行人和騎車人頭部與轎車碰撞特征的研究*

曾必強(qiáng),高繼東,彭 偉,孫振東

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心,天津 300300)

行人和騎車人頭部與轎車碰撞特征的研究*

曾必強(qiáng),高繼東,彭 偉,孫振東

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心,天津 300300)

基于CIDAS對(duì)行人和騎車人與車輛碰撞事故調(diào)查結(jié)果和THUMS假人對(duì)事故的仿真再現(xiàn)，總結(jié)了行人-轎車、電動(dòng)自行車騎車人-轎車兩種碰撞工況的碰撞特點(diǎn)，并據(jù)此建立了相應(yīng)的交通事故仿真模型，深入研究了行人、騎車人與普通轎車碰撞過(guò)程中，行人、騎車人頭部運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)和傷害特征。結(jié)果表明：行人頭部與轎車、騎車人頭部與轎車兩種碰撞工況相似，故只須適當(dāng)擴(kuò)充現(xiàn)行行人保護(hù)法規(guī)中對(duì)沖擊速度、沖擊角度和碰撞點(diǎn)位置的規(guī)定，即可涵蓋對(duì)兩輪車乘員保護(hù)的范疇。

車輛工程；頭部碰撞；行人保護(hù)；騎車人保護(hù)；安全法規(guī)

前言

行人與不同類型車輛混合的道路交通條件是我國(guó)交通事故中人員傷亡率較高的根源。我國(guó)公安部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明:2004-2010年，交通事故中導(dǎo)致16萬(wàn)行人死亡，其占總交通事故總死亡人數(shù)25%以上，其中機(jī)動(dòng)車-自行車交通事故導(dǎo)致約6萬(wàn)騎車人死亡，占道路交通事故總死亡人數(shù)的9.8%。在交通事故人員傷亡比例中騎車人和行人的死亡和受傷人數(shù)遠(yuǎn)高于其他人員[1]。交通事故中行人、騎車人的頭部損傷是最常見(jiàn)的傷害類型，同時(shí)也是造成行人重傷和死亡的主要原因[2]。

THUMS全生態(tài)假人是日本豐田公司根據(jù)真實(shí)人體特征開(kāi)發(fā)的有限元人體模型，其結(jié)構(gòu)根據(jù)中年男性完整尸體解剖測(cè)繪數(shù)據(jù)及其器官力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果而建立，能代表真人在碰撞過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)特征[3]。本文中采用經(jīng)對(duì)標(biāo)后的整車CAE模型，結(jié)合中國(guó)道路交通事故深度研究CIDAS交通事故數(shù)據(jù)庫(kù)中交通事故特點(diǎn)，通過(guò)THUMS假人模擬再現(xiàn)了典型交通事故中行人、騎車人碰撞響應(yīng)特征，研究了行人、騎車人碰撞過(guò)程中頭部的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。

1 行人和騎車人交通事故統(tǒng)計(jì)分析

1.1 行人交通事故統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)中國(guó)交通事故深度研究項(xiàng)目(CIDAS)對(duì)幾百起行人與車輛的碰撞事故調(diào)查結(jié)果，行人與車輛碰撞速度±5km/h范圍內(nèi)發(fā)生的事故數(shù)量占總事故的比例如圖1所示。

圖1 ±5km/h速度范圍內(nèi)事故比例

由圖1可見(jiàn)，50±5km/h范圍內(nèi)發(fā)生的事故概率最高，75km/h以上速度事故概率較低。通過(guò)文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]中的研究成果表明，15km/h以下碰撞速度行人所受傷害均為輕傷，所以本文中選取15～75km/h碰撞速度作為行人頭部碰撞工況研究的速度范圍。

1.2 騎車人交通事故統(tǒng)計(jì)分析

中國(guó)交通事故深入研究項(xiàng)目(CIDAS)共記錄轎車與自行車事故數(shù)百起，圖2為自行車與車輛碰撞速度±5km/h范圍內(nèi)發(fā)生的事故數(shù)量占總事故的比例。

圖2 ±5km/h速度范圍內(nèi)事故比例

由圖2可見(jiàn)，15～75km/h為事故高發(fā)區(qū)間。所以選取15～75km/h碰撞速度分析騎車人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與傷害。

2 行人和騎車人頭部傷害規(guī)律研究

2.1 行人和騎車人典型交通事故模型建立

文獻(xiàn)[6]中研究表明，72%的行人事故發(fā)生在行人橫穿馬路，63%的行人事故車輛碰撞行人側(cè)面(33%車輛碰撞行人左側(cè);30%車輛碰撞行人右側(cè)),所以選取最有代表性的人和車正前方碰撞事故，分別建立行人與車輛、騎車人與車輛碰撞仿真再現(xiàn)模型，如圖3和圖4所示。

