结行人与轿车碰撞时的头部碰撞特点。 ( 4 ) 通过c a d c a e 方法设计一种引擎罩气囊，模拟气垫对行人头部及上身的缓冲保 护，毗及气垫尺寸、位置、初始压力及泄气特性参数的改变对行人保护效果的影响。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章人体损伤机理与人车碰撞事故特征 2 1 人体损伤机理 冲击性加速度或过载对人体的影响与持续性加速度不同，它主要不是引起血液动力 学改变，而是引起疼痛，短暂意识丧失和各种机械性损伤，如组织器官变形、撕裂及破 坏等，严重时可致死亡。其影响的程度除了与冲击过载峰值、作用时间、过载速率3 个基本参数有关外，还与过载作用的方向、人的体位、束缚状况等因素有关。人体在冲 击环境中常见的损伤有颅脑损伤、颈损伤、胸腹损伤、脊柱损伤等。 2 1 1 头部和颈部的伤害机理 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 】) 图2 1 头部解剖学结构 我们一般对头部的损伤特别受重视，除了头部撞碎那样极端的情况外，更严重程度 的脑伤害是脑挫伤，伴随发生脑出血，使脑子的局部或整体受到不同程度的压迫。人体 头部在人一车碰撞交通事故中常见的损伤类型一般为颅骨骨折和脑的损伤。一般认为， 接触式直接撞击引起的线性加速度和非接触式惯性载荷引起的角加速度是引起颅脑伤 害的两大主要因素。 脑损伤是由线性运动和旋转运动造成的。头部受到足量的冲击后产生线性加速度， 进而引起在冲击方向上的压力梯度。冲击部位为正压，对侧面形成瞬时负压，压力的改 变导致颅内产生瞬时性空腔和共振性空腔，造成脑组织损害。除颅内压的瞬时效应外， 更主要的脑损伤是与颅内解剖结构有关。冲击点伤主要为局部暴力吸收及颅骨改变所 致。对冲伤则与惯性运动时脑与颅的摩擦及颅内大脑镰，小脑幕的切割有关。通过使用 武汉理工大学硕士学位论文 动物和人体尸体实验的研究结果表明，脑挫伤、脑血肿等局部性大脑伤害一般是由头部 在水平面内的线性加速度引起。通过使用猴子实验的研究结果表明，脑震荡的发生和直 接撞击引起的线性加速度有很大的相关性。旋转加速度也是产生脑震荡性损伤、弥漫 性损伤和硬脑膜血肿的最主要因素。头部被动旋转时，不仅颅与脑之间有相对运动，且 脑组织问也彼此相互牵引，由此产生一种剪切变形，从而发生损伤。这种剪切应变被认 为是脑损伤的重要因素。脑组织在承受惯性力负荷下产生的角加速度和旋转加速度导致 脑组织的加速应变，导致了脑组织结构和功能损害的发生。 颈部损伤大多数是软组织的损伤，由于软组织的拟弹性特性，即使受到损伤，它 也可能恢复其原有形状，这可能是颈部损伤在临床中很难发现组织损坏的原因。 2 1 2 胸、腹部的伤害机理 在汽车与行人碰撞事故中，行人胸部受到引擎盖强烈冲击的情况，发生的频率和致 命度都很高。胸部伤害主要包括胸壁、胸骨、食道、呼吸器官、心脏以及心脏周围的血 管等保卫，胸壁的外伤发生的频率较高，但其危害不是很大；胸骨和肋骨的骨折及随之 而来的呼吸器官障碍则需引起重视；食道位置在器官与脊椎之间的下方，受伤害的发生 频率较低，但万一破裂，则会发生危险；呼吸器官的功能动作则靠胸部和横隔膜的运动 来进行的被动动作，如果肺内的支气管、肺泡、胸壁、纵隔等部位裂伤，则空气将通过 这些裂伤处进入胸腔，压迫胸部，使肺泡萎缩。从而导致肺功能障碍甚至完全丧失；如 果因胸膜或心脏及其周围血管损伤出血而压迫肺泡，则会引起血胸症，血胸发生的频率 很高，占胸部伤害7 5 一8 0 ，若是心脏及其周围血管损伤出血将是致命的。 2 2 人体伤害的评价方法 由于人体各个部位的构造、机能不同，从而使得各个部位的耐冲击性是不同的。 了解人体的耐冲击性对把握碰撞中人员保护装置的水准、对保护装置进行完善和提高都 具有重要意义。由于人是复杂和特殊的生物体，对作为活体的人的耐冲击性无法用试验 方法确定。且个人差、年龄差、性别差等都很显著，因而暂时还没有严密的标准定义， 只是在安全方面设定大致的标准，现在正在进一步提高其精度和分析损伤的机理。 表示耐冲击性的物理量，一般采用加( 减) 速度。负荷、压力及位移( 变形量) 。特别 是加速度，它是能准确表示冲击大小的尺度，测量和数据处理也比较容易，所以应用很 广。负荷和位移往往用于表述骨折和挫伤的耐冲击性。下面主要说明实际撞车时容易多 发重度伤害的头部、胸部、下肢的伤害标准。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1头部耐冲击性和损伤标准 在交通事故中，头部伤害特别受重视，关于它的耐冲击性和伤害标准的研究进行得 最多，内容也较充实。包括颅骨骨折和面部伤害在内，研究的方法是多种多样的，但其 主体仍然是脑损伤的研究。