汽车与行人碰撞过程中行人膝关节损伤的参数研究

1、2006年(第28卷)第11期汽车工程AutomotiveEngineering2006220汽车与行人碰撞过程中行人膝关节损伤的参数研究曹立波,危海烟,张冠军,杨济匡(湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙410082)摘要建立了汽车与行人碰撞的系统仿真模型。通过改变汽车前部结构参数,分析其改变对行人膝关节损伤的影响,从而得出各结构参数使行人膝关节损伤较小的优区间,并在其基础上进行优化组合分析,提出了对行人膝关节损伤较小的汽车前部结构。通过与事故统计分析结果的对比,验证了研究结果的正确性。关键词:汽车与行人碰撞,膝关节损伤,计算机仿真AStudyontheEffectofFron

2、t2endStructureParametersontheKneeInjuryofPedestrianinVehicle2pedestrianImpactCaoLibo,WeiHaiyan,Zhangjun&iHunanUniversity,StateKeylaboratoryofAdvancedDesignMVB410082AbstractAvehicle2isimisbuilt.Bychangingthefront2endstructurepa2rametersoftheofpedestrianareanalyzed.Thusthesuperiorintervalsofthestr

3、uctureparainjurytothekneeofpedestrianareobtained.Acombinationanalysisisconduc2tedonthesesuperiorfordifferentstructureparameters,andhenceafront2endstructureofvehicle,whichcausesminorinjuriestopedestrianknee,issingledout.Thecomparativeanalysiswithtrafficaccidentstatisticsveri2fiestheconclusionofthestu

4、dy.Keywords:Vehicle2pedestrianimpact,Kneeinjury,Computersimulation(保险杠的高度、保险杠前端面与发动机罩前端的距1前言2003年,在美国的交通事故中,行人的伤亡人离、保险杠上下作用面的宽度、发动机罩前端的离地高度),较详细地分析汽车前部结构对行人膝关节损1数约占交通事故伤亡总数的10%;在部分欧洲国家和日本,行人在交通事故中的伤亡率则高达。在我国,2000、2001、2002、2003年交通事故中,行人受伤人数分别为55104、75137、76779、30%68040人,分别占13116%、13175%、13166%、1318%

5、21伤的影响。在研究时,先选择单一参数进行讨论,分析单一参数改变对行人膝关节损伤的影响,从而找出对行人膝关节损伤较小的汽车前部结构各参数的优区间。然后在上述区间内对4个参数进行组合分析,验证优区间组合的有效性,确定对人体下肢损伤较小的汽车前部结构,其结果可以用于指导汽车的设计与开发。根据日本的一项调查统计,在非致命的3汽车与行人碰撞交通事故中,下肢损伤占40%。在我国长沙市对89例行人交通损伤统计中,下肢损4伤占2818%。因此,研究如何降低汽车与行人碰撞过程中对行人腿部及膝关节造成的伤害,对于降低事故损失及受害人的痛苦具有重要意义。作者通过改变汽车前部的4个主要结构参数2汽车与行人碰撞仿真模

6、型的建立211汽车模型的建立汽车模型的建立,参考欧洲某量产车型。其主要尺寸如图1所示:保险杠中心的离地高度为原稿收到日期为2005年9月6日,修改稿收到日期为2006年1月9日。2006(Vol.28)No.11曹立波,等:汽车与行人碰撞过程中行人膝关节损伤的参数研究977395mm,保险杠前端面与发动机罩前端的距离为20mm,保险杠上下两表面之间的作用宽度为180mm,发动机罩前端离地面的高度为608mm。汽由行人膝关节模型计算出的损伤参数包括膝关节的错位、韧带受到的力及韧带产生的变形(延伸率)等。已有的相关生物力学实验表明6,当膝关节的车模型包括8个椭球和3个平面,分别代表前风窗、发动机罩

7、、发动机罩前端、保险杠、2个侧灯、2个轮胎、保险杠下侧面和地板,在碰撞过程中可能与行人5接触的椭球接触特性采用实验中得到的数据。错位超过6mm、韧带产生的延伸率超过012时,膝关节的骨节或韧带将会受到AIS3(严重伤害)以上的损伤。311保险杠高度的改变对行人膝关节的影响文中在汽车模型原型上,改变保险杠的高度以分析对行人膝关节的损伤程度。如图2所示,在碰撞速度分别为30km/h和40km/h时,行人下肢各损伤值随着保险杠高度改变而变化的趋势几乎相同。当保险杠升高时,膝关节的骨节错位明显加大,大部分韧带的延伸率也加大。当保险杠高度降低,尤其图1汽车与行人碰撞模型212行人模型的建立研究过程中应用

