人-车碰撞时行人头部碰撞特点及其试验评价方法研究（可编辑）

人-车碰撞时行人头部碰撞特点及其试验评价方法研究（可编辑） 人-车碰撞时行人头部碰撞特点及其试验评价方法研究 湖南大学 硕士学位论文 人-车碰撞时行人头部碰撞特点及其试验评价方法研究 姓名:廖洪波 申请学位级别:硕士 专业:车辆工程 指导教师:曹立波 20070310人-车碰撞时行人头部碰撞特点及其试验评价方法研究 摘 要 目前,包括欧洲和日本在内的许多地区和国家已经制定出了一系列针对道路 交通事故中行人伤害保护的试验评价方法,用以评价汽车前部结构对于行人 身体 各部位的碰撞伤害程度。然而,对于行人头部而言,通过研究以及相关统计数 据 表明,现有的各种评价方法并不能全面、准确地反映不同车型对于行人头部 的碰 撞伤害程度。 本文进行了大量的文献研究工作,从人体头部解剖结构及生物力学角度,介 绍了头部损伤形式、损伤机理及损伤评价标准,分析了人-车碰撞交通事故的 特点 以及不同国家或组织所制定的有关行人头部安全性的评价方法。采用现有的行人 多刚体动力学模型,利用 MADYMO软件,建立了行人与轿车以及行人与平头微 型车的碰撞模型,通过改变碰撞车速和行人的运动状态,分析得到了碰撞过程中 行人运动特性及其头部撞击特点的影响。通过对比分析行人在与轿车以及平头微 型车碰撞时的运动特性以及头部撞击特点的差异,指出 EEVC中所提出的头部冲 击器试验评价方法无法评价平头微型车对于行人头部的碰撞安全性。根据行人头 部碰撞安全性评价需要,提出了将事故数据统计分析、计算机仿真以及头部冲击 器试验相结合的行人头部安全性综合评价方法,并根据 EEVC冲击器试验的要求 开发出具有简易结构的冲击器推进装置,为进一步开展行人保护试验奠定了基础。 关键词:人-车碰撞事故;头部损伤;头部冲击器试验;冲击器推进装置;损伤 生物力学 II 硕士学位论文 Abstract At present, European countries and Japan have established a series of test procedures for evaluating the safety performance of motor vehicles with respect to pedestriansHowever, some studies and statistics indicate that most these procedures can not appraise the protection of various vehicle models to the pedestrian's head properlyIn this paper, a lot of document researches have been carried out firstly. From the point of view of human head anatomy and injury biomechanics, the injury mode, injury mechanism and corresponding injury criterion of head were all studied. And then the characteristics of car-pedestrian accident and pedestrian safety test philosophies were researched. In the computer simulation, a sedan-pedestrian and minivan-pedestrian impact model was established respectively by using an available multi-body pedestrian model in MADYMO. The pedestrian kinematics and head impact characteristics were acquired by changing the simulation input parameters, such as vehicle speed and pedestrian speed. As the paper indicates, the headform to bonnet top test in EEVC can not evaluate the safety performance of the minivan to the pedestrian head properly. On account of this, a new hybrid-test method that involves accidents analysis, computer simulation and headform test was proposed. At last, in terms of the EEVC component test procedures, a propulsion system with simple structure was designed, which