汽車-兩輪車碰撞事故重建與分析研究

宋英武 陳君 謝鵬鵬 李世強(qiáng) 鄧詩濤 張輝力

關(guān)鍵詞：屈曲抗凹；覆蓋件；CAE ；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：U463.83+2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

截止到2022 年底，我國兩輪車的保有量就突破3.5 億輛[1]。2019年我國兩輪車騎行者的受傷、死亡人數(shù)分別占總受傷人數(shù)和總死亡人數(shù)的43% 和37%。著眼于交通安全課題，事故總量得到有效控制，非機(jī)動車交通事故的形勢仍很嚴(yán)峻，是影響社會穩(wěn)定的一大因子。兩輪車由于其獨(dú)特的交通和安全防護(hù)屬性，給碰撞事故調(diào)查分析和責(zé)任劃分帶來很大難度。因此，利用事故重現(xiàn)技術(shù)是進(jìn)行事故成因分析的重要參考手段。

Wojciech 等基于一則汽車- 汽車的碰撞實(shí)例，通過概率論分析的方法，結(jié)果表明車輛的碰撞速度的概率分布近似于正態(tài)分布[2] ；Untaroiu 等在車- 人碰撞中，將碰撞速度、碰撞角度、人在車內(nèi)的相對位置頭部朝向、行人的步行姿勢以及兒童奔跑姿勢設(shè)置為設(shè)計變量[3]。國內(nèi)在事故分析大多還停留在交警人工判責(zé)階段，在事故再現(xiàn)上的研究起步晚，很多研究才處于發(fā)展階段，基于事故建立的數(shù)據(jù)庫仍不足夠完善，關(guān)鍵環(huán)節(jié)技術(shù)掌握還不足夠。陶孫文等提出基于PC-Crash 逆向分步再現(xiàn)仿真方法，將事故劃分為不同的階段，利用一致性判斷再現(xiàn)過程的合理性[4] ；鄒鐵方基于PC-Crash 中車輛模型提出車輛側(cè)滑事故分步再現(xiàn)方法[5]。王巖基于PC-Crash 數(shù)值仿真平臺，建立了車輛、電動自行車和摩托車駕駛者的碰撞動力學(xué)模型，并研究了各種碰撞條件下自行車騎手的頭部和臀部受傷情況，為電動自行車事故重建和電動自行車騎手的防護(hù)提供了理論基礎(chǔ)[6]。

本文研究主要利用理論分析和仿真的方法，通過事故深度數(shù)據(jù)采集和事故重建技術(shù)，對碰撞過程進(jìn)行重現(xiàn)，分析碰撞過程中機(jī)動車、兩輪車和駕駛?cè)巳叩倪\(yùn)動狀態(tài)，探究碰撞事故的成因。這為提出保護(hù)汽車和兩輪車權(quán)益和安全的政策法規(guī)提供理論依據(jù)。

1 汽車- 兩輪車事故調(diào)查分析

1.1 基于視頻法推算行駛車速

根據(jù)交通事故現(xiàn)場的監(jiān)控視頻截圖，通過幀間時間差法，得出車輛前后軸通過參照物A（地面標(biāo)線）、兩輪車通過斑馬線B1和B2 的時間差（圖1）。在已知小汽車的軸距、斑馬線參數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析推算小汽車的行駛車速。

已知幀速率為23.6 fps（fps，每秒幀數(shù)），根據(jù)速度、時間和距離之間的基本關(guān)系，小汽車的行駛速度v 計算如下：

式中：L 為小汽車軸距的數(shù)值，單位m ；t 為車輛前后軸通過參照物A 的時間差數(shù)值，單位s。

1.2 汽車- 兩輪車事故深度數(shù)據(jù)采集

1.2.1 事故信息描述

事故日期/ 環(huán)境/ 位置（Date/Surrounding/Location）：2017/06/20，14：50，市區(qū)，十字路口，日光，干燥。

事故描述（Accident Description）：機(jī)動車與摩托車碰撞事故（圖2）。2017 年6 月20 日14 ：50，豐田卡羅拉沿道路最里側(cè)車道行駛，意圖在前方虛線處左轉(zhuǎn)；摩托車沿對向非機(jī)動車道超速行駛。當(dāng)卡羅拉左轉(zhuǎn)進(jìn)入對向非機(jī)動車道時，與摩托車發(fā)生碰撞，摩托車前部撞擊卡羅拉的右前角。由于機(jī)非隔離的植被遮擋，碰撞前雙方并未觀察到對方。碰撞后由于慣性，摩托車駕駛員的身體從擋風(fēng)玻璃前翻轉(zhuǎn)360°后，雙腳落地后向后倒地。

