多體動(dòng)力學(xué)的行人碰撞仿真分析

多體動(dòng)力學(xué)的行人碰撞仿真分析

根據(jù)世界衛(wèi)生組織（who）和世界銀行聯(lián)合發(fā)布的《預(yù)防道路安全的世界報(bào)告》，2002年，世界上120萬(wàn)人在道路事故中死亡，這導(dǎo)致了巨大的經(jīng)濟(jì)損失、嚴(yán)重的后果和不穩(wěn)定。其中，約65%是易受攻擊的道路使用者。行人在撞上汽車時(shí)沒(méi)有得到保護(hù)。他們是最害怕受傷的高度集中組織。因此，有必要通過(guò)各方面努力降低交通事故和嚴(yán)重事故的發(fā)生率。在車輛行人交通事故中，車輛是事故中最常見(jiàn)的車輛，約占事故車輛的60%85%。根據(jù)大量交通事故調(diào)查，車輛前道路事故占行人汽車總數(shù)的70%85%，車輛前道路事故的車輛安裝和前窗的車輛是頭部受傷的結(jié)構(gòu)裝置。行人的頭部損傷約占受傷總數(shù)的30%，通常是行人死亡的主要原因。一般常見(jiàn)頭部損傷形式為挫傷、顱骨骨折、腦震蕩、顱內(nèi)血腫和彌散性神經(jīng)軸索損傷(DAI).當(dāng)行人頭部和汽車前部發(fā)生碰撞時(shí),由于以下因素將產(chǎn)生不同載荷形式的損傷,如集中接觸壓力和顱腦的慣性載荷造成的損傷.顱內(nèi)的粘性載荷,顱骨骨折主要和顱骨碰撞位置以及接觸范圍有關(guān),比如說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋頂部和擋風(fēng)玻璃,當(dāng)碰撞力超過(guò)了耐受限度時(shí),顱骨的骨折就會(huì)發(fā)生.不過(guò)顱骨骨折的發(fā)生不一定伴隨腦的損傷.頭部在一個(gè)加速度場(chǎng)主要承受慣性載荷時(shí),顱和腦之間會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),腦損傷在高剪切應(yīng)變和高應(yīng)變速率的情況下產(chǎn)生,如DAI.行人頭部和汽車前部碰撞時(shí)主要承受直接的碰撞力和加速度或減速度,由于這兩個(gè)條件的共同作用,行人可能產(chǎn)生復(fù)雜的顱腦損傷.因此歐洲汽車安全委員會(huì)(EEVC)制定了汽車碰撞行人的保護(hù)法規(guī).該法規(guī)要求檢驗(yàn)所有參與車輛和行人之間的相互作用的部件,其試驗(yàn)包括:小腿沖擊錘撞擊保險(xiǎn)杠試驗(yàn)、大腿沖擊錘撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前緣試驗(yàn)、成人及兒童頭部沖擊錘撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)蓋試驗(yàn).頭部沖擊錘試驗(yàn)方法、要求和頭部損傷耐受限度如表1所示.通過(guò)法規(guī)要求來(lái)推動(dòng)改進(jìn)車輛的安全性能,減少行人傷亡的風(fēng)險(xiǎn).本文采用計(jì)算機(jī)仿真分析軟件模擬行人與轎車碰撞過(guò)程中頭部動(dòng)力學(xué)響應(yīng),研究分析了頭部致傷原因、損傷機(jī)理及損傷相關(guān)生物力學(xué)參數(shù).通過(guò)對(duì)汽車前部結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析研究,從汽車設(shè)計(jì)角度確定了減輕行人顱腦損傷的主要參數(shù),為安全防護(hù)措施的開(kāi)發(fā)研究奠定基礎(chǔ).1高功率擬合的牛頓自適應(yīng)中心運(yùn)動(dòng)方程在研究中采用了以多體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的分析軟件MathematicalDynamicModel(MADYMO).該軟件是在車輛碰撞事故分析和碰撞生物力學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的多體動(dòng)力學(xué)軟件,可計(jì)算碰撞中人體、車輛結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題及人體損傷生物力學(xué)參數(shù).根據(jù)動(dòng)量守恒規(guī)律,多剛體系統(tǒng)中的每個(gè)剛體在進(jìn)行直線與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)控制方程可以由牛頓歐拉方法得到.