can meet the basic requirements of EEVC for component test Key Words: Car-pedestrian Impact; Head Injury; Headform Test; Propulsion System; Injury Biomechanics III湖 南 大 学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的外,本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名:日期: 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1、保密?,在______年解密后适用本授权书。 ? 2、不保密?。 (请在以上相应方框内打“ ?”) 作者签名: 日期: 年月日 导师签名: 日期: 年月日 I 硕士学位论文 第 1章 绪论 本章旨在介绍人-车碰撞事故中行人保护研究的国内外现状,同时分析了课 题背景以及人-车碰撞事故中行人头部保护的研究方法和主要研究内容。 1.1 前言 随着汽车碰撞安全性研究工作的不断深入,更加安全的车身结构以及诸如安 全带、安全气囊等被动安全装置已经被广泛采用。车身结构的改进和这些安 全装 置的使用使得汽车在正碰和侧碰等车-车或车-物碰撞的交通事故中对车内乘员 起到了很好的保护作用,进而有效地降低了事故中乘员的伤亡率。 然而,与此同时出于对事故中乘员安全性的考虑,车身的外部结构和材料强 度不断得到提高,这直接导致在人-车碰撞的交通事故中汽车对行人构成了极大 的安全威胁,每年全世界都有大量的行人在交通事故中受伤、致残甚至死亡。尽 管在过去的 20年间,欧美日等主要汽车国家交通事故中的行人死亡率已经有逐渐 [1] 降低的趋势 ,但总体来看,包括中国在内的许多国家其交通事故中的行人伤亡人 数仍然非常可观。在欧盟成员国中,每年有超过 7000 的行人在交通事故中死亡 (EEVC,1998),在美国和日本这一数字分别为 5500(NHTSA,1998)和 3000。 我国作为发展中国家,基础设施相对薄弱,众多的人口以及混合交通为主的 路面交通情况更加导致了人-车碰撞交通事故中极高的行人伤亡率。由图 1.1可以 看出在各种类型的交通事故中行人的死亡率占到了事故总死亡率的 26%,高于其 [1] 他各类交通事故中的人员死亡率 。因此根据我国道路交通的特点,开展行人 安全 性研究是非常必要的。35 302520 受伤人员 15 死亡人员 1050 图 1.1 事故中不同交通方式下人员的伤亡率 1 乘车 驾驶汽车 驾驶摩托车 非机动车 行人 其它 %人-车碰撞时行人头部碰撞特点及其试验评价方法研究 在人-车碰撞的交通事故中行人身体的各个部位都有可能受到损伤,但不同 部位的损伤程度会根据其生物力学特性以及碰撞中与车体接触位置的不同 而有所 不同。图 1.2为人-车碰撞事故中行人身体主要部位受到中度损伤(AIS2-4) 和重 [1] 度损伤(AIS5-6)的分布情况 。 90 80 706050 AIS2-4 40 AIS5-6302010 0头部 胸部 上肢 脊柱 腹部 下肢图 1.2 事故中行人身体主要部位损伤 分布 由图 1.2可以看出,在人-车碰撞事故中行人的头部是最易受到重度损伤的 部位(80%),其次为胸部(7%)、脊柱(6%)和腹部(6%)。而受到中度损伤 比例最高的部位为下肢(37%),其次为头部(35%)。由此可见,人-车碰撞事故 中行人头部是最易受到伤害的部位,因此开展行人头部伤害机理及其保护措 施的 研究对于更好的保护行人以及降低事故损失具有非常重要的意义。 1.2 国内外研究概况 随着对汽车研究的不断深入,行人安全问题已经引起了国内外研究的广泛重 [2-5] 视,并且已经成为汽车安全研究的重点 。 1990年,在欧洲委员会 EC(European Committee)的委托下,欧洲成立了一 系列汽车安全机构,在这些机构的努力下,开发了一套精确的、可重复的行人 撞 击试验程序,并以此来模拟典型的人-车碰撞事故。1996年欧洲委员会提供 了一 [6] 个名为?/5021/96EN的草案 ,建议将此草案用于 2000年后的新车。 [7] Susan.W 对模拟行人头部损伤的撞击试验程序做了和介绍,随后 [8] [9] Thomas.F 和 Minoru.S 对行人头部和发动机罩中央部位的碰撞试验过程做了具 体的分析,从美国 12种样车的试验结果分析中,得到了发动机罩板对头部撞击的 头部损伤评价指标 HIC(Head Injury Criterion)值。 [10, 11] 日本学者 Koji Mizuno 根据交通事故的统计资料,讨论了头部撞击位置和 损伤之间的关系,并根据行人头部撞击试验的数据,得到了头部与发动机罩、前 凤窗及其结合部位碰撞时的头部损伤平评价指标 HIC值,评价了头部伤害的危险 程度。 2 %硕士学位论文 [12] [13] Atsuhiro 和 Yasuki 分别建立头部撞击发动机罩的有限元数值模型,同时 将仿真结果和试验结果进行了对比。