圖4 騎車人交通事故

立姿假人(行人)身高1 780mm,穿鞋后高度為1 800mm；本文選擇目前社會(huì)使用最為廣泛且大小適中的自行車作為本文仿真車型，騎車假人高度為1 750mm。行人和騎車人所借用的假人均為THUMS4.0假人。

2.2 行人和騎車人頭部傷害分析

2.2.1 頭部運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)對(duì)比

汽車以40km/h速度與自行車或行人發(fā)生碰撞時(shí)，騎車人和行人不同碰撞時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)如圖5所示。其中左側(cè)為行人與轎車碰撞示意圖，右側(cè)為騎車人與轎車碰撞示意圖。

圖5 行人和騎車人運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)對(duì)比

由圖5可見(jiàn)，在與轎車的整體碰撞過(guò)程中騎車人和行人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化規(guī)律基本類似。在前40ms，騎車人或行人下肢與轎車前保險(xiǎn)杠接觸，開(kāi)始向前運(yùn)動(dòng)而上半身保持不動(dòng)。隨后騎車人或行人上半身向轎車發(fā)動(dòng)機(jī)罩方向傾斜。通過(guò)對(duì)比可見(jiàn)，由于行人的重心較高，故行人上半身翻轉(zhuǎn)得更加劇烈，在80ms左右，行人整體騰空。而騎車人骨盆始終沒(méi)有離開(kāi)轎車發(fā)動(dòng)機(jī)罩，僅在轎車發(fā)動(dòng)機(jī)罩表面向后滑移。

由圖5還可見(jiàn)，騎車人與轎車發(fā)生碰撞時(shí)，其上半身有一個(gè)轉(zhuǎn)身的過(guò)程，騎車人的后腦與轎車接觸的概率更高。而行人與轎車發(fā)生碰撞時(shí)，與轎車碰撞側(cè)的手臂會(huì)對(duì)行人有支撐作用，行人手臂受傷的概率更高。

2.2.2 頭部碰撞點(diǎn)WAD值對(duì)比

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果得到不同碰撞速度下行人/騎車人與轎車碰撞事故中人員頭部與轎車碰撞點(diǎn)WAD值的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 頭部碰撞點(diǎn)WAD值變化曲線

由圖6可見(jiàn)，行人/騎車人頭部碰撞點(diǎn)WAD值隨著車輛碰撞速度的增加而增加，兩者的變化規(guī)律基本一致。

在碰撞速度較低時(shí)由于THUMS行人脖子繞肩部的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以導(dǎo)致了頭部碰撞點(diǎn)WAD值小于1 800mm，當(dāng)碰撞速度較高時(shí)由于頭部與車輛接觸前THUMS行人沿發(fā)動(dòng)機(jī)罩表面發(fā)生向車后方向滑動(dòng)，所以頭部碰撞點(diǎn)WAD值大于1 800mm，且碰撞速度越大該規(guī)律越明顯。在車輛速度為50km/h時(shí),普通轎車頭部碰撞點(diǎn)WAD值已經(jīng)超過(guò)目前行人保護(hù)法規(guī)規(guī)定的WAD最大值2 100mm。

THUMS騎車人頭部高度約1 750mm,由于其下肢初始位置較行人高，所以碰撞中騎車人骨盆沿發(fā)動(dòng)機(jī)罩滑移量相對(duì)較大，因此騎車人頭部碰撞點(diǎn)WAD值較高，在碰撞速度為30km/h時(shí)騎車人頭部碰撞點(diǎn)WAD值已經(jīng)超過(guò)2 100mm。

分別取行人和騎車人與轎車碰撞速度i=20，30，40，50，60和70km/h。將i±5km/h范圍內(nèi)發(fā)生的行人或騎車人碰撞事故比例Pi與該速度仿真得到的碰撞包絡(luò)線數(shù)值(WAD值)進(jìn)行加權(quán)平均，最后除以行人或騎車人頭頂高度，可得事故中碰撞點(diǎn)WAD值與行人或騎車人頭部高度的比值kp或kb。

行人

(1)

騎車人

(2)

式中：WADip和WADib為行人和騎車人仿真得到的車輛碰撞速度為i時(shí)碰撞點(diǎn)的包絡(luò)線(WAD)值；81.16%，82.70%分別為15～75km/h速度范圍內(nèi)行人事故和騎車人事故占總事故的比例。

結(jié)合行人交通事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果，1 800mm身高的行人與普通轎車碰撞時(shí)，其頭部碰撞點(diǎn)位于WAD=1800×1.151≈2070mm的位置附近的概率最大，同理自行車碰撞事故中騎車人頭部碰撞點(diǎn)位于WAD=1750×1.229≈2150mm的位置附近的概率最大。

