汽車-電動自行車碰撞事故中騎車人頭部動力學(xué)響應(yīng)研究＊

錢宇彬 郭風(fēng)虎 王琰 肖凌云 胡文浩

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201600；2.國家市場監(jiān)督管理總局缺陷產(chǎn)品管理中心，北京 100101）

1 前言

數(shù)據(jù)表明，電動兩輪車參與的交通事故占非機動車事故的59%以上，且事故中騎車人死亡率在13.9%以上[1]。作為交通參與者中的弱勢群體，電動自行車騎車人在交通事故中容易遭受到嚴(yán)重傷害[2]，保護(hù)騎車人的安全顯得尤為重要。

國外學(xué)者針對非機動車事故開展了大量研究，結(jié)果表明，騎車人頭部是交通事故中最容易造成嚴(yán)重?fù)p傷的部位[3-6]。Darren N.Moore等人[7]對發(fā)生在北美的自行車交通事故進(jìn)行研究，分析了顯著影響騎車人損傷程度的6個變量。H?skuldur R.G.Kr?yer等人[8]基于瑞典地區(qū)交通事故數(shù)據(jù)，研究了自行車騎行人受傷嚴(yán)重程度與年齡和碰撞速度的關(guān)系。Alexandro Badea-Romero 等人[9]對英國205起汽車與自行車事故進(jìn)行深度研究，結(jié)果表明，自行車騎車人頭部與地面接觸造成的損傷比騎行人頭部與汽車接觸造成的損傷更加嚴(yán)重。N.Bourdet等人[10]研究了摩托車手頭部在真實事故中模擬撞擊的行為，分析了頭部創(chuàng)傷與沖擊速度的關(guān)系。國內(nèi)學(xué)者對于非機動車交通事故的研究也已逐步深入。聶進(jìn)等人[11]對24起自行車與轎車事故案例進(jìn)行事故重建，分析了典型碰撞形態(tài)下自行車騎車人的動力學(xué)響應(yīng)過程，并進(jìn)一步研究了騎車人身體各部位在碰撞中的損傷風(fēng)險。徐蕩等人[12]建立了汽車-行人、汽車-騎車人碰撞模型，通過仿真研究了行人和騎車人的損傷程度與碰撞速度的關(guān)系。

受形狀、質(zhì)量、速度等特點的影響，在與汽車發(fā)生碰撞時，電動自行車及騎車人的動力學(xué)響應(yīng)也有所差異，本文根據(jù)國家車輛事故深度調(diào)查體系（National Automobile Acci?dent In-Depth Investigation System，NAIS）中上海松江地區(qū)典型的汽車-電動自行車事故案例，通過事故仿真重建，分析不同因素對騎行人動力學(xué)響應(yīng)和損傷的影響。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)樣本

本文涉及的事故案例來源于NAIS 上海松江站點，事故案例的深度調(diào)查涉及不同學(xué)科的交叉，包括人車路系統(tǒng)、汽車構(gòu)造、車輛動力學(xué)、力學(xué)、醫(yī)學(xué)、道路工程等[13]。本文對13 起典型的汽車-電動自行車事故進(jìn)行重建分析，數(shù)據(jù)樣本如表1 所示。其中，碰撞角度為汽車速度與電動自行車速度方向的夾角，按順時針定義為0°～360°，碰撞位置為碰撞點與車標(biāo)的橫向距離，向左為正，向右為負(fù)。

表1 事故參數(shù)信息

2.2 事故重建

將13 起典型的事故案例進(jìn)行仿真重建，可以還原碰撞發(fā)生前、后車輛和人員的運動情況，如運動軌跡、碰撞點等，并可進(jìn)行可視化還原。碰撞事故除需參與方信息外，還需要精確的場景還原，保證每一時刻定位點的精確程度，建立的二維事故過程如圖1所示。

2.3 騎車人運動學(xué)軌跡

運用PC-Crash 軟件對事故進(jìn)行重建，分析不同碰撞類型的事故，再對騎車人碰撞后拋出的運動規(guī)律進(jìn)行歸類，可大致將騎車人的運動學(xué)軌跡進(jìn)行定義并分為7類，如圖2所示。