随后又在相关的研究中详细介绍了行人假人 的开发以及车辆设计所应采取的有利于行人保护的措施,并分析研究了人体各部 位在不同形式下人-车碰撞事故中的伤害机理,人体各部位的伤害极限以及人体 各部位对碰撞载荷的机械响应特性和碰撞试验用人体冲击器。 由于行人保护的复杂性和重要性,国外在这方面已经进行了大量的研究工作, 而其内容也主要是针对损伤机理并由此发现引起不同损伤的相关因素。而今后的 研究目标是着重于车体外形结构的设计以最大程度的减小行人在人-车碰撞事故 中的损伤程度。 目前,各国主要采用主动防护方法和被动防护方法来提高人-车碰撞事故中 对行人的保护。主动防护方法是在发生汽车与行人碰撞事故前或在事故发生时主 动采取一些措施来避免事故发生或减轻事故后果;而被动防护方法则是通过改变 车身结构来减少在碰撞过程中对行人产生的伤害。目前,国内外对于行人保护的 [14] 主动防护方法主要有如下几种 : (1)采用辅助制动装置,降低汽车与行人碰撞的速度,从而降低对行人的损 伤。 (2)采用电子行人发射器和接收器,避免事故的发生。 (3)采用自动弹出式发动机罩,有效增加发动机罩与发动机舱中零部件之间 的间隙,避免行人头部与内部刚性零件接触,降低对行人头部的损伤。 (4)采用汽车前保险杠安全气囊和前风窗安全气囊。 (5)加强交通管理。 在人-车碰撞事故中,行人与汽车发生碰撞的位置一般为汽车的前部,所以 被动防护方法主要通过改变汽车前部造型和结构,其具体包括以下几个方 面: (1)改变保险杠的结构和性能来降低对行人下肢的损伤。 (2)改变发动机罩的结构和性能来降低对行人头部的损伤。 (3)改变翼子板的支撑结构性能,将其设计成容易压溃变形的结构,来降低 对行人头部的损伤。 (4)改变汽车前部造型,寻求对行人损伤较小的汽车前部造型。 在现有的车型中,途安加装了两个泡沫件在保险杠横梁上作为缓冲材料,保 证碰撞时前保险杠与翼子板能适度沉陷,从而达到保护行人的目的,该车型 获得 [15] 了 NCAP行人保护的 3星评价 。而雪铁龙 C6以 4星的评价成为全球第一 辆在 [16] NCAP 行人安全试验中获得高分的轿车 。该车前保险杠后面布置了吸收器,以 便减缓冲击并避免腿部弯曲,从而保护下肢。保险杠和进气隔栅的上部以及发动 机罩的底部经过柔化处理,以减缓冲击,从而保护股骨。发动机罩及内衬的尺寸 设计考虑了对头部冲击的减缓作用,并且发动机罩具有主动保护功能,若与行人 3 人-车碰撞时行人头部碰撞特点及其试验评价方法研究 发生碰撞,该装置能将发动机罩在其铰链处抬起,用以增加机罩和机舱内刚性机 械件之间的间隙,从而吸收发动机罩变形的能量并减轻头部与其碰撞的冲击力, 以达到减轻头部损伤的目的。 为了分析行人身体各部位在人-车碰撞事故过程中受到的伤害,评价汽车前 部对行人的保护性能,欧美及日本等汽车工业发达国家在行人碰撞安全性研究领 域已经开展了许多卓有成效的研究工作。通过对人体碰撞生物力学响应特性及损 伤机理的研究,建立了人-车碰撞事故中汽车对行人损伤的试验评价方法及试验 程序,开发了行人模型和行人冲击器模型,并且要求在一定时间期限内,其所属 [5] 范围内的所有车型须逐步满足行人损伤评价试验要求 。然而,由于人体头部生物 力学结构和损伤机理的复杂性,目前该方向的研究内容仍是国际汽车安全领域的 重点和难点之一。 中国目前正在普及汽车正面碰撞安全性法规试验,侧面碰撞法规试验也已于 2006年开始实施,这些法规试验的实施都将对提高汽车的安全性起到积极的推动 作用。在汽车与行人的碰撞安全性研究方面也已开展了一些前期研究工作,主要 体现在对行人与汽车碰撞的计算机仿真研究及道路交通事故统计分析等方面。然 而,国内目前对汽车与行人的碰撞安全性尚未引起足够重视,但随着中国汽车工 业与世界汽车工业接轨的需要,特别是根据中国特殊的道路交通状况以及人口密 集的特点,汽车与行人的碰撞安全性研究必将成为国内汽车安全性研究领域的重 点。 1.3 国内外研究的主要内容 目前国内外对于行人安全的研究概括起来主要包含如下的几个方面:交通事 故调查与分析研究,损伤生物力学研究,行人模型研究,行人冲击器模型研究以 及行人安全性试验评价方法研究。 1.3.1 交通事故调查与分析研究 交通事故调查与分析就是调查和分析车辆道路交通事故中车辆、乘员及行人 的损伤情况,分析事故发生过程,研究人、车、道路等因素之间的关系,并对这 些事故中所采取的安全措施及其降低损伤率的有效性进行评估比较,其主要包括 交通事故调查与统计分析、事故重建等方面的内容。 在对汽车与行人碰撞研究方面,通过交通事故统计,建立较完备的行人与汽 车碰撞事故分析数据库,包括发生碰撞的行人特点(身高、性别、年龄等)、碰 撞发生时的路面及天气状况、行人与车辆的碰撞部位、碰撞时行人的身体姿态(如 手和腿的位置状态)、行人受伤害的程度等。根据这些统计数据,可以知道当行 人与车发生碰撞时,可能性较大的行人状态、碰撞位置、易发生碰撞的人群等, 4 硕士学位论文 从而为计算机仿真和试验参数定义提供参考,并可以用于指导减少行人损伤的相 [17] 关措施的制定 。 1.3.2 损伤生物力学研究 在对行人头部损伤研究方面,国内外目前主要从医学、生物力学角度,通过 开发人体模型和进行仿真试验等方法对行人头部损伤进行研究。发动机罩、前风 窗以及 A柱区域导致头部损伤的主要部件。