碰撞車(chē)速與車(chē)輛類型對(duì)行人運(yùn)動(dòng)和損傷耦合影響的研究*

王 巖,徐曉慶,劉博涵，許 駿，李一兵

(清華大學(xué)，汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

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2015049

碰撞車(chē)速與車(chē)輛類型對(duì)行人運(yùn)動(dòng)和損傷耦合影響的研究*

王 巖,徐曉慶,劉博涵，許 駿，李一兵

(清華大學(xué)，汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)行人受傷特征的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，選擇3例涉及不同車(chē)輛類型的典型事故案例，利用MADYMO軟件分別對(duì)其進(jìn)行事故再現(xiàn)，并根據(jù)真實(shí)交通事故采集數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，從而建立了車(chē)輛多體動(dòng)力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上通過(guò)模擬，研究不同車(chē)輛類型和碰撞車(chē)速對(duì)行人頭部-車(chē)輛相對(duì)速度、行人拋距和行人頭部、胸部與小腿損傷程度的影響。結(jié)果表明，除了碰撞車(chē)速對(duì)行人運(yùn)動(dòng)規(guī)律和各部位損傷具有高度相關(guān)性外，車(chē)輛類型也具有一定程度的影響，相同碰撞車(chē)速下：①廂式客車(chē)的行人拋距約為微型轎車(chē)和普通轎車(chē)的1.25倍；②碰撞車(chē)速在38～60km/h范圍時(shí)，廂式客車(chē)的頭部HIC值約為微型轎車(chē)和普通轎車(chē)的1.3～2.2倍；③廂式客車(chē)的行人胸部損傷程度約為微型轎車(chē)和普通轎車(chē)的1.7～4.5倍；④廂式客車(chē)的小腿損傷程度比微型轎車(chē)和普通轎車(chē)低20%～50%。

人-車(chē)事故；車(chē)輛類型；行人損傷；MADYMO模擬

前言

2011年我國(guó)交通事故死亡總?cè)藬?shù)62 387人，其中行人死亡數(shù)為15 690人，占總死亡人數(shù)的25.1%；受傷總?cè)藬?shù)為237 421，其中行人受傷數(shù)為40 849，占總受傷人數(shù)的17.2%[1]。而統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在人-車(chē)碰撞事故中，不同車(chē)輛類型對(duì)行人造成損傷的風(fēng)險(xiǎn)不同[2]。因此，研究人-車(chē)事故并對(duì)事故成因進(jìn)行微觀案例分析具有重要的指導(dǎo)意義。

在人-車(chē)事故人體損傷的研究中，數(shù)值模擬研究是行之有效的手段。為研究汽車(chē)速度和前部結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)顱腦損傷的影響，文獻(xiàn)[3]中運(yùn)用MADYMO多體動(dòng)力學(xué)軟件建立了不同參數(shù)的汽車(chē)前部結(jié)構(gòu)模型和行人模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬與分析。文獻(xiàn)[4]中建立了汽車(chē)與行人碰撞模型，通過(guò)改變汽車(chē)前部結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析各參數(shù)對(duì)膝關(guān)節(jié)損傷的影響，進(jìn)而得到使膝關(guān)節(jié)損傷較小的各結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化區(qū)間，最后提出了對(duì)行人膝關(guān)節(jié)損傷較小的汽車(chē)前部結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[5]中通過(guò)建立汽車(chē)-騎自行車(chē)人碰撞模型，對(duì)汽車(chē)前部各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)騎車(chē)人顱腦損傷的影響進(jìn)行了系統(tǒng)分析；文獻(xiàn)[6]中基于真實(shí)事故建立汽車(chē)-兒童碰撞模型，分析了汽車(chē)前部結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)兒童頭部損傷的影響；文獻(xiàn)[7]中通過(guò)建立汽車(chē)-電動(dòng)自行車(chē)的碰撞模型，研究了各初始碰撞參數(shù)對(duì)騎車(chē)人頭部和骨盆損傷的影響；文獻(xiàn)[8]中通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)比分析了交通事故中輕型貨車(chē)與普通轎車(chē)撞擊行人的致死率，結(jié)果表明在特定速度下，行人與輕型貨車(chē)碰撞導(dǎo)致嚴(yán)重頭部和胸部損傷的可能性遠(yuǎn)高于普通轎車(chē)；文獻(xiàn)[2]中通過(guò)對(duì)大量交通事故中的行人損傷信息統(tǒng)計(jì)，對(duì)比了輕型貨車(chē)與普通轎車(chē)對(duì)行人損傷程度的影響，結(jié)果表明，輕型貨車(chē)導(dǎo)致行人嚴(yán)重?fù)p傷的風(fēng)險(xiǎn)是普通轎車(chē)的3倍。雖然文獻(xiàn)[8]中通過(guò)統(tǒng)計(jì)的方法從宏觀角度對(duì)頭部損傷和胸部損傷進(jìn)行了研究，但未能從人車(chē)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度進(jìn)一步探討和解釋，因此本文中擬從微觀案例和損傷參數(shù)的角度分析不同車(chē)速和車(chē)輛類型對(duì)行人運(yùn)動(dòng)和損傷的耦合影響。

