電動(dòng)兩輪車騎車人緊急避讓姿態(tài)對(duì)損傷風(fēng)險(xiǎn)的影響研究*

韓 勇，林麗雅，何 勇，潘 迪，蔡鴻瑜，彭 倩，馮 浩

（1. 廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廈門 361024；2. 廈門大學(xué)航空航天學(xué)院，廈門 361005；3. 司法部司法鑒定重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（司法鑒定科學(xué)研究院），上海 200063）

前言

近年來(lái)，電動(dòng)兩輪車群體增長(zhǎng)迅速，碰撞事故也越發(fā)頻繁?；谥袊?guó)交通事故深入研究（China indepth accident study，CIDAS）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，二、三輪車事故占比達(dá)60%以上。根據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒，2018和2019 年電動(dòng)二輪車發(fā)生事故占道路交通事故總數(shù)的比例分別達(dá)到了9.68%和10.81%。

關(guān)于行人和兩輪車騎車人運(yùn)動(dòng)學(xué)及損傷機(jī)理已經(jīng)進(jìn)行了諸多研究。自1970 年以來(lái)，大多數(shù)研究工作都集中在減少因車輛撞擊直接造成的行人傷害上。結(jié)果表明，最嚴(yán)重的損傷部位是頭部，其次是胸部、骨盆和下肢，并指出車輛碰撞速度和車輛前部結(jié)構(gòu)是影響行人運(yùn)動(dòng)學(xué)和傷害嚴(yán)重性的兩個(gè)主要因素。然而，行人在與車輛發(fā)生初次碰撞后最終與地面發(fā)生二次碰撞。近10 年來(lái)，許多研究人員開始關(guān)注由地面撞擊引起的行人二次損傷，發(fā)現(xiàn)在實(shí)際事故中行人與地面撞擊造成的傷害也非常嚴(yán)重。目前評(píng)估頭部損傷的標(biāo)準(zhǔn)有兩類，一類是基于頭部運(yùn)動(dòng)學(xué)，包括頭部損傷準(zhǔn)則（head injury criterion，HIC）、腦損傷標(biāo)準(zhǔn)（BrIC，BRIC）、腦損傷閾值的廣義加速模型（generalized acceleration model for brain injury threshold，GAMBIT）和頭部碰撞能量（head impact power，HIP）；另一類是基于腦組織應(yīng)力應(yīng)變的損傷準(zhǔn)則，包括最大主應(yīng)變（max principle strain，MPS）、累積應(yīng)變損傷變量（cumulative strain damage measure，CSDM）、Von-mises 應(yīng)力、剪切應(yīng)力、顱內(nèi)壓力和擴(kuò)張損傷度量（dilation damage measure，DDM）。常見的下肢評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有股骨和脛骨的彎矩、軸向的壓縮力、剪切力和Von-mises應(yīng)力。

隨著道路監(jiān)控視頻的增多，越來(lái)越多的學(xué)者開始基于事故視頻信息分析道路弱勢(shì)群體（vulnerable road users，VRU）的碰撞前姿態(tài)和碰撞后的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。Han 等通過(guò)完整的事故視頻分析了VRU 的預(yù)碰撞行為，發(fā)現(xiàn)超過(guò)一半的VRU 在遇到危險(xiǎn)時(shí)表現(xiàn)出一些緊急避讓的反應(yīng)，例如各種緊急避讓姿態(tài)。研究表明，不同的碰撞前姿態(tài)會(huì)導(dǎo)致頭部和下肢不同的損傷，但目前的研究主要集中在正常姿態(tài)，對(duì)碰撞前緊急避讓姿態(tài)的研究很少。

本文中根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查建立了一款典型的電動(dòng)兩輪車有限元模型，并采用了豐田中央研發(fā)中心開發(fā)的THUMS4.02 人體有限元模型和經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的卡羅拉汽車有限元模型，進(jìn)行騎車人不同緊急避讓姿態(tài)下的汽車-電動(dòng)兩輪車的碰撞仿真，研究不同車輛碰撞速度和電動(dòng)兩輪車騎車人不同緊急避讓姿態(tài)對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)和落地?fù)p傷風(fēng)險(xiǎn)的影響。

1 方法與材料

1.1 汽車-騎車人有限元碰撞模型

采用2012 款豐田卡羅拉汽車有限元模型。該模型包含64 個(gè)結(jié)構(gòu)部件，241 979 個(gè)單元和191 100個(gè)節(jié)點(diǎn)，整車質(zhì)量為1 239 kg。該汽車模型通過(guò)了頭錘模型以35 km/h 的速度撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)罩和行人下肢沖擊器以40 km/h 的速度撞擊保險(xiǎn)杠的模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該模型能模擬車輛前部結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，可用于騎車人碰撞仿真研究?？紤]到計(jì)算效率，對(duì)不影響分析結(jié)果的汽車后部有限元模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，采用集中質(zhì)量替代簡(jiǎn)化部分的質(zhì)量，最后獲得簡(jiǎn)化的汽車前部結(jié)構(gòu)有限元模型。

