微型面包車碰撞事故駕駛員損傷重建研究

雷　晨，尹志勇

(1.重慶理工大學 藥學與生物工程學院，重慶　400054;

2.第三軍醫大學 大坪醫院野戰外科研究所 交通醫學研究所，重慶　400042)

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微型面包車碰撞事故駕駛員損傷重建研究

雷晨1，尹志勇2

(1.重慶理工大學 藥學與生物工程學院，重慶400054;

2.第三軍醫大學 大坪醫院野戰外科研究所 交通醫學研究所，重慶400042)

摘要：為了研究微型面包車碰撞事故中駕駛員動力學響應及損傷機制，在案例深入分析的基礎上獲取事故中車輛碰撞參數和邊界條件，然后利用hyperworks和LS-dyna軟件對一起真實的微型面包車碰撞貨車的交通事故進行模擬仿真。重建結果顯示：駕駛員頭部HIC值為2 663，胸壁最大運動速度為10.17 m/s，顱骨及肋骨的最大vonMises等效應力值分別為237.9 MPa和130.9 MPa。尸檢報告中駕駛員系顱腦損傷、胸腔臟器損傷死亡，有限元模擬仿真中頭部和胸部的動力學響應與駕駛員的實際損傷較為吻合。該方法能對微型面包車碰撞事故做出準確分析，可為同類事故成因分析及責任認定提供新的途徑。

關鍵詞：有限元仿真;微型面包車；駕駛員損傷；事故重建

隨著農村經濟的發展，一般核載 7～8 座的微型面包車以其價格低、內部空間大的優勢，在農村地區備受青睞[1]。然而，微型面包車在安全性能、操縱穩定性以及碰撞相容性等方面存在明顯不足，加之農村地區微型面包車駕駛員交通意識薄弱，微型面包車事故發生數量呈逐年上升的態勢。第三軍醫大學尹志勇等[2]對181例微型面包車非行人事故進行了深度分析，發現微型面包車與貨車碰撞的案例傷亡情況最為嚴重。貨車以重型貨車為主。由于車身剛度不足、車頭較短，事發后微型面包車變形量較大，整車長度明顯潰縮，且碰撞側的乘員空間大量侵入，車內乘員傷亡嚴重，約有60%的乘員因顱腦損傷和胸部損傷死亡。面對事故帶來的大量人員傷亡和經濟損失，明確微型面包車駕駛員頭部和胸部損傷機理意義重大。

近年來隨著計算機科學的快速發展，數學模型越來越多地應用于交通事故研究中，把數學模型和真實交通事故相結合開展行人交通事故研究是一種比較可靠的方法[3]。雖然近年來國內已引入MADYMO多剛體軟件對交通事故進行重建研究，但與有限元模型相比，其人體模型過于簡化，不具有人體組織的材料特性，無法獲取較詳盡的人體動力學響應參數。

本文在深度事故調查的基礎上獲取案例中車輛碰撞參數和邊界條件，應用有限元方法，結合THUMS 4.0人體模型，重建了一起微型面包車追尾重型貨車的事故，展示了事發過程中駕駛員整體的運動過程及頭部和胸部生物力學響應過程，并將案例中駕駛員頭胸部傷情與仿真得到的相關響應參數進行對比驗證。

1材料與方法

1.1事故案例

1.1.1案情簡要介紹

2015年2月某日，某款微型面包車駕駛員因為夜晚視線不足、剎車不及，追尾一輛?？吭谟覀溶嚨赖闹匦拓涇?，面包車車頭與貨車的后防撞護欄發生碰撞，車頭變形嚴重，造成駕駛員當場死亡。事故現場照片見圖1。

圖1　事故現場照片

1.1.2車輛碰撞痕跡

事發后的車輛檢測報告顯示，貨車防撞護欄中部受撞擊變形，面包車由左往右0～140 cm、由前往后0～160 cm范圍受撞擊損毀，車廂車頂向上隆起。面包車車頭平均變形深度為70 cm，結合動能守恒定理可計算出追尾時貨車的車速為62 km/h。

1.1.3法醫學鑒定

交通事故損傷法醫學鑒定顯示：死者尸長175 cm，雙鼻腔及口腔有較多血跡，右下瞼有一 2.0 cm×0.2 cm不規則裂創伴周邊皮下出血，右眉內側有一2.3 cm×0.6 cm淺表裂創，右面部散在表皮剝脫及皮下出血，捫及右顴骨異?；顒蛹肮遣粮?，胸前5.0 cm×4.0 cm皮膚淤紫，右腋前線第4，5根肋骨均觸及骨擦感，右側胸部穿刺有血性液體流出。

