多角度人車碰撞事故中行人的損傷性分析

曹軍帥，任傳波，孫志釧，許震，張永國，馬克輝

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院, 山東 淄博 255049)

近年來，機動車保有量呈現(xiàn)持續(xù)增長的態(tài)勢，交通事故發(fā)生率居高不下[1]。行人是弱勢道路使用者，行人保護的目的是盡量地降低行人的碰撞傷害，而影響碰撞傷害的因素主要有車速、碰撞角度和車身結(jié)構(gòu)[2]。Elliott等[3]研究發(fā)現(xiàn)，車速、行人步速和行人步態(tài)對行人撞擊后運動學(xué)具有重要影響；李丹等[4]研究發(fā)現(xiàn)，行人運動狀態(tài)對行人的損傷有重要影響；韓勇等[5]研究發(fā)現(xiàn),汽車前端結(jié)構(gòu)對行人損傷有重要影響。這些學(xué)者主要研究車輛碰撞速度、行人步態(tài)、行人步速、車身結(jié)構(gòu)等因素對行人損傷的影響，但對于行人與車輛不同碰撞角度下行人損傷方面的研究較少。因此，本文利用LS-DYNA仿真軟件建立人車碰撞模型，并進行碰撞仿真分析，研究人車碰撞角為0°、45°、90°、135°、180°條件下，行人頭部、胸部及腿部損傷情況，以期為人車碰撞事故中行人保護提供參考。

1 行人與汽車碰撞模型

1.1 假人模型

在碰撞實驗中，假人碰撞模型的建立是仿真研究的基礎(chǔ)，具有較高人體生物相似度的假人模型對仿真實驗的精準性有很大的影響[6]。

目前，全球應(yīng)用最廣泛的汽車碰撞假人是混III 50百分位男性假人[7]。該假人已普遍應(yīng)用于汽車碰撞實驗中，但該假人是基于歐美人體尺寸而設(shè)計，與我國人體尺寸存在一定的差異[8-9]。因此,本仿真參照全體段縮放方法[10]，根據(jù)中國人體尺寸對混III 50百分位整體假人有限元模型進行縮放得到中國50百分位假人有限元模型(1.63 m)。根據(jù)人車碰撞事故中碰撞前行人狀態(tài)統(tǒng)計情況： 74%的成年行人處于行走或奔跑狀態(tài)，且事故中行人與車身前部接觸比例最高約占67.1%[11]，因此將假人調(diào)整為行走姿勢，左腿在前，左腳完全落地，右腿在后且右腳腳尖著地，腳跟抬起。

1.2 汽車模型

參照某款國產(chǎn)轎車的結(jié)構(gòu)尺寸創(chuàng)建汽車模型。由于人車碰撞時行人主要與汽車前端發(fā)生碰撞，為了節(jié)省計算時間，在確保車身主要結(jié)構(gòu)完整的前提下，對汽車前端主要部件進行建模，包括前保險杠、前防撞梁、發(fā)動機、發(fā)動機罩蓋、前擋風玻璃等，其余部件作簡化建模處理。

1.3 人車耦合模型

通過LS-Prepost進行前處理，將假人模型放置在汽車模型前端，然后旋轉(zhuǎn)假人，與汽車前端分別形成夾角θ=0°、45°、90°、135°、180°。將碰撞角度不同的人車模型分別在LS-Prepost中設(shè)置相同的環(huán)境變量：人體各部分與車身碰撞時的接觸摩擦系數(shù)為0.4、車輪與地面摩擦系數(shù)為0.55、地面與人體摩擦系數(shù)為0.5[12]、碰撞車速為40 km/h[13]、仿真時間600 ms，然后導(dǎo)入LS-DYNA求解器中進行求解。汽車與假人耦合模型如圖1所示。

圖1 人車耦合模型示意圖Fig.1 The schematic diagram of human-vehicle coupling model

2 碰撞仿真分析

由于在人車碰撞事故中，行人的頭部是最易受到重度損傷的部位(80%)，其次為胸部(7%)，而受到中度損傷比例較高的部位為下肢(37%)，其次為頭部(35%)[14]。因此，本文對5種不同碰撞角度下假人頭部、胸部及腿部損傷值進行分析比較。