1 行人損傷部位分布

表1中列出我國(guó)交通事故損傷中行人身體主要受傷部位和損傷頻率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其中統(tǒng)計(jì)了所有AIS2+等級(jí)的人體損傷，并得到不同身體部位損傷所占的比例分布[9]。由表1可見(jiàn)，頭部與下肢損傷在人車(chē)事故所導(dǎo)致的人體損傷中所占的比例最高。其中下肢損傷最易導(dǎo)致行人喪失行走能力；而頭部作為人體部位中對(duì)損傷最為敏感的部位，往往更容易導(dǎo)致行人嚴(yán)重?fù)p傷甚至死亡；雖然胸部損傷所占比例在各國(guó)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中低于10%，但較為嚴(yán)重的胸部損傷仍可導(dǎo)致內(nèi)臟破損甚至死亡。

表1 行人身體主要部位損傷頻率 %

根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果和分析，以頭部損傷、胸部損傷和下肢損傷作為考察對(duì)象，研究車(chē)輛類型對(duì)行人損傷的影響。

2 事故再現(xiàn)與驗(yàn)證

本文中所選取的3種車(chē)輛類型為微型轎車(chē)、普通轎車(chē)和廂式客車(chē)。三者在前部外形上主要區(qū)別有：在發(fā)動(dòng)機(jī)罩長(zhǎng)度方面，廂式客車(chē)小于微型轎車(chē)，微型轎車(chē)小于普通轎車(chē)；在發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿高度方面，微型轎車(chē)和普通轎車(chē)小于廂式客車(chē)。

首先分別建立車(chē)輛與行人的模擬碰撞試驗(yàn)場(chǎng)；然后，通過(guò)事故調(diào)查所得到不同角度信息對(duì)再現(xiàn)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證；最后，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬試驗(yàn)來(lái)研究不同類型車(chē)輛和碰撞車(chē)速對(duì)行人運(yùn)動(dòng)和損傷的影響。表2為3例事故的基本信息。

表2 事故案例簡(jiǎn)要信息

2.1 模型建立

根據(jù)人-車(chē)事故數(shù)據(jù)采集信息，分別建立了微型轎車(chē)、普通轎車(chē)和廂式客車(chē)的多體動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)車(chē)輛實(shí)地測(cè)量和實(shí)車(chē)三視圖與模型三視圖的對(duì)比驗(yàn)證確保所搭建的車(chē)輛模型在幾何結(jié)構(gòu)上能夠較好地代表實(shí)際事故車(chē)輛。圖1為經(jīng)縮放后的行人模型。模型以TNO行人模型為基礎(chǔ)，其模型表面由64個(gè)橢球與兩個(gè)平面組成，其骨架結(jié)構(gòu)由52個(gè)剛體組成，并與20個(gè)鉸鏈相連。本文中在基礎(chǔ)模型上根據(jù)實(shí)際身高和體質(zhì)量信息，通過(guò)MADYMO/Scale模塊進(jìn)行縮放，其縮放的有效性已經(jīng)過(guò)TNO研發(fā)人員試驗(yàn)驗(yàn)證[10]。圖2分別為微型轎車(chē)、普通轎車(chē)和廂式客車(chē)的MADYMO模型及其對(duì)應(yīng)的事故真實(shí)車(chē)輛。汽車(chē)模型前部結(jié)構(gòu)(保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、風(fēng)窗玻璃和A柱等)剛度特性參考文獻(xiàn)[11]中沖擊試驗(yàn)的力-位移曲線。