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 t c ，第 一次将头部损伤耐受限度量化，到现在为止仍有大多数损伤评价指标以此为基础，这条 曲线是通过试验用尸体的头部落在刚性的平面上，以颅骨产生线性骨折为界限得到的。 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。当头 部受到冲击时，最轻度的伤害是脑震荡，只引起脑机能的暂时障碍，而脑的形态并未发 生变化；中等程度的脑伤害有极微小的形变。这里的加速度是平均加速度( 加速度波形 的积分值除以作用时间) ，与实际撞车时产生的复杂减速度波形未必容易对应。可是由 于该曲线使用方便，鼓成为此后很多讨论伤害标准场合数据的主流，美国s a e 和美国联 邦机动车安全标准f m v s s 都采用了这一曲线。 图2 4 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更大的损伤。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。 对头部伤害程度的评价指标是以w s t c 为为基础指定的，但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。 4 0 0 b o 铡3 0 0 剖 昱 饕2 0 0 o 24681 01 2 干# 用目寸r 司( i g ) 图2 2w s t c 曲线 为利用w s t c 来评价头部的伤害程度，并与试验测得的加速度和负荷值联系起来， 曾提出过许多关系模型，目前国际通常采用h i c 作为头部的伤害标准，该标准于1 9 7 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 年由v e s r a c e 提出，被美国道路安全局采用作为f m v s s 2 0 8 号乘员保护装置标准的伤害 标准。 其计算公式为： 胱邓_ ) l 击卜 t ) 式中t l ，t 2 为碰撞过程中所选择的两个时刻，它们应使式( 2 - 1 ) 的计算结果达到最 大值；a 为头部质心的合成加速度，用重力加速度的倍数表示。现在世界各国的机动车 安全标准几乎都取h c i = 1 0 0 0 作为安全界限值。由于这些的原因，h c i 值的最大时间间 隔( t 2 一t 1 ) 定为3 6 m s ，这个时间间隔大大的影响着h c i 的计算。最近，这个时间间隔 被建议进一步减少至1 6 m s ，这主要是用来限制用于头部的硬冲击。 h i c 已经成为目前使用最为广泛的头部伤害评价标准，但是其仍然具有局限性： 1 ) 头部的生物力学响应还包括可以引起头部损伤的角运动，但h i c 仅考虑了线性 加速度； 2 ) h i c 只在硬接触发生时有效，因此冲击的时间区间有限。 虽然有这些限制，但由于目前头部损伤的耐受度与碰撞响应之间的关系还没有很好 的建立起来，因此在头部损伤研究和应用中主要还是使用h i c ，而且h c i 被认为可以很 好的区分接触和非接触冲击响应。 2 2 2 胸、腹部耐冲击性 讨论胸部的耐冲击性时，可按两种伤害形式来考虑。一种是加害部贯穿胸部，直接 对脏器造成伤害；另一种是没有贯穿，只是压迫胸部，产生包括肋骨骨折在内的间接内 部伤害。下面讨论后一种情况。 在汽车事故中，胸部受到转向盘和仪表强烈冲撞的情况很多，过去的研究方法是用 设定的大致情况进行试验，即用平面刚性板从正面强烈冲撞胸部，掌握这时的动负荷和 胸部变形量的关系。在7 0 年代初期，k r o e l l n a h u m s t a l n a k e r 等用尸体进行了大量的 试验。例如，用1 5 0 m m 的平刚性板，加以约2 0 k m h 的冲撞时产生的最大负荷约6 4 0 k g f ， 最大位移5 0 m m 1 ，把这种状态作为轻伤和重伤的界限。伤害的形式为胸骨和肋骨的骨 折或肺和心脏的挫伤。 胸部的损伤是在挤压力、惯性力和冲击波载荷作用下发生的。胸部损伤耐受度的定 义与力、加速度和釉弹性数据有关。试验证实，人体胸部对加速度的耐受度随着加速度 作用时间的延长而下降。加速度是一种便于测量的量，就产生了由单一参数决定的胸部 损伤耐受度一胸部g 值( 图3 7 ) 。f m v s s 2 0 8 建议，试验假人的胸部加速度值在超过6 0 9 时，作用时间不要超过3 m s 。k r o e l l 在进行尸体前碰撞试验的基础上，发现胸部挤压力 l o 武投理工大学硕士学位论文 比加速度更能表示胸部的损伤程度，建立了挤压( 定义为变形与胸部厚度之比) 与a i s 指标之间的关系，提出了胸部挤压指标c 。由于按照挤压指标进行过大量的动物试验 并不能很好地解释在更高碰撞速度下胸部发生损伤的现象，发现胸部的损伤不仅与挤压 力有关，而且在一定的挤压力之下，损伤的强度( 用a i s 指标) 随着冲击速度的增加而增 加，这种现象在前碰撞和侧碰撞中都可观察到当冲击的速度达到3 0 m s 以上时仅有速 度的变化影响到损伤( 图3 8 ) 。 # t il u )* 女( - “) 图25 胸部动负荷、变形特性图2 6 速度变化对胸部损伤的影响 另一胸部损伤耐受度是订i ( t h o r a c i ct r a u m ai n d e x ) ，表达式为： i t t - i 4 a g e + o 5 ( r i b y + t 1 2 y ) x m a s s m s t d ( 2 2 ) 式中。a g e 为碰撞试验用人体替代物的年龄，r i b y 为在侧面碰撞中第4 根和第8 根肋骨的最大加速度绝对值的平均值( g ) ：t 1 2 y 为第1 2 胸椎骨的最大加速度绝对值( g ) ： m a s s 是试样的质量；m s t d 为标准参考人体质量，取为7 5 吨。t t i 的单位为g 。 由于t t i 考虑了年龄、体重，并采用便于测量的加速度值，容易使用，因而f m v s s 2 1 4 侧碰试验标准采用丁这一损伤耐受度指标。n h t s a 推荐成人的t t i 值为8 5 9 ，儿童为6 0 9 。 此外在前碰撞中胸部的挤压变形的耐受度为4 09 0 m ，在侧面碰撞中为5 8 6 1 t m 。当胸 部变形在2 8 到3 5 2 - 间时，将导致成人a i s 3 损伤，儿童产生a i s 3 这一变形为2 5 ”。 目前，国际通常把3 m s 内的合成加速度值作为安全界限值。同时在碰撞的过程中， 要求胸部性能指标t h p c ( 胸部相对于脊柱的压缩量) 。我国的c m v d r 2 9 4 法规也是采用的 这样的损伤标准。 2 23 完全伤害评价 h c i 、胸部3 m s 准则、胸部压缩量和大腿骨轴向压力是以一定的容限水平来评价乘 员约柬系统设计的。为了评价约束系统的整体性能，应该有一个包括单个伤害参数的完 全伤害准则。基于这种考虑，1 9 9 0 年美国通用公司的v i n a o 和a i p e a l l y 引入加权因子， l l 武汉理工大学硕士学位论文 将各项伤害指标用加权的方法综合到一起，得到了一个正则化的伤害评估值w l c 。在 f i | i v s s 2 0 8 中，w i c 的定义如下： w t c = o 6 ( h i q 6 1 m3簿+蝎2o+oo瞻甜r+pfemur、1o o o 6 00 0 7 2 e f tl g n 2 0 、l，l 式中：h i c 3 。头部伤害标准的数值 c 3 墙胸部3 m s 标准的数值，单位为g 胸部压缩量，单位为k n 磁? 左右大腿骨最大轴向力，单位为k n 每项指标前的权系数表明了该种伤害类型的重要程度，而重要程度则来自与对大量 事故的统计分析。 2 2 4 简明伤害标准( a is ) 伤害参数是物理参数和一些与所考虑人体区域的伤害严重程度相关的物理参数的 函数。有许多方法对伤害程度进行了分级和评价。解剖学的评价说明的是受伤位置、伤 害类型和相应的伤害严重程度。这些指标只是对伤害本身而不是对伤害后果进行分级。 对于交通事故中的损伤评价，我们一般采用a i s 标准。a i s 是美国汽车医学协会a a 枷 ( a s s o c i a t i o nf o rt h ea d v a n c e m e n to fa u t o m o t i v em e d i c i n e ) 制订的一个解剖学尺 度的损伤评定标准。最初制订于1 9 7 1 年，后经过四次修订，现行版本为a i s 9 0 。a i s 是一种描述损伤对生命威胁程度的指标，共分为7 个等级，如表2 1 所示。a i s 的等级 值越高说明该项损伤对生命威胁性就越大。 a i s 只是一种对生命威胁程度的分级，它的数值没有太大的意义。每个a s i 水平都 有一个生物力学容限，这个生物力学容限是产生所定义水平伤害的冲击作用在人体上 时，人体的生物力学响应值。值得注意的是对于群体中的个体来说，这个容限都不相同， 在群体中又从低到高变化，因此容限一般与所保护人群的百分比有关。 表2 - 1a i s 分级标准 a _ i s 0来受伤死亡率- o a l s !轻微受伤 死亡率印，6 0 0 a 略2轻度受伤死亡卑司2 a i s 3 霞伤，但没生命危险 死亡奉- - 9 3 a i s 4 重伤，有生命危险，但有存活可能 生 死亡事= 2 8 3 a l s 5重伤，无法肯定是否能够存活死亡率= 7 9 a i s 6最大受伤无法医治，死亡死亡率。1 0 0 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 人车碰撞交通事故的特征 在人车碰撞事故中，行人身体的各个部位都有可能受到损伤，