行人下肢的碰撞損傷特性及相關(guān)參數(shù)研究.pdf

1、由于行人直接暴露在交通環(huán)境中,沒有安全帶、安全氣囊等汽車乘員所具有的保護(hù)措施,使其成為道路交通使用者中的弱者,事故致死和致傷率很高。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和車內(nèi)乘員安全保護(hù)的進(jìn)步,行人的安全狀況逐漸突出,行人安全已經(jīng)成為國內(nèi)外汽車安全研究的重要課題。行人頭部損傷是行人交通事故中致死的主要原因,而行人下肢損傷則容易導(dǎo)致長期或永久性殘疾。因此,本文在大量的文獻(xiàn)研究基礎(chǔ)上,使用統(tǒng)計分析方法、多剛體分析方法和有限元分析方法,分別對行人的損傷流行病學(xué)

2、、下肢保護(hù)及評價方法和下肢損傷機理進(jìn)行了研究。
　　 1.行人損傷流行病學(xué)研究。本文基于PCDS數(shù)據(jù)庫,使用二分類邏輯回歸分析方法,研究了汽車與行人碰撞事故中碰撞參數(shù)(速度)、行人參數(shù)(性別、年齡、身高和體重)和車輛參數(shù)(保險杠中心高度BCH、保險杠伸出量BL、前部結(jié)構(gòu)的前面和項面過度點的高度FTTPH、發(fā)動機罩后緣包繞長度RHOD)對身高不低于150cm成年行人的MAIS3+、頭部AIS3+、軀干AIS3+和下肢AIS2+損傷

3、的影響。結(jié)果表明,碰撞速度不僅是評價行人MAIS3+損傷的顯著性參數(shù),也是評價頭部AIS3+、軀干AIS3+和下肢AIS2+損傷的顯著性參數(shù);行人年齡是評價其軀干AIS3+和下肢AIS2+損傷的顯著性參數(shù),老年人在事故中更容易受到嚴(yán)重?fù)p傷,但對其頭部AIS3+損傷的影響不明顯;體重對MAIS3+和下肢AIS2+損傷影響顯著；FTTPH和RHOD分剮對行人軀干AIS3+損傷和頭部AIS3+損傷影響顯著,FTTPH較高和前面較陡的汽車更容易

4、造成行人軀干嚴(yán)重?fù)p傷,而RHOD較短的車輛則更容易導(dǎo)致行人頭部的嚴(yán)重?fù)p傷。該研究結(jié)果能夠為生物力學(xué)試驗設(shè)計和汽車車型研發(fā)提供方向性指導(dǎo)。
　　 2.行人下肢保護(hù)和評價方法研究。采用具有較好生物逼真度的多剛體行人模型,建立了汽車與行人的碰撞仿真模型。通過改變保險杠高度、寬度和伸出量等前部結(jié)構(gòu)參數(shù),研究其對行人膝關(guān)節(jié)剪切位移、彎曲角度和脛骨加速度等損傷參數(shù)的影響。提出了適當(dāng)降低保險杠高度、適當(dāng)增加保險杠伸出量和適當(dāng)加寬保險杠前端面上

5、下之間的作用寬度等改進(jìn)汽車前部結(jié)構(gòu)的行人安全性能的主要措施。同時,建立了汽車與EEVC制定的行人下肢沖擊器的多剛體碰撞模型,針對以往用下肢沖擊器實驗數(shù)據(jù)難以評價各車型對行人的保護(hù)效果的缺點,提出了用損傷風(fēng)險系數(shù)進(jìn)行評價的方法。將汽車與行人和汽車與沖擊器的碰撞仿真結(jié)果分別除以相應(yīng)的技術(shù)要求值,得到各不同前部結(jié)構(gòu)參數(shù)車型的損傷風(fēng)險系數(shù)。結(jié)果表明,將損傷風(fēng)險系數(shù)進(jìn)行排序后,可用于評價汽車前部結(jié)構(gòu)對行人下肢的保護(hù)性能。同時也指出,EEVC的下肢

6、沖擊器實驗中,脛骨加速度不能很好地反映脛骨受到的碰撞力,且膝關(guān)節(jié)的剪切變形剛度過大,有待進(jìn)一步改進(jìn)。
　　 3.行人下肢有限元模型的改進(jìn)、驗證及行人模型耦合。以往的行人下肢有限元模型多存在實驗數(shù)據(jù)較匱乏、驗證不全面或未與人體其它部分耦合等問題。本文在THUMS模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)典型的和目前較新的生物力學(xué)實驗數(shù)據(jù),改進(jìn)了下肢模型中骨骼和韌帶的材料參數(shù),完善了各組織間的接觸及其參數(shù),并對下肢模型進(jìn)行了全面的驗證,主要包括股骨、脛骨和

7、腓骨不同位置和不同方向的準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)三點彎曲驗證,大腿和小腿不同碰撞位置的動態(tài)三點彎曲驗證,膝關(guān)節(jié)各韌帶(MCL、LCL,、ACL和PCL)不同速率的拉伸驗證,膝關(guān)節(jié)四點彎曲和三點彎剪驗證,下肢模型的低速和高速彎曲驗證。驗證結(jié)果表明,改進(jìn)后的下肢模型的各仿真結(jié)果與相應(yīng)實驗結(jié)果的吻合程度較好,能夠比較準(zhǔn)確地模擬行人下肢的生物力學(xué)響應(yīng),可以用于行人下肢損傷機理、汽車前部結(jié)構(gòu)改進(jìn)及行人安全性評價研究。同時,將改進(jìn)后的下肢模型與THUMS模型的

8、其它部分進(jìn)行耦合,驗證了整個行人模型的有效性。
　　 4.開展了基于行人載荷特點的生物力學(xué)實驗研究。利用豬腿骨模擬行人交通事故中下肢長骨的橫向碰撞,進(jìn)行了更接近實際行人交通事故中碰撞速度的動態(tài)三點彎曲實驗,研究較高碰撞速度下的長骨耐受限度。結(jié)果表明,在碰撞速度增加時,行人下肢模型的長骨與豬腿骨的碰撞力增加幅度基本一致,行人下肢模型中長骨材料的應(yīng)變率參數(shù)設(shè)置是準(zhǔn)確的。同時,該生物力學(xué)實驗的開展,為今后進(jìn)行人體生物力學(xué)實驗積累了寶貴

9、的經(jīng)驗。
　　 5.基于有限元模型的行人下肢損傷機理和影響參數(shù)研究。鑒于有限元模型能夠輸出碰撞過程中行人各個組織詳細(xì)的運動學(xué)和動力學(xué)響應(yīng),本文利用已獲得驗證的行人和汽車有限元模型,分別建立了SUV和轎車與行人的有限元碰撞模型,詳紐分析了股骨、脛骨、腓骨和膝關(guān)節(jié)在碰撞過程中的生物力學(xué)響應(yīng)。根據(jù)輸出的長骨彎矩、膝關(guān)節(jié)彎矩及人體組織的應(yīng)力或應(yīng)變云圖,能夠預(yù)測骨骼或韌帶可能發(fā)生損傷的部位,找出導(dǎo)致人體損傷的對應(yīng)的車輛結(jié)構(gòu),從而為改進(jìn)車型