1.2事故重構

1.2.1事故重構基本理論

隨著計算機軟硬件的不斷提升，有限元技術在工程領域得到了廣泛的應用。汽車碰撞具有瞬態大、位移大、變形的特點，受高速沖擊載荷以及接觸的影響非常大，使得整個碰撞系統具有多重非線性，即幾何非線性、材料非線性等。LS-dyna以顯示求解為主，特別適合求解各類二維、三維非線性結構的碰撞問題[4]。因此，本文利用顯示動力學軟件LS-dyna對微型面包車追尾貨車事故進行精準分析。

1.2.2駕駛員模型

駕駛員模型采用日本豐田汽車公司和豐田技術中心共同開發和設計驗證的THUMS 4.0人體有限元模型[5]。該模型身高175 cm、體重77 kg，使用高分辨率的CT掃描數據對人體內部器官組織進行精準建模，能充分體現各個臟器及骨骼的生物學特征。THUMS 4.0坐姿模型共計約有200萬個有限元網格單元，其各部分材料以及屬性的定義已經經過一系列的試驗驗證，符合相關法規的基本要求，可對人體各部位損傷進行精準的生物力學分析。

1.2.3車輛模型

重型貨車模型采用經由美國國家汽車碰撞分析中心(national crash analysis center)驗證的汽車模型，該模型擁有36 539個網格單元。微型面包車采用本團隊經過驗證的某款國內車型，網格數共計為730 000個。兩輛汽車模型車身部件的屬性和材料定義符合基本法規要求，可用于模擬仿真。

1.2.4假人模型姿態調整

為使假人模型正確放于微型面包車內，需利用hypermesh軟件對初始模型進行平移，使得假人先位于駕駛位附近。有別于傳統的hybridⅢ系列假人只需對手臂和腿部的鉸鏈進行一定角度的旋轉即可完成最終坐姿，THUMS4.0人體模型依據真實人體建立，人體手臂與腿部間的連接不能單純地模擬為球鉸或柱鉸，簡單地繞中心點進行旋轉調整。因此，為使假人的手能恰好握住方向盤，需在手臂的尺骨或橈骨上施加一定的作用力并設定持續時間(通常情況下施加1 N的力，設置0.05 s工況時間即可達到目的)，提交dyna計算之后導出正確的K文件，以此使假人模型雙手握住方向盤。采取同樣的方法，在腿部脛腓骨上施加持續力，可使假人雙腳能正確地踩在腳踏板上。

在完成假人四肢姿態調整之后，為模擬真實環境下座椅的變形以及駕駛員坐姿，需對假人施加重力場，依據臀部距座椅的位置設置適當的工況時間，提交計算以后得到最終理想的假人姿態。

1.2.5安全帶的建立

通過oasys primer前處理軟件能夠方便快捷地建立高質量的安全帶。如圖2所示，本文建立的安全帶由安全帶拉帶1D和2D單元、滑環單元和卷收器組成，其中1D單元材料采用安全帶專用材料，2D織帶部分利用LS-dyna中24號分段線性材料模擬。安全帶材料的延伸率引用真實安全帶試驗參數。卷收器的加載曲線描述了安全帶伸出量與力的關系，需根據相關標準對其設置合適的初始張力，以防力過大使得2D單元到達滑環位置導致報錯。

圖2　安全帶模型

1.2.6損傷準則

頭部損傷采用美國政府提出的頭部損傷評價標準進行評估，定義如下：

(1)

式中：R(t)表示頭部質心合成加速度(g)；t1和t2分別表示達到最大HIC值的起始和終止時刻；對于乘員碰撞t2與t1的間隔時間取36 ms。胸壁最大運動速度由胸壁面與矢狀面4等分點節點求得。HIC值與胸壁最大運動速度(絕對速度)可以與簡明創傷分級標準(abbreviated injury scale,AIS)進行關聯[6]，見表1。

表1　HIC、胸壁最大運動速度(絕對值)與AIS的關系

1.2.7事故重建方法

首先通過貨車后防撞護欄的變形位置及寬度確定微型面包車碰撞時刻車頭與貨車車尾的相對位置。然后為面包車、假人模型、安全帶等模型加上共同的速度，假人與面部車和貨車與面包車的接觸采用面面接觸，兩車與地面的摩擦因數參考事發時瀝青路面的摩擦因數(取值0.70)。最后，檢查接觸的定義是否完整、初始穿透是否消除。圖3所示為利用hypermesh構建的微型面包車追尾貨車碰撞仿真模型。

