基于事故重建的行人损伤风险预测及防护措施研究mao

学校代号 10532 学号 S0******* 分类号 U461.91 密级公开

硕士学位论文

基于事故重建的行人损伤风险预测及

防护措施研究

学位申请人姓名王岩利

培养单位机械与运载工程学院

导师姓名及职称杨济匡教授

学科专业机械工程

研究方向车辆与交通安全

论文提交日期2011年 05 月09日

学校代号：10532

学号：S0*******

密级：公开

湖南大学硕士学位论文

基于事故重建的行人损伤风险预测及防护措施研究

学位申请人姓名：王岩利

导师姓名及职称：杨济匡教授

培养单位：机械与运载工程学院

学科专业：机械工程

论文提交日期：2011年05月09日

论文答辩日期：2011年05月12日

答辩委员会主席：曹立波教授

A Study of Risk Prediction and Protective Measures for Pedestrian

Injuries Based on Accident Reconstructions

by

WANG Yanli

B.E. (Hunan University) 2005

A thesis submitted in partial satisfaction of the

Requirements for the degree of

Master of Engineering

in

Mechanical Engineering

in the

Graduate School

of

Hunan University

Supervisor

Professor YANG Jikuang

May, 2011

硕士学位论文

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内容外，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

基于事故重建的行人损伤风险预测及防护措施研究

摘要

行人在交通事故发生时由于没有保护措施，从而成为易受伤害的群体，致伤致死率极高。在我国，每年约有十万人死于车祸，当中有四分之一是行人。在行人与车辆的碰撞事故中，行人头颈部损伤占全身各部位损伤总数的百分之三十以上，同时头部损伤也是致死的主要原因。所以，研究行人碰撞事故的规律用以改善道路交通状况，研究行人头颈部损伤机理和保护技术来改进汽车前部对行人的安全性，在中国具有重要的经济意义和社会意义。

本文目的在于通过计算机仿真对行人事故进行重建，分析研究真实的行人与车辆的碰撞事故，对比仿真损伤参数与损伤记录，研究行人交通事故的损伤规律和头颈部损伤风险预测。进而研究弹出式发动机罩和行人安全气囊的损伤防护效果。

本文选取14例真实的行人交通事故进行重建分析，采用瑞典查尔摩斯大学的多刚体行人模型，分析了行人与车辆碰撞中行人的动力学响应，计算了损伤相关参数，如头部加速度、HIC、颈部受力等。运用回归分析方法，建立了头颈部损伤参数与车辆碰撞速度的回归模型，结果表明碰撞速度是行人致伤程度的主要影响因素。同时采用有限元方法和多刚体动力学方法分析了40km/h的碰撞速度下，模型输出的损伤参数值，结果表明头部会受到AIS3+的伤害，前者是因为应力应变超过限值引起的，后都是因为HIC超过限值引起的，有限元模型则能更好地研究头颈部在碰撞中由应力应变引起的损伤。

本文选取两例交通事故进行弹出式发动机罩和行人安全气囊的保护效果的研究，结果表明行人头部碰撞在气囊保护区域之内时保护效果明显，HIC值下降了55.7%，当行人头部碰撞在保护区域之外时保护效果不明显，HIC值下降了 6.3%。对40km/h的碰撞速度下的保护装置的保护效果采用遗传算法对保护装置的设计参数进行了优化，优化结果表明合理配置弹出结构刚度、气体的质量流速、织物的透气系数和点火时刻可以使行人头颈部的损伤风险降低到法规限值以下。

本文的研究方法为预测行人在碰撞事故中的损伤风险和行人保护装置的保护效果研究提供了一个有益的参考。模拟结果可以作为车辆安全设计的依据。

II

硕士学位论文

关键词：事故重建；头颈部损伤；行人安全气囊；弹出式发动机罩；实验设计

III

基于事故重建的行人损伤风险预测及防护措施研究

Abstract

Pedestrians in a public transport environment are the most vulnerable road users, and the rate of injury and death is very high in the reported traffic casualties. In China, nearly 100,000 people died in traffic accidents every year, in which pedestrians accounted for about one-quarter. The head and neck juries in vehicle-pedestrian collisions accounted for around 30% of all injuries on the different body regions, and at the same time the head injury often resulted in a fatal consequence. It is therefore significant for safety community to conduct the researches on causation of vehicle-pedestrian accident and injury mechanism of the head-neck for improving safety of traffic environment and vehicle to prevent pedestrian accident and injuries.