8、了Yang开发的行人多刚体模型6当其降低量较原型大于20mm时,膝关节的各损伤值明显变小,除了左膝部LCL和右膝部MCL以外,韧带延伸率均小于01,保险杠的中心离地。该模型按欧洲50百分位人体尺寸建立,1175m,质量78kg腿骨骨节,用4节隆起,用6。这6个弹簧阻尼单元分别代表前部十字韧带ACL、后部十字韧带PCL、中间间接韧带MCL、侧面间接韧带LCL、后中部胶原组织CM、后侧部胶原组织CL。这些椭球、平面及弹簧阻尼单元的尺寸和作用特性都是采用由生物力学实验测得的实际人体相关数据,因而可以较好地对膝关节受力状况进行定性分析。213汽车与行人碰撞模型的建立汽车与行人发生碰撞的部位主要是在汽车

9、前部,而且行人一般是横穿马路。统计数据表明,在遭受膝关节韧带或腿骨损伤的行人中,被撞在右侧的占47%,左侧占3614%7。因而,该仿真模型中行图2保险杠高度变化对行人膝关节的影响人处于行走姿势,左右两腿适当分开,左腿在前,右腿在后,汽车由行人的右侧撞向行人(如图1所示)。根据美国国家高速公路安全管理部门的一项调查报告,7612%的汽车与行人碰撞事故发生在碰撞车速为45km/h以下8312保险杠前端面与发动机罩前端距离的改变对。因此,仿真中采用的碰撞车速为3040km/h。行人膝关节的影响碰撞速度为40km/h(以下仿真碰撞速度均采用40km/h),当保险杠前端面与发动机罩前端距离加大时,正向骨

10、节错位(大腿骨节相对于小腿骨节的错位方向为汽车前进方向)及韧带延伸率明显减小,但负向骨节错位有所增大,见图3。当保险杠前移超过40mm时,膝关节受到的损伤较小,除左膝LCL以外,其它的韧带延伸率都小于012。因此,保险杠前端面与发动机罩前端的距离大于60mm较好。3仿真计算结果分析利用MADYMO软件对上述模型进行仿真分析。978汽车工程2006年(第28卷)第11期图3保险杠前移变化对行人膝关节损伤的影响图5发动机罩前端高度变化对行人膝关节的影响313保险杠上下之间作用宽度的改变对行人膝关节的影响随着保险杠的加宽,膝关节的骨节错位逐渐减小,当加宽量大于60mm时,骨节错位值较小,膝关节韧带右

11、PCL、MCL延伸率明显减小,而其它韧带延伸率大都在对膝关节损伤较小的范围内小幅变化。因此,当保险杠宽度大于240mm时可以减小对行人膝关节的损伤,如图4所示。315优区间组合分析从以上分析可知,单一参数的改变可以在一定程度上减少行人下肢损伤,但并不能完全消除骨节错位、所有韧带及胶原组织的损伤。因此,文中通过,以求得到较好合1组合表中编号高度宽度前移度降低50mm和80mm,W1和W2分别表示保险杠的作用宽度增加60mm和100mm,F1和F2分别ABCDEFGH1H1H1H1H2H2H2W1W2W1W2W1W2W1F1F1F2F2F1F1F2图4保险杠宽度变化对行人膝关节损伤的影响314发动

12、机罩前端高度的改变对行人膝关节的影响表示保险杠前移40mmHH2W2F2和80mm。仿真结果如表2所示,通过组合分析,膝关节正向错位减小至6mm以下,但负向错位有所增加;各韧带延伸率较原型都明显减少,左膝LCL、右膝MCL延伸率也都减小至012以下。由此可见,保险杠形状和位置对行人膝关节的损伤程度有很大影响,采用优区间组合的汽车前部结构可以明显降低汽车对随着发动机罩前端高度降低,膝关节骨节错位及韧带延伸率逐渐减小,如图5所示。当高度降低大于90mm时,骨节错位小于5mm。因此,在满足总布置要求时,应尽量降低发动机罩前端的高度。表2保险杠形状和位置对行人膝关节损伤参数的影响编号ABCDEFGH骨

