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原文传递行人和自行车交通事故中头部动力学响应和损伤机理研究

论文题名：	行人和自行车交通事故中头部动力学响应和损伤机理研究
关键词：	行人安全;自行车交通事故;头部损伤;损伤生物力学;颅脑损伤;动力学响应
摘要：	行人和骑自行车者是交通事故中最容易受伤害的道路交通使用者。在我国每年因交通事故而死亡的人数约10万人,其中车外易受伤害道路使用者,如行人,摩托车手、骑自行车者的死亡人数占60％。头部损伤是汽车交通事故中最为常见的伤害类型之一,而且是造成死亡的主原因。因此,在我国开展交通事故中人体头部损伤形式、损伤机理、耐受限度和防护方法研究具有重要的现实意义。　　本文首先在深入事故调查的基础上,利用多刚体动力学分析软件PC-Crash和MADYMO对50例行人和自行车案例进行了仿真分析,重现了事故中人体的动力学响应过程,并计算了颅脑损伤相关的物理参数;同时根据事故重现、损伤分析得到的各种损伤评估指标,与事故中受害者的伤情报告进行了对比。比较分析了中国长沙地区和德国汉诺威地区行人头部动力学响应过程和损伤风险。结果表明两地区车辆前部轮廓尺寸基本一致,汉诺威地区行人平均身高较长沙地区高7.7cm,平均体重重10.3kg,这些因素造成了头部接触时间和绕转距离上的差别。两地区行人头部的平均碰撞速度(40km/h)和碰撞角度(50°)与EEVC成人行人头部测试法规所规定的接近。两地区行人头部碰撞速度、HIC值和抛出距离和车辆碰撞速度的关系密切而且变化趋势一致。从事故中车辆对行人安全保护方面考虑,两地区的区别较小。由此,中国的行人保护法规可以借鉴欧洲行人法规。　　为了确定行人和骑自行车者在交通事故中造成头部不同动态响应及损伤风险的碰撞载荷条件,在多刚体事故重建结果的基础上,对交通事故中行人和骑车人头部碰撞形态和损伤模式进行了比较研究,对行人和骑车人头部与车辆和地面碰撞中的动态过程和损伤风险进行了评估,运用逻辑回归方法对人体头部的损伤物理参数(例如HIC值、3ms线性加速度等)与真实事故中头部损伤风险之间的关系进行了探讨。结果表明从交通损伤流行病学角度,行人和自行车事故在碰撞车辆类型,碰撞形态、致伤因素分布和年龄分布等方面有相似地方。但是,在车辆碰撞速度、损伤严重性及损伤分布等方面存在明显的差异;从事故重建得到的头部动力学响应来看,两者在平均重心高度、头部碰撞速度、头部位移、抛出距离及落地碰撞模式等方面存在显著差异,这些研究结果可以作为对骑车者头部保护而制定的交通安全法规的参考。　　在相同碰撞载荷下,利用有限元头部模型对头部受正面和侧面碰撞的颅内压力、等效应力和剪切应力等损伤参数进行了对比分析。分析结果表明,侧面碰撞中颅骨变形、颅骨等效应力、脑组织等效应力和最大剪切应力对头部造成的损伤比正面碰撞要严重;颅脑最大正负压力都出现在大脑,碰撞波在颅内传递方式差异较大,侧面碰撞最大压应力值比正面碰撞最大压应力值高23％,而侧面碰撞的碰撞对侧最大拉应力值比正面碰撞低59％。　　在50例重建案例中,选取了其中30例头部撞击挡风玻璃的案例进行了颅脑对冲伤重建,针对碰撞过程中碰撞侧和对撞侧颅内压力对大脑、小脑、脑胼胝体及脑干损伤的影响进行了分析,并建立了颅脑损伤逻辑回归模型,预测颅脑损伤风险,探讨了接触力与颅骨骨折之间的关系,对比分析了集中力作用和分散力作用下的颅脑损伤响应。结果表明,头部与挡风玻璃碰撞过程中,83％的碰撞侧颅内压力峰值和73％的对撞侧颅内压力峰值都出现在大脑和脑胼胝体;50％可能性出现AIS3+脑损伤风险的大脑、脑胼胝体、小脑和脑干碰撞侧正压力值分别为:239kPa,178kPa,201kPa和182kPa;相应的对撞侧负压力值分别为:-156kPa,-138kPa,-140kPa和-160kPa。分散作用力下碰撞侧压力和对撞侧颅内压力峰值比集中碰撞力作用下分别下降了49％和51％;但最大剪切应力和等效应力峰值有不同程度的增加。　　利用正交实验设计分析了轿车前部结构主要参数对7岁儿童行人头部损伤参数的影响,并与成人行人头部影响趋势进行比较。针对EEVC行人法规提出的对儿童行人头部保护的碰撞试验,比较研究了同样结构下低碳钢制和铝合金制发动机罩的行人保护性能,并针对儿童行人头部保护设计了圆台凸起式、波浪式内板和夹层铝合金制发动机罩;为了增加吸能和优化加速度曲线,研究了发动机罩边缘和翼子板间的吸能结构。汽车前部结构参数特别是保险杠宽度和发动机盖倾角对儿童头部损伤的影响程度比成人要大;传统加强筋发动机罩对儿童行人头部的保护效果较差,本研究从刚度和能量吸收方面提出了可以满足儿童行人法规要求的的铝制夹层结构、圆台凸起式和波浪式发动机罩概念设计。同时,在发动机罩边缘和翼子板间加入压溃吸能结构,能有效地控制加速度并优化该碰撞区域的能量吸收效果。　　中国汽车产销量位居世界第一,道路交通事故中易受伤害道路使用者行人和骑自行车者的交通损伤防治工作日益成为焦点问题。本研究通过事故调查和事故分析,了解行人和骑车者在车辆碰撞事故中的动态响应;基于事故分析结果利用有限元头部有限元模型对头部的损伤机理进行了深入研究。研究结果对我国汽车安全行业的发展和交通伤防治具有重大的现实意义。
作者：	陈勇
专业：	车辆工程
导师：	杨济匡
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文