通常行人在人-车碰撞事故中其头部 的主要损伤类型包括头皮损伤、颅骨骨折、脑挫伤、蛛网膜下腔出血、硬脑膜外 血肿、硬脑膜下血肿以及复合性损伤等。这些损伤类型之间存在着相互影响和制 [18] 约的作用 。由于人体头部结构复杂,对载荷响应较为敏感,因此主要通过对真 实人-车碰撞事故中行人头部的损伤分析统计以及事故重建的方法对头部进行损 伤机理研究。另外,也可以通过 PMHST(Past Mortal Human Subject Test), 即人 体尸体试验来分析头部损伤机理。 1.3.3 行人模型研究 具有较高人体生物逼真度的行人模型对试验的有效性有重要影响,行人模型 的建立是研究汽车对行人损伤的基础,也是研究的重要手段和方法。国内对行人 模型的研究处于起始阶段,目前还没有开发出能模拟人体特性的行人模型。国外 在行人模型研究方面已经开展了很多工作,并且开发出了一系列生物拟合性较好 的专门行人假人,而通过对行人模型的尺寸及特性进行相应的缩放,就可以得到 [19] 的不同身材的行人模型 ,这些模型包含可用于实车试验的实物模型和用于仿真 实验的有限元模型和多刚体模型。行人模型被广泛应用于分析汽车前部造型及结 构对行人损伤的影响,其试验结果与人体在实际碰撞中的损伤基本相符。 1.3.4 行人冲击器模型研究 利用行人冲击器模型也是分析汽车前部对行人损伤的重要方法之一。由于冲 击器试验布置简单、试验成本低、可重复性高,目前采用冲击器模型对汽车前部 进行评价已经成为行人安全研究的重点,该试验方法已成为评价新车行人安全性 能的主要方法。目前,各国研究机构根据各自的研究重点,建立了不同的人体头 部冲击器模型和仿真模型,并相应地制定了包括头部冲击器在内的人体冲击器试 验方法和相关评价指标。但所有的这些试验方法和试验模型都不同程度的存在着 [20] 各自的局限性 。 1.3.5 行人安全性试验评价方法研究 由于在人-车碰撞事故中,轿车、越野车以及轻型载货车占到了肇事车辆总 数的80%以上,而这其中轿车又约占70%,因此,现行的有关汽车与行人碰撞安全 5 人-车碰撞时行人头部碰撞特点及其试验评价方法研究 性的试验评价方法主要是针对轿车及类似轿车的轻型车来制定的。汽车与行人碰 撞安全性的试验评价方法通常有两种。一种是利用实车与试验用行人碰撞假人进 行碰撞试验,另一种是利用模拟假人身体部位的冲击器对实车或相关汽车部件进 [17] 行冲击试验 。 利用实车与碰撞试验用行人假人所进行的碰撞试验中仅将事故中的行人替 换 为碰撞假人,因此整个过程较为接近于真实的人-车碰撞事故。但在以往的试验 中,由于没有专门的行人假人,通常是采用车内正面碰撞假人来替代,导致试验 中假人的运动特性与真实事故中行人所表现出来的特性差别较大。因此,目前欧 洲和日本正在开发生物拟合性较好的专门行人假人,如本田公司开发 POLAR?-DUMMY等。利用实车与试验用行人假人进行碰撞的试验成本较高,测 试过程复杂,试验结果的重复性较低,且假人的姿势及碰撞前假人相对于实车的 位置等对碰撞结果影响较大。因此,该方法目前多用于与计算机仿真进行对比分 析研究,不适用于对汽车与行人的碰撞安全性进行全面评价。 将计算机仿真技术与试验相结合,并通过仿真来指导试验工作已经被证明是 一种较为理想的试验评价方法,该方法能够确保试验过程更加符合真实的人-车 碰撞事故。这种试验方法的指导思想是基于对真实人-车碰撞交通事故的详细统 计分析,采用计算机仿真技术根据不同车型的特点模拟计算出行人在真实碰撞过 程中的运动学特性及与试验车辆相互作用的过程,并以此来指导进行试验。在前 期的计算机仿真研究阶段,可以很容易的改变仿真中的各种初始参数,不仅节省 了研究成本,而且大大提高了研究效率。 1987年,欧共体所属的欧洲车辆安全委员会EEVCEuropean Enhanced Vehicle-safety Committee成立了工作组WG10,专门负责行人安全保护的研究工 作。该工作组于1994年提出了汽车与行人碰撞安全性的冲击器冲击试验评价方法, 该试验方法使用三种形式的冲击器,分别代表行人身体的头部(分为成人与儿童 两种),大腿及骨盆,下肢三个主要部分,通过这三个冲击器对整车或汽车前部 与行人碰撞有关的部件进行冲击试验,测量相应的指标性能参数并进行安全性评 价,如图1.3所示。随后EEVC又成立了行人安全工作组WG17,继续对WG10工作 组所提出的冲击器冲击试验方法进行分析研究,并于1998年12月提出了改进后的 试验方法。目前该试验方法已经被世界许多国家所认可和采用。其主要由如下三 项试验组成。 (1)下肢冲击器对保险杠的冲击试验; (2)大腿冲击器对发动机罩前缘的冲击试验; (3)头部冲击器(分为成人与儿童两种)对发动机罩上表面的冲击试验。6 硕士学位论文 成人头部冲击器 儿童头部冲击器 大腿冲击器下肢冲击器图 1.3 EEVC WG17冲击器冲击试验示意图 按照EEVC WG17所制定的试验方法,在进行头部冲击器对发动机罩上表面的 冲击试验时,须根据包绕距离将发动机罩上表面划分为儿童头部测试区 (1000mm ?WAD ?1500mm)和成人头部测试区(1500mm ?WAD ?2100mm)并分 别采用一个4.8?0.1kg和一个2.5?0.05kg的头部冲击器模拟成人和儿童头部,成人头 部以65?2?,儿童头部以50?2?