2.2 事故再現(xiàn)與結(jié)果驗(yàn)證

模型初步建立后，須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)信息、車(chē)輛勘察信息和行人醫(yī)學(xué)報(bào)告對(duì)碰撞車(chē)速、行人行走姿態(tài)和相對(duì)位置等初始參數(shù)進(jìn)行預(yù)估，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)初始參數(shù)在合理范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，直到碰撞結(jié)果參數(shù)(人與車(chē)的運(yùn)動(dòng)距離、車(chē)輛損壞痕跡、行人損傷等)與實(shí)際事故數(shù)據(jù)吻合。經(jīng)過(guò)一系列模擬計(jì)算后，得到的模擬結(jié)果與真實(shí)數(shù)值對(duì)比如表3所示。從表3看出，兩者具有較好的一致性。

下面通過(guò)對(duì)比模擬結(jié)果與實(shí)際事故中車(chē)輛的接觸與損壞情況，進(jìn)一步驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。行人與轎車(chē)接觸過(guò)程中，較大的沖擊力一方面會(huì)使行人身體受傷，另一方面也會(huì)造成車(chē)身?yè)p壞而留下痕跡，因此車(chē)身遺留痕跡可以作為一項(xiàng)重要驗(yàn)證信息。圖3為模擬中接觸情況與實(shí)際車(chē)輛損壞痕跡情況的人體損傷的部位和程度等信息是重要的醫(yī)學(xué)證據(jù)，因此可以從損傷角度對(duì)模型和模擬結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。頭部與胸部損傷情況和損傷指標(biāo)的對(duì)比如表4所示。其中損傷指標(biāo)采用國(guó)際上通用的評(píng)價(jià)人體損傷的頭部HIC、頭部加速度和胸部TTI[12]。

表3 事故再現(xiàn)結(jié)果驗(yàn)證(運(yùn)動(dòng)距離對(duì)比)

對(duì)比。由圖3可見(jiàn)，3個(gè)事故模擬結(jié)果均與實(shí)際事故車(chē)輛損壞痕跡吻合較好。

從表4可以看出，仿真得到的行人損傷指標(biāo)值與實(shí)際損傷情況大體相符。

以上分別從人與車(chē)的運(yùn)動(dòng)距離、車(chē)輛損壞痕跡和行人損傷3個(gè)不同角度將模擬結(jié)果與真實(shí)事故信息進(jìn)行對(duì)比，可以看出不同角度下模擬結(jié)果均能與真實(shí)事故數(shù)據(jù)吻合較好，據(jù)此對(duì)碰撞模型和再現(xiàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，為后續(xù)的仿真試驗(yàn)與分析奠定基礎(chǔ)。

表4 人體損傷驗(yàn)證結(jié)果

3 車(chē)輛-行人碰撞模擬試驗(yàn)

為便于比較不同車(chē)輛類型對(duì)行人運(yùn)動(dòng)和損傷的影響，在以上建立的模型中按照我國(guó)第50百分位人體模型特征進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)整，即將身高和體質(zhì)量分別設(shè)定為168.5cm和65.5kg。統(tǒng)一設(shè)定行人為快走步態(tài)，根據(jù)交叉路口行人平均行走速度[13]將其設(shè)定為1.4m/s，且車(chē)輛前端中部位置與行人側(cè)部碰撞，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展仿真試驗(yàn)，研究車(chē)輛類型和碰撞車(chē)速對(duì)行人運(yùn)動(dòng)與損傷的影響。采用的損傷指標(biāo)除頭部HIC、頭部加速度和胸部TTI外，還有胸部加速度和小腿加速度及其峰值。

因本文中側(cè)重研究不同車(chē)輛類型對(duì)行人運(yùn)動(dòng)與損傷的影響，未考慮行人與地面接觸后所產(chǎn)生的二次碰撞損傷情況。

