机械工程学报第４７卷第４期
了一些数据分析和碰撞机理、损伤机理及保护措施的研究；ＭＡⅪ等【４Ｊ对行人和自行车分别与汽车碰撞进行了对比分析，提出行人法规中的部件试验要针对骑自行车者的保护进行一些更改。此外，杨济匡等【５Ｊ提出颅脑损伤是交通事故中最为普遍的致命原因之一。美国的Ｓ１ｒＩＪｒ玎Ｓ等【６】提出，和其他道路使用者一样，头部严重损伤是造成骑自行车者死亡的主要原因。国内只有少数科研机构和高校对自行车事故形态及损伤保护方面进行了初步的分析和讨论。
本文运用多体动力学仿真方法对一起典型汽车一自行车交通事故进行事故重建，评估了仿真模型的有效性，进一步在不同车型、不同车速及汽车前部结构参数条件下用因子试验法对人体的颅脑损伤相关参数进行了分析研究，并结合骑自行车人颅脑损伤防护措施对汽车安全性设计进行了综合分析和讨论。
１仿真方法
由于碰撞试验高昂的成本，汽车被动安全研究中有限元与多体仿真已普遍应用于车辆设计。相对于多体仿真，有限元仿真方法须建立复杂的整车有限元模型，其计算须耗费大量的时间和资源。汽车与自行车碰撞过程虽是一个较为复杂的过程，具有大位移、非线性、随时性和多自由度的特点，但整个碰撞过程中汽车车身变形小及动态惯量改变小，运用多体动力学仿真方法既能有效的节约时间和资源，又能较精确的得到仿真结果。本文将建立汽车一自行车仿真模型多体动力学模型，通过事故重建对模型的有效性进行验证，并进一步分析汽车速度及汽车前部结构参数对骑自行车人颅脑损伤相关参数的影响。
１．１多体系统动力学理论
本文模型建立的理论基础为多体系统动力学理论。根据动量守恒定理，多体系统中的每个刚体在进行直线与旋转运动时的运动控制方程可以由牛顿一欧拉方法得到【７１。刚体关于它自身惯性中心的运动方程如式（１）、（２）。
ｍｉｔ＝Ｅ（１）
－，ｆ?西ｉ＋∞ｉ×以?∞ｉ＝互（２）式中Ｅ——力矢量
Ｌ——位移矢量
Ｚ——力矩（相对于惯性中心）矢量
ｍ——角速度矢量
ｍｆ——质量
，——关于惯性中心的惯性矩
对于刚体系统中的某一个刚体来说，Ｅ和互还包括铰节点的力，这与整个系统的加速度场相关。在式（１）中对位移矢量Ｉ取变分，式（２）中对角速度矢量以取变分，然后两式相加，则取变分后的ｆ个刚体运动方程如下式。
∑６Ｉ?（聊，ｔ—Ｅ）＋６∞ｉ?（以?西ｆ＋∞ｆב?∞ｆ一乃）＝ｏ应用变分原理、矩阵运算和数值积分可计算出各刚体的速度和角速度。Ｍａｄｙｍｏ软件中的数值积分方法主要有欧拉方法，固定时间步长的四阶龙格一库塔（Ｒｕｎｇｅ。Ｋｕｔｔａ）法或可变时间步长的五阶龙格一库塔法等。
１．２建立汽车一自行车碰撞模型
模型的建立主要包括骑自行车人的人体多体模型、汽车和自行车的多体模型，以及三者间相互接触的定义。多体仿真模型如图１所示，其中饥为保险杠高度，钆为发动机罩前缘高度，毛为保险杠伸出长度，缸为发动机罩长度；而瓯为发动机罩角度，ａ。为挡风玻璃角度。
图１汽车、自行车及骑自行车人多体动力学模型
１．２．１骑自行车人模型
本文骑自行车人模型采用瑞典查尔摩斯大学的多体人体模型（ｃｈａｌｍｅｒｓＰｅｄｅｓｔｒｉａｎＭｏｄｅｌ）【８】。该人体模型为５０百分位成人男子模型（身高１７５ｃｍ，体重７８ｋｇ），且通过尸体实验验证，是目前人体多体模型中生物逼真度较高的模型之一。因此，该模型可以用来分析汽车一自行车碰撞事故中人体的动力学响应过程。