的冲击角度以及11.1?0.2 m/s的冲击速度对上述区域 [2, 3] 分别进行冲击试验。要求测得的相应的头部损伤评价指标HIC值均小于1000 。 由EEVC WG17提出的冲击器冲击试验评价方法是目前较为成熟的试验方法 之一,它在一定程度上能够反映汽车与行人碰撞的安全性特点,但该试验方法也 存在一些缺陷。其中,头部冲击器试验法规采用固定的冲击速度和冲击角度对各 种车型前部的相关测试区域进行试验,不能反映不同车型的前部结构特点对行人 产生的运动特性的影响。而实际事故中,当行人与不同外形结构的汽车发生碰撞 时,行人头部对汽车发动机罩或前风窗玻璃的冲击速度、冲击位置和冲击角度等 受汽车前部结构影响很大。尤其是在中国等发展中国家,平头微型车在市场上占 有很大的比例,采用EEVC提出的评价方法对其无法进行评价。因此,有必要研究 新的汽车与行人碰撞的试验评价方法,尤其是对于人-车碰撞事故中行人头部的 [21] 损伤评价 。 为了提高新车型前部对于行人安全的保护性能,欧盟决定从2005年7月1日起, 最迟于 2005年 10月 1日,欧洲汽车制造商协会 ACEA(Association of European Automotive Manufacturers)中所有成员厂商的新车型都必须通过冲击器冲击试验评 价。到2010年7月1日,80%的新车必须通过行人安全评价试验,2011年达到90%, 到2012年则须达到100%。 国际标准化组织ISO(International Standard Organization)也已经制定了用于 保险杠和发动机罩的冲击器冲击试验方法。ISO的试验方法与EEVC所提出的试验 方法相似,其目的主要用于研究和技术开发,而不是当作法规使用。1997年,国 际统一协调研究组织IHRA(International Harmonized Research Activities)成立了 行人安全研究工作组。由于EEVC在风窗前支撑区域、A柱、风窗上梁以及顶盖区 7 人-车碰撞时行人头部碰撞特点及其试验评价方法研究 域还没有提出有关评价试验方法,IHRA将制定用于这些区域的冲击器试验评价方 [20] 法 。 日本国土交通省MLIT(Ministry of Land, Infrastructure and Transportation), 在日本汽车生产协会JAMA(Japan Automobile Manufacturers Association) 和日本 汽车研究所JARI(Japan Automobile Research Institute)的帮助下,制定了行人头 部冲击器冲击试验方法及相应的保护要求。该试验方法将于2005年9月1日用于乘 用车新车型和车重小于2.5t的由乘用车改装成的卡车新车型,并将于2010年9月1日 [20] 起用于所有的车型 。 美国 UN/ECE(United Nations Economic Commission for Europe)下的汽车安 全工作组正在根据现有的研究成果开发有关行人碰撞的汽车安全与环境全球统一 标准 GTR(Global Technical Regulation),其中也包括根据日本 JARI和 MLIT所 [20] 已经进行的研究工作而制定的头部冲击器冲击试验程序 。 1.4 本文主要研究目的、研究内容和方法以及研究意义 1.4.1 研究目的 (1)对比分析了平头微型车与轿车两种不同车型在人-车碰撞事故中所导致 的行人运动特性差异,得到了行人与平头微型车以及行人与轿车碰撞时的头部碰 撞特点。根据行人头部碰撞安全性评价需要,提出了将事故数据统计分析、 计算 机仿真以及头部冲击器试验相结合的行人头部安全性综合评价方法。 (2)通过对EEVC行人安全评价试验方法的研究分析,开发出具有简易结构 的冲击器推进装置,该装置基本满足EEVC行人安全试验法规对于冲击器试验的所 有要求,为下一步开展行人安全评价试验工作奠定了基础。 1.4.2 研究内容和方法 针对目前国内外对人-车碰撞交通事故中行人头部损伤及其安全性的研究现 状,根据大量的交通事故统计分析数据及现有的计算机数学模型,利用 MADYMO 分析软件,本文主要在以下几个方面进行了研究: (1)针对行人与汽车碰撞安全性方面进行了大量文献研究工作,分析了该课 题在国内外的研究现状、研究方法及目前有待深入研究的问题等。 (2)对人体头部进行了解剖结构及损伤生物力学方面的研究,在对人体头部 生理解剖结构了解的基础上进行损伤生物力学分析,研究头部损伤形式、损伤机 理及相应的损伤评价标准。 (3)研究分析了平头微型车与轿车两种不同车型的前部结构对于人-车碰撞 事故中行人运动特性及其头部碰撞特点的差异。仿真中采用了Yang et. al开发的行 人多刚体模型,利用MADYMO仿真分析软件,建立了行人与两种不同车型的碰撞 8 硕士学位论文 模型,并通过对比分析仿真中人体模型的运动特性,得到了行人头部与平头微型 车碰撞时的撞击特点,并以此总结提出了针对平头微型车的行人头部安全性评价 试验方法。 (4)根据EEVC行人安全试验方法,开发出具有简易结构的冲击器推进装置, 为下一步开展行人安全评价试验工作奠定了基础。 