剛體關(guān)于它自身慣性中心的運(yùn)動(dòng)方程為:mi¨ri=Fi?(1)Ji?˙ωi+ωi×Jiωi=Τi.(2)mir¨i=Fi?(1)Ji?ω˙i+ωi×Jiωi=Ti.(2)式中:mi為質(zhì)量;Ji為關(guān)于慣性中心的慣性矩;ωi為角速度向量;Fi為力向量;ri為位移向量;Ti為力矩(相對(duì)于慣性中心)向量.對(duì)于剛體系統(tǒng)中的某一個(gè)剛體來(lái)說(shuō),Fi和Ti還包括鉸節(jié)點(diǎn)的力,與整個(gè)系統(tǒng)的加速度場(chǎng)相關(guān).在式(1)中對(duì)位移向量δri取變分,式(2)中對(duì)方位δωi取變分,然后兩式相加,則取變分后的i個(gè)剛體有∑δri?(mi¨r-Fi)+δωi?(Ji˙ωi+ωi×Ji?ωi-Τi)=0.應(yīng)用變分原理、矩陣運(yùn)算和數(shù)值積分可計(jì)算出各剛體的速度和角速度.MADYMO軟件中的數(shù)值積分方法主要有歐拉方法,固定時(shí)間步長(zhǎng)的4階龍格庫(kù)塔(Runge-Kutta)法和可變時(shí)間步長(zhǎng)的5階龍格庫(kù)塔法等.本研究以瑞典查爾摩斯大學(xué)的CPM(ChalmersPedestrianModel)模型為基礎(chǔ),建立了行人與轎車系統(tǒng)仿真模型(見(jiàn)圖1),模擬分析了轎車與行人相撞的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過(guò)程以及損傷相關(guān)生物力學(xué)參數(shù).1.1行人人群模型根據(jù)人體測(cè)量學(xué)和生物力學(xué)特性,應(yīng)用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法建立的多體行人人體模型代表50百分位男性成人(身高175cm,體重78kg),該模型可以代表我國(guó)身材偏高的行人人群.模型由24個(gè)橢球體組成,用來(lái)表示行人的頭、頸、胸、腹、髖、上肢、大腿、小腿、足,身體各部分通過(guò)14個(gè)關(guān)節(jié)連接.并增加了可旋轉(zhuǎn)的膝蓋以及可折斷的腿骨部分,該模型已通過(guò)尸體試驗(yàn)驗(yàn)證,是目前人體數(shù)學(xué)模型中具有較高生物逼真度的模型之一.1.2引進(jìn)設(shè)備機(jī)械特性汽車模型根據(jù)轎車車型的具體結(jié)構(gòu)和幾何尺寸建立.汽車的保險(xiǎn)杠、引擎蓋邊緣、引擎蓋頂、擋風(fēng)玻璃、車輪等部件用橢球表示,底盤(pán)用平面表示.汽車前部保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板前緣、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板后緣等各部分的機(jī)械特性由力變形函數(shù)定義,相應(yīng)的機(jī)械特性數(shù)據(jù)從EuroNCAP碰撞試驗(yàn)獲得(見(jiàn)圖2).1.3汽車行駛加速度汽車行人碰撞的多剛體動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示.行人模型的碰撞位置在汽車中部,模型右腿向后、左腿向前,以行走姿勢(shì)運(yùn)動(dòng),汽車撞在行人左側(cè).汽車行人碰撞時(shí),行人身體左側(cè)碰撞在汽車車體前部,在它們的接觸點(diǎn)或接觸面處產(chǎn)生接觸力,這些力被轉(zhuǎn)換到汽車和行人的質(zhì)心,從而產(chǎn)生促使模擬過(guò)程進(jìn)行的動(dòng)態(tài)變量.定義轎車的行駛加速度為:0～50ms線性變化,對(duì)應(yīng)加速度從0～-5m/s2;50ms～1s加速度為-5m/s2.定義行人足與地面的摩擦系數(shù)為0.7,身體各部位轎車前部碰撞時(shí)的接觸摩擦系數(shù)定義為0.5.1.4發(fā)動(dòng)機(jī)蓋角度和剛度行人與車輛碰撞響應(yīng)因車輛前部結(jié)構(gòu)的差異而不同,因此選定典型的小型轎車和大型轎車為基本研究對(duì)象.兩種不同的轎車車型,發(fā)動(dòng)機(jī)蓋長(zhǎng)度取值為兩組,小型轎車為550mm,大型轎車為1200mm.