基于madymo和pc-crsh的汽車碰撞事故仿真分析

基于madymo和pc-crsh的汽車碰撞事故仿真分析

15歲以下的兒童是行人事故頻發(fā)的群體之一，數(shù)量僅為人口總數(shù)的18%，但占行人事故數(shù)量的1.3%。因此，對兒童行人事故機(jī)的研究非常重要。由于缺乏足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，目前人們對兒童行人頭部的損傷機(jī)尚不清楚。交通事故重建是了解兒童創(chuàng)傷機(jī)、評估當(dāng)前受傷標(biāo)準(zhǔn)和耐受極限的重要手段。本研究首先確定了現(xiàn)場事故調(diào)查的方法和流程,在現(xiàn)場所采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,用MADYMO碰撞仿真軟件,重現(xiàn)了長沙地區(qū)的一起12歲兒童行人事故,對該兒童頭部與擋風(fēng)玻璃碰撞的損傷機(jī)理進(jìn)行了分析.對2種不同的數(shù)值模型得到的仿真結(jié)果與醫(yī)學(xué)診斷結(jié)果進(jìn)行了比較.1事故數(shù)據(jù)的來源1.1撞擊前的駕駛信息由專業(yè)人員與交警同時(shí)到達(dá)事故現(xiàn)場,進(jìn)行相關(guān)的事故數(shù)據(jù)采集和對事故進(jìn)行深入調(diào)查分析.每一起事故采集的信息包括碰撞前、碰撞中及碰撞后3大部分.碰撞前的信息主要包括車輛的行駛速度、碰撞前的剎車情況、行人的初始姿勢、步行的速度和方位、路面的類型和天氣情況;碰撞中的信息主要包括碰撞速度、車輛的碰撞點(diǎn)、行人落地時(shí)刻與地面接觸的部位、拋出距離、落地點(diǎn)、滑行距離及最終位置;碰撞后的信息主要包括行人的性別、年齡、身高、體重、損傷類型、損傷分布、損傷嚴(yán)重程度及造成損傷的原因、車輛的碰撞痕跡及現(xiàn)場留下的剎車痕跡等.選擇重建事故的依據(jù)(SAMPLINGCRITERION)是肇事車輛的車型、行人的損傷、碰撞速度及行人的年齡、身高和體重.本文所采集的事故中,肇事車輛擋風(fēng)玻璃與行人頭部有明顯的接觸且對行人頭部造成了一定的損傷.1.2事故車輛的駕駛信息本文所收集到的行人事故于2007年7月5日19:30左右發(fā)生在長沙市岳麓區(qū)杜英路45號地段.當(dāng)時(shí)有路燈照明,天氣晴好,路面為干燥的水泥路面.一輛小客車沿1方向由北往南行使(如圖1所示),一小女孩突然沿2方向從車的右側(cè)跑出,為了避開她,司機(jī)往左打方向盤,但右側(cè)翼子板還是撞上了小女孩,碰撞前沒有剎車.小車翼子板與兒童的肩膀發(fā)生了接觸,然后整個(gè)人被小車掀起,頭部砸在了玻璃上.根據(jù)目擊者和司機(jī)的陳述及該路段的限速規(guī)定,可以估計(jì)車速為30～50km/h,初始碰撞位置、兒童行人的落地位置及車的最終停止位置如圖1所示.現(xiàn)場以相交的兩條垂直水泥路面分割線為坐標(biāo)軸,測出了初始碰撞點(diǎn)、落地位置和車輛最終的停止位置的坐標(biāo).事故車輛的右側(cè)翼子板有明顯的凹痕,擋風(fēng)玻璃的右下角破裂.車上碰撞點(diǎn)的位置、面積和深度都有詳細(xì)的記錄,這些信息為評估事故重建的可靠性提供了保證.經(jīng)醫(yī)院診斷,兒童的右頂部頭皮血腫,腦出血;左鎖骨粉碎性骨折.2事故重建本文用到的重建軟件為MADYMO和PC-CRASH的結(jié)合.兩者均為多剛體動(dòng)力學(xué)軟件.2.1基本理論2.1.1加速度和慣性程度剛體上任一點(diǎn)相對于某固定點(diǎn)的空間位置可由下面的矢量公式表示:Xi=xi+ri.(1)如果知道每個(gè)時(shí)刻的位置,可求出該點(diǎn)的速度和加速度:˙Xi=˙ri+wixi?˙Xi=˙r?(2)¨Xi=¨r+˙wi×xi+wi×(wi×xi).(3)X˙i=r˙i+wixi?X˙i=r˙?(2)X¨i=r¨+w˙i×xi+wi×(wi×xi).(3)矢量可由3個(gè)標(biāo)量合成,矢量運(yùn)算可轉(zhuǎn)化為標(biāo)量矩陣的運(yùn)算.