SUV-載人摩托車事故中摩托車駕乘人員的損傷研究

許倩源， 周 華,2， 楊長(zhǎng)海， 陳 佳， 侯彥巧， 車瑤櫟

(1.西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，成都 610039； 2.汽車測(cè)控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610039； 3.蘇寧置業(yè)集團(tuán)有限公司，成都 620860；4.成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院，成都 610039)

摩托車因其行駛便捷性，使其成為發(fā)展中國(guó)家中小型城市和農(nóng)村等地區(qū)的一種主要交通工具，占居民總出行量的25%以上，載人現(xiàn)象盛行，載人摩托車事故為常見(jiàn)摩托車事故類型[1].2015年我國(guó)發(fā)生摩托車交通事故37 608起，占總道路交通事故的21.03%[2].2017年我國(guó)發(fā)生摩托車交通事故39 780起，占總道路交通事故的19.59%[3].摩托車駕乘人員作為弱勢(shì)道路使用者，與車輛碰撞易受到嚴(yán)重?fù)p傷，故對(duì)駕乘人員的損傷研究具有重要意義.

國(guó)外學(xué)者Guo等作者[4]對(duì)兩起汽車-摩托車事故進(jìn)行重建，分析了摩托車駕駛?cè)撕统丝驮谂鲎策^(guò)程中的運(yùn)動(dòng)形態(tài)及受力情況.Huijbers和Janssen研究發(fā)現(xiàn)碰撞速度對(duì)駕駛?cè)藫p傷程度影響最大[5].摩托車載人現(xiàn)象在發(fā)達(dá)國(guó)家較少，因此國(guó)外學(xué)者對(duì)載人摩托車事故進(jìn)行系統(tǒng)深入研究較少[6].國(guó)內(nèi)學(xué)者黃偉等作者[7]統(tǒng)計(jì)分析了重慶市135起摩托車事故，結(jié)果顯示：死亡人員中行人占20.69%，摩托車駕駛?cè)苏?9.31%，乘坐人占20%；死亡人員損傷部位統(tǒng)計(jì)表明，65.52%的死者頭部遭受損傷，95.17%的死者四肢受傷，上肢與下肢發(fā)生骨折的比為1∶2.1.王興華等作者[8]研究表明頭部和下肢在交通事故中是最易受傷的部位，最主要的致命因素為頭部損傷，占弱勢(shì)道路使用者致命損傷的80%.張乾懿等人統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示載人摩托車事故占總摩托車事故28%，16～24歲之間的摩托車駕駛?cè)溯d人現(xiàn)象更普遍[9].摩托車與汽車迎面碰撞事故中摩托車及其駕駛?cè)藫p壞和損傷最為嚴(yán)重[10].

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)摩托車事故的研究現(xiàn)狀，主要是較為宏觀的統(tǒng)計(jì)和損傷分析，對(duì)載人摩托車事故駕乘人員的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)研究較少.2015～2017年我國(guó)乘用車中SUV的占有率達(dá)到25%～30%，并呈逐年增加的趨勢(shì)，人和二輪車與SUV車輛發(fā)生碰撞時(shí)的死亡率遠(yuǎn)大于普通轎車，SUV在前部結(jié)構(gòu)上(保險(xiǎn)杠高度、車頭長(zhǎng)度和重心高度等)與轎車、廂式客車等有顯著差異，事故中駕乘人員損傷特點(diǎn)也有明顯差異[11].鑒于此，本研究從國(guó)家車輛事故深度調(diào)查體系(NAIS)中選取一例符合載人摩托車與SUV迎面碰撞事故類型的案例，利用Pc-Crash軟件建立碰撞模型并展開(kāi)仿真試驗(yàn)，對(duì)駕駛?cè)撕统丝偷念^部損傷進(jìn)行對(duì)比研究，為摩托車駕駛?cè)撕统丝蛽p傷分析與保護(hù)以及摩托車交通安全管理提供參考.

1 模型建立與驗(yàn)證

PC-Crash仿真軟件在道路交通事故鑒定中應(yīng)用非常廣泛，其實(shí)用性及有效性已得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的充分證明[12].為確保事故重建的準(zhǔn)確性，應(yīng)使駕乘人員損傷情況在事故重建獲得的損傷數(shù)據(jù)中得到解釋，車輛變形痕跡在仿真中得以體現(xiàn).