3.1 頭部-車(chē)輛相對(duì)碰撞速度

圖4是碰撞車(chē)速為11.1m/s時(shí)，不同車(chē)輛類型對(duì)應(yīng)的行人頭部-車(chē)輛相對(duì)速度的時(shí)間歷程曲線。車(chē)輛-行人接觸過(guò)程中，首先行人下肢與車(chē)輛前部接觸，由于人體結(jié)構(gòu)的緩沖作用，頭部與車(chē)輛相對(duì)速度變化不大；隨著接觸的持續(xù)，行人頭部速度迅速增加，導(dǎo)致頭部-車(chē)輛相對(duì)速度迅速降低，直到接觸結(jié)束行人被拋向空中后頭部-車(chē)輛相對(duì)速度值才達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。

此外，由圖4中可以發(fā)現(xiàn)：廂式客車(chē)模擬試驗(yàn)中，行人頭部相對(duì)速度迅速下降時(shí)刻明顯早于微型轎車(chē)和普通轎車(chē)，這是由于廂式客車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿較高且機(jī)罩長(zhǎng)度很短，導(dǎo)致行人與車(chē)輛接觸后頭部速度在較短時(shí)間內(nèi)迅速增加，使頭部與車(chē)輛之間的相對(duì)速度迅速下降；而微型轎車(chē)和普通轎車(chē)模擬試驗(yàn)中，頭部相對(duì)速度變化差異不大，主要是由于兩者前部形狀相似的原因。

3.2 行人拋距

行人拋距作為人-車(chē)碰撞的關(guān)鍵參數(shù)之一，在交通事故再現(xiàn)實(shí)踐中具有重要的作用。由于不同類型車(chē)輛前部形狀的差異，碰撞后常見(jiàn)的人體運(yùn)動(dòng)形態(tài)主要有卷繞型和向前彈射型兩種[14]。對(duì)本文中所選取的車(chē)輛類型和第50百分位行人而言，微型轎車(chē)與普通轎車(chē)和行人碰撞絕大多數(shù)屬于卷繞型；而廂式客車(chē)則為向前彈射型，這主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)罩離地高度與人體質(zhì)心高度的相對(duì)位置關(guān)系，也即是由車(chē)輛前部結(jié)構(gòu)尺寸決定的。

基于前面的事故案例統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將碰撞車(chē)速范圍設(shè)定在20～70km/h，每間隔5km/h進(jìn)行一次模擬計(jì)算，分別得到不同碰撞車(chē)速下的行人拋距，進(jìn)而研究車(chē)輛類型和碰撞車(chē)速對(duì)行人拋距的影響規(guī)律。圖5示出微型轎車(chē)和普通轎車(chē)(卷繞型)對(duì)應(yīng)的拋距計(jì)算結(jié)果。這里同時(shí)列出了文獻(xiàn)[15]中的卷繞型人-車(chē)碰撞事故數(shù)據(jù)與本文中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以輔助驗(yàn)證模擬結(jié)果的合理性。根據(jù)量綱分析，拋距s(單位m)與碰撞車(chē)速v(單位km/h)具有如下關(guān)系：

[s]∝k[v2/g]

式中：k為常數(shù)；g=9.8m/s2。

根據(jù)以上結(jié)果和擬合模型，采用非線性最小二乘法進(jìn)行擬合，可得到卷繞型人-車(chē)事故中拋距-碰撞車(chē)速的顯式關(guān)系式為

s=0.0703(v2/g)

(1)

按照相同的方法，圖6中示出廂式客車(chē)(向前彈射型)對(duì)應(yīng)的拋距計(jì)算結(jié)果。同樣列出文獻(xiàn)[15]中的向前彈射型人-車(chē)碰撞事故數(shù)據(jù)與本文中計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以輔助驗(yàn)證模擬結(jié)果的合理性。

類似地，可擬合得到向前彈射型事故中拋距-碰撞車(chē)速的顯示關(guān)系式為

s=0.0882(v2/g)

(2)

根據(jù)式(1)和式(2)可以看出，在相同碰撞車(chē)速下，廂式客車(chē)對(duì)應(yīng)的行人拋距比普通轎車(chē)和微型轎車(chē)對(duì)應(yīng)的行人拋距大25%。以上擬合公式可為人-車(chē)碰撞事故的車(chē)速確定提供簡(jiǎn)捷的理論依據(jù)。