The purpose of the current paper is for study of the law of injury and prediction of risk of head-neck injuries. For the purpose, multi-body model and finite element model were used for accident reconstructions and analysis of the real world accident. The calculated injury parameters were compared with the observed injuries in real world accidents. Furthermore the protective effect of airbag and pop-up hood are analyzed and proposed.

The paper selected 14 cases of real world accidents for reconstruction analysis. A multi-body pedestrian model developed by Chalmers University was used to analyze the dynamic responses of pedestrian, and the injury parameters such as head acceleration, HIC, force of neck were calculated. Regression method was used to build up a regression model of head-neck injury parameter and velocity of vehicle. The results indicated that velocity of vehicle is the main factor related to the severeity of the pedestrian injury. The multi-body model and the finite element model were used to simulate pedestrian collides with vehicle at 40km/h and predict the injury risk of head-neck. The results show that the two models can predict the AIS3+ injury risk of head-neck well, but it is better to use finite element model to study the injury caused by stress and strain of brain impact to the car front.

Two real world accidents were used to study the protective effect of

IV

硕士学位论文

pedestrian airbags and pop-up hood. The results showed that the protective effect is good when the head impact on the area of airbags, and HIC value decreased by 55.7%. The protective effect is not obvious when the head impact area is out of the region of airbags, but HIC value still decreased by 6.3%. Optimazation was carried out by using the genetic algorithm in terms of the design parameters of the two protective devices such as the stiffness of pop-up hood, the mass flow rate, the permeability coefficient of the fabric and the ignition time under the condition which the pedestrian and vehicle collided at 40km/h. The optimization results showed that by adopting these optimized design parameters we can reduce the injury risk greatly and meet the requirement of the regulations.

This study provided a useful reference for prediction of pedestrian head-neck injury in the accident and evaluation of protective effect of pedestrian airbags and pop-up hood. The simulation conclusions can be used as a reference to vehicle safety design.

Keywords: accident reconstruction; head-neck injury; pedestrian airbags; pop-up hood; design of experiment

V

基于事故重建的行人损伤风险预测及防护措施研究

目 录

学位论文原创性声明...........................................................................I 学位论文版权使用授权书....................................................................I 摘要..............................................................................................II Abstract...........................................................................................IV 第1章绪论 (1)

1.1 研究的背景与意义 (1)

1.2 国内外行人安全研究现状 (2)

1.3 事故统计规律与行人损伤部位的研究 (2)

1.4 行人保护法规 (4)

1.4.1 欧洲行人安全法规 (4)

1.4.2 日本行人法规 (5)

1.4.3 IHRA法规 (7)

1.4.4 ISO标准 (7)

1.5 行人安全研究的主要内容与方法 (7)

1.5.1 试验方法 (8)

1.5.2 仿真方法 (8)

1.6 本文的研究目的和主要内容 (8)

第2章行人安全虚拟试验研究的基础理论 (9)

2.1 虚拟试验方法 (9)

2.1.1 虚拟试验的概念 (9)

2.1.2 行人碰撞安全虚拟试验 (10)

2.1.3 行人碰撞安全虚拟试验的主要应用 (10)

2.2 虚拟试验的理论基础 (11)

2.2.1 有限元理论 (11)

2.2.2 多刚体动力学理论 (15)

2.3 本章小结 (17)

第3章基于事故重建的行人头颈部损伤研究 (18)

3.1 概述 (18)

3.2 行人事故重建 (18)

3.2.1 行人事故调查与采集 (18)

3.2.2 事故来源 (20)

VI

硕士学位论文

3.2.3 事故信息 (20)

3.2.4 车辆模型的建立 (22)

3.2.5 行人模型 (23)

3.2.6 事故重建仿真参数的设定 (23)

3.2.7 事故重建举例及结果分析 (24)

3.3 事故中行人的损伤参数分析 (25)

3.3.1 头部的损伤参数分析 (25)

3.3.2 颈部的损伤参数分析 (27)

3.4 本章小结 (29)

第4章基于有限元模型的行人头颈部损伤研究 (31)

4.1 概述 (31)

4.2 头颈部的解剖学结构 (31)

4.2.1 头部解剖学结构 (31)

4.2.2 颈部解剖学结构 (32)

4.3 头颈部有限元模型及验证 (32)

