基于事故重建的騎車人頭部碰撞測評工況研究

龍永程 費敬 李雪玲 譚普元 李凡

（1.汽車振動噪聲和安全技術(shù)國家重點實驗室，重慶 401122；2.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；3.清華大學，北京 100084；4.汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082）

主題詞：汽車安全 頭部碰撞 事故重建 兩輪車

1 前言

根據(jù)公安部交通管理局2019 年統(tǒng)計年報，電動兩輪車、摩托車和自行車騎車人在交通事故中的死亡人數(shù)在2019 年所有交通事故死亡人數(shù)中的占比分別為13.76%、19.35%和4.42%[1]。我國兩輪車事故中，電動兩輪車為主要參與對象[2-3]，而歐洲兩輪車事故中的主要參與對象為自行車[4]，存在明顯差異。

以往的行人保護測試評價規(guī)程中[5-6]，用頭型沖擊器以40 km/h 的速度和以50°或65°的碰撞角度撞擊車輛包絡線（Wrap Around Distance，WAD）1 000～2 100 mm的區(qū)域。一些學者參照行人頭部碰撞的測評方法建立了兩輪車騎車人頭部碰撞工況。Oliver Zander 等[7]對德國交通事故深入調(diào)查（German In-Depth Accident Study，GIDAS）項目的自行車事故場景進行統(tǒng)計，從中篩選了3個主要碰撞場景進行仿真分析，將目前行人保護體系中頭部區(qū)域擴大至WAD 2 500 mm，前風窗玻璃上的試驗點采用70°的碰撞角度撞擊以覆蓋自行車騎車人的頭部保護區(qū)域。歐洲新車安全評價組織（European New Car Assessment Programme，Euro NCAP）根據(jù)其研究結(jié)果最終決定將頭部碰撞區(qū)域從WAD 2 100 mm 擴大至WAD 2 500 mm，在所擴大的區(qū)域中位于前風窗玻璃上的碰撞點碰撞角度采用65°，位于車頂?shù)呐鲎颤c碰撞角度采用45°，速度均為40 km/h[8]。Wu[9]對中國交通事故深入調(diào)查（China In-Depth Accident Study，CIDAS）數(shù)據(jù)庫兩輪車與汽車的碰撞事故中騎車人頭部落點進行統(tǒng)計，80%的電動兩輪車、摩托車和自行車事故騎車人頭部落點分別在WAD 2 260 mm、WAD 2 200 mm 和WAD 2 370 mm以內(nèi)。Li等[10]通過對電動兩輪車與轎車和SUV 的碰撞事故進行仿真，得到與轎車碰撞事故中騎車人頭部的平均碰撞角度為65°，與SUV 碰撞事故中騎車人頭部的平均碰撞角度為75°，頭部碰撞速度為40 km/h。呂曉江等[11]開展了汽車-兩輪車碰撞試驗，對比了自行車碰撞與電動兩輪車碰撞的運動規(guī)律，自行車騎車人頭部落點在WAD 1 555～2 386 mm 區(qū)間，電動兩輪車騎車人頭部落點在WAD 809～2 155 mm區(qū)間，頭部碰撞角度隨頭部落點位置及車型的不同而不同。

根據(jù)國內(nèi)學者的研究，電動兩輪車騎車人的頭部落點位置和碰撞角度在不同的車型上存在差異，車型差異性在測評方法中的體現(xiàn)也是需要解決的問題。本文首先通過文獻調(diào)研中國兩輪車事故情況，統(tǒng)計兩輪車事故的主要場景和邊界條件，從所收集的事故中選取2例較為典型的事故案例進行重建，開展兩輪車-汽車碰撞全矩陣仿真，研究騎車人的頭部運動學規(guī)律。

2 事故重建及模型驗證

2.1 事故信息

根據(jù)文獻[10]、文獻[12]～文獻[14]的統(tǒng)計，設參與方A、B分別代表汽車和兩輪車，事故的主要場景如表1所示。其中場景1～場景4 的事故發(fā)生率較高。潘威凱[3]通過國家車輛事故深度調(diào)查體系（National Automobile Accident In-Depth Investigation System，NAIS）數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，汽車前部與兩輪車側(cè)面碰撞是最常見的沖突場景。