電動(dòng)兩輪車有限元模型為中國(guó)典型的電動(dòng)兩輪車車型，通過(guò)實(shí)際測(cè)量獲得幾何尺寸和質(zhì)量，使用三維軟件建模，再導(dǎo)入有限元前處理軟件進(jìn)行精密網(wǎng)格劃分，并賦予材料屬性等。該電動(dòng)兩輪車有限元模型包含56 685 個(gè)單元和43 232 個(gè)節(jié)點(diǎn)，質(zhì)量為53.6 kg。

采用豐田中央研發(fā)實(shí)驗(yàn)室有限公司開發(fā)的THUMS（total human model for safety）Ver. 4.02 第50百分位成人男性人體有限元模型模擬騎車人，身高175 cm，體質(zhì)量77 kg。該模型頭部和顱內(nèi)軟組織的相關(guān)材料特性已經(jīng)過(guò)全面驗(yàn)證，可分析腦組織損傷和顱骨骨折風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，THUMS 下肢模型可以模擬騎車人下肢骨折損傷。其運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)特性與尸體實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

根據(jù)VRU-TRAVi（VRU traffic accident database with video）中二輪車事故視頻信息，對(duì)騎車人在碰撞前的緊急避讓姿態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，基于統(tǒng)計(jì)結(jié)果選擇3 種典型緊急避讓姿態(tài)：被撞側(cè)腳著地（struck foot landing，SFL）、非 被 撞 側(cè) 腳 著 地（nonstruck foot landing，NSFL）和雙腳著地（landing on both feet，LBF）。通過(guò)對(duì)THUMS 有限元模型施加力-位移曲線的方法調(diào)整騎車人姿態(tài)，共調(diào)整4 種騎車人姿態(tài)（圖1）。

圖1 騎車人有限元模型

1.2 碰撞仿真矩陣

根據(jù)VRU-TRAVi 數(shù)據(jù)庫(kù)的二輪車事故研究，汽車與電動(dòng)兩輪車發(fā)生碰撞時(shí)，汽車速度在20～50 km/h 范圍內(nèi)，電動(dòng)兩輪車速度在10～30 km/h 范圍內(nèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車前部與兩輪車側(cè)面碰撞是最常見的事故類型。為保證騎車人損傷均由地面碰撞引起，碰撞位置選取電動(dòng)兩輪車前后輪的中軸線在汽車右側(cè)，離汽車中心線847 mm的位置，如圖2所示。

圖2 汽車-電動(dòng)兩輪車有限元模型

在LS-DYNA R11.1 環(huán)境中進(jìn)行了8 組仿真，探究不同姿態(tài)騎車人在不同車速下的落地?fù)p傷風(fēng)險(xiǎn)。表1 為仿真條件，設(shè)定汽車車速低速20 km/h、高速40 km/h，兩輪車車速為15 km/h。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 騎車人損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)

研究表明，在兩輪車事故中，頭部是騎車人最脆弱的部位，大多數(shù)損傷類型是顱骨骨折。頭部線性加速度是顱骨骨折發(fā)生的重要原因，而局灶性腦損傷和彌漫性腦損傷的發(fā)生與旋轉(zhuǎn)加速度密切相關(guān)。Shi 等通過(guò)15 項(xiàng)損傷指標(biāo)分析了10起深度事故中騎車人落地碰撞中頭部損傷情況。結(jié)果表明：角加速度、線性加速度、HIC、顱內(nèi)正壓力、CSDM和MPS 對(duì)于AIS 4+頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)具有很好的預(yù)測(cè)能力。損傷等級(jí)（abbreviated injury scale，AIS）通常用于評(píng)估腦損傷的程度，嚴(yán)重的腦損傷被歸類為AIS 4+。并用尸體實(shí)驗(yàn)測(cè)得的脛骨和股骨皮質(zhì)骨的平均屈服應(yīng)力（分別為129 和114 MPa）作為評(píng)估下肢損傷風(fēng)險(xiǎn)的參考。

據(jù)此，本文中采用峰值角加速度（peak angular acceleration，PAA）、峰值線性加速度（peak linear acceleration，PLA）、HIC、顱 內(nèi) 正 壓 力（C. P.）、CSDM和主應(yīng)變MPS 6 項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)估重度腦損傷風(fēng)險(xiǎn)，以Von-mises 應(yīng)力值評(píng)估騎車人下肢的骨折損傷風(fēng)險(xiǎn)。