4.3.1 头颈部有限元模型 (32)

4.3.2 头颈部有限元模型的验证 (33)

4.4 碰撞模型的建立 (36)

4.4.1 MADYMO碰撞模型 (36)

4.4.2 有限元碰撞模型 (36)

4.5 仿真结果分析 (37)

4.5.1 模型的动力学响应对比 (37)

4.5.2 损伤参数分析 (37)

4.6 本章小结 (40)

第5章行人防护技术的保护效果研究 (41)

5.1 概述 (41)

5.2 事故选取 (41)

5.3 模型的建立 (42)

5.3.1 弹出式发动机罩模型的建立 (42)

5.3.2 行人安全气囊模型的建立 (43)

5.3.3 带有保护措施的事故重建模型 (44)

5.4 仿真结果分析 (44)

5.4.1 模型的动力学响应分析 (44)

5.4.2 损伤参数分析 (45)

5.5 本章小结 (48)

VII

基于事故重建的行人损伤风险预测及防护措施研究

第6章保护装置的设计参数优化 (50)

6.1 概述 (50)

6.2 设计参数的选择与筛选 (50)

6.2.1 设计参数的选择 (50)

6.2.2 设计参数的筛选 (51)

6.3 均匀实验设计 (51)

6.4 设计参数的优化 (52)

6.5 优化结果的验证与分析 (56)

6.6 本章小结 (57)

总结和展望 (59)

参考文献 (61)

致谢 (65)

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录 (66)

VIII

硕士学位论文

第1章绪论

1.1 研究的背景与意义

从有第一起交通事故的死亡记录以来，汽车在带给人类便利的同时，也对人类的生命财产安全产生着重大的威胁。特别是近些年来，人们收入水平的提高和汽车价格的下降，私家车的保有量也出现了井喷式的增长，交通事故的频率也呈现上升趋势。世界卫生组织(WHO)2004年的《世界道路交通伤害预防报告》中提出，全世界每年有120万人死于车祸，有5000万人致残，直接经济损失5000多亿美元[1]。报告中预测，如果不采取积极的防护措施，到2020年，将有每年234万人死于交通事故。交通事故带给社会的经济损失和不安定因素，被认为是当今世界威胁人类生命的“世界第一公害”[2]。

我国人口数量世界第一，汽车保有量也逐年上升，我国也是道路交通事故死亡人数最多国家之一。2000年至2005年间，我国平均每年有10万人以上死于交通事故，由此带来的直接经济损失年均高达27.7亿元人民币[3]。近些年来，我国对交通管理力度逐渐加强，道路交通事故数量呈现下降的趋势。但是相关研究表明，在将来的10年到20年间，我国交通事故会出现一定的波动，甚至会出现新的高峰，而且我国交通事故的绝对数量较大，因此交通安全形势不容乐观[4]。

行人、骑自行车的人、骑摩托车的人是道路使用者中最脆弱且最容易受到伤害的人群，属于交通事故中的高危人群。2000年统计的发达国家行人死亡人数的比率分别为：欧洲19.0%(7000人)，美国11.3%(4739人)，日本28.3%(2605人)，韩国38.0%(3890人)。一些发展中国家如印度、泰国等国的交通事故中，行人的死亡比率高达40%以上[5][6]。根据我国公安部交通管理局的统计资料表明：2000年到2005年间，我国上述三类人群死亡人数约占总死亡人数的60%，其中行人所占比重最大，约为事故死亡人数的25%。行人的生命安全问题正面临着严重威胁。

在车辆与行人的交通事故中，行人头部和下肢损伤风险最高。据国外相关研究人员的统计，头部损伤约占人体各部位交通损伤的26.5%～39.3%。国内的相关研究表明，头部损伤约占人体各部位交通损伤的28.4%。而头部的严重损伤往往是伤者死亡的主要原因。因此，研究行人在交通事故中的损伤机理和保护技术、改进车辆对行人友好的安全结构