2.1 仿真過程

多角度人車碰撞仿真動畫示意圖如圖2所示。從圖2可以看出，人車碰撞中不同的碰撞角度會造成人車碰觸部位的不同，進而造成假人不同的運動狀態(tài)。

圖2 多角度人車碰撞仿真動畫示意圖Fig.2 The multi-angle collision simulation animation

人車碰撞角度θ=0°時，假人腿部膝蓋首先與前保險杠發(fā)生碰觸，由于人體與汽車碰觸的部位處于人體重心下方，使得假人繞過重心的水平軸轉(zhuǎn)動，假人上身向發(fā)動機罩傾斜，胸部正面與發(fā)動機罩發(fā)生碰觸，隨后假人顎骨與前風窗玻璃下端部位發(fā)生碰觸。假人身體由于碰撞力的作用向上彈起，隨后向下墜落，胸部再次與發(fā)動機罩發(fā)生碰觸，假人被汽車頂著向前運動。

與θ=0°碰撞情況不同：θ=45°時，假人胸部正面右側(cè)與發(fā)動機罩發(fā)生碰觸，頭面部與前風窗玻璃下端碰觸，隨后身體向汽車后部翻轉(zhuǎn)；θ=90°時，假人以右臂為支撐，胸部右側(cè)與發(fā)動機罩碰觸，頭部顳骨與前風窗玻璃下端碰觸，隨后假人身體向上彈起，并向汽車后部翻轉(zhuǎn)；θ=135°時，假人胸部沒有與發(fā)動機罩發(fā)生碰觸，而是右側(cè)背部與其碰觸造成胸部損傷，隨后假人枕骨右側(cè)部位與前風窗玻璃發(fā)生碰觸；θ=180°時，假人上身后仰在發(fā)動機罩上，背部與發(fā)動機罩碰觸，隨后頭部枕骨與前擋風玻璃碰觸，身體沿著發(fā)動機罩下滑，并向汽車后部翻轉(zhuǎn)。

2.2 頭部損傷對比分析

對于混III 50百分位碰撞假人，頭部損傷程度通常用HIC值和3 ms合成加速度來進行評價，其計算公式為

(1)

式中：t1到t2是碰撞過程中HIC計算值最大的時間間隔；a(t)表示頭部的質(zhì)心加速度，以重力加速度g為單位[15]。通過分析計算，得出5種碰撞角度下假人頭部質(zhì)心的合成加速度對比結(jié)果，如圖3所示。由圖3可知，頭部最大加速度隨著人車碰撞角度的增加而增大。人車碰撞角度θ=180°時，行人頭部的最大加速度最大，在116 ms時最大加速度為374.850g；θ=0°時，頭部的最大加速度最小，在110 ms時最大加速度為194.976g；θ=45°、θ=90°與θ=135°時頭部最大加速度分別為241.896g、248.135g和310.749g。通過計算得出各碰撞角度下假人頭部HIC值，排序為5 876(180°)>4 127(135°)>2 587(45°)>2 542(0°)>2 165(90°)，HIC值均大于法規(guī)安全標準值1 000，表明40 km/h碰撞車速下，行人頭部損傷嚴重。

圖3 頭部合成加速度曲線Fig.3 The curves of head synthesis acceleration

結(jié)合圖2仿真動畫分析可知，人車碰撞事故中，不同的碰撞角度會使得假人頭部與汽車碰撞部位不同。θ=180°時，假人頭部枕骨與前風窗玻璃發(fā)生碰觸，與其他碰撞角度相比，此時頭部受力面積最大，吸收的碰撞能量最大，由于頭部受到的碰撞能量部分會轉(zhuǎn)化成力進行釋放，則此時頭部受力最大。由牛頓第二定律可知，力與加速度成正比關(guān)系，則此時頭部加速度最大；θ=0°時，假人下顎與前風窗下端發(fā)生碰觸，與其他碰撞角度相比，頭部受力面積最小，頭部受到的碰撞力產(chǎn)生的能量也就最小，則頭部加速度要小于另外幾種碰撞角度下的加速度，頭部損傷最小。

