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《湖南大学》 2009年
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基于真实车辆—行人交通事故的颅脑损伤风险分析研究

李凡  
【摘要】:行人是最易受伤害的道路交通使用者,事故发生率极高。在我国,每年约有十万人死于车祸,其中四分之一为行人。汽车-行人碰撞事故中,行人颅脑损伤占身体各部位损伤总数的百分之三十以上,是造成死亡的主要原因。颅脑创伤还可导致各种能力的丧失并伴随长期的后遗症,对受害者和社会造成严重的经济损失。因此,研究行人事故的发生特点以改善道路交通设置,探讨行人颅脑损伤机理及防护技术以改进汽车安全性结构设计,在当前中国具有重要的经济价值和社会意义。 本文简要介绍了人体颅脑的解剖学结构,总结了颅脑主要损伤形式和损伤机理,并列出了现有的主要颅脑损伤评价标准;整理了长沙地区2001-2006年交警记录的行人事故数据,运用统计学方法,进行了行人交通事故流行病学研究;开展了深入的行人事故调查研究,总结了深入的行人事故调查的关键数据和调查方法;选取12例真实轿车-行人交通事故案例,运用多体动力学软件MADYMO,建立了汽车-行人碰撞多体模型,进行了事故重建,分析了汽车-行人碰撞事故中行人的动力学响应;运用回归分析方法,建立了动力学相关参数及颅脑损伤相关参数的回归模型;选取了事故重建中的7例记录有颅脑损伤事故案例,运用显式有限元分析软件LS-DYNA,建立了汽车-行人头部碰撞有限元模型,以事故重建的输出的动力学参数作为有限元模型的输入条件,进行了颅脑损伤重建;运用Logistic回归理论,通过MATLAB软件编程计算,建立了颅脑应力应变等物理参数与AIS3+级颅脑损伤的Logistic回归模型,开展了颅脑损伤风险性分析;针对现有的主要头部损伤评价标准,根据事故重建与损伤重建的结果,对照真实事故中的颅脑损伤情况,分析讨论HIC、HIP、GAMIT、脑组织应变临界曲线与SIMon评价指标的损伤预测能力,并建立了HIC、HIP、GAMIT评价指标与AIS3+损伤的Logistic回归模型;参考世界主流汽车的前部结构数据,设计了前部结构尺寸和刚度等参数,采用因子试验方法,讨论了大型轿车、小型轿车、SUV和MPV四种车型在20-50km/h车速下对行人颅脑损伤的影响,以及改变各设计参数对行人颅脑损伤的影响,讨论了行人颅脑防护措施。 行人交通事故流行病学研究结果表明,行人事故中轿车是最为常见的事故车辆,约占事故车辆总数的54%;行人事故形态主要为侧面碰撞和正面碰撞,分别占事故总数的41.6%和36.1%;头部和下肢是行人损伤最为常见的部位,分别占损伤总数的41.0%和38.1%;头部损伤是造成死亡的主要原因。 事故重建的结果表明,汽车-行人碰撞速度与头部碰撞时间、头部碰撞相对速度、行人抛出距离以及头部损伤HIC值之间有着显著的相关性。 损伤重建结果表明,当颅脑碰撞侧颅内压力、碰撞对侧颅内负压、脑等效应力和脑剪切应力的值分别达到195.5kPa、-196.8kPa、20.1kPa和11.4kPa时,将有50%的可能产生AIS3+级颅脑损伤。 损伤预测能力的分析结果表明,AIS3+颅脑损伤的预测能力按从大至小分别为HIC、HIP、GAMIT,但低于颅脑碰撞侧颅内压力、碰撞对侧颅内负压、脑等效应力和脑剪切应力等物理参数的预测能力;脑组织应变临界曲线可以很好的预测轻微脑损伤,但不能预测其严重程度;SIMon评价指标由于运用的有限元颅脑模型不同,结果有很大差异,预测能力一般。 汽车前部结构的参数研究表明,各种车型轿车行驶速度超过40km/h与行人碰撞时,容易造成行人严重的颅脑损伤;车身前部结构刚度对行人颅脑损伤影响显著;发动机盖盖缘越高,行人颅脑损伤风险性越小;不同车型的前部结构设计参数对行人颅脑伤的影响程度有较大差异,小型车影响头部损伤最为显著的为发动机盖缘高度,而大型车则为保险杠伸出量。 可以预见,加强道路交通控制,提高行人自我保护意识,能一定程度上减少行人事故的发生。通过事故重建建立的回归模型可以用来作为事故重建的经验公式。通过损伤重建建立的Logistic回归模型可以用来预测颅脑AIS3+级损伤的风险。本文研究成果对我国的颅脑损伤生物力学研究以及行人安全研究具有重要现实意义。
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