圖3　微型面包車追尾貨車碰撞仿真模型

2仿真結果

2.1頭部重建結果分析

微型面包車以62 km/h的車速與停止的貨車發生碰撞，面包車與貨車接觸初始時刻記為t=0,t=77 ms時，駕駛員頭部質心加速度達到峰值1.689 km/s2，HIC值為2 663，駕駛員臨界死亡，符合駕駛員系顱腦損傷而死亡的鑒定結論；t=78 ms時駕駛員面部右側與方向盤完全接觸(見圖6(d))，與死者雙鼻腔及口腔有較多血跡、右下瞼有一2.0 cm×0.2 cm不規則裂創伴周邊皮下出血、右眉內側有一2.3 cm×0.6 cm淺表裂創、右面部散在表皮剝脫及皮下出血等傷情相對應；顱骨vonMises等效應力最大值出現在右側顴骨(見圖4)，應力為237.9 MPa(大于120 MPa)，上、下頜骨及鼻骨應力值不超過52.87 MPa(小于120 MPa)，其余部位未有受損(應力值為0)，相關研究表明當顱骨等效應力超過120 MPa，有較大的骨折風險[7]，故死者右側顴骨有較大可能骨折，與尸檢報告結果中捫及右顴骨異常活動及骨擦感相吻合。

圖4　t=78 ms時顱骨應力云圖

2.2胸部重建結果分析

兩車碰撞時刻記為t=0。t=60 ms時，駕駛員胸部開始與方向盤接觸(見圖6(b))，胸壁最大運動速度(絕對速度)為10.17 m/s，與死者胸前5.0 cm×4.0 cm皮膚淤紫吻合；t=69 ms時，在方向盤提供的反作用力下，駕駛員右胸部肋骨等效應力達到最大值，應力大小為130.9 MPa(大于94.7 MPa),左胸第4～6肋和右側第3～6肋呈現應力集中(見圖5)，左胸第1～3肋應力值不超過72.73 MPa，左胸7～12肋應力值不超過43.64 MPa，右胸1～2肋骨應力值不超過87.28 MPa，右胸7～12肋應力值不超過58.19 MPa。上述應力值均小于94.7 MPa。有關試驗結果表明肋骨屈服應力為94.7～155.9 MPa[8]，因此本次事故中左胸4～6肋和右胸第3～6肋骨有較高的損傷風險，這與尸檢報告結果中右腋前線第4、5根肋骨均觸及骨擦感、右側胸部穿刺有血性液體流出等傷情基本相符。碰撞仿真過程見圖6。

圖5　t=69 ms時肋骨應力云圖

圖6　事故案例碰撞仿真過程

3討論

在兩車碰撞事故重建中，事發時兩車的行駛狀態及車速是相當重要的，但難以準確得到，需要更多的證據去輔佐。為了確定碰撞位置，需要對事發后車輛進行仔細勘驗，對比可能存在的擦痕高度是行之有效的方法。在本文事故中，面包車車頭變形位置與貨車后方撞護欄高度比較一致，且面包車車頭附著有與護欄相同顏色的漆片，在進行物證鑒定后，能較準確地對微型面包車碰撞時刻的空間位置進行定位，通過駕駛員筆錄及現場散落物可以認定事發時貨車處于停駛狀態；為了獲得準確的汽車車速，往往包括剎車痕跡、目擊者供詞、車身變形量、監控視頻等。此次事故，微型面包車前部變形嚴重，通過動能守恒定理結合車身剛度系數，能分析得到碰撞時刻面包車車速，這對事故準確重建是必要的。

用以對乘員安全系統進行分析和優化的MADYMO軟件雖然能快速地得出結果，但是其采用剛體及鉸鏈組成的假人模擬仿真，精準程度上有所欠缺。傳統獲取乘員損傷信息的仿真方法僅限于在MADYMO側碰撞系統或有限元模型上施加實車的B柱加速度，從而獲得人體損傷參數，但在真實交通事故中，車輛由于碰撞擠壓變形，前圍板入侵、車身空間的壓潰縮小都會對乘員的頭部和胸部損傷形成重要影響，這種方法并不能模擬上述情況。因此，本文在經過驗證的模型基礎上對車輛設置真實工況，對兩車進行碰撞模擬，能較準確獲得駕駛員頭部和胸部損傷參數。