2 結(jié)果分析

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

圖3 為車速是20 km/h 時(shí)，不同姿態(tài)騎車人每隔約200 ms 的碰撞運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)。電動(dòng)兩輪車騎車人與汽車碰撞時(shí)，汽車保險(xiǎn)杠右前端與電動(dòng)兩輪車尾部接觸碰撞，使電動(dòng)兩輪車以碰撞點(diǎn)為中心發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。隨后，騎車人因離心力脫離電動(dòng)兩輪車，最后與地面或電動(dòng)兩輪車發(fā)生碰撞。

圖3 車速20 km/h兩輪車騎車人運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)

正常姿態(tài)騎車人在電動(dòng)兩輪車受到撞擊側(cè)翻后，在慣性驅(qū)使下整體呈現(xiàn)一個(gè)前傾趨勢(shì)，并在電動(dòng)兩輪車的約束下發(fā)生翻轉(zhuǎn)，致使騎車人頭部右側(cè)與地面發(fā)生碰撞。與正常姿態(tài)不同的是：緊急避讓姿態(tài)SFL 和LBF 與電動(dòng)兩輪車約束較大，騎車人趴坐于電動(dòng)兩輪車上，頭部沒(méi)有與地面發(fā)生碰撞。緊急避讓姿態(tài)NSFL騎車人順時(shí)針旋轉(zhuǎn)270°，頭部前側(cè)與地面接觸。

圖4 為碰撞速度是40 km/h 時(shí)，不同姿態(tài)騎車人每隔約150 ms 的碰撞運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)。電動(dòng)兩輪車尾部受到汽車沖擊力而急劇側(cè)翻，騎車人上半身在慣性驅(qū)使下仍保持原先前進(jìn)的狀態(tài)，下半身由于受到電動(dòng)兩輪車的約束致使騎車人整體有一個(gè)繞腳面旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，隨后髖部與行駛的汽車右翼子板發(fā)生短暫摩擦，上半身在接觸點(diǎn)發(fā)生較大旋轉(zhuǎn)，整個(gè)人體呈現(xiàn)落地態(tài)勢(shì)，下肢與側(cè)翻的電動(dòng)兩輪車碰撞，上半身進(jìn)一步加劇旋轉(zhuǎn)，致使騎車人頭部以近乎垂直的角度直接沖向地面，造成嚴(yán)重的頭部損傷。與正常姿態(tài)不同的是：緊急避讓姿態(tài)SFL 騎車人下肢與電動(dòng)兩輪車相互作用力較小，致使騎車人由于慣性力更早落地。緊急避讓姿態(tài)NSFL 騎車人左腿受到汽車碰撞電動(dòng)車傳遞的力，使騎車人發(fā)生較大轉(zhuǎn)動(dòng)，胸部與電動(dòng)兩輪車把手發(fā)生碰觸，以平拋?zhàn)藨B(tài)落地，較其他姿態(tài)更晚與地面發(fā)生碰撞。緊急避讓姿態(tài)LBF 騎車人在450 ms時(shí)，右肩與地面發(fā)生接觸，隨后頭部與地面發(fā)生劇烈撞擊。

圖4 車速40 km/h兩輪車騎車人運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)

2.2 騎車人頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)分析

為研究不同緊急避讓姿態(tài)對(duì)騎車人頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)的影響，計(jì)算不同姿態(tài)騎車人頭部損傷，并進(jìn)一步研究正常姿態(tài)和緊急避讓姿態(tài)的頭部損傷差異。首先計(jì)算4 種不同姿態(tài)（正常姿態(tài)、SFL、NSFL、LBF）的6 個(gè)頭部損傷標(biāo)準(zhǔn)值。然后，將頭部AIS 4+ 閾值為標(biāo)準(zhǔn)值，并設(shè)定為1，對(duì)4 種姿態(tài)騎車人受到的頭部損傷，依照標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行重新設(shè)定。

圖5 所示為不同姿態(tài)騎車人的頭部損傷對(duì)比。在車速為20 km/h時(shí)，正常姿態(tài)騎車人頭部損傷大部分指標(biāo)超過(guò)了重度腦損傷發(fā)生的閾值。騎車人在緊急避讓姿態(tài)NSFL 的PAA 值降低了50%以上，其余各指標(biāo)均有一定的降低。緊急避讓姿態(tài)LBF 和SFL的頭部損傷遠(yuǎn)低于閾值，這是由于LBF和NSFL騎車人腿部與電動(dòng)兩輪車有較大約束，導(dǎo)致碰撞后騎車人落于電動(dòng)兩輪車上，頭部未與地面發(fā)生碰撞，與真實(shí)事故視頻中的運(yùn)動(dòng)學(xué)一致（圖6）。在車速為40 km/h時(shí)，所有姿態(tài)的頭部落地?fù)p傷均超過(guò)嚴(yán)重腦損傷發(fā)生的閾值，其中LBF的頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)最高。