1.4.3 研究意义 通过开展人体头部损伤生物力学研究,掌握了人体头部的损伤机理,可以针 对具体的损伤形式采取相应的措施,增强对行人头部的保护。 通过对行人与平头微型车以及轿车两种不同车型碰撞安全性的研究,分析了 汽车前部结构对于碰撞中行人运动特性以及头部损伤的影响,并结合 EEVC中的 行人安全评价试验法规,提出可适用于平头微型车的结合事故统计数据分析及计 算机仿真分析的行人头部安全性评价方法。 目前,行人安全性评价试验的研究工作在国内刚刚起步,本文通过对EEVC 中行人安全试验评价方法的研究分析,开发建立了具有简易结构的冲击器推进装 置,为下一步进行行人安全评价试验工作以及指导汽车设计和开发,以获得对于 行人更加友好的新车型奠定了基础,此外通过上述设计研究工作的开展,还可以 为我国的新车评价法规尤其是车辆对于道路行人的安全性能评价工作积累相关经 验,并最终逐步促成行人安全评价法规的建立。 9 人-车碰撞时行人头部碰撞特点及其试验评价方法研究 第 2章 人体头部解剖结构及其损伤生物力学研究 本章重点介绍了人体头部的生理学解剖结构,并以此为基础研究了人体头部 在人-车碰撞事故中的损伤机理及其相应的损伤评价标准。 2.1 人体头部解剖结构 人脑是人体活动的控制中心,它控制着人的一切行为。人体头部主要是由头 皮、颅骨、颅骨内的脑组织以及各种神经和血管构成的一个结构复杂、功能丰富 的统一体。 2.1.1 头皮 头皮从外向内由皮肤、筋膜和帽状腱膜组成,覆盖于颅骨外表面,结构致密。 头皮是人体皮肤中较厚的部分,最厚处可达 0.5cm。Galford等在对头皮的生物力学 研究中发现其固有应变(Natural Strain)在 0~1之间,而当应变率(Strain Rate) -1 为 0.1~65S 之间时,头皮能够承受的压力为 2~5MPa,弹性模量(Modulus of -1 Elasticity)为 0.51~1.45MPa。当应变率为 65S 时,以固定的速率撞击头部其能 承受的最大动力性压缩模量(Dynamic Compressive Modulus)为 2.07MPa。由这些 数据可以看出头皮是具有一定的抗压和抗拉伸的弹性组织,因此在头部受到撞击 时,头皮可吸收一部分冲击能量,分散撞击力以增大颅骨的承载面积,减轻撞击 时的峰值载荷量,起着对颅骨和脑的保护作用。 2.1.2 颅骨 颅骨呈蛋形,由 23块扁骨和不规则骨组成,按照前后位置划分为脑颅骨和面 颅骨。其中脑颅骨由 8块组成,包括成对的颞骨(Temporal Bone)和顶骨(Frontal Bone),不成对的有额骨(Frontal Bone)、筛骨(Ethmoid Bone)、蝶骨(Sphenoid Bone)和枕骨(Occipital Bone),它们构成了容纳脑的颅腔,保护脑组织。从断 面看,额骨、顶骨和枕骨分为内外板和板障,而颞骨只有一层密质质骨。颅腔的 顶部是穹隆形的颅盖,由前方的额骨和后方的枕骨以及两者之间的顶骨构 成。颅 腔的底部由位于颅底中央的蝶骨以及位于蝶骨后方的枕骨、两侧的颞骨、前方的 额骨眼眶部和筛骨构成。筛骨只有上面的一小部分参与颅脑的组成,其部余分则 参与构成面颅。脑颅骨之间通过直接和间接的方式连接在一起,其中以直接连接 居多且连接极为牢固。比如颅盖骨之间以及颅盖骨和相邻的颅底骨之间借助结缔 组织膜构成缝,颅底骨之间依靠软骨连合。面颅骨共有 15块,其中成对的有上颌 10 硕士学位论文 骨(illa Bone)、颚骨(Jawbone)、颧骨(Zygomatic Bone)、鼻骨(Nasal Bone)、 泪骨(Lacrimal Bone)以及下鼻骨(Inferior Nasal Concha),不成对的有犁骨(Vomer Bone)、下颌骨(mandible bone)和舌骨(Hyoid Bone),分别围成眼眶、鼻腔和 口腔。在颅骨的外表面上附有头肌,它由面肌和咀嚼肌两部分组成。面肌属于皮 肌,位于浅筋膜内,肌纤维通过结缔组织与深层的骨和浅层的皮肤相连,收缩时 牵引面部皮肤,参与面部表情。咀嚼肌包括咬肌、颞肌、翼内肌和翼外肌, 他们 均止与下颌骨,参与咀嚼运动。Galford等对人体颅骨在准静态学的生物力学性能 进行了研究,发现颅骨的平均厚度为 6.9mm,板障的平均厚度为 2.7mm,径向压 缩模量(Radial Compression Modulus)为 2.41GPa,切向压缩模量(Tangential Compression Modulus)为 5.51GPa,泊松比为 0.19,最大径向压缩力(Ultimate Strength, Radial Compression)为 7.37GPa,最大切向压缩力(Ultimate Strength, Tangential Compression)为 9.66GPa,复合层拉伸模量(Tensile Modulus, Composite) 为 5.39GPa,致密层拉伸模量(Tensile Modulus, Compact Tables)为 1.23GPa。颅 骨的生物力学性能表明颅骨作为人体中最坚硬的组织之一,亦成为脑的最主要保 护组织。