行人在與汽車碰撞中胸部動力學響應和損傷機理的研究*

韓 勇,楊濟匡，水野幸治

(1.廈門理工學院機械與汽車工程學院，廈門 361024； 2.查爾摩斯理工大學應用力學系，哥德堡 41296；3.名古屋大學機械與情報與生體工學研究科，名古屋 464-8601)

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2015092

行人在與汽車碰撞中胸部動力學響應和損傷機理的研究*

韓 勇1,楊濟匡2，水野幸治3

(1.廈門理工學院機械與汽車工程學院，廈門 361024； 2.查爾摩斯理工大學應用力學系，哥德堡 41296；3.名古屋大學機械與情報與生體工學研究科，名古屋 464-8601)

應用THUMS行人有限元模型，進行行人與速度為20、30、40和50km/h的中型轎車、微型轎車、廂式車和SUV等4類不同前部結構車輛碰撞仿真，分析行人胸部動力學響應和胸部碰撞條件以及胸部變形模式和肋骨壓縮量等損傷。結果表明，汽車前部結構對行人動力學響應和胸部碰撞速度有重要影響；汽車前部結構的剛度分布是影響胸部肋骨壓縮量和變形模式的主要因素。

行人保護；胸部損傷；動力學響應；損傷機理；有限元分析

前言

我國近十年的交通事故統計數據顯示，平均每年有近25 000名行人死于車輛交通事故，占死亡人數近25%[1]。在汽車與行人碰撞交通事故中，胸部損傷是僅次于頭部損傷的致命傷害類型[2-4]。根據日本的行人碰撞事故數據統計分析，在“長頭車”和廂式車碰撞事故中胸部AIS1級以上的事故占13%和35%[5-6]，如表1所示。

表1 基于車型的行人受傷部位統計(AIS1&AIS2或AIS3+)[6] %

雖然胸部損傷常見于汽車碰撞事故中，但是針對行人胸部損傷機理和防護進行深入研究的文獻資料有限。文獻[7]中采用行人尸體試驗研究了在與中型轎車和SUV碰撞事故中人體胸部的載荷和變形模式。文獻[8]中采用側碰撞假人對胸部損傷評價指標進行了分析。本文中采用有限元法，針對4種不同前部結構的車型在與行人碰撞中人體胸部所受載荷特性及變形模式進行了深入分析，結果可為行人胸部損傷機理和防護措施的研究提供理論依據。

1 方法

1.1 胸部有限元模型

采用的THUMS行人有限元模型(版本1.8)是由Toyota Motor Corporation和Toyota Central R&D Labs合作開發的用于行人碰撞安全研究的人體有限元模型，身高為177cm，體質量為75kg。文獻[9]中對胸部模型進行了驗證。文獻[10]中對模型的頭部、胸部和下肢等動力學響應進行驗證。文獻[11]中改進了下肢模型的生物逼真度，并根據新發表的生物力學試驗數據對下肢進行了重新驗證，提高了整個模型的生物逼真度。圖1所示為改進的人體模型和胸部模型。本研究中根據亞洲男性老人的身高對模型進行了比例縮放，身高為165cm，體質量為65kg[12]。

1.2 汽車建模與仿真

根據國際協調研究活動行人安全工作組的調查報告對行人事故中的車輛進行分類，并建立和驗證了4種不同前部結構形狀的汽車有限元模型[13]；改進和簡化了NCAC模型數據庫中的本田ACCORD(2000)和豐田RAV4有限元模型(2001)；建立了鈴木轎車的ALTO微型轎車與本田ACTY廂式車有限元模型，圖2示出微型車逆向建模過程。車輛前部結構的材料屬性通過試樣拉伸試驗測得，并采用頭部沖擊器和下肢沖擊器試驗數據進行驗證，詳細結果參見文獻[13]。根據文獻[14]中的研究結果，仿真中車輛與人體的接觸摩擦因數取0.65。

仿真分析中將汽車的碰撞速度設為20、30、40和50km/h，分別對行人運動學響應、胸部(第4節胸椎T4)碰撞條件(碰撞時間、速度和角度)和肋骨變形的模式與變形量進行參數分析，如圖3所示。

2 仿真結果

2.1 胸部運動學響應和碰撞條件

在中型轎車以40km/h的速度碰撞中，行人上部伴隨車輛外廓表面繞轉產生加速運動，胸部在90ms時與發動機罩中部接觸，胸部繞轉半徑比頭部小，因此胸部合成碰撞速度相對頭部小，速度和角度分別為7.8m/s和51°。在與微型轎車碰撞中，行人繞轉運動類似于與中型轎車的碰撞，但由于發動機罩較短，胸部在86ms與發動機罩的后部及雨刮器接觸，碰撞速度和角度分別為5.2m/s和40.8°。在與廂式車碰撞中，未發現行人有明顯繞轉，行人胸部在23ms時與風窗玻璃框架發生接觸，速度較大(9.6m/s)，但是碰撞角度小(8°)。在與SUV的碰撞中，行人胸部碰撞邊界條件與微型車和中型轎車類似，但因SUV車發動機罩前沿較高，胸部繞轉半徑小，加速時間相對中型轎車短，故胸部碰撞速度和角度較小，分別為6.9m/s和37°，如圖4和圖5所示。