發(fā)動(dòng)機(jī)蓋角度的取值與特定的轎車車型有關(guān),小型轎車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋角度取值分別為10°,25°,40°,擋風(fēng)玻璃角度為30°,45°;大型轎車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋角度的取值則為10°,25°,40°.對(duì)于大型轎車,只考慮行人頭部撞在發(fā)動(dòng)機(jī)蓋區(qū)域的情況,不考慮擋風(fēng)玻璃的影響,因此不需要考慮擋風(fēng)玻璃角度的變化.由于發(fā)動(dòng)機(jī)蓋緣高度與保險(xiǎn)杠高度是影響行人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的兩個(gè)非常重要的因素,兩種車型的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋緣高度為600mm,750mm,900mm,保險(xiǎn)杠高度為400mm,500mm,600mm.研究碰撞速度為40km/h,車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)取中間值時(shí),部件剛度特性對(duì)行人損傷的影響.通常行人與小型轎車發(fā)生碰撞時(shí),頭部撞在擋風(fēng)玻璃區(qū)域,因此對(duì)于小型轎車,主要研究擋風(fēng)玻璃剛度對(duì)行人損傷的影響.對(duì)于大型轎車,則研究發(fā)動(dòng)機(jī)蓋剛度對(duì)行人損傷的影響.其中,發(fā)動(dòng)機(jī)蓋剛度取值分別為100N/mm,200N/mm,500N/mm;擋風(fēng)玻璃剛度分別取200N/mm,400N/mm,800N/mm.1.5損傷程度約束1960年,美國(guó)韋恩提出了直線加速度下頭部耐沖擊性的損傷標(biāo)準(zhǔn)WSTC曲線,在此基礎(chǔ)上形成了頭部傷害準(zhǔn)則HIC(HeadInjuryCriterion).該準(zhǔn)則是根據(jù)試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的,它將受傷程度作為有效加速度和沖擊時(shí)間間隔的函數(shù),即HIC=[(t2-t1)(1t2-t1∫t2t1a(t)dt)2.5]max式中:a(t)為碰撞過(guò)程中頭部質(zhì)心合成加速度;t2-t1為HIC達(dá)到最大值時(shí)的時(shí)間間隔.HIC=1000代表20%AIS3+的頭部損傷風(fēng)險(xiǎn).在EEVC行人的保護(hù)法規(guī)中頭部傷害準(zhǔn)則定義為HPC(HeadPerformanceCriterion),其計(jì)算公式與HIC相同.2模擬結(jié)果和分析2.1部曲式發(fā)動(dòng)機(jī)蓋碰撞時(shí)工況行人與車輛碰撞響應(yīng)因車輛前部結(jié)構(gòu)的差異而不同(見(jiàn)圖3).當(dāng)行人與汽車相撞時(shí),行人的小腿(或膝關(guān)節(jié))與汽車的保險(xiǎn)杠首先接觸,然后是大腿與發(fā)動(dòng)機(jī)蓋邊緣接觸.下肢向前作加速運(yùn)動(dòng),而上半身則相對(duì)于汽車作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).行人的骨盆和胸部分別撞在發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的邊緣和頂部,頭部則可能撞在發(fā)動(dòng)機(jī)蓋頂或擋風(fēng)玻璃上,撞擊的速度因車型、身高體重、車輛行駛速度不同而有所不同.經(jīng)計(jì)算,頭部與大型轎車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋碰撞時(shí)碰撞速度與轎車行駛速度比值為0.7～0.9;與小型轎車擋風(fēng)玻璃碰撞時(shí),碰撞速度與轎車行駛速度比值為1.1～1.4.行人損傷通常是由于身體受到直接碰撞或身體各部位受到的傳遞力造成的.碰撞過(guò)程中,身體各部位與汽車前部的接觸位置和時(shí)刻可以根據(jù)碰撞過(guò)程中行人的運(yùn)動(dòng)曲線和接觸力歷程曲線計(jì)算.致命或嚴(yán)重的頭部傷害基本上是頭部發(fā)動(dòng)機(jī)蓋或者頭部擋風(fēng)玻璃框架的碰撞引起的.發(fā)動(dòng)機(jī)蓋兩端,擋泥板,發(fā)動(dòng)機(jī)艙的剛性部件在現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)剛度較高也是頭部致傷的主要原因.