1

基于事故重建的行人损伤风险预测及防护措施研究

设计，现阶段在我国具有重要的经济和社会意义。

1.2 国内外行人安全研究现状

汽车与交通安全的研究起初主要集中在乘员的主被动安全上，行人安全研究起步相对较晚，但随着汽车技术的发展，行人事故的严重性和社会危害越来越大，行人安全问题引起了各国政府与研究人员的关注。欧美等汽车工业发达的国家最早开始对行人安全的研究。上世纪60年代中期澳大利亚Robertson等人就开始从事行人安全问题的研究[7]。到了70年代，美国和欧盟等国也开展了行人安全研究。此后，亚洲的日本和韩国也开始进行行人安全方面的研究。70年代，人们使用生物样本，机械假人，以及数字仿真模型进行人体生物力学，损伤防护以及安全技术的研究[8]。80年代，美国行人研究的重点转向行人交通事故数据研究，并建立了专门的行人事故调查与统计机构和事故数据库PCDS，德国和日本也建立了相应的交通事故数据库，如德国的GIDAS，日本的ITARDA等。通过对交通事故的统计与分析，对行人损伤特点和事故原因的分析，探讨出相应的保护措施并制定了合理的碰撞法规。2003年欧洲行人保护法规正式采用了欧洲车辆安全委员会(EEVC)第17工作组(WG17)提出的行人碰撞的试验方法[9][10]，并颁布行人保护法规“Directive 2003/102/EC”。该法规的试验限值指标分为基本要求和加严要求两种，在2010年9月1日后，将全面采用加严的指标要求。

我国行人安全研究起步较晚，但对行人保护也日益重视，湖南大学、吉林大学、清华大学等学校都有过此方面的研究。中国的汽车对行人的碰撞保护法规GB/T24550-2009已经在2010年7月1号正式实施。

1.3 事故统计规律与行人损伤部位的研究

近些年来行人事故的高发性和损伤的严重性，引起了国家和研究机构的高度关注。从车型上看，国外发达国家轿车与行人碰撞占行人事故的60%以上，图 1.1(a)为瑞典1999-2004年行人事故的车型分布[11]。在我国行人事故中，轿车与行人发生碰撞也是行人事故中的主要形式。根据湖南长沙地区2001-2006年交通事故统计研究结果表明，轿车占行人事故车型的54%，是交通事故中的主要车型(图 1.1(b))。

对于行人来说，由于在使用道路时处于完全自由的状态，在发生碰撞时相对于车辆的位置以及运动状态完全是不确定的。通过对大量事故数据的研究发现，大部分的碰撞事故是行人与汽车前部发生碰撞。车辆

2

硕士学位论文

前部的保险杠、发动机罩和挡风玻璃是经常发生碰撞的区域，而行人的

表1.1 行人伤害部位的分布单位：%

伤害部位美国欧洲日本平均头部 32.7 29.8 28.6 30.9 面部 3.7 5.3 2.4 4.3 颈部0.0 1.8 4.5 1.4 胸部 9.5 11.6 8.5 10.3 腹部7.7 3.8 4.8 5.6 骨盆 5.3 7.9 4.5 6.4 手臂7.9 8.1 9.0 8.1 所有腿部7.9 0.7 2.1 3.9 大腿骨 3.2 4.0 9.3 4.3 膝盖 3.0 3.4 4.2 3.3 小腿骨18.1 19.8 17.2 18.8 脚部 1.1 3.4 2.9 2.4 未知0.0 0.5 2.1 0.5 根据2086个有损伤记录的事故样本统计得出长沙地区损伤部位和损

伤严重度的分布情况(图 1.2)。从图 1.2可以看出，行人的头部和下肢分

别占损伤部位总数的41%和38.1%，是行人主要的损伤部位。死亡主要是

由行人头部损伤引起，重伤主要是发生在头部和下肢，其它部位所占比

例较小，轻伤主是发生在头部和四肢。

由此可见，行人保护的主要工作就是研究汽车的保险杠、发动机罩

和挡风玻璃在碰撞时对行人的损伤机理和保护措施，从而达到更好地保

护行人的目的。

3

基于事故重建的行人损伤风险预测及防护措施研究

图 1.2行人损伤部位与损伤严重度分布情况

1.4 行人保护法规

目前，各国的行人安全法规主要是根据本国的交通道路的实际情况，在本国交通事故统计研究的基础上，制定符合本国国情的行业标准，以强制手段保证行人在与车辆碰撞过程中的伤害值不超过人体损伤极限。不同国家和组织都有各自的行人法规和安全评价方法，比较有影响力的是欧洲车辆安全委员会(EEVC)，国家标准化组织(ISO)和国际协调研究机构(IHRA)，其中ISO组织主要是研究汽车部件和技术开发，并不用于法规试验。中国的行人法规是根据全球技术法规GTR9《关于机动车碰撞时对行人及弱势道路使用者加强保护和减轻严重伤害的认证统一规定》修改的。