3.3 頭部損傷

為研究車(chē)輛類型與碰撞車(chē)速vv-p對(duì)行人頭部HIC值的影響，通過(guò)在模型中改變vv-p來(lái)計(jì)算相應(yīng)的HIC值。根據(jù)EuroNCAP碰撞法規(guī)[16]，人-車(chē)碰撞標(biāo)準(zhǔn)車(chē)速為v0=40km/h，將vv-p用v0進(jìn)行無(wú)量綱化，將HIC用HIC0=1 000進(jìn)行無(wú)量綱化，即定義無(wú)量綱化參數(shù)β=vv-p/v0，γ=HIC/HIC0。

圖7為不同車(chē)輛類型中行人頭部HIC隨車(chē)速變化的走勢(shì)。從圖7可以看出，同一β值下，微型轎車(chē)和普通轎車(chē)對(duì)應(yīng)的頭部HIC值相差不大，因此分析時(shí)將兩者作為整體統(tǒng)一分析。隨著β值的增加，總體上3種車(chē)輛類型對(duì)應(yīng)的γ值均隨之增加，但增加幅度有較大不同。其中當(dāng)β∈[0.25,0.625)時(shí)(即10km/h≤vv-p<25km/h)，隨著β的增加，γ值增加幅度不明顯，通過(guò)對(duì)模擬過(guò)程的分析發(fā)現(xiàn)，此時(shí)頭部未與汽車(chē)前部結(jié)構(gòu)碰撞或僅發(fā)生輕微碰撞，因此行人通常只發(fā)生輕微損傷；而當(dāng)β∈[0.625,0.95)時(shí)(即25km/h≤vv-p<38km/h)，廂式客車(chē)對(duì)應(yīng)的γ值略低于微型轎車(chē)和普通轎車(chē)，主要是因?yàn)榕c廂式客車(chē)低速碰撞時(shí)人體結(jié)構(gòu)可發(fā)揮一定的緩沖作用，使頭部-車(chē)輛相對(duì)碰撞速度較低。當(dāng)β∈[0.95,1.5]時(shí)(即38km/h≤vv-p≤60km/h)，廂式客車(chē)對(duì)應(yīng)的γ值大幅增長(zhǎng)，約為微型轎車(chē)和普通轎車(chē)的1.3～2.2倍，因?yàn)楦咚倥鲎矔r(shí)人體結(jié)構(gòu)的緩沖效果大大下降，行人頭部在極短時(shí)間內(nèi)與廂式客車(chē)接觸，較高的頭部-車(chē)輛碰撞速度導(dǎo)致HIC值較高，而由于微型轎車(chē)和普通轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩較長(zhǎng)，在頭部與車(chē)輛碰撞前仍有較長(zhǎng)的緩沖時(shí)間，因此對(duì)應(yīng)的HIC相對(duì)較低。

本文中的廂式客車(chē)與文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[8]中研究的廂式貨車(chē)具有近似的前部外形結(jié)構(gòu)。因此以上分析便從基于微觀案例的角度解釋和論證了文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[8]中根據(jù)宏觀數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析所做出的“廂式貨車(chē)導(dǎo)致行人嚴(yán)重?fù)p傷的風(fēng)險(xiǎn)高于普通轎車(chē)”這一結(jié)論。

進(jìn)一步采用非線性最小二乘法對(duì)圖7中的數(shù)據(jù)點(diǎn)選用合適的公式進(jìn)行擬合，則可得到如下顯式關(guān)系式。

廂式客車(chē)：

γ=83.03+94.13β+19.56β2+33.94β3-84.39eβ

(3)

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布特征，將微型轎車(chē)和普通轎車(chē)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分段擬合，得

(4)

圖8是在碰撞車(chē)速為40km/h時(shí)3種車(chē)輛類型對(duì)應(yīng)的頭部合成加速度-時(shí)間歷程曲線。由圖可見(jiàn)，廂式客車(chē)對(duì)應(yīng)的頭部加速度峰值較高，且出現(xiàn)時(shí)刻較早，微型轎車(chē)和普通轎車(chē)對(duì)應(yīng)的峰值較低，出現(xiàn)時(shí)刻較晚。