剛體關(guān)于它自身慣性中心的運(yùn)動(dòng)方程為:mi¨r=Fi,(4)Ji?˙ωi+ωi×Ji?ωi=Τi.(5)mir¨=Fi,(4)Ji?ω˙i+ωi×Ji?ωi=Ti.(5)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;Ti為力矩(相對于慣性中心)向量;ri為位移向量.2.1.2ca整理u2004由Lagrange物質(zhì)描述方法,變形可以由質(zhì)點(diǎn)的初始位置向量Xa及時(shí)間t表示為:xi=xi(Xa,t).(6)在t=0時(shí)有初始條件:xi(Xa,0)=Xa,(7)˙xi(Xa,0)=vi(Xa).(8)x˙i(Xa,0)=vi(Xa).(8)式中:vi為初始速度.對于物體內(nèi)任一有限部分應(yīng)滿足動(dòng)量守恒定律.由Cauchy動(dòng)量方程得:σij,j+ρfi=ρ¨xi.(9)σij,j+ρfi=ρx¨i.(9)式中:σij為Cauchy應(yīng)力張量;ρ為瞬時(shí)質(zhì)量密度;fi為體積力密度;¨xx¨i為加速度.有限單元離散化并引入虛位移場后也可寫成Ma=Fext-Fint.(10)式中:M為質(zhì)量矩陣;a為結(jié)點(diǎn)加速度向量;Fext和Fint為結(jié)點(diǎn)的外和內(nèi)力向量,包括外載力、接觸力和內(nèi)應(yīng)力.2.2模型結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)行人跟車的接觸位置為右側(cè)翼子板和擋風(fēng)玻璃右下角,這些位置用多剛體橢球很難準(zhǔn)確地描述出幾何特征.本文用有限元(FEM)與多剛體耦合的方法建立了2種車體模型,即有限元(FE)與多剛體耦合模型及多面體(FACET)與多剛體耦合模型.接觸部位用FE或者FACET描述其幾何特征,非接觸部位用多剛體橢球描述以節(jié)省計(jì)算時(shí)間.多面體車體模型部分是在有限元車體模型基礎(chǔ)上發(fā)展而成的.賦予各個(gè)部件以空材料,其剛度特性由力-穿透曲線來描述.曲線來源于歐洲NCAP試驗(yàn)(圖2).2種車體模型幾何尺寸均基于與事故車輛同制造商、同型號和同批次的有限元數(shù)學(xué)模型.車輛前部包括保險(xiǎn)杠、翼子板、A柱及擋風(fēng)玻璃等.由49263個(gè)節(jié)點(diǎn)和48656個(gè)單元組成.其材料參數(shù)來源于經(jīng)過正面碰撞驗(yàn)證的車體模型(見表1).2.31人體測量學(xué)模型的形成對事故重建來說,獲得一個(gè)與受害者人體測量學(xué)足夠接近的假人模型是相當(dāng)重要的.通常事故受害者的身高和體重與可直接獲得的假人模型偏離比較大,所以必須通過放縮方法來得到所需的假人模型.目前MADYMO軟件中SCALER模塊可獲得的參考模型有3種:6歲坐姿兒童混Ⅲ模型,5百分位坐姿女性混Ⅲ模型和50百分位坐姿男性混Ⅲ模型.該方法的第一步根據(jù)相關(guān)人群產(chǎn)生一組描述目標(biāo)模型的人體測量學(xué)的關(guān)鍵參數(shù),參考模型的人體測量學(xué)參數(shù)也是由這些關(guān)鍵參數(shù)描述的;第二步朝目標(biāo)模型放縮參考模型.對不同的人體部分采用不同的放縮因子,這些因子通常取源于人體身高、質(zhì)量、慣性、鉸鏈位置、橢球的尺度、鉸鏈類型、接觸模型和接觸特性等.根據(jù)現(xiàn)場收集到的受害兒童身高和體重,本文12歲兒童行人模型由6歲坐姿兒童混Ⅲ模型放縮而成,該模型是51個(gè)橢球由28個(gè)鉸鏈連接而成的(如圖3所示).2.4madymo仿真計(jì)算MADYMO兩種模型中設(shè)定的初始邊界條件是一致的:依據(jù)事故車輛及行人的最終位置、車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡和可能行駛的速度范圍等信息通過PC-CRASH仿真優(yōu)化得到碰撞速度、碰撞位置及減速度等關(guān)鍵參數(shù).