圖1 事故過程

圖2 騎車人的7類運動學(xué)軌跡

3 仿真設(shè)計

3.1 模型建立

本文選用PC-Crash軟件中的汽車模型和電動自行車-騎車人組合模型，對13起真實事故數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真重建分析。通過改變運動學(xué)參數(shù)，分析不同因素對碰撞模型的影響，根據(jù)碰撞事故的特點可知，騎車人碰撞后的損傷主要受碰撞速度、碰撞角度和車輛類型的影響，本文主要研究汽車-電動自行車碰撞瞬間騎車人頭部受到的影響，故碰撞速度定義為碰撞瞬間汽車的瞬時速度。

根據(jù)車輛外形參數(shù)將汽車劃分為轎車、SUV、MPV[14]。所研究的事故案例中，主要碰撞類型為汽車前部與電動自行車發(fā)生接觸，本文依據(jù)典型事故實車參數(shù)對汽車模型的前部主要幾何參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，如表2所示。

表2 車輛模型幾何參數(shù)

騎行人模型選用PC-Crash 模型庫中的電動自行車-騎行人多剛體組合模型，因電動自行車模型的影響相對較小，本研究中只選用了1 種電動自行車-騎車人組合模型，如圖3所示。

圖3 騎車人多剛體模型

模型驗證方面，將原始事故案例參數(shù)帶入模型進(jìn)行仿真運行，得到模型的運行工況和運動參數(shù)，與實際車輛運行中的參數(shù)及過程進(jìn)行對比，誤差范圍在5%以內(nèi)。

3.2 影響因素

汽車-電動自行車碰撞是多因素影響的復(fù)雜系統(tǒng)，存在多因素交叉影響的情況，對影響程度較小的因素不單獨分析，對其中4 種主要影響因素進(jìn)行研究，包括車型、車速、碰撞角度、碰撞位置。

事故重建可以得到詳細(xì)的車輛運動參數(shù)以及騎車人的碰撞參數(shù)，如速度、加速度、碰撞位置、碰撞角度等。通過對比分析可以得到對應(yīng)參數(shù)變化與騎車人頭部動力學(xué)響應(yīng)之間的關(guān)系。

4 仿真結(jié)果及分析

本文中騎車人頭部運動學(xué)響應(yīng)主要包括騎車人的運動軌跡、碰撞速度和騎車人頭部損傷標(biāo)準(zhǔn)（Head Injury Criterion，HIC）值：

式中，t1、t2分別為碰撞過程中的時間節(jié)點；R(t)為頭部質(zhì)心處加速度，可由PC-Crash軟件導(dǎo)出。

4.1 車型對騎車人動力學(xué)響應(yīng)的影響

在仿真中，設(shè)碰撞角度為90°，碰撞位置為0 cm，通過碰撞速度的調(diào)整，分析不同車型在碰撞中對騎車人動力學(xué)響應(yīng)的影響。20 km/h、40 km/h、60 km/h 車速下3種車型碰撞后騎車人的運動軌跡點及軌跡擬合曲線如圖4所示，由圖4可以看出，騎車人縱向位移與車速正相關(guān)，相同碰撞速度下對騎車人的縱向位移影響最大的為MPV，其次為SUV，最后為轎車。

圖4 不同車速下騎車人頭部運動學(xué)軌跡

由圖4 中的散點軌跡可以看出，在車速較低時，騎車人頭部會向車后繞轉(zhuǎn)，這種運動趨勢在SUV 和MPV上幅度減小，隨著車速的提高，3 種車型發(fā)生碰撞后騎車人的運動軌跡逐漸趨向于拋物線。轎車車速超過40 km/h時，騎車人會被拋起并在空中旋轉(zhuǎn)，隨著碰撞速度提高，騎車人的拋起離地高度和縱向位移逐漸增加。

4.2 碰撞角度對騎車人動力學(xué)響應(yīng)的影響

以轎車為例，以碰撞速度為變化量，分別在0°（180°）、45°（315°）和90°（270°）碰撞角度下分析碰撞角度對騎車人頭部HIC、頭部碰撞速度和頭部碰撞加速度的影響，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，不同碰撞角度下，騎車人動力學(xué)響應(yīng)情況隨著碰撞速度的變化而變化，碰撞角度為0°（180°）時騎車人受到的傷害最大，其次是45°（315°）時，碰撞角度為90°（270°）時影響相對較小。