13、节错位/mm负向-8-8-10-10-8-8-10-9-11左腿膝关节韧带延伸率MCL-0112-0112-0104-0104-0107-0107-0105-0105-01129右腿膝关节韧带延伸率正向4443555530原型2006(Vol.28)No.11曹立波,等:汽车与行人碰撞过程中行人膝关节损伤的参数研究979行人膝关节的损伤,适当降低保险杠高度,增加保险杠与发动机罩前端的距离,以及增加保险杠的宽度将有利于行人膝关节的保护。在改变保险杠形状和位置进行组合分析基础上,选取E组合中的参数,再次改变发动机罩前端高度进行组合分析。从表3所示仿真结果可知,膝关节各韧带延伸率绝对值都小于012,

14、且随着其高度的降低,正向骨节错位,右膝MCL、PCL明显减小,但负向错位稍微有所增加。因此,当发动机罩离地高度降低到小于600mm时对行人膝关节具有较好的保护作用。表3发动机罩前端高度对行人膝关节损伤参数的影响编号U40U20EL10L30L50L70骨节错位/mm负向-719-8-8-8-813-815-818左腿膝关节韧带延伸率ACL0MCL-01076-01074-0107-01071-01066-01055-01043右腿膝关节韧带延伸率正向4仿真结果与事故统计分析对比2,4作。但是,作均不够全面、深入作。因此,作者主要采用德国的事故分析研究报告7进行对比分析。近20年来,由于汽车前部

15、结构的改变,行人膝关节的损伤明显减少,如图6所示。,。A型车发生碰撞时,行3117%;而在与C型车发生碰撞时,行人膝关节损伤减少为2310%。由此可见,降低保险杠及发动机罩前端的高度,增加保险杠的宽度及保险杠与发动机罩前端的距离可以减少汽车与行人碰撞时对行人膝关节的损伤。此研究结果与德国事故统计研究结果一致。5结论研究表明,当车型的前部结构为保险杠离地高度小于375mm,保险杠前端面与发动机罩前端距离大于60mm,保险杠上下宽度大于240mm,发动机机罩前端离地高度小于600mm时,该车型具有对行人膝关节损伤较小的汽车前部。分析表明,保护膝关节有时是以胫骨折断为代价的,如增加保险杠前端面与发动

16、机罩前端的距离等。由于保险杠及发动机罩前端离地高度过低会影响汽车的布置和性能,因此,以上研究结果在实际使用中有一定的局限性。总之,汽车与行人碰撞安全性设计应结合具体汽车设计要求进行综合考虑,寻求最佳组合。参考文献eraVarietyofSolutionstotheProblemofSavingLivesOutsidetheVehicleJ.AEI,2004(7).图6不同年代车型前部结构对行人膝关节的影响图中列出了3种不同时期的车型结构及相应的事故损伤数据。20世纪70年代的车型(A型)具有典型窄而高的前伸保险杠,发动机罩前端较高、较硬;现代车型(C型)具有圆滑、光顺、较软的前部结构,前保险杠

17、宽而低,发动机罩前端高度较低,且采(下转第984页)984汽车工程2006年(第28卷)第11期实时性要求较高,为得到更快和更有效的代码,需要在中断服务程序中只做一些比较简单的操作,而把长的数据处理放在背景程序(主程序)中完成,这样既可充分利用背景程序中的等待时间,又能很好保证系统的实时性。在这3个中断子程序里,都只进行简单的操作。其中串口接收中断仅保存接收到的字符串到缓冲区,并设置标志位,为背景程序指示有串口中断发生;CAN总线接收中断也只把CAN总线的数据保存到缓冲区,并设置标志位;键盘中断只读取键值到缓冲区。在背景程序(主程序的无限循环)中,按照顺序查询每个标志位是否设置,如果检测到某个

18、标志位设定,则执行相应的操作,否则继续往下查询。(3)气囊诊断仪是便携式仪表,具有通用的键盘、液晶显示屏、CPU等模块,通过CAN总线和气囊ECU实现通信,通过串口和PC实现数据共享,能够读出气囊ECU中的数据存储或者实时显示,并具有简单的数据处理功能。(4)气囊诊断仪可以作为通用的便携式CAN总线调试助手和串口调试助手使用。(5)作者针对“黑匣子局面”进行一次有益的尝试,但由于无法获取各个厂商的数据格式,所以主要使用试验室的数据格式,因此要想真正摆脱这种局面,需要得到各个厂家的配合,需要数据格式的公开、透明和标准化。参考文献1黄世霖,张金换,王晓冬.汽车碰撞与安全M.北京:清华大学4结论(1)对于配置安全气囊的汽车,在发生碰撞事出版社,2000.2alterinRestraintSystemsElectronics2001.S.丰田汽车公司,1999.4.M.北京:电子工业出故后,需要有便携的专用设备读出气囊ECU中的黑匣子数据,