基于PC-CRASH的汽车与行人碰撞事故再现仿真研究(5)

１６第二章汽车与行人碰撞事故特点研究根据损伤生物力学中载荷一损伤模型理论，可以将人车碰撞过程简要描述为：当事故发生时，外部载荷（惯性力和接触力）通过各种方式传递到人体上，人体对此载荷做出适当的生物力学响应，当载荷超过人体的耐受极限时，将按照相应的损伤机理引发人体损伤。在物理试验或仿真试验中，人体承受的载荷往往以损伤指标的形式表示。由上述描述可知，损伤机理、损伤指标和人体耐受度的研究是预测和评价行人损伤的关键。其中，损伤机理主要用于预测在给定的事故环境下可能的损伤形式和致伤原因，损伤指标和人体耐受度用于评价损伤或载荷严重程度。对于人车碰撞事故再现，行人损伤的引入将为事故再现提供更多参考依据，为事故鉴定提供多种可能的途径。另一方面，行人损伤也是行人建模所关注的重要内容，假人最初的设计目标就是评价人体损伤。因此，结合本论文需要，下文将从损伤机理、损伤指标及其耐受极限这两个方面来简要介绍行人损伤生物力学的相关知识。２．３．２行人损伤机理在人车碰撞事故中，行人可能受到的损伤可以分为两类，即原发性损伤和继发性损伤。其中，原发性损伤也称作第一次损伤，是车辆第一次碰撞或碾压人体造成的损伤，如直撞伤、伸展创、碾压伤等。继发性损伤又可称为第二次损伤，是人体被撞后身体与地面或其他物体相碰撞、擦划造成的损伤，如摔跌伤、拖擦伤等。在真实事故中，不同的致伤机制将会伴随产生特定类型的行人损伤。通常，按车型进行分类，可以将行人的致伤机制概括为以下两类：（１）当行人与长头小客车相撞时，可形成所谓的碰撞三联伤：首次碰撞伤由车前保险杠撞击人体的腿部，或发动机罩的前端撞击腰部或臀部所造成；抛举性碰撞伤的形成是因为人体受撞击部位低于人体重心位置，导致人体发生翻转，身体被抛举腾空，落下撞击到发动机罩上，造成躯干部的第二次碰撞性挫擦伤；滑动性碰撞伤是由于车辆向前行驶的动能与人体后移惯性力的作用，导致人体在发动机罩上滑动，使人体头部、肩部与车辆前挡风玻璃相撞。（２）当行人与平头的卡车或大客车相撞时，因人体受冲撞部位高于重心，平行和向前的旋转运动使行人头部远离车身向前摔倒。由于接触面积广，巨大的冲击能量可以较充分地传递给人体，易造成外伤不明显而内伤却十分严重的撞击伤。另外，强大的冲击力将人体平推抛出，会造成严重的摔跌伤，随之发生拖擦和碾压。由上文所述可知，在人车碰撞事故中，头部和下肢是最多见的损伤部位，其次是头部和胸部。其中，头部伤是常见的致命伤。下文将针对头部、胸部和下肢第二章汽车与行人碰撞事故特点研究１７损伤，分别详细介绍它们的损伤机理。２．３．２．１头部损伤机理与评价指标头部损伤的表现形式有颅骨骨折和颅脑损伤。行人头部因车轮重压或车体猛烈撞击后常引起颅脑开放性骨折，表现为颅骨片状粉碎、头颅变形、头皮开裂、脑组织外流等现象。颅骨闭合性骨折常常是由于行人受到直接碰撞或跌扑造成，这种骨折多数表现为裂纹或线状骨折，常伴有皮下溢血或血肿。颅底骨折多由间接暴力所致，即除着力部位产生冲击伤外，还在着力部位的对侧形成对冲伤，即颅前窝、颅中窝、颅后窝处的骨折，可从靠近处的眼、耳、口、鼻中溢出物中看出。常见的颅脑损伤有脑震荡、脑挫裂伤、颅内出血与血肿。脑挫裂伤是头部受到强力冲撞，造成脑组织挫裂，该损伤多发生在颞前部、额前部及脑底等处，严重的可引起脑疝而死亡。脑挫裂伤一般在伤后立即出现意识障碍，且持续时间长甚至陷入深度昏迷。颅内出血的损伤形式常表现为硬脑膜外血肿和硬脑膜下血肿。硬脑膜外血肿是头部受到强力冲击或造成颅骨骨折时，硬脑膜与颅骨间相连的血管受损破裂，溢血积于颅骨与硬脑膜之间形成血肿。