4.3 碰撞位置對騎車人動力學(xué)響應(yīng)的影響

轎車3 種碰撞位置下，以碰撞速度為對比變化量，騎車人動力學(xué)響應(yīng)情況如圖6所示。

由圖6 可以看出，同一碰撞位置下，騎車人碰撞后的響應(yīng)程度與車速正相關(guān)，碰撞速度不超過41 km/h時，騎車人的頭部HIC 基本不超過1 000，頭部速度和加速度均在人體承受范圍內(nèi)，隨著車速增加，騎車人損傷程度也明顯增加，超過50 km/h時會對人體造成嚴(yán)重?fù)p傷。

圖6 不同碰撞位置下騎車人的動力學(xué)響應(yīng)

分析這3個位置參數(shù)的關(guān)系可知，碰撞位置為0 cm時騎車人的動力學(xué)響應(yīng)程度明顯高于±40 cm、±80 cm碰撞位置。碰撞位置在逐漸遠(yuǎn)離0 cm 位置的過程中，騎車人的損傷程度呈下降趨勢，其原因在于，在逐漸接近汽車邊緣時，騎車人受到切向力，向汽車運行軌跡外側(cè)偏移，減小了拋出的縱向距離和高度。碰撞速度超過50 km/h 時，騎車人頭部碰撞速度略有下降，因為此時騎車人會被拋起并繞上身呈旋轉(zhuǎn)運動。

4.4 碰撞角度和碰撞位置與騎車人AIS的關(guān)系

目前，關(guān)于騎車人發(fā)生碰撞后的損傷評價標(biāo)準(zhǔn)較多，評價標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的側(cè)重點也有所偏差，簡明損傷定級（Abbreviated Injury Scale，AIS）是用于量化分析人體損傷的判定標(biāo)準(zhǔn)。AIS 分為6 個等級，由低到高代表損傷程度逐漸增加，本文結(jié)合AIS 與中國新車評價規(guī)程（China-New Car Assessment Program，C-NCAP），建立頭部HIS與AIS等級的對應(yīng)關(guān)系，如表3所示。

以樣本中的13 起真實事故案例分析，結(jié)合前文碰撞位置和碰撞角度對騎車人動力學(xué)影響的結(jié)論，可以得出這2 種影響因素與騎車人AIS 等級的相關(guān)性，如圖7所示，對每個案例的碰撞角度和位置不做變化，僅改變其碰撞速度進(jìn)行重建分析，分為低速（30～35 km/h）、中速（50～55 km/h）和高速（＞60 km/h）3種速度狀態(tài)?？梢钥闯?，在同速度范圍內(nèi)碰撞位置接近0 cm時騎車人AIS等級較其他碰撞位置偏高，碰撞角度在接近0°（180°）時騎車人AIS等級也偏高。

表3 騎車人頭部HIC與AIS等級對應(yīng)關(guān)系

圖7 碰撞位置和碰撞速度與AIS的關(guān)系

5 結(jié)束語

本文基于典型碰撞事故案例，建立相匹配的組合碰撞模型，分析了事故中幾種因素對電動自行車騎車人動力學(xué)響應(yīng)影響，得出以下結(jié)論：

a.騎車人動力學(xué)響應(yīng)與汽車碰撞速度有正相關(guān)性，車型對騎車人的拋出軌跡也有一定程度的影響。隨著車速增加，轎車碰撞事故中騎車人拋出軌跡趨近拋物線。

b.對騎車人損傷最大的碰撞角度為0°（180°），對騎車人損傷最嚴(yán)重的碰撞位置為0 cm，在碰撞位置為±80 cm 時，騎車人受到的損傷相對較小。

本文所選13起事故案例不能涵蓋全部碰撞參數(shù)的影響，可增加事故案例數(shù)量以更全面地分析汽車-電動自行車事故中騎車人的碰撞情況；分析碰撞角度和碰撞位置的影響時，本文考慮2 個影響因素的組合情況較少，可對更多組合情況進(jìn)行研究。