根據(jù)目擊者的描述,碰撞點(diǎn)的位置及該路段的限速,分別用車體速度60km/h,50km/h,45km/h,40km/h和35km/h;小孩的跑動(dòng)速度分別為0,6km/h和10km/h;行人左腳在前、右腳在前幾種情況進(jìn)行試算,一共進(jìn)行了5×3×2=30組仿真計(jì)算.經(jīng)分析看出車體速度為35km/h,行人的跑動(dòng)速度為10km/h和右腳在前時(shí)得到的仿真結(jié)果與實(shí)際情況最為符合(圖1).把這些關(guān)鍵參數(shù)作為邊界條件定義MADYMO仿真模型.此外,由事故地段為干燥的瀝青路面,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定車與地面的摩擦因數(shù)為0.7來模擬車體剎車后的減速度;根據(jù)文獻(xiàn)資料設(shè)定人與車和地面的摩擦因數(shù)分別為0.5和0.7.3結(jié)果分析3.1行人運(yùn)動(dòng)過程仿真事故重建動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程可以通過車輛受損信息、拋出距離、車上碰撞點(diǎn)位置和行人落地后的姿態(tài)來評估.整個(gè)仿真過程計(jì)算時(shí)間為950ms,圖4是2種仿真結(jié)果在20ms,100ms和160ms時(shí)的行人動(dòng)態(tài)響應(yīng)對比,分別與保險(xiǎn)杠撞擊小腿、頭部撞擊擋風(fēng)玻璃、頭部撞擊A柱的時(shí)刻對應(yīng).兩模型中的行人運(yùn)動(dòng)過程比較接近,但還是有少許差別,特別是左腿的運(yùn)動(dòng)過程,這可能與不同算法所導(dǎo)致不同的穿透量有關(guān).3.2行人對比仿真從現(xiàn)場草圖可以估算出行人的拋出距離約為2.92m,多面體(FACET)模型中行人的拋出距離為3.3m,有限元(FE)模型中行人的拋出距離為3.7m,仿真值與實(shí)際值很接近.車體上碰撞點(diǎn)位置的對比如圖5所示,仿真中右側(cè)翼子板上3個(gè)凹痕A,B,C和擋風(fēng)玻璃右下角的碰撞點(diǎn)D與現(xiàn)場測得的位置都很接近.3.3交叉試驗(yàn)結(jié)果研究顱腦的動(dòng)力學(xué)響應(yīng),主要分析頭部在碰撞過程中的運(yùn)動(dòng)、碰撞速度、碰撞相對速度及碰撞角度.本研究輸出的頭部損傷評估參數(shù)有HIC15,頭部角速度和角加速度等.此外,頭部相關(guān)輸出參數(shù)還有頭部與擋風(fēng)玻璃的碰撞時(shí)刻,碰撞相對速度及碰撞時(shí)刻與水平面的夾角.碰撞速度是指碰撞開始時(shí)刻頭部的絕對速度,定義如下:v=√v2x+v2z.(11)v=v2x+v2z??????√.(11)式中:vx為頭部水平方向的速度;vz為頭部豎直方向的速度;v為頭部絕對速度.碰撞的相對速度是指碰撞開始時(shí)刻頭部相對汽車的速度,定義如下:v′=√(vx-vcx)2+v2z.(12)式中:v′為碰撞時(shí)刻頭部相對車體的速度;vcx為碰撞時(shí)刻汽車的行駛速度;其他同式(11).碰撞角度是指頭部與車體接觸碰撞開始時(shí)刻頭部相對水平地面的角度,定義如下:β=arctan(vz/vx).(13)式中:β為頭部合成速度與水平面的夾角;其他同式(11).頭部損傷評價(jià)準(zhǔn)則目前最常用的是HIC(HeadInjuryCriterion),它是在1960年美國韋恩提出的直線加速度下頭部耐沖擊性的損傷標(biāo)準(zhǔn)WSTC曲線的基礎(chǔ)上形成的.該準(zhǔn)則是根據(jù)實(shí)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:ΗΙC=[(t2-t1)(1t2-t1∫21a(t)dt)2.5]max.(14)式中:a(t)為碰撞過程中頭部質(zhì)心合成加速度;t2-t1為HIC達(dá)到最大值的時(shí)間間隔.