1.1 案例詳情

如圖1所示，2018年2月19日，12∶30.豐田普拉多沿省道303線由小金縣向成都方向行駛，行駛至小金縣省道303線某路段，與對(duì)向占道行駛的載人摩托車迎面相撞，造成了摩托車駕駛?cè)怂劳黾俺丝椭貍闹卮蠼煌ㄊ鹿?

圖1 事故現(xiàn)場(chǎng)圖

1.2 模型建立

對(duì)涉案的摩托車、摩托車駕駛?cè)思俺丝?、SUV，利用PC-Crash軟件建立碰撞模型，并用事故相關(guān)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的有效性.

首先根據(jù)交警采集的事故現(xiàn)場(chǎng)資料，利用CAD繪制事故現(xiàn)場(chǎng)圖，將該圖導(dǎo)入PC-Crash軟件中，由事故現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況按比例進(jìn)行縮放.SUV選取Toyota-4Ru剛體模型，SUV參數(shù)通過(guò)車輛識(shí)別代號(hào)及型號(hào)查詢、事故車輛具體尺寸可得，以此調(diào)整SUV模型參數(shù).摩托車、駕駛?cè)恕⒊丝瓦x取PC-Crash軟件中自帶的多剛體模型.根據(jù)交警提供的資料獲得駕駛?cè)撕统丝托畔?，駕駛?cè)松砀?75 cm,體重70 kg；乘客身高160 cm,體重60 kg.利用PC-Crash軟件對(duì)載人摩托車模型根據(jù)事故數(shù)據(jù)進(jìn)行縮放.

根據(jù)《典型交通事故形態(tài)車輛行駛速度技術(shù)鑒定》[13]，仿真試驗(yàn)時(shí)，設(shè)人與車之間的摩擦因數(shù)為0.45，人、摩托車與路面間的摩擦因數(shù)為0.6，SUV與路面間的摩擦因數(shù)為0.7.根據(jù)詢問(wèn)筆錄可知，SUV碰撞時(shí)刻速度約為60 km/h左右，摩托車超速行駛.再由文獻(xiàn)[14]中提出的方法對(duì)涉案車輛的車速及碰撞位置進(jìn)行預(yù)估.

1.3 模型驗(yàn)證

仿真結(jié)果表明，當(dāng)SUV車速為56 km/h、摩托車車速為45 km/h時(shí)，摩托車、駕駛?cè)?、乘客的仿真拋距值分別為12.93、17.72、10.61 m，與事故現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際拋距比較誤差均小于5%，仿真模型能與實(shí)際情況很好吻合.在圖2和圖3中，通過(guò)對(duì)比分析，摩托車、SUV的損壞情況能在仿真中得到合理解釋.駕乘人員的各部位損傷仿真值如表1所示，駕駛?cè)祟^部、胸部、大腿、左小腿損傷達(dá)到耐受極限，其中胸部和頭部的嚴(yán)重?fù)p傷是造成駕駛?cè)怂劳龅闹苯釉?乘客左大腿、小腿發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷.以上車輛及人員情況與國(guó)家車輛事故深度調(diào)查體系(NAIS)中記錄的信息一致，模型的有效性得到驗(yàn)證.

圖2 t=6 ms時(shí)的碰撞對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖3 t=150 ms時(shí)的碰撞對(duì)應(yīng)關(guān)系

表1 摩托車騎車人和乘客的損失分析

2 仿真方案設(shè)計(jì)

將SUV縱軸旋轉(zhuǎn)到摩托車縱軸位置轉(zhuǎn)過(guò)的角度記為碰撞位置角θ(0o≤|θ|≤90o)，以θ的正負(fù)表示旋轉(zhuǎn)方向，順時(shí)針記為負(fù)，逆時(shí)針記為正.θ的取值決定摩托車與SUV碰撞時(shí)的相對(duì)位置，如圖4所示，定義當(dāng)-30°≤θ≤30°時(shí)為迎面碰撞.

圖4 碰撞位置角

冉啟林等作者[19]對(duì)NAIS中的24例摩托車事故的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示：16例摩托車碰撞車速在10～35 km/h之間，18例汽車碰撞車速在30～70 km/h之間.文獻(xiàn)[20]中統(tǒng)計(jì)表明,90%的汽車-摩托車事故中汽車的速度在37～72 km/h之間.