2.2 胸部變形模式

分析汽車碰撞中行人胸部的變形模式對理解胸部損傷機理有重要作用。針對不同汽車前部結構外形進行分析，采用Von Mises應力分布作為胸部肋骨應力集中的預測值。中型轎車，由于發動機罩的剛度均勻分布，在與人體胸部碰撞過程中，發動機罩整體變形均勻且有效吸收碰撞能量，發動機罩與發動機艙內硬點的空隙足夠大而未發生觸底回彈現象，因此胸部變形均勻分布且肋骨變形量較小。第一肋骨出現應力集中是由接觸力從肩關節向第一肋骨傳遞產生的，應力分布圖如圖6(a)所示。在微型轎車碰撞中，由于車頭較短，盆骨與發動機罩前沿接觸，肩關節與風窗玻璃觸，使胸部懸空而未與發動機罩接觸，因此胸部變形較小(圖6(b))。在廂式車碰撞中，行人上胸部與剛度較低的風窗玻璃碰撞，而下胸部與剛度較高的風窗玻璃下橫梁發生碰撞，因此胸部承受剪切載荷，致使肋骨變形嚴重，應力集中分布在第6～12節肋骨上，預示肋骨骨折風險大，如圖6(c)所示。在SUV碰撞中，胸部變形模式與中型轎車的碰撞類似，肋骨變形量小，應力水平較低。

2.3 碰撞速度對胸部變形量的影響

圖7示出以不同碰撞速度和4種不同前部結構車輛碰撞中，胸肋骨變形量和由肋骨變形量計算得到的AIS4+損傷風險曲線[15]。從圖中可以看出，隨著碰撞速度的增加，肋骨變形量呈增加趨勢。對比結果表明，在“長頭車”(中型轎車、微型車和SUV)碰撞中，肋骨變形量和AIS4+損傷風險小。在廂式車碰撞中，即使碰撞速度為30km/h，肋骨變形量也超過30mm,AIS4+損傷風險為27.5%。在50km/h碰撞速度下，損傷風險高達36%。

3 討論

在汽車碰撞中，汽車前部結構剛度和胸部載荷對行人胸部損傷影響顯著。一方面，前部結構外形影響行人的胸部運動學響應和胸部碰撞速度，而胸部運動學響應和碰撞速度是影響胸部載荷的兩個重要因素；另一方面，汽車前部結構特性影響了其與胸部的接觸剛度及其吸能特性，兩者對胸部變形模式及變形量影響顯著。胸部載荷和肋骨變形是決定胸部損傷的兩個重要因素。分析結果表明，汽車前部結構局部剛度越高，胸部及肋骨相應的接觸局部變形量越大。

碰撞速度對胸部AIS4+損傷風險的分析結果表明，在“長頭車”(中型轎車、微型車和SUV)碰撞中，碰撞速度對胸部AIS4+損傷風險影響較小，而在廂式車中，碰撞速度對胸部損傷風險影響較明顯。分析結果與文獻[16]和文獻[17]中對行人碰撞事故的分析結果一致。

通過對比分析中型轎車和SUV碰撞中胸部變形量及Von Mises應力分布，結果顯示中型轎車和微型轎車中的肋骨變形量比SUV碰撞中要小，這說明在SUV碰撞中，胸部損傷風險較大。文獻[7]中采用尸體試驗對比分析了中型轎車和SUV碰撞中的行人胸部損傷機理。結果表明，在SUV碰撞過程中，胸部黏性損傷風險要大于中型轎車的碰撞結果，這與本文中的研究結果一致。

4 結論

采用THUMS行人有限元模型(165cm),研究了在與不同前部結構的汽車碰撞過程中人體胸部的損傷機理和不同速度碰撞下的胸部損傷風險，得到如下結論。

汽車前部結構外形對行人胸部運動學響應和碰撞條件有重要影響，如碰撞速度、碰撞角度、碰撞時間等；汽車前部結構局部剛度分布對胸部變形模式和肋骨的局部變形量有顯著影響。在廂式車碰撞中，胸部承受來自低剛度風窗玻璃和高剛度下橫梁形成的剪切載荷，應力集中在下胸部肋骨，骨折風險高。該研究結果可為行人胸部損傷防護研究提供理論指導。

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A Study on the Dynamic Responses and Injury Mechanism ofHuman Chest in Vehicle-pedestrian Collisions

Han Yong1, Yang Jikuang2& Koji Miuzno3

1.SchoolofMechanicalandAutomobileEngineering,XiamenUniversityofTechnology,Xiamen361024;2.DepartmentofAppliedMechanics,ChalmersUniversityofTechnology,Gothenburg41296;3.DepartmentofMechanicalScienceandEngineering,NagoyaUniversity,Nagoya464-8601

With THUMS pedestrian FE model, simulations on vehicle-pedestrian crash are conducted for four types of vehicles (medium sedan, minicar, van and SUVs) with different front-end structures at a impact speed of 20, 30, 40 and 50km/h to analyze pedestrian chest dynamic response and chest impact conditions as well as the chest deformation modes and injuries of pedestrian including rib deflections. The results demonstrate that the front-end structure of vehicle has significant effects on the dynamic response and chest impact speed of pedestrian and the stiffness distribution of vehicle front-end structure is a major factor affecting the rib deflections and chest deformation mode of pedestrian.

pedestrian protection; chest injuries; dynamic responses; injury mechanism; FEA

*國家自然科學青年基金(31300784)、廈門理工學院高層次人才引進項目(JKJ12001R)和國家外國專家局高端外國專家團隊項目(GDT20143600027)資助。

原稿收到日期為2013年7月1日，修改稿收到日期為2013年9月28日。