颅骨的两层结构(致密层和疏松层)在交通事故中都可以耐受较大力量 的撞击,只有在较大动量或很尖锐物体打击时才会出现损伤。然而颅骨的特征也 有其弱点:在颅骨中,由于颅底较薄,因此在撞击中较脆弱。此外,在颅骨的内 面特别是颅底,其表面并不光滑,所以脑的黏滞弹性结构虽然柔软有弹性,但是 [22] 在通过不光滑的颅面时,仍然容易受损伤 。 图 2.1 人体颅骨结构图2.1.3 颅缝 颅缝主要由大量的胶原纤维和小血管充填,其中胶原纤维为主要承力单位, 11 人-车碰撞时行人头部碰撞特点及其试验评价方法研究 其有方向性地连接于颅骨之间,冠状缝的纤维的多向性加强了自身的稳定性。头 部受到冲击力时,颅缝胶原纤维可连续吸收部分能量,缓冲了外力,减少了线性 [23] 运动空腔理论中的共振性空腔发生 。 2.1.4 脑膜 在脑和颅骨之间有三层膜保护着脑组织,这三层膜称之为脑膜。脑膜从外到 内包括硬脑膜(Duramater)、蛛网膜(Arachnoid Mater)、软脑膜(Piamater)。 硬脑膜为一层致密的纤维性组织,厚而坚韧并呈高度的各向异性,通过纤维和脉 管系统与颅骨紧密相连,其脑脊膜层和内皮层纤维走向差异很大。硬脑膜由两层 合成,坚硬而有光泽,兼有颅骨骨膜和脑膜的作用。脑膜的血管和神经位于两层 之间。硬脑膜与颅盖诸骨结合疏松,容易分离,因而在颅顶骨质受损时,容易使 硬脑膜从颅骨剥离而形成硬膜外血肿。硬脑膜在颅底处与颅底诸骨结合紧密,故 当颅底骨折时易将硬脑膜连同蛛网膜一起撕裂,使脑脊液泄漏。硬脑膜有承受和 分散对颅骨施加压力的作用和支持脑的作用。与此功能相适应,硬脑膜在一定部 位,自面内发出若干板状间隔,并突入到脑的裂隙中,形成大脑镰和小脑幕。在 一些部位,硬脑膜两层分开,内衬一层内皮细胞而形成腔隙,成为硬脑膜窦,成 为导流脑的静脉和脑脊液的通道。蛛网膜是一层透明的薄膜,分为脑蛛网膜和脊 髓蛛网膜。蛛网膜不深入脑和脊髓表面的沟、裂内。它与软膜之间的间隙称为蛛 网膜下隙(腔),腔内充满了脑脊液。软脑膜薄而富有血管,它紧贴在脑和脊髓 的表面,并深入到脑和脊髓表面的沟和裂之内。在脑室的一定部位,软脑膜连同 其上面的血管和室管膜共同构成脉络组织,它们突入脑室内,形成脉络丛,分泌 脑脊液。在脊神经前、后根之间,有由软脑膜形成的齿状韧带,其尖端向外附 着 于蛛网膜和硬脊膜,有固定脊髓的作用。 -1 硬脑膜在应变率为 0.0666~6.66S 时,平均的弹性模量在 41.6~60.7MPa之 [18] 间 ;在纤维平行走向区最大拉伸力为 12.76MPa左右,在纤维垂直走向区最大拉 [24] 伸力为 5.21MPa左右 。而目前在有限元分析中,硬脑膜和脑镰被认为是各向同 性的弹性材料,在模型分析中通常采用 Banda 的数据,即扬氏模量(Young’s Modulus)E 34.47MPa,泊松比为 0.45。硬脑膜在一定部位形成皱摺形成脑镰、 脑幕,并将颅腔分割成一些较小的空腔,因此在交通事故中减少了冲击波在脑内 的直接传播,阻止脑在颅腔内的晃动。蛛网膜和软脑膜的弹性模量很小,在受到 撞击时,其主要作用是把脑和坚硬的组织分隔开,使脑漂浮在脑脊液中。 12 硕士学位论文 图 2.2 人体脑膜结构图 2.1.5 脑 脑(Brain or Encephalon)位于颅腔内,其生物特性具有一定的黏滞弹性。脑 的各组成部分的生物力学差异很大,其扬氏模量 8~240kPa之间,泊松比为 0.2~ [24] 0.45,压缩模量在 2.07~6.89GPa 。其中灰质的扬氏模量为 73kPa,泊松比为 0.2; [24] 白质的扬氏模量为 32kPa,泊松比为 0.35 。脑组织虽具有一定的黏滞弹性,但 其硬度与周围组织相比较小,并且脑组织血管、神经丰富,因此在交通事故中, 即使较小的载荷也会导致脑出血、神经系统损伤等严重后果。成人大脑重量大约 为 1500g,前后径为 165mm,横径为 150mm,中国成人平均脑重男性为 1375.3g, 女性为 1305.1g,脑的形成其源于胚胎时期神经管底前部,形态和功能都相当复杂, 其主要由端脑(Telencephalon)、间脑(Diencephalons)、中脑(Midbrain)、后 脑(Epencephalon)和延髓(Medulla Oblongata)五部分组成。其中后脑包括脑桥 (Pons)和小脑(Cerebellum)。通常将自下而上的延髓、脑桥和中脑三部分通称 为脑干(Brain Stem)。 图 2.2 人体大脑解剖结 13 人-车碰撞时行人头部碰撞特点及其试验评价方法研究 2.1.5.1 脑干 脑干从脑的底面伸出,上连间脑和端脑,下端在枕骨大孔处和脊髓相连合,在 形态上保持了圆柱外形。脑干和脊髓一样,具有传导和反射的功能。脑干内部由 灰质、白质、和网状结构 3种成分组成:(1)灰质:脑干的灰质为分散的神经核 团;(2)白质:主要由上行和下行的纤维束组成;(3)网状结构:网状结构很 发达,结构和功能也很复杂。构成脑干的延髓形似倒置锥体,下界与平齐枕骨大 孔高度的脊髓相连续,上界到达脑桥下缘,正中线上的前正中裂与脊髓的同名裂 相续,前正中裂两侧的锥体由大脑皮质发出的锥体束的纤维构成。脑桥的下缘界 横行的延髓脑桥沟与延髓为界,脑桥的中间隆起部分向两侧渐窄缩成小脑中脚, 正中间纵行浅沟为基底沟,用于容纳基底动脉。