導(dǎo)致頭部創(chuàng)傷的主要參數(shù)由以下幾個(gè)量描述:1)與車碰撞的相對(duì)速度,2)碰撞角度,3)碰撞位置.(見(jiàn)圖4)頭部碰撞速度由以下公式計(jì)算:v=(v2x+v2z)1/2,α=arctanvz/vx.式中:vx為頭部水平方向的速度,vz為頭部豎直方向的速度.頭部碰撞角α定義為頭部合成速度與水平線的夾角.頭部碰撞位置由繞轉(zhuǎn)距離WAD(WrapAroundDistance)來(lái)度量.2.2行人車輛碰撞轉(zhuǎn)速的相對(duì)事故相對(duì)速度采用以上汽車行人碰撞的多剛體動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算的損傷參數(shù)結(jié)果如表2所示.圖5為同車型不同車速下行人車輛碰撞下的頭車相對(duì)碰撞速度,其中縱坐標(biāo)為頭部碰撞的相對(duì)速度.行人頭部碰撞速度一般出現(xiàn)在其峰值速度之后.3影響公司內(nèi)部損傷的因素影響頭部傷害指標(biāo)HIC值和碰撞力的因素有碰撞速度、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板剛度、擋風(fēng)玻璃及邊框(包括A柱)剛度、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋緣高度等因素.本文只針對(duì)影響頭部損傷的敏感參數(shù)分析討論如下,各數(shù)據(jù)圖表取值均為仿真結(jié)果平均值.3.1行駛速度對(duì)行人腦損傷的影響當(dāng)碰撞速度分別為30km/h,40km/h,50km/h時(shí),計(jì)算出頭部的傷害指標(biāo)HIC值和頭部碰撞力如表3所示.從表3中可以看出,車輛行駛速度對(duì)行人頭部傷害影響敏感.車輛行駛速度越大,HIC值越大,碰撞力也越大.因此車輛行駛速度過(guò)高是造成行人死于腦損傷的主要原因之一.3.2發(fā)動(dòng)機(jī)蓋緣高度如表4所示,對(duì)于小型轎車,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋緣的高度從600mm上升到900mm時(shí),頭部損傷HIC值(平均值)降低了近60%.可見(jiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋緣高度的設(shè)計(jì)對(duì)行人顱腦損傷影響同樣顯著(其他相關(guān)參數(shù)影響較小,在此沒(méi)有一一列出).可見(jiàn)提高發(fā)動(dòng)機(jī)蓋緣的高度可以很大程度地減小行人顱腦損傷風(fēng)險(xiǎn).3.3降低撞擊時(shí)懸架的剛度大型轎車與行人碰撞時(shí),行人頭部大多撞擊在發(fā)動(dòng)機(jī)蓋上.從圖6中發(fā)現(xiàn),隨著發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板剛度增大,HIC值越大,碰撞力也越大,并且發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板剛度對(duì)HIC值及碰撞力影響顯著.發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板的剛度從500N/mm降低到200N/mm時(shí),HIC值降低了近65%.頭部碰撞力降低了近40%.因此,對(duì)于大型車,減小發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板剛度,增大碰撞時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板與蓋板下發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件之間的距離,將明顯減少碰撞時(shí)行人頭部損傷的風(fēng)險(xiǎn).小型轎車與行人碰撞時(shí),行人頭部大多撞擊在擋風(fēng)玻璃及其邊框上,由于擋風(fēng)玻璃及邊框的剛度較大,在碰撞中很容易造成行人的顱腦損傷.所以適當(dāng)?shù)亟档蛽躏L(fēng)玻璃及其邊框的剛度,可以減輕行人碰撞中的顱腦損傷程度.如圖7所示,擋風(fēng)玻璃及邊框的剛度從800N/mm降低到200N/mm時(shí),HIC值降低了近35%.頭部碰撞力降低了近20%.4限制行駛車輛速度,降低行人損