基于MADYMO的人-车碰撞事故再现研究 - 文章

基于MADYMO的人-车碰撞事故再现研究

作者：郭磊金先龙申杰张晓云

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摘要

以一起人车交通事故为研究对象，运用多刚体动力学方法建立了事故车辆的仿真模型，在MADYMO软件中对整个事故碰撞过程进行了仿真再现，研究了行人碰撞后的动力学行为和伤害情况，计算得出碰撞车速为正确鉴定事故起到了辅助作用。最后仿真结果与实际情况比较，初步验证了仿真方法和模型的可行性。

简介

行人在交通事故中处于弱势地位，是最容易受到伤害的人群。据资料[1]显示，2003 年日本交通事故中行人死亡人数为7702 人，美国行人死亡人数为4749 人，中国同年度交通事故死亡人数超过10 万人，其中行人2.5 万余人，约占死亡总人数的25％。可以看出，由于我国机动车保有量的增加和道路基础设施建设的相对滞后，过多的人车混行，使得行人安全问题已十分突出。

行人安全是当今世界汽车交通安全性研究中的一个热点问题。采用何种措施降低汽车与行人碰撞时对行人产生的伤害在美国、欧洲、日本等国家已受到高度重视，行人数值假人和计算机仿真再现方法在上述世界发达国家得到了广泛的应用，辅助进行行人安全性研究。在我国，行人安全性研究起步较晚，研究水平较为滞后，对真实事故的研究相对不足。因此，目前在国内展开大量相关行人安全性技术研究，改善汽车的行人安全保护，尽可能减少人车碰撞中的人体伤害和带来的社会损失，降低行人死亡率，是一个较为迫切的问题。

本文以一起人车交通事故为研究对象，运用多刚体动力学方法建立事故车辆的仿真模型，然后利用目前世界上在碰撞生物力学和事故仿真再现研究领域使用较为广泛的MADYMO 软件对整个事故碰撞过程进行仿真再现，计算得出碰撞车速，研究行人碰撞后的动力学行为和伤害情况。最后将仿真结果与法医鉴定结果相比较分析，初步验证了仿真方法和模型的可行性。

方法

在汽车被动安全性研究中通常采用有限元仿真方法需要建立详细复杂的汽车有限元模型，车身碰撞变形大，计算需要耗费大量的时间和资源，必要时不得不采用大规模的并行计算方法以提高仿真效率。多刚体动力学方法采用多个刚体来描述一个系统，在人车碰撞事故中车辆变形相对较小的情况下，通过刚体之间的一定穿透量来模拟碰撞变形，而不必建立详细的有限元模型既可达到较好的仿真再现效果，同时整个仿真过程具有计算时间短、仿真效率高、结果易修正等优点，能够达到快速的交通事故再现研究作用。

在MADYMO 中多刚体动力学方法采用多个形状不同的刚体在组成空间树状结构来描述一个系统，刚体之间通过不同类型的铰链进行连接和约束。每个刚体有六个自由度，三个平动和三个转动。基本的铰链包括平面铰、球铰、旋转铰、滑移铰和万向铰等形式。

在多刚体系统内，某一刚体i 的运动方程由牛顿－欧拉方法推导可得

式中，mi为质量，γ&&i为加速度，Ji为惯性矩，wi为角速度，Fi为力，Ti为力矩。

将方程（1）、（2）分别乘以位移变量δγi和初始方位变量δπi，即可得整个多刚体系统的运动方程为

在外力和加速度场作用下，MADYMO 可提供改进的欧拉法、定时间步长的四阶龙格－库塔法、变时间步长的五阶龙格－库塔法等数值方法求解多刚体系统的运动方程，以求得刚体系统的动态变量。

事故再现

案例描述

事故车辆在由东向西行驶过程中，与一从北向南横穿公路的行人相撞，行人被撞离在车辆右前方一定距离后当场死亡。整个事故留下车辆的制动轨迹、停止位置和碰撞变形情况，行人伤情的法医鉴定结果等信息，事故现场如图1 所示。

图1 事故现场图

模型建立

根据事故行人体形特征，仿真中行人假人模型采用MADYMO 标准数据库[2]中的多刚体行人假人对其进行模拟，其各项人体生物力学参数来自MADYMO 假人标准数据库。

事故车辆在与行人碰撞时已经制动，不须单独描述车轮转动，其运动自由度可适当简化，以一个平移铰链和一个球铰链来描述车体的平移运动及转动。根据所采集的事故车辆外形几何尺寸等数据信息，运用多刚体动力学方法建立车辆三维仿真模型。仿真模型包括前保险杠、前挡风玻璃及车大灯、发动机罩盖、车身和车轮等主要部件。事故车辆仿真模型如图2 所示。

图2 事故车辆仿真模型

仿真再现

采用标准的行人假人模型和上述所建立的事故车辆仿真模型，利用MADYMO 对此起汽车与行人碰撞的过程进行仿真再现分析。

事故车辆参数根据实际的情况进行设置，车辆、行人与路面之间接触特性从相关已发表的研究文献[3]中获得。同时车辆与路面的摩擦系数取为0.7，假人身体与汽车的摩擦系数取为0.4，与地面摩擦系数取为0.6。仿真计算利用汽车与行人假人模型碰撞时产生的一定量相互穿透作用来模拟它们的碰撞变形，计算得出人车之间的碰撞接触力，通过伤害指标来评价行人在碰撞过程中的伤害程度情况。