1.4.1 欧洲行人安全法规

欧洲车辆安全委员会(EEVC)于1987年成立工作组10(WG10)，从事行人安全研究[13][14][15]。该工作组于1988年开始研究工作，并在1989年第12届世界汽车安全促进会议(ESV)提出：为了建立良好的基于行人保护的测试方法，必须进行一系列的前期研究(包括假人实验、尸体实验、事故重建、事故数据分析和计算机仿真)，并且通过典型的车型测试以确定其可行性。1991年WG10完成上述工作，在第13届ESV会议上提出了汽车与行人碰撞安全性的子系统冲击器实验评价方法(图 1.3)，并于1994年提出最终改进方案。

1997年，WG10的成员再次相聚建立了新的行人保护研究小组WG17。新成立的研究小组的任务是根据新的事故分析数据和生物力学试验数据调整1994年的最终方案，并准备与国际协调研究机构

4

硕士学位论文

5(International Harmonized Research Activities committee ，IHRA)的合作。2003年11月，基于上述研究成果欧盟颁布了行人保护法规“Directive 2003/102/EC ”。该法规分两个阶段施行[1

6]：

图 1.3 EEVC 行人法规冲击试验

第一阶段(Phase 1)：到2005年7月1日为止，欧洲汽车工业协会(ACEA)成员中所有新车型都必须通过2项部件冲击试验(下肢和儿童头部)。到2010年7月1日为止，所有新车中的80%必须通过试验，2011年达到90%，到2012年达到100%。

第二阶段(Phase 2)：到2005年7月1日为止，所有新车型都必须通过全部4项部件冲击试验。到2010年7月1日为止，所有新车中的80%必须通过试验，2011年达到90%，到2012年达到100%。

由于实车与行人假人进行碰撞的费用较高，测试过程复杂，实验可重复性较差，所以法规采用冲击器对车辆前部进行评价。试验方法包括以下几个子试验，见图 1.3：

(1)小腿模块试验，当保险杠高度小于500mm ，小腿冲击器与保险杠碰撞试验；

(2)大腿(包括骨盆)模块试验，大腿冲击器与发动机罩前缘的碰撞试验；当保险杠高度大于500mm ，将进行大腿冲击器与前保险杠的碰撞试验取代小腿冲击器与保险杠碰撞试验。

(3)头部模块试验，包括儿童头部冲击器与发动机盖顶部的碰撞试验，成人头部冲击器与发动机盖顶部和挡风玻璃碰撞试验。

1.4.2 日本行人法规

日本行人法规基本遵循IHRA 法规，只有头部冲击器和发动机罩碰撞试验，试验车型定义与IHRA 相同。2005年9月日本实施了此行人保护

基于事故重建的行人损伤风险预测及防护措施研究

6

法规地，基原理与欧洲法规测试试验类似，但在冲击器质量、碰撞区域、碰撞速度与角度存在一些差异。

表1.2 头部冲击器碰撞区域的对比

法规 成人区域的上缘

儿童区域的上缘/成人区

域的下缘

儿童区域的下

缘

欧洲第一阶段

— WAD2100或发动机罩上缘 WAD1000mm

欧洲第二阶段

WAD2100mm 或

发动机罩

WAD1500mm

WAD1000mm

Euro NCAP WAD2100mm

WAD1500mm WAD1000mm

日本

WAD2100mm WAD1700mm WAD1000mm 表 1.3 IHRA 行人法规(头部冲击器)相关参数 儿童头部冲击

器与发动机盖

前部

成人头部冲击器与发动机盖后部

儿童头部冲击器与挡风

玻璃

成人头部冲击器与挡风玻璃

冲击器质量 3.5kg 4.5kg 3.5kg 4.5kg 碰撞速度 32k m/h 32k m/h 32k m/h 32k m/h 轿车 65° 65° 40° 40° SUV 车 60° 90° 40° 40° 碰撞角度

单厢车

25° 50° 50° 50°

应用区域

WAD1000或发动机盖前缘参

考线至WAD1700或发动机盖后缘参考线BRR

WAD1700至2100或

BRR

WAD1000至1700或挡风玻璃后缘参考线WRR

WAD1700至2100或WRR

测试要求 HIC ≤1000

日本法规中采用3.5kg 儿童头部冲击器和4.5kg 成人头部冲击器进行试验，而2003/102/EC 技术指令第一阶段只使用 3.5kg 头部冲击器进行试验，在2003/102/EC 技术指令第二阶段和EuroNCAP 中使用 2.5kg 儿童头部和 4.8kg 成人头部冲击器进行试验。