為研究碰撞位置角、碰撞速度對(duì)摩托車駕駛?cè)撕统丝蛽p傷影響規(guī)律，SUV碰撞時(shí)刻速度設(shè)定5組：30、40、50、60、70 km/h，摩托車速度設(shè)定6組：10、15、20、25、30、35 km/h.根據(jù)θ的取值將仿真試驗(yàn)分為5組進(jìn)行，設(shè)θ為-30°、-15°、0°、15°、30°.

3 仿真結(jié)果與分析

摩托車駕乘人員損傷主要來(lái)自與汽車和路面碰撞所致，頭部損傷值取駕乘人員與汽車或路面撞擊中的最大值.

3.1 摩托車駕乘人員的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過(guò)程

表2為不同時(shí)刻駕乘人員與SUV碰撞后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)狀態(tài).當(dāng)碰撞位置角為30°時(shí)，兩人隨摩托車逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)從SUV左側(cè)拋出，未與SUV發(fā)生碰撞；當(dāng)碰撞位置角為15°時(shí)，駕駛?cè)祟^、胸、腹與發(fā)動(dòng)機(jī)蓋碰撞，乘客沿駕駛?cè)吮巢肯蚯盎疲^部與發(fā)動(dòng)機(jī)蓋輕微碰撞，隨后兩人從SUV左側(cè)騰空拋出；當(dāng)碰撞位置角為0°時(shí)，駕駛?cè)丝焖僮蚕虬l(fā)動(dòng)機(jī)蓋之后向上爬升一段距離，乘客沿駕駛?cè)藳_向發(fā)動(dòng)機(jī)蓋但未發(fā)生碰撞，隨后駕駛?cè)搜厍氨ｋU(xiǎn)杠滑下，乘客拋向空中四肢大幅擺動(dòng)；當(dāng)碰撞位置角為-15°時(shí)，駕駛?cè)松习肷砼c發(fā)動(dòng)機(jī)蓋碰撞，乘客頭部與發(fā)動(dòng)機(jī)蓋靠近風(fēng)窗玻璃處輕微碰撞，隨后乘客以比駕駛?cè)烁叩膾伕邟伋觯丝拖嚷湓诎l(fā)動(dòng)機(jī)蓋再墜向地面；當(dāng)碰撞位置角為-30°時(shí)，兩人從左側(cè)與發(fā)動(dòng)機(jī)蓋發(fā)生碰撞，隨后駕駛?cè)搜匕l(fā)動(dòng)機(jī)蓋下滑，乘客拋向空中，四肢擺幅較大，落向發(fā)動(dòng)機(jī)蓋并從發(fā)動(dòng)機(jī)蓋右側(cè)墜向地面.

表2 不同時(shí)刻駕乘人員與SUV碰撞后的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)狀態(tài)

3.2 碰撞位置角、摩托車車速對(duì)駕乘人員損傷影響

SUV車速一定(50 km/h)，研究碰撞位置角θ及摩托車車速對(duì)摩托車駕乘人員的損傷影響.

圖5為摩托車車速與駕駛?cè)恕⒊丝皖^部HIC值的關(guān)系對(duì)比曲線.該圖顯示，兩人頭部HIC值隨摩托車速度的增加而增大.當(dāng)摩托車車速達(dá)到約22 km/h時(shí)，駕駛?cè)说念^部受到致命損傷的概率較高.乘客頭部HIC值受摩托車車速影響較小，其頭部損傷未超過(guò)耐受極限.

圖5 駕乘人員頭部HIC值與摩托車車速的關(guān)系

圖6為碰撞位置角θ與摩托車駕駛?cè)恕⒊丝皖^部損傷的關(guān)系對(duì)比曲線.該圖表明，乘客頭部損傷受碰撞位置角θ的影響比駕駛?cè)诵?駕駛?cè)祟^部損傷隨θ由-30°到30°的變化過(guò)程中：摩托車車速由10 km/h到20 km/h時(shí)，頭部損傷逐漸減?。卉囁?5 km/h到35 km/h時(shí)，駕駛?cè)祟^部HIC值先減小后增大.駕駛?cè)嗽讦葹?15°時(shí)頭部損傷最小，分析得出，其原因可能是在此碰撞位置駕駛?cè)梭y部先與發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿碰撞消耗了一部分碰撞能量所致.

圖6 駕乘人員頭部HIC值與碰撞位置角的關(guān)系

3.3 碰撞位置角、SUV車速對(duì)駕駛?cè)伺c乘客各部位損傷影響

摩托車車速一定(20 km/h)，研究碰撞位置角θ及SUV車速對(duì)駕乘人員的頭部損傷影響.