2.2.3 行人和騎車人頭部碰撞角度與碰撞速度分析

根據(jù)人車碰撞中行人頭部與車的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，頭部與車輛接觸時(shí)刻頭部絕對(duì)速度為

(3)

而頭部碰撞相對(duì)速度則為

(4)

式中：vx為頭部水平方向的速度；vz為頭部垂直方向的速度；v為頭部絕對(duì)速度；vc為碰撞時(shí)刻轎車行駛速度；v′為頭部碰撞相對(duì)速度。

圖7為頭部與車輛接觸時(shí)刻相對(duì)矢量關(guān)系圖。

圖7 接觸時(shí)刻頭部碰撞角度

頭部碰撞角度β是碰撞開(kāi)始時(shí)刻頭部相對(duì)于水平地面的角度，即

β=arctan(vz/vx)

(5)

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果得到不同碰撞速度下騎車人和行人與車輛碰撞事故中頭部碰撞相對(duì)碰撞速度和碰撞角度的變化規(guī)律如圖8和圖9所示。

圖8 頭部相對(duì)碰撞速度變化曲線

圖9 頭部相對(duì)地面碰撞角度變化曲線

從圖8和圖9可見(jiàn)，行人和騎車人頭部碰撞速度、碰撞角度的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律較為一致，但數(shù)值有較大差別。碰撞后騎車人整體向前速度要大于行人整體向前速度，所以騎車人頭部與車輛的相對(duì)速度要小于行人頭部與車輛的相對(duì)速度。

行人

83.2km/h

(6)

騎車人

(7)

結(jié)合行人和騎車人交通事故統(tǒng)計(jì)和仿真計(jì)算結(jié)果，人體側(cè)面與車輛發(fā)生正前方碰撞時(shí)，由于人體下肢受撞擊過(guò)程中對(duì)頭部的反向加速作用，頭部與車輛碰撞時(shí)其相對(duì)車輛的碰撞速度會(huì)高于車輛的行駛速度，車輛碰撞速度越高頭部相對(duì)碰撞速度與實(shí)際車速的偏離越明顯。由以上分析可知，行人交通事故頭部與車輛碰撞的相對(duì)速度約為83.2km/h的概率最大，騎車人交通事故中頭部與車輛碰撞的相對(duì)速度約為58km/h的概率最大。

行人

(8)

騎車人

(9)

所以結(jié)合交通事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果行人與車輛正前方碰撞時(shí)，其頭部相對(duì)碰撞面的碰撞角度為78°左右的概率最大，騎車人與車輛正前方碰撞時(shí)頭部相對(duì)碰撞面角度為73.9°的概率最大。

2.2.4 行人和騎車人頭部傷害對(duì)比

針對(duì)人員頭部傷害情況的判別，國(guó)外對(duì)顱腦應(yīng)力、顱內(nèi)壓力、頭蓋骨應(yīng)力等進(jìn)行了大量的尸體測(cè)試和研究分析。文獻(xiàn)[7]中的研究指出，當(dāng)顱內(nèi)等效應(yīng)力達(dá)到15～20kPa時(shí)，會(huì)導(dǎo)致腦震蕩的出現(xiàn)，而當(dāng)顱內(nèi)等效應(yīng)力達(dá)到38kPa，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的腦損傷。文獻(xiàn)[8]中的研究也指出：當(dāng)顱內(nèi)壓力大于235kPa時(shí)，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重傷害；顱內(nèi)壓力在173～235kPa之間，會(huì)產(chǎn)生中度傷害。

汽車以40km/h速度與行人或騎車人發(fā)生碰撞時(shí)，騎車人和行人顱腦最大主應(yīng)力和顱內(nèi)壓力云圖分別如圖10和圖11所示。

圖10 騎車人顱腦主應(yīng)力和顱內(nèi)壓力分布云圖

圖11 行人顱腦主應(yīng)力和顱內(nèi)壓力分布云圖

由圖10可知，騎車人顱腦最大等效應(yīng)力為9.678kPa。根據(jù)文獻(xiàn)[7]中的研究，電動(dòng)自行車騎車人頭部會(huì)受到輕度的腦震蕩傷害。根據(jù)仿真結(jié)果可知騎車人顱內(nèi)受到最大壓力為111.2kPa，根據(jù)文獻(xiàn)[8]中的研究，頭部會(huì)受到輕度傷害。通過(guò)以上對(duì)顱腦最大等效應(yīng)力和顱內(nèi)壓力的分析均判定該騎車人的傷害程度為輕度腦震蕩。該結(jié)果與文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]中基于德國(guó)GIDAS數(shù)據(jù)庫(kù)中自行車案例的分析和仿真結(jié)果非常接近。