硕士学位论文

碰撞区域的位置也有一些差别。碰撞区域是以环绕距离来定义的，环绕距离(WAD)是从地面到保险杠并沿着发动机罩表面形状标出的碰撞区域边线。两者区别见表 1.2。

日本头部冲击器碰撞速度均为35km/h，与欧洲法规第一阶段相同，低于第二阶段的40km/h。欧洲法规的碰撞角度均为50度，日本法规则规定轿车、SUV车、单厢车的碰撞角度分别为65度、60度、25度。

1.4.3 IHRA法规

IHRA法规规定了成人与儿童头部冲击器分别与发动机罩和挡风玻璃的四项试验。试验车型分为轿车、SUV车和单厢车。具体实验参数见表 1.3。

1.4.4 ISO标准

国际标准化组织(ISO)的行人保护标准主要分别三个，一个是ISO/TR15766-2000，称为道路车辆、行人保护、行人腿部试验装置的生物保真度评定目标(Road vehicles-Pedestrian protection-Targets for the assessment of the biofidelity of the pedestrian-leg test devices)。此标准规定了行人保护的测试程序和碰撞装置，以及用于研究的数学模型。另一个是ISO11096-2002，称为道路车辆、行人保护、行人的大腿、腿和膝盖的冲击试验方法(Road vehicles-Pedestrian protection-Impact test method for pedestrian thigh，leg and knee)。此标准规定了ISO3833规定的机动车一直到总质量 3.5吨的汽车和成年人侧面碰撞的模拟试验方法。第三个是ISO14513-2006，称为道路车辆、行人保护、头部冲击试验方法(Road vehicles-Pedestrian protection-Head impact test method)。此标准规定了模拟成年人头部和ISO3833规定的客车和轻型卡车一直到总质量 3.5吨的汽车发生碰撞的试验方法。

1.5 行人安全研究的主要内容与方法

行人安全是一门交叉学科，它是汽车与交通安全的一个研究领域，它的研究包括交通伤流行病学、损伤生物力学、汽车安全设计等领域，是医学与工程学的有机结合。行人安全研究的主要内容包括：汽车交通事故分析，碰撞生物力学，汽车安全工程，汽车安全性及防护装置有效性试验。目前，行人保护的研究方法主要有试验和仿真两种。试验方法主要用于分析碰撞事故的动力学过程，成本比较高，难以保证试验的重复性；仿真方法是通过建立数学模型用软件模拟碰撞过程，有很好的可

7

基于事故重建的行人损伤风险预测及防护措施研究

重复性，成本也较低，经过精确的数学模型仿真，其结果与实际碰撞十分接近，是初期比较有效的研究分析方法。

1.5.1 试验方法

行人安全研究的试验方法主要有三种。一种是法规规定的模拟假人的部件冲击试验，这种方法成本低，可重复性高，主要用于研究车辆对行人的保护效果。另一种是行人假人与车辆进行碰撞，这种方法成本较高，影响试验的因素较多，可重复性一般，主要用于研究行人与车辆碰撞的动态过程。第三种是尸体试验，这种方法的重复性较差，还受到各国的法律约束，主要用于研究行人碰撞过程的损伤机理。

1.5.2 仿真方法

目前，国外汽车安全研究运用的软件主要分为两类，一类是以多刚体动力学理论为基础的仿真软件，如MADYMO和CAL3D；另一类是以有限元理论为基础的软件，如PAM-CRASH和LS-DYNA等。这两种软件在行人安全研究中都有应用，但多刚体仿真软件侧重于交通事故分析和行人碰撞动态过程分析，有限元软件侧重于车辆对行人的安全性分析。

1.6 本文的研究目的和主要内容

本文主要研究行人与汽车在碰撞事故中头颈部的损伤风险预测与防护措施。通过真实事故案例分析了行人头颈部的损伤风险，并运用多刚体与有限元方法方法对行人头颈部的损伤进行了分析对比，然后对行人安全气囊和弹出式发动机罩的保护效果进行了研究与优化，得到了一组较好保护效果的设计参数值。

