行人和自行車交通事故中頭部動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和損傷機(jī)理研究.pdf

1、行人和騎自行車者是交通事故中最容易受傷害的道路交通使用者。在我國每年因交通事故而死亡的人數(shù)約10萬人,其中車外易受傷害道路使用者,如行人,摩托車手、騎自行車者的死亡人數(shù)占60％。頭部損傷是汽車交通事故中最為常見的傷害類型之一,而且是造成死亡的主原因。因此,在我國開展交通事故中人體頭部損傷形式、損傷機(jī)理、耐受限度和防護(hù)方法研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　 本文首先在深入事故調(diào)查的基礎(chǔ)上,利用多剛體動(dòng)力學(xué)分析軟件PC-Crash和MA

2、DYMO對(duì)50例行人和自行車案例進(jìn)行了仿真分析,重現(xiàn)了事故中人體的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過程,并計(jì)算了顱腦損傷相關(guān)的物理參數(shù);同時(shí)根據(jù)事故重現(xiàn)、損傷分析得到的各種損傷評(píng)估指標(biāo),與事故中受害者的傷情報(bào)告進(jìn)行了對(duì)比。比較分析了中國長(zhǎng)沙地區(qū)和德國漢諾威地區(qū)行人頭部動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過程和損傷風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明兩地區(qū)車輛前部輪廓尺寸基本一致,漢諾威地區(qū)行人平均身高較長(zhǎng)沙地區(qū)高7.7cm,平均體重重10.3kg,這些因素造成了頭部接觸時(shí)間和繞轉(zhuǎn)距離上的差別。兩地區(qū)行人頭

3、部的平均碰撞速度(40km/h)和碰撞角度(50°)與EEVC成人行人頭部測(cè)試法規(guī)所規(guī)定的接近。兩地區(qū)行人頭部碰撞速度、HIC值和拋出距離和車輛碰撞速度的關(guān)系密切而且變化趨勢(shì)一致。從事故中車輛對(duì)行人安全保護(hù)方面考慮,兩地區(qū)的區(qū)別較小。由此,中國的行人保護(hù)法規(guī)可以借鑒歐洲行人法規(guī)。
　　 為了確定行人和騎自行車者在交通事故中造成頭部不同動(dòng)態(tài)響應(yīng)及損傷風(fēng)險(xiǎn)的碰撞載荷條件,在多剛體事故重建結(jié)果的基礎(chǔ)上,對(duì)交通事故中行人和騎車人頭部碰撞

4、形態(tài)和損傷模式進(jìn)行了比較研究,對(duì)行人和騎車人頭部與車輛和地面碰撞中的動(dòng)態(tài)過程和損傷風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估,運(yùn)用邏輯回歸方法對(duì)人體頭部的損傷物理參數(shù)(例如HIC值、3ms線性加速度等)與真實(shí)事故中頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系進(jìn)行了探討。結(jié)果表明從交通損傷流行病學(xué)角度,行人和自行車事故在碰撞車輛類型,碰撞形態(tài)、致傷因素分布和年齡分布等方面有相似地方。但是,在車輛碰撞速度、損傷嚴(yán)重性及損傷分布等方面存在明顯的差異;從事故重建得到的頭部動(dòng)力學(xué)響應(yīng)來看,兩者在

5、平均重心高度、頭部碰撞速度、頭部位移、拋出距離及落地碰撞模式等方面存在顯著差異,這些研究結(jié)果可以作為對(duì)騎車者頭部保護(hù)而制定的交通安全法規(guī)的參考。
　　 在相同碰撞載荷下,利用有限元頭部模型對(duì)頭部受正面和側(cè)面碰撞的顱內(nèi)壓力、等效應(yīng)力和剪切應(yīng)力等損傷參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析。分析結(jié)果表明,側(cè)面碰撞中顱骨變形、顱骨等效應(yīng)力、腦組織等效應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力對(duì)頭部造成的損傷比正面碰撞要嚴(yán)重;顱腦最大正負(fù)壓力都出現(xiàn)在大腦,碰撞波在顱內(nèi)傳遞方式差異較