圖5 不同緊急避讓姿態(tài)頭部損傷對(duì)比

圖6 緊急避讓姿態(tài)真實(shí)事故場(chǎng)景

2.3 騎車人下肢損傷風(fēng)險(xiǎn)分析

在碰撞事故中，除頭部損傷外，下肢損傷作為一種常見的損傷部位也被廣泛研究。本文中選取4 種碰撞前姿態(tài)進(jìn)行仿真分析，通過(guò)比較不同姿態(tài)騎車人股骨和脛骨的Von-mises 應(yīng)力，來(lái)評(píng)估騎車人下肢損傷風(fēng)險(xiǎn)。股骨和脛骨的Von-mises 應(yīng)力損傷評(píng)估參考值分別為114和129 MPa。

圖7 為被撞側(cè)和非被撞側(cè)騎車人腿部脛骨和股骨皮質(zhì)骨最大Von-mises 應(yīng)力。在車速為20 km/h時(shí)，各姿態(tài)下騎車人被撞側(cè)股骨Von-mises應(yīng)力均在60 MPa 左右，無(wú)顯著差異；而非被撞側(cè)股骨，SFL 應(yīng)力最小，這是由于正常姿態(tài)下肢沒(méi)有約束，碰撞后騎車人拋出慣性大，而騎車人SFL 碰撞后被撞側(cè)腿接收部分能量，非被撞側(cè)腿相對(duì)自由，股骨損傷風(fēng)險(xiǎn)最低，而SFL姿態(tài)脛骨在落地過(guò)程中與電動(dòng)兩輪車發(fā)生撞擊，損傷風(fēng)險(xiǎn)最高。騎車人LBF的應(yīng)力分布相對(duì)平均，這是由于被撞側(cè)與非被撞側(cè)的腿與電動(dòng)兩輪車的約束較大，低速時(shí)造成下肢損傷風(fēng)險(xiǎn)由電動(dòng)兩輪車引起。各姿態(tài)騎車人下肢損傷風(fēng)險(xiǎn)均未達(dá)到閾值。

圖7 騎車人腿部脛骨和股骨的最大Von-mises應(yīng)力

在車速為40 km/h 時(shí)，3 種緊急避讓姿態(tài)均達(dá)到閾值，有骨折風(fēng)險(xiǎn)。正常姿態(tài)下騎車人下肢損傷風(fēng)險(xiǎn)最低。這是由于緊急避讓姿態(tài)騎車人的腿部均有較大約束，易與車輛和地面接觸，造成下肢損傷。緊急避讓姿態(tài)NSFL，被撞側(cè)股骨在電動(dòng)兩輪車側(cè)翻后與汽車翼子板產(chǎn)生較大撞擊，導(dǎo)致其應(yīng)力最大（119.5 MPa），且超過(guò)皮質(zhì)骨斷裂閾值，非被撞側(cè)股骨在慣性運(yùn)動(dòng)中未與汽車發(fā)生接觸，發(fā)生骨折風(fēng)險(xiǎn)最低。在SFL姿態(tài)下，兩側(cè)脛骨的應(yīng)力均超過(guò)閾值。

3 結(jié)論

（1）騎車人碰撞前不同緊急避讓姿態(tài)對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)有顯著影響，導(dǎo)致騎車人落地?fù)p傷風(fēng)險(xiǎn)不同。

（2）低速碰撞（20 km/h）時(shí)，正常姿態(tài)騎車人頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)較緊急避讓姿態(tài)更高。高速碰撞（40 km/h）時(shí)，各姿態(tài)騎車人頭部均與地面發(fā)生較大沖擊，頭部損傷大幅超過(guò)閾值，有嚴(yán)重顱腦損傷風(fēng)險(xiǎn)。

（3）低速碰撞（20 km/h）時(shí)各姿態(tài)下肢損傷較低，其中緊急避讓姿態(tài)SFL 脛骨損傷風(fēng)險(xiǎn)最大。高速碰撞（40 km/h）時(shí)，正常姿態(tài)騎車人由于下肢受到電動(dòng)兩輪車的約束較小，總的來(lái)說(shuō)，損傷風(fēng)險(xiǎn)最低。因此，碰撞前采取緊急避讓姿態(tài)不能減輕騎車人下肢傷害的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）本文的研究結(jié)果為提高汽車碰撞電動(dòng)兩輪車騎車人的安全性設(shè)計(jì)提供理論參考。