基于流固耦合模型的汽车-二轮电动车碰撞事故骑车人头部损伤机理与损伤评价研究

The cyclists’ head injuries are the leading cause of death in vehicle-two-wheeled electric vehicle collision. The injury mechanism and evaluation relationship have been paid great attention to. This study takes the traffic injury assessment as the application background, and focuses on the research of cyclist in the vehicle-two-wheeled electric vehicle collision. For the problems of the cushioning effect of cerebrospinal fluid on brain tissue and evaluation of cyclist’s head injury, this study will develop a solution method for fluid-solid coupling system combining with the immersion boundary theory and Sphere-in-Sphere testing. A fluid-solid coupling and anatomically shaped cranial-brain finite element model is established based on the CT scan data of Chinese adult male head. The propagation characteristics of stress waves in the head contact parts such as windshield and the cyclist’s head under different collision conditions will be researched. Based on the skull biomechanical response of cyclist’s head, an evaluation relationship of head injury will be established taking into account the biomechanics, translational and rotational acceleration. This study can provide theoretical preparation for the research on the injury mechanism and risk assessment of two-wheeled electric vehicle cyclists injuries in China, and provide references for improving the design of relevant protective equipment and the construction of relevant laws and regulations.

在汽车-二轮电动车碰撞事故中，骑车人头部受伤是导致其死亡的最主要原因，其损伤机理及损伤评价关系式备受研究重视。本申请以交通伤损伤评估为应用背景，以汽车-二轮电动车碰撞事故中的骑车人为研究对象，针对其头部脑脊液对脑组织的缓冲作用、骑车人头部损伤评价等问题，结合浸入边界法理论与球套球替代模型试验，发展流固耦合系统求解方法；基于中国成年男性头部CT扫描数据，建立符合人体解剖学结构的流固耦合颅-脑有限元模型；通过建立的有限元-多刚体耦合的二轮电动车骑车人模型，研究不同碰撞工况中应力波在挡风玻璃等头部接触部件以及骑车人头部内的传播情况，获得骑车人颅脑生物力学响应，并据此建立综合考虑骑车人头部损伤生物力学、平移加速度与转动加速度的头部损伤评价关系式。研究成果将为我国开展二轮电动车骑车人头部交通伤的损伤机理研究和损伤风险评估做好理论准备，为完善相关防护设备的设计、完善相关法规建设提供参考。

在汽车-二轮电动车碰撞事故中，骑车人头部受伤是导致其死亡的最主要原因，其损伤机理及损伤评价关系式备受研究重视。本申请以交通伤损伤评估为应用背景，以汽车-二轮电动车碰撞事故中的骑车人为研究对象，针对其头部脑脊液对脑组织的缓冲作用、骑车人头部损伤评价等问题，结合浸入边界法理论与球套球替代模型试验，发展了流固耦合系统求解方法；基于中国成年男性头部CT扫描数据，建立了符合人体解剖学结构的流固耦合颅-脑有限元模型，并用Nahum颅内压实验、Trosseille颅内动力学响应实验、Yoganandan头部侧面跌落实验等经典尸体实验数据进行了验证；建立了有限元-多刚体耦合的二轮电动车骑车人模型，并用真实的汽车-二轮电动车碰撞事故案例对碰撞模型进行了验证；对902组2014-2018年山东省二轮车事故数据进行了统计分析，利用主成分分析法分析了该类碰撞事故的主要影响因素，并从颅内压力和等效应力两方面分析了二轮车驾驶员的头部损伤情况；研究了碰撞速度、碰撞姿态以及碰撞过程中骑车人的头部旋转加速度对骑车人头部损伤的影响；作为扩展内容，研究了载人二轮电动车在与汽车发生碰撞的事故中儿童乘员的损伤情况。研究结果表明：流固耦合建模方式，可以更精准地模拟头部损伤情况；导致电动二轮车驾驶人死亡的4个主要因素为：碰撞对象、碰撞对象速度、视线障碍物以及电动二轮车行驶方向；即使HIC值低于1000，由于头部旋转加速度较大头部仍可能出现脑挫伤、中重度神经损伤等伤害，即仅用HIC值评估头部损伤具有一定的局限性；在载人二轮电动车与汽车的碰撞事故中，儿童乘员的姿态（儿童乘员双手扶腿、双臂自然下垂、双手扶座椅和倒坐等）对儿童乘员的运动学响应及头部损伤具有较大的影响。研究成果可为我国开展二轮电动车骑车人头部交通伤的损伤机理研究和损伤风险评估做好理论准备，也可为完善相关防护设备的设计、完善相关法规建设提供参考。