基于事故再現(xiàn)的行人頭地二次碰撞損傷機理分析

陳一凡，羊 玢

（南京工程學院 汽車與軌道交通學院，江蘇 南京 211167）

目前我國的汽車保有量在不斷上升，更大的基數(shù)意味著更多的事故。在交通系統(tǒng)中，行人是最脆弱的，容易因事故傷亡，行人因交通事故死亡的比例最高，占死亡總?cè)藬?shù)的26%。2019年，道路交通事故萬車死亡人數(shù)約1.80人，其中萬車行人死亡人數(shù)約0.45人，占全年交通事故死亡總?cè)藬?shù)的25%[1]。為了減輕交通事故給社會帶來的巨大經(jīng)濟和情感負擔，研究大都致力于降低交通事故的頻率和嚴重程度。傳統(tǒng)的碰撞研究多采用人體模型模擬事故來對碰撞過程數(shù)據(jù)進行研究[2-5]。此外，也有從統(tǒng)計的角度對行人和自行車損傷進行了研究[6-8]。

全球道路安全報告中指出[9]，頭部是行人發(fā)生事故時受到傷害最嚴重的部位，且受傷率高達30%。在事故中，行人頭部主要受到與車輛的撞擊，接著是與地面碰撞的二次傷害，二次傷害包括摔倒、在地上翻滾和撞擊其他物體。一般情況下，雖然對行人頭部造成嚴重傷害是與汽車的直接沖擊碰撞，但據(jù)調(diào)查顯示[10]，發(fā)生事故中只有約65%的情況是人頭與車直接相碰，況且行人的頭部直接撞擊地面，也是產(chǎn)生嚴重的腦損傷的根本原因。目前國內(nèi)外的研究主要集中在人車碰撞問題上，對人地碰撞問題的研究較少。因此，針對這一疏忽，有必要對行人頭部撞擊地面的損傷機理及相應的損傷風險進行更深入的研究。

通常情況下，實驗大都采用多剛體模型來研究行人在碰撞過程中和碰撞后的動態(tài)響應[11-12]。KIERNAN等人[13]用多剛體模型與不同車型進行了碰撞模擬，研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機罩越高的車型越容易發(fā)生人頭與地面的直接碰撞。SHI等人[14]用多剛體模型進行多次的事故再現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，研究車輛正面結(jié)構(gòu)、車輛撞擊速度、行人大小和步態(tài)對行人對地面撞擊傷害風險的影響。然而，由于多剛體模型簡單，因而很難獲得頭部損傷的具體生物力學參數(shù)。

有限元法已廣泛地應用于汽車工程行業(yè)[12,15]。為獲取更精準生物力學參數(shù)，有限元模型被用于頭部與地面碰撞研究。LI等人[16]用六個月大的兒童顱腦的有限元模型模擬真實的頭部落地情況，所得參數(shù)與實際參數(shù)有良好的吻合度，并指出頭部與地面的高度差和地面的剛度對二次跌地碰撞的影響。TAMURA等人[17]使用有限元方法重建了地面碰撞，研究表明，以后研究的重點應放在行人接觸地面引起的持續(xù)性創(chuàng)傷性腦損傷（Trauma- tic Brain Injury, TBI）。王聰[18]模擬人頭有限元模型從各種角度跌落在地面上，探究人頭不同著落面對顱腦的損傷狀況。

綜上所述，各學者主要對車輛行人碰撞和行人頭部落地損傷進行了研究。對于前者，研究主要采用多剛體模型方法，然而，基于多剛體實驗的局限性在于難以獲得具體的頭部生物力學參數(shù)，很難分析出頭部損傷的具體機制。后者采用有限元分析方法研究了不同高度、角度等狀況下頭部墜地造成的損傷，但沒有結(jié)合實際中車輛行人碰撞事故的研究。因此，本文將上述兩種方法結(jié)合起來，基于現(xiàn)實中車輛行人碰撞事故再現(xiàn)的行人頭部落地損傷機理進行研究。

本文的意義在于為車輛行人碰撞事故中行人頭部落地損傷提供了一套可行的研究方法。具體來說，通過多剛體模型再現(xiàn)事故得到碰撞參數(shù)，在此基礎(chǔ)上用有限元模型進行行人頭部落地損傷分析。該方法能夠有效地再現(xiàn)事故現(xiàn)場，判斷頭部損傷程度，分析損傷機理，探究應力波的傳播方式，為進一步研究行人頭部保護和改善車輛前部形狀提供參考。