3.4 胸部損傷

為研究車(chē)輛類型與碰撞車(chē)速vv-p對(duì)行人胸部TTI值的影響，通過(guò)在3種碰撞模型中改變碰撞車(chē)速vv-p來(lái)計(jì)算相應(yīng)的胸部TTI值。將TTI用TTI0=85g進(jìn)行無(wú)量綱化，即定義無(wú)量綱化參數(shù)τ=TTI/TTI0。

圖9為不同車(chē)輛類型中行人胸部TTI隨車(chē)速變化的走勢(shì)。從圖9可以發(fā)現(xiàn)，同一β值下，微型轎車(chē)與普通轎車(chē)對(duì)應(yīng)的τ值相差不大，因此同樣將兩者統(tǒng)一進(jìn)行分析。隨著β值的增加，3種車(chē)型對(duì)應(yīng)的τ值均隨之增加，但廂式客車(chē)的τ值明顯大于微型轎車(chē)和普通轎車(chē)，前者約為后者的1.7～4.5倍。由于廂式客車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿較高，與行人胸部高度相對(duì)一致，撞擊過(guò)程中較大的沖擊力直接作用于行人胸部，因此造成的胸部TTI值和τ值明顯高于其他兩種車(chē)輛類型。

同樣地，采用非線性最小二乘法對(duì)圖9中數(shù)據(jù)點(diǎn)選用合適公式進(jìn)行擬合，則可得到如下顯式關(guān)系式。

廂式客車(chē)：

τ=-1.05+5.70β-4.22β2+2.54β3

(5)

微型轎車(chē)和普通轎車(chē)：

τ=-0.37+2.74β-3.34β2+1.66β3

(6)

圖10是碰撞車(chē)速為40km/h時(shí)3種車(chē)型對(duì)應(yīng)的行人胸部合成加速度的時(shí)間歷程曲線?？梢钥闯觯瑤娇蛙?chē)對(duì)應(yīng)的胸部加速度峰值出現(xiàn)最早；峰值加速度也明顯高于微型轎車(chē)與普通轎車(chē)。由于碰撞時(shí)廂式客車(chē)前部直接與行人胸部沖擊；而微型轎車(chē)與普通轎車(chē)因發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿高度較低，首先與行人下肢接觸，隨后發(fā)動(dòng)機(jī)罩才與胸部接觸，在此過(guò)程中降低了胸部-發(fā)動(dòng)機(jī)罩碰撞前兩者之間的相對(duì)速度，故胸部所承受的沖擊力和加速度峰值較低。

3.5 小腿損傷

為研究車(chē)輛類型與碰撞車(chē)速vv-p對(duì)行人小腿加速度峰值apeak的影響，同樣通過(guò)模型中改變vv-p來(lái)計(jì)算相應(yīng)的apeak。類似地，將碰撞車(chē)速vv-p用v0=40km/h進(jìn)行無(wú)量綱化，將apeak用apeak0=150g進(jìn)行無(wú)量綱化，即定義無(wú)量綱化參數(shù)β=vv-p/v0，λ=apeak/apeak0。

圖11為不同車(chē)輛類型中小腿加速度峰值隨車(chē)速變化走勢(shì)。與頭部和胸部損傷類似，微型轎車(chē)和普通轎車(chē)對(duì)應(yīng)的小腿加速度峰值仍無(wú)明顯區(qū)別，因此同樣將兩者統(tǒng)一進(jìn)行分析。隨著β值的增加，3種車(chē)型對(duì)應(yīng)的λ值均隨之增加，但廂式客車(chē)所對(duì)應(yīng)λ值比微型轎車(chē)和普通轎車(chē)低20%～50%。主要是由于與微型轎車(chē)和普通轎車(chē)相比，廂式客車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿高度較高，在碰撞過(guò)程中與行人身體接觸區(qū)域較大，上身部位承擔(dān)了部分載荷，從而使小腿部位所承受的載荷降低，因此廂式客車(chē)對(duì)應(yīng)的小腿峰值加速度apeak較低。

同樣采用非線性最小二乘法對(duì)圖11中的數(shù)據(jù)點(diǎn)選用合適公式進(jìn)行擬合，則可得到如下顯式關(guān)系式。

廂式客車(chē)：

λ=0.74β+0.37β2-0.03β3

(7)