硬脑膜外出血会反复出现昏迷、清醒、再昏迷，并伴有呕吐、意识障碍程度逐渐加深的症状。硬脑膜下血肿是溢出的血液在硬脑膜与蛛网膜之间形成的血肿，出血部位一般在着力部位或对冲部位，血肿的形成较硬脑膜外血肿要慢的多，血肿一旦形成，往往抢救不及。、凹倒制髯辍忙时间／ｓ图２．５ＷＳＴＣ耐冲击性曲线对人体头部损伤进行数值分析，主要参考依据是头部加速度曲线。分析常用的头部对加速度耐冲击性的数据是通过实验方式得到的。将尸体头部落在刚性平面上，让颅骨产生线形骨折为界限从而得到了相关曲线数据。线形骨折与脑震荡的发生几乎同等，但与脑挫伤的关系不明确。通过总结实验数据形成了著名的ＷＳＴＣ１８第二章汽车与行人碰撞事故特点研究耐冲击性曲线，该曲线最早由美国韦思州立大学的ＬｉｓｓｎｅｒⅢ１于１９６０年提出，其后由Ｇｕｒｄｊｉａｎ和Ｐａｔｒｉｃｋ等追加数据予以完善。如图２．５所示，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加速度波形未必完全对应，可是由于该曲线使用方便，因此成为此后对人体头部伤害进行讨论所引用的主流数据。１９６６年Ｇａｄｄ根据ＷＳＴＣ提出了Ｇａｄｄ伤害指数（ＧＳＩ，Ｇａｄｄ即头部伤害指标公式：ＳｅｖｅｒｉｔｙＩｎｄｅｘ），ＧＳＩ＝【口”４式中：（２．１）口一头部加速度；甩一加权指数；ｆ一加速度作用时间；ｆ一时间。１９７１年由Ｖｅｒｓａｃｅ∞５３提出了ＨＩＣ（ＨｅａｄＩｎｊｕｒｙＣｒｉｔｅｒｉｏｎ）头部伤害标准，被美国道路交通安全局采用为法规ＦＭＶＳＳ２０８的伤害标准，现在还在同一法规中使用。我国的强制性标准ＣＭＶＤＲ２９４也采用了这一指标。ＨＩＣ可以说是ＧＳＩ改进式。由于ＷＳＴＣ原来根据的是平均加速度的概念，ＧＳＩ尚不完备，所以采用下式：胱…卜）（击ｆ２叫门式中：偿２，＾一加速度作用中的任意时间；‘一相对于‘，使ＨＩＣ值达到最大的时间；口一头部中心的合成加速度。在国内外各项法规及标准中，一般设置ＨＩＣ值为１０００作为安全界限。目前，ＨＩＣ己成为最广泛使用的评价头部伤害的准则。由于使用上的原因，ＨＩＣ值的最大时间间隔（乞一＾）定为３６ｍｓ，这个时间间隔大大的影响着ＨＩＣ的计算。最近，这个时间间隔被建议进一步减少至１６ｍｓ，这主要是用来限制作用于头部的硬冲击。伤害准则和相关的容限水平应与伤害严重程度联系在一起，使用ＨＩＣ评价指标的局限在于：（１）虽然头部的生物力学响应也包括可以引起头部伤害的角运动，但ＨＩＣ仅考虑了线性加速度：（２）ＨＩＣ只在硬接触发生时有效，因此冲击的时间区间受限制。虽然有这些限制，ＨＩＣ评价方法还是汽车领域中研究头部伤害时最常使用的准第二章汽车与行人碰撞事故特点研究１９则，而且ＨＩＣ评价方法被认为可以很好的区分接触和非接触冲击响应。除了ＨＩＣ等参数以外，另外还有一些其他的伤害指标如ＪＩＴ（Ｖｉｅｎｎａ也纳研究所标准），ＥＤＩ（Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ２．３．２．２胸部损伤机理与评价指标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，其发生频率和致命度都是很高的。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部位。胸壁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要引起重视。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，就会发生危险。