1 基于PC-Crash的事故再現(xiàn)與分析

本節(jié)以實際事故為例，利用PC-Crash軟件對碰撞過程進行仿真，并對碰撞過程進行運動學和動力學分析。

1.1 事故概述

事故現(xiàn)場草圖如圖1所示。一輛面包車在最左車道直線行駛，與道路中間穿越綠化帶的行人相撞。碰撞后，行人最終倒地，停在車輛前方。事故發(fā)生后所測剎車印跡為10.6 m，被撞行人距車輛11.3 m，行人拋距為19 m。這名行人最終死于前額粉碎性骨折和嚴重的顱腦損傷。

圖1 事故現(xiàn)場草圖

車輛的損壞情況如圖2所示。副駕駛前側(cè)擋風玻璃嚴重碎裂并向內(nèi)凹陷，右側(cè)引擎蓋內(nèi)陷，右前照燈玻璃破碎。

圖2 車輛損壞圖

1.2 速度計算

碰撞時面包車速度根據(jù)能量守恒定理計算：

式中，s為面包車緊急制動剎車印跡；m為面包車質(zhì)量；φ為道路附著系數(shù)；i為坡度；g為重力加速度；故碰撞瞬間面包車速度v0為43.4 km/h。

根據(jù)事故監(jiān)控計算出行人碰撞瞬間速度為1.4 km/h。

1.3 運動分析

碰撞時面包車設置好面包車和行人的各項參數(shù)并調(diào)整好碰撞位置和行人姿態(tài)。

仿真結(jié)果表明，面包車碰撞速度為44 km/h時，行人拋距離為19.5 m，與所采集數(shù)據(jù)基本一致。面包車剎停位置和行人落地位置也與事故現(xiàn)場情況吻合，如圖3所示。

圖3 模型仿真位置

碰撞后行人的姿態(tài)如圖4所示。當t=0.025 s時，行人右小腿即將與前保險杠發(fā)生碰撞；當t=0.098 s時，行人的髖骨和上半身與面包車引擎蓋發(fā)生碰撞，導致引擎蓋內(nèi)陷；行人頭部撞擊擋風玻璃，造成擋風玻璃嚴重碎裂并向內(nèi)凹陷，行人嚴重腦損傷。t=1.200 s時，行人頭部正面與地面相撞，造成二次腦損傷；t=2.448 s時，車與人完全靜止。結(jié)果表明，面包車損壞程度與實際情況基本一致，該模型較好的進行了事故再現(xiàn)。

圖4 碰撞后行人運動姿態(tài)

由圖5可知，當行人頭部正面與地面相撞，接觸力為4262 N，瞬時速度為11.11 m/s，沖擊方向與地面夾角為87?。

圖5 頭部接觸力和速度曲線

2 行人頭部落地損傷的有限元分析

建立人頭有限元模型，通過各項生物力學參數(shù)對行人顱腦損傷機理展開研究，同時觀察壓力波在行人頭部的傳播過程。

2.1 頭部有限元建模

為了獲得人體頭部的斷層圖像，對50百分位成年男性的頭部進行計算機斷層掃描（Computed Tomography, CT）和磁共振成像掃描（Magnetic Resonance Imaging, MRI）。首先對圖像進行預處理，將圖像導入Mimics中，獲取點云數(shù)據(jù)，通過參數(shù)化處理生成曲面；接著在擬合曲面前，進行檢測并去除缺陷點；最后利用B樣條曲線擬合曲面生成三維幾何模型，所建立的三維模型主要包括顱骨、面骨、軟骨、牙齒、腦膜、大腦、小腦和腦脊液。

獲得三維模型后對模型進行網(wǎng)格劃分，將其導入到HyperMesh中，將單元體類型設置為線性六面體單元，將模型導入ABAQUS中定義骨骼組織和腦組織的材料屬性參數(shù)[19]，所建立的模型共包含403176個單元。

2.2 仿真與結(jié)果分析

首先建立具有固定邊界條件的路面模型，然后設置頭部模型前額跌地碰撞的速度及角度，并完成其他結(jié)果的輸出設置。圖6為頭部前額跌地碰撞圖。

圖6 頭部前額跌地碰撞圖

圖7為行人額頭落地時顱內(nèi)壓隨時間的變化曲線。發(fā)生碰撞時，行人前額碰撞處的顱內(nèi)壓為正，這是因為慣性作用而導致的顱骨與腦組織相互擠壓，碰撞側(cè)正壓峰值為363 kPa。而在碰撞對側(cè)的顱內(nèi)壓力為負，這是因為該處的腦組織與顱骨相互分離，碰撞對側(cè)的負壓峰值為-147 kPa。WARD等人[20]研究表明，當成人頭部顱內(nèi)壓大于235 kPa時，會導致嚴重的腦損傷，這與事后醫(yī)學報告中行人頭部有嚴重腦損傷的情況是一致的。