在延髓、脑桥背侧和小脑之间, 形成了一个室腔,称为第四脑室(Fourth Ventricle)。脑室内充满了脑脊液,脑脊 液通过脑室脉络组织上的孔流如蛛网膜下腔,向上通入中脑水管,向下与脊髓的 中央管相通。第四脑室室底为菱形窝,室顶朝向小脑。 图 2.3 人体脑干解剖结构图 2.1.5.2 中脑 中脑的形体较小,结构也较为简单,其上界为视束,下界为脑桥上缘。两侧 隆起为左右大脑脚(Cerebral Peduncle),其间的凹陷称为脚间窝,窝底称为后穿 质,有许多血管出入的小孔。大脑脚的内侧有动眼神经穿出。 2.1.5.3 小脑 小脑位于颅后窝,大脑的后下方,脑干的背侧。前面借三对小脑脚与脑干背 面相连。小脑的上面平坦,与枕骨相比邻,两者之间隔以由硬脑膜形成的小脑幕。 14 硕士学位论文 小脑的中间部分比较狭窄,称为小脑蚯;两侧部膨大,称为小脑半球;小脑的下 部隆凸,称为小脑扁桃体。小脑表面有许多大致平行的浅沟,将小脑分为许多叶 片。小脑表面被覆盖有薄层灰质,称为小脑皮质。深部是有神经纤维构成的白质, 称为小脑髓质。白质内埋藏有小脑核。小脑的原始功能是维持身体平衡、协调肌 肉的随意运动和调节肌肉的张力。 2.1.5.4 间脑 间脑位于中脑和端脑之间,他和端脑同自前脑发生。在进化过程中,由于大 脑半球高度发展,间脑的大半部分被大脑半球所掩盖,外侧面并与大脑半球融合, 只有腹部的很少一部分显露于表面。间脑分为背侧丘脑、后丘脑、上丘脑、底丘 脑和下丘脑。间脑内地矢状间隙成为了第三脑室(Third Ventricle),它的前方借 两侧的室间孔与侧脑室相同,后下方通中脑水管。背侧丘脑和后丘脑是听觉传导 通路、视觉传导通路和小脑皮质到大脑皮质传导通路的中继站;下丘脑是调节内 脏和内分泌活动的皮质下中枢,对体温、摄食、水平代谢平衡和内分泌活动进行 调节,并参与情绪反映。成长的部位,分娩时子宫收缩使胎儿及其附属物娩出。 2.1.5.5 端脑 端脑(通常称为大脑)是有前脑发育而来,属于脑的最高级部位,主要由左、 右大脑半球借胼胝体连接而成,是中枢神经最为发达的地方,它包含了躯体感觉 中枢、躯体运动中枢、视觉中枢、听觉中枢、内脏活动中枢和语言中枢。左、 右 两侧大脑半球之间正中线上大脑纵裂,大脑纵裂的底部有胼胝体。大脑半球和小 脑之间借大脑横裂分开,大脑半球表面分布了深浅不等的脑沟,沟与沟之间的隆 起为脑回。大脑的内部从浅至深为大脑皮质、髓质、基底核和侧脑室。即端脑表 面覆盖有大脑皮质,皮质深部有神经聚集纤维构成的大脑白(髓)质。在髓质深 部近脑底含有一些灰质团,为基底核。在左右大脑半球内各有一个不规则的腔隙, 称为侧脑室(Lateral Ventricle)。大脑皮质是覆盖在大脑半球表面的灰质,也是中 2 枢神经发育最为完善和复杂的部位,面积约为 2200cm,神经元总数近 140亿个, 主要包含有三种细胞:锥体细胞、星状细胞和梭形细胞。大脑皮质由 6层组成, 在不同部位,其各层的厚薄、纤维的疏密以及细胞的分布情况都不尽相同,这和 不同部位的皮质具有不同的功能有关。位于大脑纵裂底部的胼胝体由连合左、右 半球皮质的强大纤维束构成。侧脑室内充满脑脊液,并经过室间孔通入第三脑室。 2.1.6 脑脊液 充满蛛网膜下隙和脑室的脑脊液是一种无色、透明的液体,略呈碱性,99% 为水,密度比水稍重,为 1.004~1.007,内含无机离子、葡萄糖和少量蛋白质,细 胞很少,主要为单核细胞核淋巴细胞。当人体运动或颅骨受到撞击时,脑脊液承 15 人-车碰撞时行人头部碰撞特点及其试验评价方法研究 受压力并迅速向周围分散,因此可以减轻脑和脊髓的损伤。脑脊液的大部分(95%) 由各脑室的脉络丛产生,一般成人总量约 125ml,处于不断产生、循环和回流的平 衡状态。脑脊液在中枢神经系统内起淋巴的作用,运送营养物质到脑细胞,并带 走代谢产物。蛛网膜下腔内的脑脊液形成了脑和脊髓的水垫,当颅骨或者脊髓受 到外力撞击时,有防止和减轻对脑和脊髓产生震荡作用。如果脑脊液循环途径受 [25] 阻,可以引起脑积水和颅内压增高 。 2.1.7 脉管系统 脑脉管系统包括脑动、静脉。其生物力学特性随着其几何尺寸而变化。脑中 [24] 动脉在应变率为 0.2的时候,能承受的最大压力为 2MPa 。旁矢状面的桥静脉在 -1 应变率为 10~1000S 时,能承受的压力为 0.5~2MPa,在 Lee等的实验中,甚至 可以达到 3.42MPa。在脑皮层血管中,动脉的压力极限为 8MPa,静脉为 2~4kPa。 在交通事故中,脑的加速度到一定程度就会导致桥静脉的撕裂,一般在桥静脉超 过其初始长度 30%以上时发生,而脑出血一般还和脑皮层动脉破裂出血有关。 2.2 人体头部损伤生物力学 2.2.1 损伤生物力学 损伤生物力学是生物力学的一个重要研究分支。损伤生物力学也称为碰撞生 物力学,是汽车被动安全研究中人体损伤防护的重要理论基础。在碰撞交通事故 过程中,人体暴露在一个机械冲击载荷的环境中,在惯性力和接触力的作用下, 人体的各部分组织将产生一定的生物力学响应。若生物力学响应使人体组织超过 可以恢复的限度或使正常生理功能变化、丧失,就会造成人体损伤。人体组织在 碰撞过程中所包含的有关力学问题就称为损伤生物力学。 损伤生物力学的研