6、大,側(cè)面碰撞最大壓應(yīng)力值比正面碰撞最大壓應(yīng)力值高23％,而側(cè)面碰撞的碰撞對(duì)側(cè)最大拉應(yīng)力值比正面碰撞低59％。
　　 在50例重建案例中,選取了其中30例頭部撞擊擋風(fēng)玻璃的案例進(jìn)行了顱腦對(duì)沖傷重建,針對(duì)碰撞過程中碰撞側(cè)和對(duì)撞側(cè)顱內(nèi)壓力對(duì)大腦、小腦、腦胼胝體及腦干損傷的影響進(jìn)行了分析,并建立了顱腦損傷邏輯回歸模型,預(yù)測(cè)顱腦損傷風(fēng)險(xiǎn),探討了接觸力與顱骨骨折之間的關(guān)系,對(duì)比分析了集中力作用和分散力作用下的顱腦損傷響應(yīng)。結(jié)果表明,頭部與擋

7、風(fēng)玻璃碰撞過程中,83％的碰撞側(cè)顱內(nèi)壓力峰值和73％的對(duì)撞側(cè)顱內(nèi)壓力峰值都出現(xiàn)在大腦和腦胼胝體;50％可能性出現(xiàn)AIS3+腦損傷風(fēng)險(xiǎn)的大腦、腦胼胝體、小腦和腦干碰撞側(cè)正壓力值分別為:239kPa,178kPa,201kPa和182kPa;相應(yīng)的對(duì)撞側(cè)負(fù)壓力值分別為:-156kPa,-138kPa,-140kPa和-160kPa。分散作用力下碰撞側(cè)壓力和對(duì)撞側(cè)顱內(nèi)壓力峰值比集中碰撞力作用下分別下降了49％和51％;但最大剪切應(yīng)力和等效應(yīng)力

8、峰值有不同程度的增加。
　　 利用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析了轎車前部結(jié)構(gòu)主要參數(shù)對(duì)7歲兒童行人頭部損傷參數(shù)的影響,并與成人行人頭部影響趨勢(shì)進(jìn)行比較。針對(duì)EEVC行人法規(guī)提出的對(duì)兒童行人頭部保護(hù)的碰撞試驗(yàn),比較研究了同樣結(jié)構(gòu)下低碳鋼制和鋁合金制發(fā)動(dòng)機(jī)罩的行人保護(hù)性能,并針對(duì)兒童行人頭部保護(hù)設(shè)計(jì)了圓臺(tái)凸起式、波浪式內(nèi)板和夾層鋁合金制發(fā)動(dòng)機(jī)罩;為了增加吸能和優(yōu)化加速度曲線,研究了發(fā)動(dòng)機(jī)罩邊緣和翼子板間的吸能結(jié)構(gòu)。汽車前部結(jié)構(gòu)參數(shù)特別是保險(xiǎn)杠寬

9、度和發(fā)動(dòng)機(jī)蓋傾角對(duì)兒童頭部損傷的影響程度比成人要大;傳統(tǒng)加強(qiáng)筋發(fā)動(dòng)機(jī)罩對(duì)兒童行人頭部的保護(hù)效果較差,本研究從剛度和能量吸收方面提出了可以滿足兒童行人法規(guī)要求的的鋁制夾層結(jié)構(gòu)、圓臺(tái)凸起式和波浪式發(fā)動(dòng)機(jī)罩概念設(shè)計(jì)。同時(shí),在發(fā)動(dòng)機(jī)罩邊緣和翼子板間加入壓潰吸能結(jié)構(gòu),能有效地控制加速度并優(yōu)化該碰撞區(qū)域的能量吸收效果。
　　 中國汽車產(chǎn)銷量位居世界第一,道路交通事故中易受傷害道路使用者行人和騎自行車者的交通損傷防治工作日益成為焦點(diǎn)問題。本研