１．２．２自行车模型
选取我国较为普遍的２６式自行车建立自行车模型。自行车由一个自由铰链与全局坐标系相连，并采用四个转动铰链来描述部件间相对转动。自行车重量为１５ｋｇ，车轮半径为３００ｍｍ，轮距为９５０衄，座位高度为８５０蚴。
１．２．３汽车模型
由于汽车前部结构种类繁多，本文选定三种较为常见的车型建模（图２），分别为轿车（ｓｅｄａｎ）、运动型多功能车（Ｓｐｏｒｔｕｔｉｌｉｔｙ
ｖｅｈｉｃｌｅ，ＳＵｖ）、多功能汽
机械工程学报第４７卷第４期
１．５主要输出参数
根据表２所示的颅脑损伤机理简表【１３】，仿真中
输出的主要参数有ＨＩｃ值、头部碰撞力、头部角速
度和角加速等。
表２颅脑伤损伤机理简表
颅脑损伤类型损伤机理
颅骨骨折’
冲击伤”
对侧冲击伤”
脑膜外血肿“
脑硬膜下血肿“脑震荡…
神经轴突损伤…头部与车体的碰撞力
碰撞力的作用造成碰撞点一侧的损伤碰撞力的作用造成碰撞点对侧的损伤碰撞力的作用造成碰撞区域的损伤
碰撞力、头部线性及角加速度
角速度及角加速度，颅骨大脑相对运动角速度及角加速度
注：’碰撞力造成的颅骨损伤；
”动脉或桥静脉断裂造成的颅内血管损伤；
…脑组织内的神经轴突受到剪切应力造成的脑神经损伤。
２模型评估
本文利用ＭＡＤＹＭＯ碰撞仿真软件，重现了长沙地区的不同车型的汽车一自行车碰撞事故，并将仿真结果与现实事故进行对比分析，从而评估了仿真模型的可行性和准确性，进而用作迸一步车辆结构对颅脑伤影响的分析。下文中举例说明了其中一起典型的事故重建过程。
２．１事故信息
事故发生时，骑自行车人正由东往西行，大众桑塔纳轿车由南往北行驶。虽然司机采取了紧急刹车措施，但轿车的前部仍撞上了自行车的侧面，根据现场刹车痕迹及骑自行车人抛出距离等分析得到碰撞时刻轿车的速度为２２ｋｍ／ｈ士３ｋｌｌｌ／ｌｌ。如图５现场草图所示碰撞后最终位置，骑自行车人头部距轿车右前轮为３ｍ；自行车前轮距轿车左前轮距离为３．５ｍ，且轿车在道路上分别留下了６．６ｍ和８．２ｍ
的刹车印。
２．２事故重建
事故重建中依据现场草图及照片中痕迹分析设定骑自行车人与轿车初始碰撞位置及碰撞时刻轿车速度２２ｌ【玎：１／ｌｌ士３ｋＩ】ａｍ。
如图６所示，碰撞初始时刻，汽车前保险杠中部与自行车前轮左侧接触，之后骑车人大腿与发动机罩前缘右侧相撞，紧接着头部与挡风玻璃中部相撞。事故重建结果中，碰撞时刻轿车速度为２３ｋＩｎ／ｌｌ，在最终位置上骑自行车人与轿车右前轮距离为２．９ｍ，自行车距轿车左前轮为３．８ｍ，可见重建结果与事故基本相符，仿真模型可用作进一步分析模型。３仿真结果与讨论
３．１汽车碰撞速度的影响
针对三种不同的车型，取其前部结构的中间值，设定２０ｋＩＩ忱、３０ｌ（ｒｒ油、４０ｌ（１Ｉ油和５０ｋＩｌ怕四种车速进行仿真分析，计算输出了颅脑损伤机理简表中（表２）表明的损伤相关的主要参数（图７）。
如图７ａ所示，三种车型在汽车车速增加的情况下，输出的ＨＩＣ值也越高，且相同车速下，Ｓｅｄａｎ的ＨＩＣ值要大于Ｓｕｖ和ＭＰＶ。进一步分析，可以看出当车速高于３０ｌ（１１１／ｌｌ时，ＨＩＣ值上升趋势增大，当车速超过５０ｌ（１１１／ｌｌ时，ＨＩＣ平均值已达到１
５００，