英语原文共 15 页
出版者
应用仿生学和生物力学
第2018卷，文章ID 5738090, 15页https://doi.org/10.1155/2018/5738090
研究文章
头部和脑损伤的数值研究
由挡风玻璃撞击电动自平衡滑板车造成
Shi Shang ,1,2 Yanting Zheng,1,3 Ming Shen,4 Xianfeng Yang,5 and Jun Xu 1,2
1北京航空航天大学先进车辆研究中心，北京100191
2北京航空航天大学交通科学与工程学院汽车工程系，北京100191
3北京航空航天大学交通科学与工程学院交通学系，北京100191;4韦恩州立大学生物工程中心，底特律，MI 48201
5北京航空航天大学固体力学研究所，北京100191;junxu@buaa.edu.cn
2017年8月17日2018年1月12日修订;2018年1月23日;发表于2018年3月25日，学术编辑:Jean Slawinski
目的研究电动自平衡踏板车(ESS)挡风玻璃对驾驶员头部和大脑的损伤。将有限元(FE)车辆模型与多体滑板车/骑乘者模型相结合，建立了车辆碰撞场景的数值模拟。研究了不同冲击条件下头-挡风玻璃接触面的冲击运动姿态。然后，利用验证过的FE头/层压挡风玻璃模型重建头-挡风玻璃接触过程，评估头-挡风玻璃接触引起的脑损伤的严重程度。控制因素，如车速、ESS车速、ESS驾驶员的初始方位等，对驾驶员脑损伤的严重程度具有重要的影响。结果还表明，车速与前挡风玻璃碰撞速度(线性和角)呈正相关。同时，车速越快，前挡风玻璃接触的时间越早。通过深入研究发现，挡风玻璃与驾驶员头部的接触速度(线形和角形)、对挡风玻璃的碰撞位置以及头部碰撞区域是驾驶员在碰撞过程中脑损伤的直接影响因素。当前挡风玻璃的相对接触速度增大时，冯米塞斯应力和剪切应力增大。当头部从中心到边缘撞击挡风玻璃或撞击不同区域时，脑损伤指数变化很大。
1. 介绍
电动自平衡踏板车(ESS)由于其使用方便和对现代便携式交通工具的需求日益增加而备受关注。由于ESS驾驶员被认为是道路使用者的弱势群体之一，因此对ESS在交通事故中的安全性能也进行了研究。ESS驾驶员在车辆行驶过程中可能会受到严重的伤害。
科学家和工程师们不断关注行人/骑自行车者头部和大脑的损伤，通过设计适合行人行驶的汽车来研究撞击机理，减少人员伤亡[2-4]。然而,
目前关于ESS安全性的研究很少。Xu等[5,6]首先分析了ESS驾驶员因车辆或地面撞击造成的头部损伤。在相同的碰撞情况下，ESS驾驶员头部与行人碰撞挡风玻璃的时间比后20~60ms。
挡风玻璃在车辆行人事故中占头部碰撞区域的比例最高(32%)。以往的研究深入研究了头部与挡风玻璃接触的特性[8,9]，如头部形状-挡风玻璃冲击试验[10-12]、挡风玻璃的响应
[3,13,14](Alvarez和Kleiven[3]比较了两种用于从头部捕捉头部形状加速度和挡风玻璃变形的挡风玻璃建模方法)
(a)基线车辆的说明 (b) Solowheel ESS模型 (c) Doublewheel ESS模型
ESS事故场景
下颌骨
(d)选定有限元(FE)车辆模型并进行简化 (e) FE头部模型剖面图 (f)典型的头部挡风玻璃撞击场景
版本
图1:数值模型描述。
挡风玻璃的影响,发现简单塑性模型不足以预测,非局部故障模型需要[15]),head-windshield重建联系,和头部受伤分析使用有限元方法(9、16)(Mordaka et al。[17] head-to-windshield行人碰撞事故的分析3例和执行额外的参数研究使用头部的详细有限元模型)。结果证实行人/骑自行车者头部损伤的严重程度受多种因素影响，包括车速[2,18]和车型[19]。然而，关于ESS驾驶员头部损伤的比较研究却很少。对一名ESS车手因挡风玻璃撞击造成的头部损伤进行了初步研究。本研究的目的是通过检测电动自平衡滑板车(ESSs)因与车辆接触而造成的头部和脑部损伤，了解这些因素对电动自平衡滑板车脑损伤严重程度的影响，从而评估电动自平衡滑板车的安全性。
2. 材料和方法
2.1.事故场景设置。采用两阶段仿真方法对ESS驾驶员因车辆撞击造成的脑损伤进行了评估。
首先，在MADYMO[20]平台(7.5版)上首先对车辆ESS rider碰撞事故场景进行数值重建，这是目前最常用的车辆安全场景[9,21,22]。这种多刚体仿真基本上提供了ESS车手的运动学，作为后续有限元的边界条件
模拟。横向影响被设置为车辆ESS碰撞事故场景的基线，因为这种情况占了实际事故中车辆VRU碰撞的最大比例[9,23]。ESS骑手的面向方向与车辆运动方向成90°角(图1(a))。所有数值模型均采用0.8g减速连续制动，假定轮胎与路面[24]之间存在良好的接触摩擦。通过改变车辆的碰撞速度和ESS运动速度来表征不同的碰撞条件，对驾驶员的头部和大脑损伤进行综合检测。
在此基础上，研究了汽车碰撞事故中头挡风玻璃接触引起的脑生物力学反应。使用验证过的FE磁头[25]和LS-DYNA(版本971 R6.1.0)的挡风玻璃模型[26]对前挡风玻璃接触过程进行了重构和仿真。之前的研究也采用了类似的仿真策略。