研究表明：對于沒有安全氣囊的微型面包車，事故發生時會因駕駛員頭部和胸部與汽車方向盤等部位發生碰撞及安全帶過度勒緊產生損傷。駕駛員頭部與方向盤等部件相撞，頭部平動加速度較大而旋轉加速度較小，文獻提示平動加速度可能造成腦挫裂傷，而角加速度可能造成彌漫性軸突損傷，所以乘員獲得腦挫傷的風險較高。對于駕駛員胸部損傷，胸部在高載荷下產生變形導致內部軟組織的損傷，當超過胸腔耐受極限時，發生肋骨骨折及心、血管等的挫傷或破裂。對于被動安全性較差的微型面包車，在沒有安全氣囊及可壓潰式管柱的保護下，胸部損傷將大大加劇。在有些交通事故中，存在駕駛員胸腔內部組織器官損傷但沒有肋骨骨折的現象，這類情況可用人體組織的粘性生物力學響應來解釋[9]。頭部和胸部是微型面包車駕駛員在車輛碰撞中最易受傷且致死率較高的部位，通過假人、動物、人體尸體等相關試驗獲取頭部及胸部沖擊損傷的真實動力學響應參數，對改進有限元模型、提高事故重構準確度十分重要。此外，考慮駕駛員不同坐姿等其他因素進行碰撞實驗設計，將會進一步豐富和完善微型面包車碰撞事故重構的理論和實驗研究。

4結束語

本文在深度事故調查的基礎上，結合THUMS 4.0人體有限元模型對微型面包車事故案例進行精確仿真，依據HIC及AIS等損傷準則，對駕駛員頭部以及胸部動力學響應參數進行評價，做到“以人為中心”開展交通事故重建研究。結果表明：該方法成功再現了事發時駕駛員整個動力學響應過程，重建所得到的頭部和胸部損傷參數與傷情較好地吻合，能對真實的微型面包車碰撞事故進行有效再現和分析，獲得較詳盡的人體損傷參數，為相關法規的制定以及乘員被動安全的防護提供了理論基礎，可為同類事故成因分析及責任認定提供新的途徑。

在這一步基礎之上，可以進一步利用有限元方法的成本低、可重復性高的優點對多款微型面包車有限元模型乘員損傷機理進行分析，探究不同乘員艙空間和不同材質車內飾部件下駕駛員頭部和胸部動力學響應參數，從而更深入有效地研究人體損傷機理。

參考文獻：

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(責任編輯何杰玲)

Study of Driver Injury Based on Reconstruction of Minibus Collisions

LEI Chen1, YIN Zhi-yong2

(1.College of Pharmacy and Biological Engineering, Chongqing University of Technology,Chongqing 400054, China; 2.Military Research Institute of Traffic Medicine,Daping Hospital & Institute of Surgery Research, Third Military Medical University,Chongqing 400042, China)

Abstract:In order to investigate the driver kinematics and the injury mechanism in real minibus collisions, we obtained the accident vehicle collision parameters and boundary conditions based on in-depth accident investigation, and then a real minibus-truck collision was constructed by using hyperworks and LS-dyna software. The reconstruction results show that the head injury criterion (HIC) value is 2 663, and the maximum velocity of the thoracic wall is 10.17 m/s, and the max equivalent stress vonMises of skull and rib are 237.9Mpa and 130.9Mpa respectively. The autopsy report reveals that the driver died of brain injury and thoracic organ damage, and the results of finite element simulation suggest head and thoracic injury are consistent with the actual damage of the driver. The approach can make accurate analysis for minibus collisions, which provides a new method for the analysis of the cause of similar accidents and the identification of the responsibility.

Key words:finite element simulation; minibus; driver injury; accident reconstruction

文章編號：1674-8425(2016)02-0071-06

中圖分類號：R318.01

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.02.013

作者簡介：雷晨(1990—)，男，湖北十堰人，碩士研究生，主要從事交通傷損傷生物力學機制的研究；尹志勇(1963—)，男，教授，博士生導師，主要從事交通傷損傷機制及防護的研究。

基金項目：重慶市自然科學基金院士專項基金資助項目(cstc2012jjys0004)

收稿日期：2015-10-21

引用格式：雷晨，尹志勇.微型面包車碰撞事故駕駛員損傷重建研究[J].重慶理工大學學報(自然科學版)，2016(2):71-76.

Citation format：LEI Chen, YIN Zhi-yong.Study of Driver Injury Based on Reconstruction of Minibus Collisions[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(2):71-76.