本文的主要内容包括以下几个方面：

(1)通过真实事故数据分析了行人头颈部的损伤，运用回归分析理论，得到了行人头颈部损伤与碰撞速度的关系。

(2)通过有限元模型分析了对头颈部损伤有影响的各种参数，并与多刚体模型进行损伤风险预测的对比分析。

(3)建立行人安全气囊模型与弹出式发动机罩模型，用真实事故数据对这两种保护装置的保护效果进行分析研究。

(4)选择行人安全气囊和弹出式发动机罩的易于控制的参数进行优化，使行人在碰撞过程中的伤害值达到最小。

8

硕士学位论文

第2章行人安全虚拟试验研究的基础理论

2.1 虚拟试验方法

2.1.1 虚拟试验的概念

从广义上来讲，任何完全不使用或着使用部分试验硬件来构造试验的物理环境，完成实际物理试验的方法和技术都可以称为虚拟试验。虚拟试验则可以定义为在虚拟的物理环境中进行的试验。而虚拟试验的物理环境是基于计算机软件建立的仿真实验系统。设计者可以将虚拟原型安装在计算机上的仿真实验系统中进行相应的“试验”，借助交互式界面和实验分析技术，使设计者对产品的性能提前进行评价或体验，以便进行更进一步的修改。虚拟试验就是采用计算机软件代替部分试验硬件或全部试验硬件通过建立各种虚拟的试验环境，使设计者可以在计算机上完成各种真实环境中的试验项目，使所取得的试验数据接近或等价于在真实环境中所取得的数据[17]。

计算机仿真技术的发展为科学试验和工程试验开辟了一个新的解决思路。计算机仿真就是利用计算机对试验对象的数学模型在虚拟环境中进行模拟试验，得到对实物原型系统性、规律性认识的一种试验方法，它使虚拟试验进入了全数字化阶段。计算机系统在记忆能力和运算速度上的优势，使计算机仿真试验可以处理一些复杂系统和非线性系统的试验研究工作。同时，随着计算机的信息处理能力和计算能力的快速发展，使虚拟试验的研究工作逐步从简单性研究转向复杂性研究，从定性研究转向定量研究。

真实试验的前期工作则完全可以用虚拟试验系统来代替，而且在一定程度上可以替代传统的物理试验。它与传统的试验相比，虚拟试验系统具有以下优点：

(1)可以大幅度减少样机制造的次数，缩短新产品试验周期，同时，降低实际试验费用。

(2)虚拟试验技术应用在复杂产品的开发中，可以实现设计者、产品用户在设计阶段信息的互反馈，使设计者全方位吸收、采纳对新产品的建议。

(3)虚拟试验技术代替真实试验，实现了试验不受场地、时间和次数的限制，可对试验过程进行回放、再现和重复。

9

基于事故重建的行人损伤风险预测及防护措施研究

102.1.2 行人碰撞安全虚拟试验

行人碰撞安全虚拟试验的主要手段为计算机仿真，依据多刚体动力学和有限元计算力学等理论。多刚体力学主要对运动学和力学进行描述，一般用于较简单的模拟中，其核心问题是多刚体模型的建模和数值求解问题，其具体研究开始于20世纪60年，从60年代到80年代侧重于多刚体系统的数学模型建立技术的研究，主要是对多刚体系统的自动建模技术和数值求解技术研究，到了80年代中期，其建模理论趋于成熟，更稳定、更有效的数值求解方法仍是研究重点[18]。有限元方法出现于20世纪50–60年代，后来得到迅速发展，但是由于当时的有限元理论尚处于初级研究阶段，而且当时的计算机软硬件的处理能力也处于相对较低的水平，有限元方法只停留在理论研究阶段，并没有在工程上得到很大的普及。直到20世纪60年代末70年代初才出现了大型的通用有限元程序，它们以其功能性、通用性、计算可靠性、计算效率逐渐提升进而形成规模，并逐步走向商业化，成为设计工程师十分有益的辅助分析工具。目前，有限元仿真方法已经在结构分析、传热分析、流体分析和电磁兼容等很多领域得到了十分广泛地应用。

2.1.3 行人碰撞安全虚拟试验的主要应用

行人碰撞安全计算模拟基本步骤，如图 2.1所示。行人碰撞模拟主要应用于以下方

面

。

a)有限元模拟过程 b)多刚体动力学模拟过程

图 2.1 汽车碰撞安全模拟分析步骤

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hlhl.html