微型轎車(chē)和普通轎車(chē)：

λ=-0.17+2.34β-1.56β2+0.79β3

(8)

圖12是碰撞車(chē)速為40km/h時(shí)3種車(chē)型對(duì)應(yīng)的小腿加速度-時(shí)間歷程曲線。由于普通轎車(chē)和微型轎車(chē)前端結(jié)構(gòu)(保險(xiǎn)杠部位)較為相似，因此所導(dǎo)致的行人小腿加速度曲線和峰值情況均較相近；而由于廂式客車(chē)碰撞時(shí)上身部位承擔(dān)了部分載荷，使小腿部分載荷減小，因此廂式客車(chē)導(dǎo)致的小腿加速度峰值比另外兩種車(chē)型低。

4 結(jié)論

針對(duì)人車(chē)事故中人體損傷部位分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果，運(yùn)用MADYMO軟件對(duì)3例不同類型車(chē)輛的人-車(chē)碰撞事故進(jìn)行重建并驗(yàn)證，最后基于驗(yàn)證的模型進(jìn)行模擬試驗(yàn)，得到如下結(jié)論。

(1) 在行人頭部-車(chē)輛相對(duì)速度和行人的拋距、頭部HIC值、胸部TTI值與小腿峰值加速度等方面，微型轎車(chē)和普通轎車(chē)無(wú)明顯差別。

(2) 基于模擬試驗(yàn)結(jié)果，分別建立了卷繞型與向前彈射型的人-碰撞事故車(chē)速-拋距經(jīng)驗(yàn)公式，可為人-車(chē)碰撞事故的車(chē)速確定提供參考。結(jié)果表明，在相同碰撞車(chē)速下廂式客車(chē)的行人拋距比普通轎車(chē)和微型轎車(chē)的行人拋距約大25%。

(3) 低速時(shí)廂式客車(chē)對(duì)應(yīng)的頭部損傷較輕；碰撞車(chē)速高于38km/h時(shí)，廂式客車(chē)對(duì)應(yīng)的頭部損傷急劇加重，約為微型轎車(chē)和普通轎車(chē)的1.3～2.2倍。

(4) 在同一碰撞車(chē)速下，廂式客車(chē)所對(duì)應(yīng)的行人胸部損傷程度約為微型轎車(chē)和普通轎車(chē)的1.7～4.5倍，而小腿損傷程度比微型轎車(chē)和普通轎車(chē)低20%～50%。

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A Study on the Coupling Influence of Impact Speed and VehicleType on the Movement and Injury of Pedestrian

Wang Yan, Xu Xiaoqing, Liu Bohan, Xu Jun & Li Yibing

Three typical pedestrian-vehicle accident cases with different types of vehicle involved are selected according to the statistic results of pedestrian’s injury features. The software MADYMO is utilized to conduct a reconstruction simulation, which is verified with real traffic accident data acquired and a vehicle multi-body dynamic model is built. Then on this basis a simulation is performed to study the effects of vehicles types and impact speed on the relative speed of pedestrian’s head over vehicle, throw distance and the injury severities of pedestrian’s head, thorax and lower leg. The results show that, besides the strong correlation between impact speed and pedestrian’s movement pattern and their injuries in different parts of body, the types of vehicle also have certain degrees of influences, for the same collision speed: 1) the throw distance in van collisions is about 1.25 times as long as that in mini-car and sedan collisions; 2) the HIC value in van collisions is around 1.3～2.2 times as high as that in mini-car and sedan collisions in a speed range of 38 ～ 60km/h; 3) the thoracic injury in van collisions is some 1.7～4.5 times as severe as that in mini-car and sedan collisions; 4) the injury severity of lower leg in van collisions is about 20%～50% lower than that in mini-car and sedan collisions.

vehicle-pedestrian accident; vehicle type; pedestrian injury; MADYMO simulation

*國(guó)家自然科學(xué)基金(11102099)、中國(guó)博士后特別資助和清華大學(xué)國(guó)際合作項(xiàng)目(20121080050)資助。

TsinghuaUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,Beijing100084

原稿收到日期為2013年5月21日，修改稿收到日期為2013年8月16日。