本研究用到的顱腦創(chuàng)傷醫(yī)學(xué)評價(jià)方法為簡明損傷定級法AIS(AbbreviatedInjuryScale).它是從生物力學(xué)的角度出發(fā),根據(jù)器官、組織的損傷程度將其量化分級,是交通事故中人體損傷的主要評估方法.它一共分為8個(gè)等級,等級編號本身沒有含義(見表2).較重傷表示無生命危險(xiǎn),嚴(yán)重傷表示有生命危險(xiǎn)但有生存的可能,危重傷表示有無生存可能無法預(yù)料,最危重傷表示死亡或者無法救治.根據(jù)顱腦損傷AIS分級標(biāo)準(zhǔn),本研究采集到的事故中行人的顱腦損傷主要為:右頂部頭皮血腫,對應(yīng)的損傷等級為AIS1;腦出血,根據(jù)其嚴(yán)重性對應(yīng)的損傷等級為AIS4.表3為計(jì)算得到的頭部損傷及相關(guān)參數(shù)輸出對比及各參數(shù)兩者的平均值.圖6為2種模型中頭部相對車體運(yùn)動(dòng)的合成速度.圖7為2種模型計(jì)算得到的頭部加速度曲線對比,其中1,2,3,這3個(gè)峰值分別是由保險(xiǎn)杠撞擊腿部,頭部撞擊擋風(fēng)玻璃和頭部撞擊A柱引起的.4討論4.1汽車碰撞瞬時(shí)速度值的確定本文重建所用到的事故信息是由專業(yè)團(tuán)隊(duì)從事故現(xiàn)場采集得到的.在轎車與行人事故重建中,汽車碰撞瞬時(shí)的速度和行人的相對位置、行走速度是相當(dāng)重要的,但也是難以準(zhǔn)確得到的,需要通過其他更多的物證進(jìn)行判讀.為了獲得準(zhǔn)確的汽車碰撞瞬時(shí)速度值,可能的途徑包括司機(jī)的供詞、目擊者記錄、道路限速標(biāo)志、測速雷達(dá)信息、剎車痕跡、散落物痕跡、攝影攝像、行人拋距等.通過對這些信息綜合分析,得到人-車碰撞的初始接觸點(diǎn)和碰撞瞬時(shí)車速;對于行人碰撞時(shí)刻的速度,通過司機(jī)描述和目擊者證詞,能夠得到的僅僅是行人的相對方位和移動(dòng)方向,關(guān)于速度概念往往是用停止、慢走、快速行走或者奔跑來形容,很少能夠給出量值的表達(dá).而行人的運(yùn)動(dòng)往往影響到人-車碰撞過程中的人體響應(yīng)過程,從而導(dǎo)致復(fù)雜的致傷模式.4.2車模的材料特性和接觸特性本文所建立的2種車體模型的幾何特征取自于事故車輛的有限元數(shù)學(xué)模型,完全可以達(dá)到事故重建標(biāo)準(zhǔn).有限元(FE)車模的材料特性來源于經(jīng)過正面碰撞驗(yàn)證的車模,多面體(FACET)車模的接觸特性來源于歐洲NCAP同類型車輛試驗(yàn).2種計(jì)算模型得到的仿真結(jié)果與實(shí)際比較吻合.4.3生物逼真度值12歲兒童模型用MADYMO軟件中的SCALER模塊基于標(biāo)準(zhǔn)的參考模型放縮而成,其肩部生物逼真度不高,沒有鎖骨的相關(guān)損傷參數(shù)輸出.對本事故左鎖骨粉碎性骨折無法進(jìn)行損傷評價(jià).肩部缺陷也會對頭部的運(yùn)動(dòng)造成一定的影響.4.4頭架和調(diào)整算法比較時(shí),優(yōu)化算法一般在充在本文中用到了有限元方法和多剛體動(dòng)力學(xué)方法.從圖4可以看出行人的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程很相似;從表3中可以看出2種算法得到的HIC15和頭部角速度比較接近;圖5顯示的車體上ABCD碰撞點(diǎn)的位置和變形模式和實(shí)際情況比較吻合;圖7是2種算法得到的頭部加速度曲線對比,除了峰值3出現(xiàn)時(shí)間有少許差別外,其他大體吻合.4.5損傷方面的研究本研究用于評價(jià)頭部損傷的指標(biāo)主要有HIC,頭部角速度和頭部角加速度.行人-汽車碰撞人體頭部的運(yùn)動(dòng)是典型的平移加速度和旋轉(zhuǎn)加速度混合作用的結(jié)果,其中平移加速度具有重要影響,HIC對損傷的預(yù)測效果具有相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確性,尤其在頭部骨折和嚴(yán)重腦損傷方面.研究表明,頭部