2.3 胸部損傷對比分析

有研究表明，胸部損傷對人的傷害嚴重程度僅次于頭部，在人車碰撞事故中，行人胸部直接與發(fā)動機蓋及前風窗玻璃接觸，會造成胸骨斷裂、內(nèi)臟器官破損等傷害行為[16]。FMVSS208規(guī)定，胸部3 ms內(nèi)合成加速度不得超過60g[17]。胸部加速度曲線如圖4所示。由圖4可以看出，人車碰撞角度θ=180°時，行人胸部最大加速度值最大，為41.003g；θ=90°時，行人胸部最大加速度值最小，為27.174g；θ=135°、45°、0°時，胸部最大加速度值分別為32.925g、29.648g、37.927g。5種碰撞角度下假人胸部加速度值均未超過安全標準60g，表明40 km/h車速下行人胸部損傷在安全標準范圍之內(nèi)。

圖4 胸部加速度曲線Fig.4 The curves of chest acceleration

結(jié)合圖2仿真動畫分析可知，當人車碰撞角θ=180°時，假人背部完全與發(fā)動機罩碰觸，受力碰撞面積較大，使得胸部承受的能量較大，因此加速度最大；當碰撞角θ=90°時，假人右臂先與發(fā)動機罩碰觸，手臂承受了部分沖擊，吸收了部分碰撞產(chǎn)生的能量，降低了胸部損傷，且從圖2可以看出，此碰撞角度下胸部側(cè)面碰撞面積最小，使得胸部最大加速度低于其他幾種碰撞角度下的最大加速度。

2.4 腿部損傷對比分析

由于汽車模型前保險杠較低，碰撞時前凸的保險杠直接與假人膝蓋發(fā)生碰觸，對膝關(guān)節(jié)造成較大損傷，因此選取右膝加速度為腿部損傷評價指標。我國行人碰撞保護法規(guī)規(guī)定，人車碰撞中行人膝蓋加速度不得超過170g[18]。

右腿膝蓋加速度曲線如圖5所示。由圖5可知，人車碰撞角度θ=180°時，假人腿部損傷最大，右腿膝蓋最大加速度為551.478g；θ=0°時，假人腿部損傷最小，右腿膝蓋最大加速度為246.112g；θ=45°、90°、135°時,假人右腿膝蓋最大加速度值分別為451.895g、363.572g、454.142g。5種碰撞角度下假人膝蓋最大加速度均超過標準值170g，表明40 km/h碰撞車速下行人腿部損傷嚴重。

圖5 右腿膝蓋加速度曲線Fig.5 The curves of right knee acceleration

結(jié)合圖2仿真動畫從動態(tài)響應(yīng)角度分析，當人車碰撞角θ=180°時，假人腿部朝汽車運動方向彈起距離最大，在相同的時間內(nèi)腿部運動距離最大，說明此時腿部加速度最大，則膝蓋加速度也最大，腿部損傷最嚴重。與θ=180°相比，其它碰撞角度碰撞造成的腿部運動范圍較小，則膝蓋加速度也比較小，其中θ=0°時，腿部未離開汽車前端，彈起距離最小，說明此時腿部加速度最小，則膝蓋加速度最小，腿部損傷較輕。

3 結(jié)論

通過對人車碰撞角在0°、45°、90°、135°、180°條件下碰撞事故進行模擬仿真，得到以下結(jié)論：

(1) 40 km/h碰撞車速下,假人頭部最大加速度均大于安全標準值220g，HIC值均大于安全法規(guī)標準值1 000，且頭部最大加速度隨著碰撞角度的增大而增大，各碰撞角度下頭部HIC值排序為5 876(180°)>4 127(135°)>2 587(45°)>2 542(0°)>2 165(90°)。

(2) 40 km/h碰撞車速下,假人胸部最大加速度均在安全標準值60g范圍內(nèi)，胸部最大加速度排序為41.003g(180°)>37.927g(0°)>32.925g(135°)>39.648g(45°)>27.174g(90°)。

(3)40 km/h碰撞車速下,假人右腿膝蓋最大加速度均超過安全標準值170g，右腿膝蓋最大加速度排序為551.478g(180°)>454.102g(135°)>451.895g(45°)>363.572g(90°)>246.112g(0°)。