表1 文獻中的主要事故場景

本文在中國汽研采集的兩輪車事故數(shù)據(jù)中，選擇2例符合前文事故場景的較為典型的事故，建立仿真模型并進行驗證。選擇的原則為：兩輪車與車輛前部發(fā)生碰撞，車輛前端有明顯的碰撞位置；兩輪車騎車人未戴頭盔；視頻信息能反映騎車人在碰撞過程中的運動學響應。

2.2 車輛和人體模型

事故中的兩輪車和汽車模型均采用多剛體建模，如圖1 所示?；A模型來源于文獻[15]，并基于事故重建進行了驗證。根據(jù)車輛基礎模型，按照本文中2例實際事故中車輛的外廓尺寸，對汽車模型進行調(diào)整。

圖1 兩輪車和汽車模型

騎車人模型采用MADYMO 軟件自帶的人體模型，模型已進行尸體、事故重建和物理假人的對標驗證[16-17]。根據(jù)兩輪車座墊、踏板和把手高度調(diào)節(jié)假人乘坐姿態(tài)，如圖2所示。

圖2 騎車人模型

2.3 事故重建

圖3所示為重建的轎車-兩輪車事故中騎車人運動學響應與事故視頻的對比。碰撞后，騎車人上半身側(cè)向倒向發(fā)動機罩，腿部遠離車輛前部，右肩及胸部右側(cè)撞擊發(fā)動機罩，頭部發(fā)生繞頸部的旋轉(zhuǎn)，但未撞擊發(fā)動機罩，隨后身體側(cè)向遠離車輛。

圖3 轎車事故重建對比

圖4所示為重建的SUV-兩輪車事故中騎車人運動學響應與事故視頻的對比。碰撞后，騎車人上半身轉(zhuǎn)為面對車輛方向，頭部撞擊發(fā)動機罩前緣（面部接觸），頭部與軀干充分撞擊車身后，騎車人身體遠離車輛。

圖4 SUV事故重建對比

通過對真實事故記錄的視頻分析和碰撞還原，驗證了模型具有一定的描述兩輪車騎車人在碰撞過程中運動響應的能力。受限于車輛前端結(jié)構(gòu)剛度的差異、兩輪車騎車人主動肌肉響應無法在模型中體現(xiàn)，以及實際事故的復雜性，模型不能描述碰撞過程中四肢的主動應激反應，但仿真模型的兩輪車駕駛員整體運動趨勢與真實事故一致，可以用于后續(xù)研究。

3 參數(shù)分析

張立存[2]統(tǒng)計了事故中自行車、電動兩輪車、摩托車與汽車碰撞前的平均速度分別在10～15 km/h、20～25 km/h 和30～35 km/h 范圍內(nèi)。羅俊任[18]基于NAIS 數(shù)據(jù)庫，調(diào)研了280起汽車與兩輪車的碰撞事故，90%的事故中汽車速度都在60 km/h 以下，電動兩輪車和摩托車速度均在50 km/h以下。

根據(jù)前文對國內(nèi)兩輪車事故文獻的分析，選取5個變量進行仿真矩陣設置，各參數(shù)范圍如表2 所示，共進行1 800 次仿真。參數(shù)定義如圖5 所示，碰撞角度以兩輪車垂直車輛前進方向為0°，逆時針方向為正向。偏置距離定義為假人H 點與車輛中線的距離，向下為正向。計算后輸出每個頭部碰撞點的位置、速度和相對地面水平面的角度。