由圖11可知，行人顱腦最大等效應(yīng)力為11.29kPa，行人顱內(nèi)受到最大壓力為141.0kPa。根據(jù)文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]中的研究結(jié)果，行人頭部會(huì)受到腦震蕩傷害。

綜上可知，相同工況碰撞騎車人的顱腦主應(yīng)力與顱內(nèi)壓力均略小于行人，但在仿真結(jié)果中還看到其兩者碰撞點(diǎn)所處位置差別較大。騎車人頭部碰撞點(diǎn)處于碰撞側(cè)的腦后方，而行人頭部碰撞點(diǎn)處于碰撞側(cè)的上方，如圖12所示。

圖12 騎車人和行人碰撞頭部接觸位置

轎車在15～75km/h速度區(qū)間分別與騎車人和行人發(fā)生碰撞，騎車人/行人頭部的主應(yīng)力和壓力對(duì)比如圖13和圖14所示。

圖13 行人和騎車人顱腦主應(yīng)力對(duì)比

圖14 行人和騎車人顱腦壓力對(duì)比

由圖13和圖14可見(jiàn)，騎車人和行人頭部顱腦主應(yīng)力和壓力的變化規(guī)律基本一致，其總趨勢(shì)均隨碰撞車輛速度增加而增大。行人的顱腦主應(yīng)力和顱內(nèi)壓力都比騎車人的大，故同等條件下行人顱腦受到傷害較大。在車輛速度為60～70km/h高速碰撞下，行人頭部顱腦主應(yīng)力和顱內(nèi)壓力變化曲線突然下折，這是由于行人肩部先與汽車風(fēng)窗玻璃接觸，在該沖擊速度下玻璃會(huì)被壓塌而分擔(dān)了頭部的沖擊能量，故出現(xiàn)了數(shù)值下降的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)真實(shí)交通事故數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到了行人與車輛、自行車與車輛兩種碰撞類型，在不同碰撞速度下的發(fā)生概率，然后建立了15～75km/h速度下的人車CAE碰撞模型，并對(duì)行人和騎車人頭部傷害機(jī)理進(jìn)行了深入研究，得出如下結(jié)論。

(1) 通過(guò)對(duì)行人和騎車人在碰撞過(guò)程中頭部運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)分析，兩者頭部碰撞點(diǎn)的WAD值、頭部相對(duì)碰撞速度和頭部碰撞角度等變化規(guī)律基本一致，可以考慮優(yōu)化調(diào)整已有行人保護(hù)法規(guī)，將行人和騎車人傷害要求在新行人保護(hù)法規(guī)中體現(xiàn)。

(2) 擴(kuò)大現(xiàn)行行人保護(hù)法規(guī)中頭部碰撞區(qū)域范圍，重新修正碰撞速度、碰撞角度等試驗(yàn)參數(shù)可以更好地同時(shí)反映行人和騎車人碰撞傷害情況。

(3) 通過(guò)對(duì)行人、騎車人頭部傷害特征研究發(fā)現(xiàn)，行人和騎車人顱腦主應(yīng)力和顱內(nèi)壓力等變化規(guī)律基本一致且數(shù)值接近，表明在新行人保護(hù)法規(guī)中用類同的傷害指標(biāo)來(lái)衡量行人和騎車人頭部的傷害是可行的。

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A Study on the Features of Car Collision Against Pedestrian’s and Bicyclist’s Heads

Zeng Biqiang, Gao Jidong, Peng Wei & Sun Zhendong

ChinaAutomotiveTechnology&ResrarchCenter,Tianjin300300

On the basis of the survey results of China In-depth Accident Study project for the vehicle collision with both pedestrians and electric bicycle riders and the reconstruction simulation on accidents with THUMS dummy, the impact features of two crash conditions of car-to-pedestrian and car-to-bicyclist are summarized. Based on these, a corresponding simulation model for traffic accidents is set up, and the kinematic responses and injury features of pedestrian’s and bicyclist’s heads in collision process are studied. The results show that the conditions of car-pedestrian and car-bicyclist collisions are similar, so as long as the provisions on the impact speed, impact angle and the position of hitting point in current pedestrian protection regulations are appropriately extended, the scope of two wheeler rider protection can be well covered.

automotive engineering; head impact; pedestrian protection; bicyclist protection; safety regulations

*國(guó)家863計(jì)劃(2011AA11A286)資助。

2016228

原稿收到日期為2015年10月29日，修改稿收到日期為2015年12月27日。