呼吸器官的功能动作是靠胸部和横膈膜的运动来进行的被动动作，如果肺内的支气管、肺泡、胸壁、纵膈等部位裂伤，则空气将通过这些裂伤处进入胸腔，压迫胸部，使肺泡像气球一样萎缩，从而导致肺功能障碍，甚至肺功能完全丧失。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ＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔＩｎｓｔｉｔｕｔｅＩｎｄｅｘ，维Ｉｎｄｅｘ，有效位移指数）等等。生的频率很高，占胸部伤害７５％一８０％，若是心脏及其周围血管损伤出血将是致命的。横膈膜是胸腔与腹腔的隔壁，也是肺进行吸气动作的重要肌肉组织，横膈膜一旦破裂，腹腔内脏将露出胸腔内，血液同时压迫肺部，使呼吸困难，往往成为致命伤害。心脏是由强韧的心肌组成的用于血液循环的泵，特别是把血液送往全身的左心室，室中充满了高压的血液，这部分的损伤将是致命的，如果心脏本身裂伤，则包裹心脏的心膜将充满血液，’返回右心室的低压大静脉变窄，也会导致失去循环机能，心脏的伤害几乎都会立即死亡，但发生的频率很低，心脏周围血管爆裂伤，尤其是胸部大动脉裂伤，很容易造成致命伤害。目前，在交通事故数字化分析方法中，通常按照国际惯例把３ｍｓ内的合成加速度值６０９作为安全界限值啪１，同时在碰撞的过程中，要求胸部性能指标ＴＨＰＣ（胸部相对于脊柱的压缩量）、＜７５ｍｍ。我国的强制性标准ＣＭＶＤＲ２９４也是采用的这样的损伤标准。２．３．２．３下肢损伤机理与评价指标下肢在汽车碰撞事故中是继头部之后的第二大频繁受伤的部位㈨，在汽车与行人碰撞事故中，人体下肢是全身最早接触汽车的，因而使得下肢受伤害的比例更加提高。下肢伤害主要包括骨折、韧带扭伤、肌肉撕裂、肌健损伤等模式。下肢骨折损伤主要包括：股骨骨折、胫骨和腓骨骨折、膑骨骨折等。其中股骨是人体中最长的骨骼，起支撑全身的作用。常见的股骨骨折有横断性骨折、粉２０第二章汽车与行人碰撞事故特点研究碎性骨折和撕裂性骨折等。胫骨是小腿的主干骨骼，起支撑全身的作用，而腓骨较细，具有维持踝关节的作用。直接、间接外力均可造成胫骨和腓骨骨折。膑骨和半月板均为膝关节中的活动器官，膑骨有保护膝关节、控制关节活动以及增加股骨肌肉力量的功能。半月板有稳定膝关节，缓冲及减轻摩擦的作用。直接和间接的外力作用均可使膑骨呈粉碎性或横断性骨折。～般情况下，下肢骨折不会有生命危险，但是若伤及股动脉等较大动脉血管，也会因失血过多而危及生命。下肢骨结构的破坏往往是由于所受应力超过了密质骨中骨胶原纤维和无机物的结合物所能承受的最大极限，骨胶原纤维被破坏所致。下肢韧带、肌腱、肌肉的损伤主要是由于这些软组织的应变超过了其正常的弹性极限所致。下肢各关节包括了骨、软骨和其他一些结缔组织，但它们都是由更为基本的材料如胶原纤维、弹性纤维、无机经基磷灰石等组织，从力学角度看，它们都属于粘弹性材料，具有蠕变、松弛、滞后等特性。其应力一应变关系一般不符合虎克定律，其损伤机理取决于关节内各组成元素的损伤情况。下肢伤害往往是由以下几种情况所致：（１）下肢与保险杠发生碰撞，在撞击部位产生了过大的接触力，导致该部位出现骨折或其他损伤；（２）下肢关节在碰撞发生时产生了过大的转动，超过了其运动极限，从而导致关节受损，如碰撞时常常出现的因过度背曲、过度内翻和过度外翻而导致的膝关节损伤；是－Ｒ厘一ＥＥ，４ａｖｒ啦疆耐受时间极限／ｍｓ胫骨轴向力／Ｎ图２．６小腿骨的弯曲力矩及轴向载荷界限（３）在保险杠与膝盖发生碰撞时，因接触力过大，导致膝盖韧带撕裂或损伤，或者膝盖本身发生骨折，而产生的上、下腿部间的剪切位移。对于下肢各部分而言，由于在事故中接触的部位不同，导致其受伤形式各不相同，膝部的损伤机理