表2 仿真矩陣參數(shù)設置

圖5 變量定義

4 驗證結(jié)果與分析

4.1 頭部碰撞位置

圖6和圖7展示了不同體型騎車人頭部碰撞點在轎車和SUV車型上的分布情況。

圖6 騎車人頭部碰撞點在轎車車型上的分布情況

在轎車-兩輪車碰撞事故中，第5 百分位騎車人頭部碰撞點集中在發(fā)動機罩區(qū)域，第50 百分位騎車人頭部碰撞點集中在發(fā)動機罩與前風窗玻璃交界區(qū)域，第95百分位騎車人頭部碰撞點集中在發(fā)動機罩末端及前風窗玻璃區(qū)域，極少數(shù)碰撞點在車頂區(qū)域。頭部碰撞點在車輛上的包絡距離統(tǒng)計結(jié)果顯示：頭部碰撞點在WAD 1 400～2 000 mm 區(qū)間有一定集中趨勢，可覆蓋75%的碰撞點；WAD 2 300 mm 以下可涵蓋90%以上的碰撞點。

在SUV-兩輪車碰撞事故中，頭部碰撞點基本位于發(fā)動機罩前緣及中部區(qū)域。頭部碰撞點在車輛上的包絡距離統(tǒng)計結(jié)果顯示，超過90%的頭部碰撞點均在WAD 1 700 mm范圍內(nèi)。

轎車-兩輪車碰撞事故和SUV-兩輪車碰撞事故中，兩輪車騎車人頭部碰撞點分布范圍差別較大。

4.2 碰撞速度

在目前的行人保護評價體系中，頭部沖擊器的碰撞速度為40 km/h，在該速度下能覆蓋轎車-兩輪車碰撞事故中約80%的碰撞點，如圖8 所示。由于仿真矩陣中車輛的初始速度范圍為20～60 km/h，有部分速度偏高（>40 km/h），導致部分頭部碰撞速度偏高。車輛上不同包絡線區(qū)域的頭部碰撞速度無明顯規(guī)律。

圖8 轎車-兩輪車碰撞事故中騎車人頭部碰撞速度分布

如圖9所示，40 km/h頭部碰撞速度可以覆蓋SUV-兩輪車碰撞事故中約70%的碰撞點。車輛上不同的包絡線區(qū)域與頭部碰撞速度無明顯規(guī)律，除WAD 小于1 300 mm 的區(qū)域外，其余包絡線區(qū)域基本能包含40 km/h 頭部碰撞點范圍。在WAD 小于1 300 mm 的區(qū)域，頭部碰撞速度明顯比其他區(qū)域小，約為20 km/h。結(jié)合2 個車型來看，除SUV 發(fā)動機罩前端（WAD 小于1 300 mm）的區(qū)域外，目前行人保護測評中40 km/h能代表兩輪車騎車人的頭部碰撞速度。

圖9 SUV-兩輪車碰撞事故中騎車人頭部碰撞速度分布

4.3 碰撞角度

圖10 所示為轎車-兩輪車碰撞事故中騎車人頭部碰撞角度分布情況。頭部碰撞角度在40°～70°區(qū)間內(nèi)較為集中，目前行人保護測評中頭部沖擊器的碰撞角度為50°（兒童頭型）和65°（成人頭型），能夠覆蓋大多數(shù)工況。發(fā)動機罩和前風窗玻璃交界區(qū)域大致位于WAD 1 700 mm的區(qū)域，根據(jù)頭部碰撞角度與WAD之間的關系：在WAD 不大于1 700 mm 的區(qū)域，騎車人頭部碰撞角度基本保持一致；在WAD 大于1 700 mm 的區(qū)域，頭部碰撞角度開始減小；在WAD 大于2 100 mm 的區(qū)域，頭部碰撞角度達到最小值。這是由于兩輪車騎車人在與轎車的碰撞中會發(fā)生身體的側(cè)傾與騰空：騎車人側(cè)傾運動占據(jù)主導時，頭部以較大的碰撞角度撞擊到WAD較小的區(qū)域；騎車人騰空運動占據(jù)主導時，頭部以較小的碰撞角度撞擊到WAD 較大的區(qū)域。在車輛WAD 2 100～2 300 mm的區(qū)域，頭部碰撞角度約為45°。