事故碰撞初始时刻可根据车辆制动轨迹、碰撞痕迹和碰撞点位置、人体受撞击伤害部位和行走方向等综合信息布置场景，放在最容易造成实际事故发生结果的位置上。事故车辆由东向西沿制动轨迹行驶，行人从北向南横穿公路方向行走，汽车与行人身体左侧发生碰撞。然后在此假定人车碰撞位置情景基础上通过多次计算调整，可以最后确定一个人车碰撞初始时刻的相对位置和行人的行走姿态，使得通过此位置关系得出的仿真计算结果能较好符合事故实际情况。最后确定的人车碰撞初始时刻情景如图3 所示，从图中可以看出事故车辆、行人间的相对位置关系。

图3 碰撞初始时刻情景

通过初始设定一个汽车与行人碰撞的车速，以行人最终落点位置为目标进行多次计算，最后可得出汽车与行人碰撞时车速约为40km/h 时能较好地重现实际事故情况，与事故现场图相符合，仿真终止时刻场景如图4 所示。

图4 仿真终止时刻

汽车与行人碰撞后，行人的运动过程一般可分为接触、空中飞行和地面滑移三个阶段。下面是汽车与行人碰撞车速为40km/h 时在不同时刻的仿真再现的结果和行人运动情况。

仿真碰撞过程40ms、100ms、320ms、1020ms时刻的情景，如图5 所示。从图中可以直观地看出行人被汽车撞击后的运动过程和姿态变化。在t=40ms 时，汽车前大灯、前保险杠分别和行人大腿、小腿部位发生碰撞接触；t =100ms 时，汽车发动机罩盖、前挡风玻璃分别和行人背部、头部发生碰撞接触；t =320ms 时，行人与汽车已经分离，进入空中自由飞行状态；t =1020ms 时，行人已经落地，此时的运动状态为与地面间的相对滑移。通过分析得知，汽车与行人的撞击部位能符合汽车的变形情况和行人身体部位受撞击的情况。

图5 仿真碰撞过程

人体伤害是行人安全性研究的重点。汽车与行人碰撞事故的研究资料[4]表明，行人头部是碰撞事故中最容易受到伤害的部位，同时也是造成行人碰撞后死亡的主要原因。头部损伤通常是由于头部与汽车发动机罩盖或者前挡风玻璃发生碰撞后造成，常见的行人头部损伤有：头骨骨折、颅脑损伤等情形。因此，行人头部伤害机理及防护在行人安全性和事故再现分析研究中占有重要地位。此外，行人腿部也是容易受到伤害的部位，但其基本上不会造成行人死亡。行人在与车辆发生碰撞时，首先受到撞击的多数情况是腿部，腿部承受的冲击力比较大，严重时会造成腿部骨折，所以尽管腿部伤害一般不会危及行人的生命，但仍然会造成严重的人体伤害或残疾，因此行人腿部防护在行人安全性研究中也是非常重要的。

从文中汽车与行人碰撞仿真过程中可以看出，行人头部与汽车前挡风玻璃发生碰撞接触，而没有撞击发动机罩盖，其头部加速度曲线如图6 所示。图中看出，头部与前挡风玻璃发生撞击后行人头部加速度远高于1000m/s2 ，头部HIC36 值为2114，说明头部严重损伤是造成行人死亡的主要原因。同时，通过行人腿部伤害的仿真结果分析得出其腿部受到的剪切力和弯矩没有造成腿部骨折情况。在事故发生后，法医鉴定结果为行人头部受到严重撞击，造成颅脑严重损伤死亡，行人四肢未见骨折现象等。可见，人体仿真伤害结果与法医鉴定基本相符合。

图6 假人头部加速度曲线

结论

本文以一起实际的人车交通事故为研究对象，运用多刚体动力学方法建立事故车辆的仿真模型，然后利用MADYMO 软件对整个事故碰撞过程进行仿真再现，研究行人碰撞后的动力学行为和伤害情况，计算出碰撞车速对交通事故鉴定起辅助作用。最后事故仿真结果与实际情况及法医鉴定结果基本符合，初步验证了仿真方法和模型的可行性。

参考文献
1. 公安部交通管理局,中华人民共和国道路交通事故统计资料汇编,公安部交通管理局,北京, 2002.
2. TNO. MADYMO HumanModels Version 6.2, Holland, June 2004.
3. Yang J.K., Lövsund, P., J., Cavallero C., Bonnoit J. (2000): A Human-Body 3D Mathematical Model for Simulation of Car Pedestrian Impacts. InternationalJournal of Crash Prevention and Injury Control, Vol. 2(2), page 131-149, 2000.
4. 刘地, 李幼德, 赵航, 朱西产. 行人头部伤害与头部碰撞试验方法的相关性分析,公路交通科技, 2004（1）:98-101
5. Tetsuo Maki, Janusz Kajzer, Koji Mizuno, Yasufumi Sekine.Comparative analysis of vehicle–bicyclist and vehicle–pedestrian accidents in Japan.Accident Analysis and Prevention,35,(2003),927-940.

联络方式
作者简介：郭磊，男，生于1980 年，现为上海交通大学机械与动力工程学院博士研究生，主要研究方向为交通事故仿真再现和复杂系统数值仿真计算等。
联系方法：上海市华山路1954 号上海交通大学机械楼602 室，200030，
联系电话：021-62932256
E-mail：glei@sjtu.edu.cn(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/23/2006)


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