圖7 頭部前額跌地碰撞時顱內(nèi)壓隨時間的變化曲線

由圖8可以看出，當t=3.0 ms時，由于地面阻礙人頭運動而在碰撞處出現(xiàn)應力。當t=4.0 ms～6.0 ms時，碰撞處的應力隨時間越來越大，應力開始從碰撞處向四周傳播，其中一部分應力在顱骨傳播，上至顱頂骨區(qū)域，向下到達眉間，額骨眶部等區(qū)域，并繼續(xù)向額眶面、篩狀板和頜面部骨撕裂處擴散，由于這些部位形狀幾何形狀變化明顯，故出現(xiàn)應力集中。當t=6.0 ms時，顱骨碰撞處的von Mises應力出現(xiàn)最大值，其等效應力448 MPa。根據(jù)MCELHANEY等人[21]提出的當von Mises應力超過75 MPa時，額骨將發(fā)生斷裂，所以，在這種情況下，行人會出現(xiàn)比較嚴重的額骨骨折，這與事后醫(yī)學報告中行人額骨粉碎性骨折相符合，此外額骨骨折也會引起硬腦膜血腫。

圖8 應力波在頭部的傳播和分布

而碰撞處的另一部分壓力則經(jīng)由顱骨和腦組織的連接處傳播到大腦。由于應力波傳播過程中產(chǎn)生能量損耗，因而耦合處腦組織的von Mises應力遠小于顱骨接觸處的von Mises應力。由圖8的應力波在腦組織傳播情況可以看出，當t=4.0～ 6.0 ms，耦合處的應力隨時間越來越大，且開始從耦合處向四周輻射。在腦組織額葉處和胼胝體處都出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，而由于碰撞引起人腦和顱骨產(chǎn)生相對運動，與顱骨接觸的顱底組織產(chǎn)生大范圍的應力集中。當t=6.0 ms時，腦組織在與顱骨耦合處出現(xiàn)最大von Mises應力為99.76 kPa。而根據(jù)BAUMGARTNER等人[22]的理論：當腦組織von Mises應力超過38 kPa時，人會因為嚴重的腦損傷而死亡，被撞行人也死于嚴重腦損傷，從而得出有限元仿真的真實有效性。

綜上所述，從仿真人頭額部撞地所得的應力波的傳播和分布情況可以得出，應力波從碰撞處開始，沿顱骨和腦組織向各個方向傳播，從而使顱骨和腦組織受到不同程度的損傷。應力波的傳播主要有兩方面，一方面是來從顱骨碰撞處向四周傳播直到碰撞對側(cè)，其中應力集中出現(xiàn)在顱骨碰撞處和顱骨附近形狀變化較大的骨骼組織上的；另一方面是從碰撞處的腦組織與顱骨耦合處向四周傳播直到碰撞的另一側(cè)，應力集中在碰撞處的腦組織和顱底。當應力波傳播到顱腦耦合時會發(fā)生衰減，即撞擊部位顱骨的von Mises應力明顯高于撞擊部位腦組織的von Mises應力，這與何黎民等人[23]的研究結(jié)果一致。結(jié)合仿真結(jié)果和行人頭部的實際損傷情況，從而得出應力集中可能是頭部落地損傷的一種損傷機制這一結(jié)論。

3 總結(jié)

本文模擬了現(xiàn)實生活中的碰撞事故。以事故再現(xiàn)得到的行人頭部落地的速度和角度為初始條件，采用具有精細顱面結(jié)構(gòu)的大腦有限元模型，研究了行人頭部落地損傷機理和應力波傳播方式。

1）行人頭部撞擊地面后的顱腦損傷與von Mises應力和應變有關(guān)，應力分布和應力波傳播反映了顱腦損傷的沖擊響應過程，從而使觀察顱腦損傷的過程更直觀，其中應力波的傳播路徑主要有兩種。

2）通過重構(gòu)某案例中行人撞擊地面造成腦損傷的過程，可以看出仿真結(jié)果與腦減速損傷的實際情況是一致的。將有限元模擬結(jié)果與事故中行人的損傷情況進行對比，發(fā)現(xiàn)行人與地面碰撞時，在碰撞部位的腦組織和顱骨內(nèi)存在應力集中，在碰撞的對側(cè)和顱底不規(guī)則部位存在應力集中區(qū)，其中顱骨部位應力最大。

3）準確重建行人腦損傷碰撞模型，可以用來對不同情況下人頭損傷程度進行預測，為進一步研究行人頭部保護和改善車輛前方結(jié)構(gòu)形狀提供參考。