圖10 轎車-兩輪車碰撞事故中騎車人頭部碰撞角度分布

圖11 所示為SUV-兩輪車碰撞事故中騎車人頭部碰撞角度的分布情況。相比轎車-兩輪車碰撞事故，騎車人頭部碰撞相對分散，出現(xiàn)了較多大角度（>80°）的撞擊工況。這是由于SUV 發(fā)動機罩前緣較高，直接撞擊電動兩輪車騎車人腰部及下胸位置，導致頭部與發(fā)動機罩接觸前，軀干側(cè)傾過程中，胸部與發(fā)動機罩前緣充分接觸減速，使頭部碰撞時水平方向的相對速度較小，如圖12 所示。但在該工況下頭部的碰撞速度較?。▓D9），與目前行人保護測評體系中的頭部工況（碰撞角度50°，碰撞速度40 km/h）的碰撞能量相比，其能量較低，不會造成更為嚴重的頭部損傷，但是其碰撞角度更大，可能對騎車人的頸部造成較大損傷。因此，對于SUV，目前行人頭部保護的測評工況基本能夠覆蓋對騎車人的頭部保護范圍，此外，SUV 發(fā)動機罩前緣較高，可能會對騎車人的胸部造成較大的損傷。

圖12 SUV-兩輪車碰撞事故中騎車人頭部大角度碰撞過程

4.4 結(jié)果分析

根據(jù)前文的分析，對于轎車-兩輪車碰撞事故，騎車人頭部碰撞點明顯靠后，在覆蓋90%的碰撞點范圍條件下，轎車WAD 達到2 300 mm，而SUV 的WAD為1 700 mm，因此區(qū)分車型來擴展兩輪車的頭部保護區(qū)域更符合實際騎車人的運動學響應。頭部碰撞范圍差異的主要原因是兩輪車騎車人與車輛之間的接觸特性不一致，導致碰撞發(fā)生后騎車人的軀干運動規(guī)律不一致，主要影響因素為車輛發(fā)動機罩前緣高度。

圖13 分析了不同前緣基準線（Bonnet Leading Edge，BLE）[6-7]高度下騎車人碰撞后的軀干運動規(guī)律和頭部撞擊位置：當發(fā)動機罩前緣高度大于850 mm 時，騎車人髖部所受橫向撞擊作用更加明顯，軀干騰空趨勢減弱，頭部撞擊位置前移；當發(fā)動機罩前緣高度大于900 mm時，騎車人軀干不再具有騰空運動趨勢。

圖13 不同BLE高度下騎車人的運動響應

表3展示了文獻[19]、文獻[20]中的車輛發(fā)動機罩前緣基準線高度。轎車的前緣高度通常小于800 mm，SUV前緣高度通常在840 mm以上，結(jié)合運動響應分析，建議以850 mm為界對被測車型進行劃分。

表3 統(tǒng)計高度參考值 mm

綜上所述，對于兩輪車騎車人頭部保護測評工況，建議按車型的BLE高度850 mm進行區(qū)分：對于發(fā)動機罩前緣較低的車輛，頭部碰撞區(qū)域建議由WAD 2 100 mm擴大至WAD 2 300 mm，碰撞角度為45°；對于發(fā)動機罩前緣較高的車輛，無需擴大頭部碰撞區(qū)域。

5 結(jié)束語

本文基于事故重建的方法在仿真中研究了兩輪車騎車人頭部碰撞情況，結(jié)合行人保護頭部測評方法提出了測評建議。由于實際交通事故的復雜性，仿真模型亦不能完全準確地反映完整碰撞過程。另外，在仿真中使用的是多剛體模型，騎車人的各部位傷害情況未進行研究。但在仿真中發(fā)現(xiàn)，SUV車型雖不會造成頭部碰撞區(qū)域擴大，但是發(fā)動機罩前緣會對騎車人胸部造成明顯的損傷，而且發(fā)生頭部大角度碰撞時也可能對頸部造成損傷，上述問題可在后續(xù)研究中完善。