圖7為SUV車速與摩托車駕駛?cè)?、乘客頭部HIC值的關(guān)系對(duì)比曲線.該圖表明，兩人頭部HIC值隨SUV車速增大而上升，駕駛?cè)说念^部損傷大于乘客.當(dāng)-30°<θ<15°時(shí)，駕駛?cè)祟^部HIC值受SUV速度影響較大，SUV速度達(dá)到約44 km/h時(shí)，時(shí)頭部損傷達(dá)到耐受極限.當(dāng)θ=30°時(shí)，迎面碰撞時(shí)間較短，駕駛?cè)四鏁r(shí)針?lè)较驋伋鑫磁cSUV碰撞，頭部HIC值受SUV車速影響較小.乘客在設(shè)定的任意碰撞位置角頭部HIC值受SUV車速影響均較小，不會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p傷.

圖7 駕乘人員頭部HIC值與SUV車速的關(guān)系

圖8為碰撞位置角θ與摩托車駕駛?cè)?、乘客頭部HIC值的關(guān)系對(duì)比曲線.兩人頭部損傷隨θ由-30°到30°的變化過(guò)程中呈逐漸減小的趨勢(shì).駕駛?cè)祟^部損傷在SUV速度大于50 km/h時(shí)受θ的變化影響較大，當(dāng)-30°<θ<15°時(shí)，駕駛?cè)祟^部損傷均達(dá)到耐受極限.乘客頭部損傷受θ影響較小，隨角度變化頭部HIC值有較小波動(dòng)，未受到嚴(yán)重?fù)p傷.當(dāng)θ=30°時(shí)，駕駛?cè)撕统丝湍鏁r(shí)針?lè)较驋伋?，兩人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相似均未與SUV碰撞，碰撞時(shí)間較短獲得碰撞能量較小，兩人頭部未遭受致命損傷.

圖8 駕乘人員頭部HIC值與碰撞位置角的關(guān)系

3.4 討 論

摩托車駕乘人員頭部HIC值均隨碰撞速度增加而增大，駕駛?cè)吮瘸丝皖^部損傷更易受碰撞速度影響.

1)當(dāng)-30°<θ<15°時(shí)，駕駛?cè)祟^部損傷主要來(lái)自與發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋碰撞所致.

2)當(dāng)θ=30°時(shí)，駕駛?cè)祟^部損傷來(lái)自與地面碰撞，在該碰撞位置摩托車車速與SUV車速對(duì)駕駛?cè)祟^部損傷影響差異性較大.分析得出，其原因是摩托車與SUV碰撞時(shí)間較短，SUV速度增加難以使駕駛?cè)双@得較大碰撞能量，而摩托車速度增大時(shí)，駕駛?cè)藙?dòng)能隨之增加.

3)乘客的頭部HIC值在各個(gè)碰撞條件下均較低，分析得出，其原因是在碰撞時(shí)，乘客首先與駕駛?cè)税l(fā)生一次碰撞消耗一部分碰撞能量，接著與發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋碰撞時(shí)，駕駛?cè)伺c發(fā)動(dòng)機(jī)蓋先碰撞對(duì)乘客具有一定緩沖作用，故乘客頭部損傷較小.

4 結(jié) 論

1)當(dāng)SUV車速一定時(shí)，摩托車駕乘人員頭部HIC值隨摩托車車速的增加而變大，駕駛?cè)吮瘸丝皖^部更易受到損傷.碰撞位置角θ對(duì)乘客的頭部損傷影響較??；當(dāng)摩托車車速大于15 km/h時(shí)，碰撞位置角θ對(duì)駕駛?cè)祟^部損傷較大，駕駛?cè)嗽馐苤旅鼡p傷的概率較高.

2)當(dāng)摩托車車速一定時(shí)，兩者頭部HIC值隨SUV車速增加而變大.當(dāng)-30°<θ<15°時(shí)，駕駛?cè)祟^部損傷受SUV車速影響遠(yuǎn)大于乘客.隨θ由-30°變化到30°，駕駛?cè)祟^部損傷逐漸減小，且其頭部損傷受θ影響大于乘客.

3)更多不同的碰撞類型、車型對(duì)載人摩托車事故中駕駛?cè)?、乘客的損傷影響有待進(jìn)一步研究.