为了深入研究事故中两轮车骑车人的伤亡特征, 选用50百分位THUMS生物力学人体有限元模型, 并根据轿车、电动自行车模型搭建车辆有限元模型(见图1)。其中电动自行车和轿车CAE模型按实车CAD数模搭建, 并赋予其真实的材料力学属性。

图1

Fig.1

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	图1 有限元模型Fig.1 Finite element model

由中国交通事故深度调查研究CIDAS事故调查结果可知, 在6个典型城市或路线调查所得的一千多起交通事故中, 轿车与两轮车碰撞事故占CIDAS轿车事故样本总数的58.8%, 事故造成89人死亡, 占死亡总数的35.0%; 602人受伤, 占受伤总数的57.1%。在轿车与两轮车碰撞事故中, 电动自行车和摩托车事故占89.3%, 其余10.7%是普通自行车事故。统计此类事故中轿车碰撞速度得出, [30, 40] km/h速度区间事故比例最高, 占22.2%; 其中超过半数的事故车辆碰撞速度在40 km/h以下。轿车速度为40 km/h正面垂直碰撞自行车侧面在电动自行车与汽车碰撞工况中有较强的代表性。

本文首先使用假人、自行车和轿车模型对某例典型事故进行仿真。将仿真结果中假人伤害情况与事故人员伤害情况进行对比, 以验证仿真模型和算法的有效性。然后根据速度为40 km/h轿车前端碰撞自行车侧面工况, 研究碰撞过程中骑车人各部位伤害情况, 得出电动自行车与轿车碰撞中骑车人伤害特征。最后根据仿真结果对导致骑车人伤害的轿车结构特征进行分析。

小腿由腓骨和胫骨组成。图7为在碰撞过程中小腿胫骨和腓骨的应力云图以及在前50 ms小腿受力云图的变化。

图7

Fig.7

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	图7 小腿骨应力云图Fig.7 Stress distribution of hind shank bone

由小腿骨骼应力云图变化可以清楚发现:假人右侧腓骨首先受力, 随着骑车人继续倒向轿车, 骑车人右侧小腿骨应力不断增大, 约在碰撞后30 ms达到最大值。在碰撞的同时左侧小腿骨受力也逐渐增大, 约在碰撞发生40 ms时其应力值达到最大。左、右小腿骨骼最大应力出现的时间差与左、右小腿与轿车前端直接接触的时间差基本吻合。在碰撞过程中, 右侧小腿骨最大应力约为200 MPa, 左侧小腿骨最大应力约为180 MPa, 根据Burstein等^[4]研究所得小腿骨折判定准则可知, 该骑车人左、右小腿均已经达到骨折条件。

股骨是大腿的长骨。靠近躯干一段与骨盆相连接, 远离躯干部分与膝盖连接。图8为股骨应力水平随时间变化云图。

图8

Fig.8

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	图8 大腿股骨应力云图Fig.8 Stress distribution of femur

由图8可以发现, 最大股骨应力主要集中在碰撞侧右腿股骨处。由于左大腿与轿车前端未发生直接碰撞, 所以侧股骨部分应力较小。碰撞过程中股骨的应力随着骑车人大腿被挤压程度的增大而增大, 在碰撞后约40 ms达到最大值。右腿股骨最大应力值(150 MPa)小于小腿的最大应力值(205.8 MPa), 表明右大腿股骨受到的伤害小于小腿。根据Burstein等^[4]研究所得大腿骨折判定准则可知, 该骑车人碰撞侧股骨骨折概率也较高。

大腿和小腿靠膝关节连接。在膝关节两侧分别有两韧带将腓骨、胫骨与股骨相连接。在该仿真碰撞中由于假人转身、小腿反向运动以及电动自行车对假人的干扰等原因, 在碰撞80 ms时刻假人膝关节部位变形如图9所示。

图9

Fig.9

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	图9 下肢主应力云图Fig.9 Stress distribution of lower extremities

在80 ms时, 碰撞侧大腿股骨和小腿胫骨膝关节侧向变形约26° , 两侧韧带被严重拉伸和压缩, 韧带最大主应力达96.8 MPa。根据1997年Kajzer等^[5]进行的尸体试验和2011年韩勇等^[3]对该试验进行的相关有限元仿真分析结果可知:该韧带拉伸应力和膝盖侧向变形均满足韧带断裂条件, 所以在该碰撞中膝关节韧带发生断裂或严重伤害的概率较大。

由骑车人与碰撞车辆之间位置关系及碰撞响应分析可知, 由于骑车人下肢与车辆第一接触点碰撞位置较高, 在发生碰撞时, 小腿上方至膝关节位置受到来自车头前方发动机罩锁及其发动机舱前方横梁的冲击(见图10), 导致腿部的弯曲变形, 也导致了腓骨和股骨变形或骨折。如果在车辆设计中对这部分进行可变形设计则能起到较好的对骑车人的保护效果。

图10

Fig.10

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	图10 骑车人与轿车第一接触位置示意图Fig.10 First contact position of cyclist and car

骨盆由两块髋骨、骶骨和尾骨组成的。骨盆连接着下肢和脊椎, 从力学角度看骨盆是把躯干重量传递到地面的唯一路径。

图11

Fig.11

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	图11 盆骨主应力云图Fig.11 Stress distribution of pelvis

由图11可知:从假人与轿车接触到脱离整个过程中接触骨盆都受力, 其持续时间相对较长。但从图11可以看到, 骨盆受到最大应力仅为4.057 MPa, 并且从云图颜色可以看出骨盆在大部分时间受到的应力都小于1 MPa, 可以认为在碰撞过程中盆骨受到伤害的可能较小。

胸腹部的伤害往往伴随着肋骨和椎骨的骨折发生, 根据仿真结果可得胸部骨骼主应力云图如图12所示。

图12

Fig.12

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	图12 胸部骨骼主应力云图Fig.12 Stress distribution of chest bone

由图12可见, 在骑车人上半身与轿车发动机罩发生接触过程中胸部骨骼主应力较大, 最大值为43.73 MPa。由云图颜色的变化可以看到:在上半身尚未与车身发生接触之前, 主要是脊椎受上肢传递的力; 在上半身与车身发生接触后, 首先是人体右侧胸部受到挤压, 随着运动的继续, 肋骨前方受到内脏的挤压。对比文献[6]中应力云图可见, 骑车人上半身更多情况下将会受到软组织损伤, 而没有骨折的风险。

颅脑主要有3种损伤机理:集中压缩力(压缩应力)、颅内的粘性载荷(拉伸应力)、大脑惯性载荷(剪切应力)^[7]。为了便于对头部伤害情况进行评价, 以上头部伤害机理评价指标被具体化为脑部von-Misses应力、颅内压力等^[8]。根据仿真计算结果可得骑车人颅内主应力和压力分布如图13所示。

图13

Fig.13

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	图13 颅内主应力和压力分布云图Fig.13 Stress and pressure distribution of encephalic

由图13可以看出, 骑车人颅内最大等效应力为15.68 kPa, 根据Willinger等的研究结论^[9]可知, 骑车人头部会受到轻度脑震荡。由图13还可以看出骑车人颅内受到最大压力为125 kPa, 根据Ward等的研究结论^[10]可知, 该骑车人头部受轻伤。