2.2.ESS模型。在MADYMO平台上，选取了两种代表性的ESSs类型，即solowheel和doublewheel scooters作为目标滑板车进行建模。多体索轮ESS模型由一个刚体和三个椭球体来描述其外部轮廓(图1(b))，而双轮ESS模型有六个椭球体来表示其轮廓(图1(c))。表1和表2分别列出了双轮和单轮ESSs的材料刚度值。ESS模型与行人模型的摩擦系数为0.3。ESS轮对地摩擦系数也设为0.3。模型和参数在以往的研究中已经得到应用[5,6]。
表1:简化的双轮无杆模型受力-挠度数据。
|
挠度 (m) |
轮 |
力 (N) |
挠度(m) |
框架 |
力 (N) |
手把 挠度 (m) |
力 (N) |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
||
|
0.0015 |
4000 |
0.0012 |
1500 |
0.04 |
5000 |
||
|
0.002 |
9000 |
0.0054 |
2000 |
0.07 |
10,000 |
||
|
0.0103 |
3000 |
||||||
|
0.0161 |
4000 |
||||||
|
0.0293 |
6500 |
||||||
|
0.0358 |
6750 |
||||||
|
0.055 |
6950 |
表2:索洛轮无模型的力-挠度简化数据。
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挠度 (m) |
轮 |
力 (N) |
挠度(m) |
踏板 |
力 (N) |
盖板 挠度 (m) |
力 (N) |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
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0.0015 |
4000 |
0.0012 |
1500 |
0.04 |
5000 |
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0.002 |
9000 |
0.0054 |
2000 |
0.07 |
10,000 |
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0.0103 |
3000 |
||||||
|
0.0161 |
4000 |
||||||
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0.0293 |
6500 |
||||||
|
0.0358 |
6750 |
||||||
|
0.055 |
6950 |
2.3.人体模型。选取MADYMO人体数据库[27]的第50百分位男性行人模型作为ESS驾驶员人体模型，研究车辆ESS接触过程。验证后的行人模型[28]被广泛应用于车辆VRU事故仿真分析[6,22]中，用于预测损伤并捕捉运动响应。solowheel和doublewheel ESS骑手均设置为站立姿势，如图1(a)所示。人体模型手册[27]可用于获取更详细的人体测量、结构和接触等信息。
2.4.车辆模型。其中最受欢迎的汽车之一，轿车，被选为模型汽车的汽车碰撞仿真。这辆轿车的FE模型是由乔治华盛顿大学国家碰撞分析中心根据与美国FHWA和NHTSA DOT[29]的合同开发的。车辆与人接触只需要车辆前端的外表面，与车辆相比，ESS与人的重量微不足道。因此，对FE车辆模型进行了简化(图1(d))，保留了外部轮廓，大大节省了计算时间[6]。在MADYMO平台中，采用外表面作为刚性有限元，保持了原有的接触刚度。车辆、ESS和人员之间的接触类型都设置为组合接触。人地接触和车轮地接触均采用从动接触。
2.5.FE头挡风玻璃冲击模型。利用验证方法对前挡风玻璃接触过程进行了重构
铁挡风玻璃和人头模型，以广泛评估头部脑损伤的ESS车手。该方法在车辆-行人碰撞事故重建中得到了广泛的应用[9,30]。选取THUMS成年男性第50百分位行人头部作为头部模型。萨姆行人模型版本4.0(头部模型跟随萨姆3.0版本开发和验证了Kimpara et al .[25])是由丰田汽车公司和丰田中央研发实验室[31]基于真实人体测量参数和尸体的测试很可能代表一个实际行人发生交通事故对安全问题进行调查。头部模型包含颅骨、皮肤、头皮、大脑、小脑、下颌骨、牙齿、脑膜等，THUMS头部模型在正中矢状面横截面如图1(e)所示。
本文采用Xu等和Yu等[26,32]的FE挡风玻璃模型。该模型有三层，即聚乙烯醇缩丁醛(PVB)夹层夹在两层玻璃板之间。挡风玻璃从外到内表面的三层厚度分别为2.55mm、0.76mm和2.10m
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