事故類型（Accident type）：非機(jī)動車道駛來的兩輪車與正在左轉(zhuǎn)的車輛在交叉口處發(fā)生碰撞。

1.2.2 事故成因初步分析

責(zé)任雙方損傷情況：兩輪車駕駛?cè)藝?yán)重受傷，沒有頭盔；汽車駕駛?cè)藳]有受傷，未使用安全帶。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查取證與路口監(jiān)控視頻分析判斷后，造成本次事故的根本原因包括以下3 條：①兩輪車違反交通規(guī)則（超速，道路優(yōu)先）；②兩輪車駕駛員視野受綠化帶影響；③汽車駕駛員視野受綠化帶影響。事故責(zé)任初步劃分為非機(jī)動車使用錯誤的車道或非法使用道路。

1.3 汽車- 兩輪車事故深度分析

首先建立碰撞仿真模型。車輛建模上需要修改的參數(shù)界面包括車輛生產(chǎn)時的基本數(shù)據(jù)參數(shù)和現(xiàn)場測量得到的事故車輛的外形尺寸。由于兩輪車- 駕駛員質(zhì)量設(shè)置也在很大程度上影響仿真效果，經(jīng)查閱資料，兩輪車系統(tǒng)質(zhì)量由134 kg 兩輪車整備質(zhì)量以及75 kg 人體質(zhì)量組成，共計209 kg ；車身高度和車身寬度為駕駛員處于駕駛狀態(tài)時測量所得。具體設(shè)置如表1 所示。

然后，基于事故現(xiàn)場航拍圖，根據(jù)tree、house 和標(biāo)線等模塊填充而成的事故現(xiàn)場圖，建立碰撞事故仿真模型（圖3）。

最后，根據(jù)上述計算所得車輛初始速度，輸入車輛初始運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)和車輛減速度。

2 分析結(jié)果及討論

2.1 仿真過程對比分析

如圖4 所示，整個碰撞過程共分為4 個階段。在碰撞階段，汽車與兩輪車開始接觸時刻；飛行階段為非機(jī)動車駕駛員在碰撞后，由于自身慣性離開兩輪車向外翻滾過程；落地階段為兩輪車駕駛員與地面開始接觸過程；滑移階段為兩輪車駕駛員與路面發(fā)生滑動摩擦損傷階段。根據(jù)視頻監(jiān)控與仿真結(jié)果的仿真對比，結(jié)果顯示：汽車- 兩輪的碰撞點(diǎn)、兩輪車駕駛員飛行狀態(tài)、落地位置以及三者終止位置的仿真狀態(tài)與真實(shí)事故狀態(tài)較好吻合，可以證明仿真過程的可靠性。

2.2 人體傷情分析

在事故傷亡分析中，主要通過衡量負(fù)載與人體可以抵御傷害的閾值之間的關(guān)系來判斷的。在汽車與兩輪車的交通事故中，兩輪車的駕駛員在拋射過程中頭部是最容易受傷部位。下面將從碰撞階段、飛行階段和滑移階段分析兩輪車駕駛員的頭部受力和加速度的大小。

2.2.1 頭部受力曲線

汽車- 兩輪車碰撞事故中兩輪車駕駛員頭部所受合成外力如圖5 所示?？梢钥闯觯谂鲎搽A段，兩輪車受到汽車的阻擋速度迅速降低，騎行者由于慣性保持原有的運(yùn)動狀態(tài)，腿部和軀干繞著汽車側(cè)面繞轉(zhuǎn)。在飛行階段，騎行者的頭部先在碰撞階段的基礎(chǔ)上完成繞轉(zhuǎn)行為，此時頭部先與相對運(yùn)動的汽車右側(cè)擋風(fēng)玻璃發(fā)生，所受合成力為1827.34 N，即為圖5 中的第一個峰值。緊接著身體以頭這個碰撞點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，雙腳落地，軀干頭部觸地，受合成力為2970.83 N，為圖5 中的第二峰值?；齐A段存在一小頭部受力峰值，主要分析原因是頭部落地反彈后與地面的第二次碰撞。

2.2.2 頭部加速度曲線

駕駛員頭部的加速度的研究重點(diǎn)在于合成加速度和角加速度，這兩者峰值在很大程度上會導(dǎo)致交通事故揮鞭傷的出現(xiàn)。圖6 所示為汽車- 兩輪車碰撞事故中，兩輪車駕駛員頭部合成加速度和角加速度曲線圖。

根據(jù)牛頓定律，加速度和所受外力存在定量關(guān)系，頭部受力中分析的峰值原因也是合成加速度、角加速度的成因。需要特別說明的是，曲線中兩輪車駕駛員頭部碰撞汽車擋風(fēng)玻璃前出現(xiàn)了一個峰值，其原因是兩輪車及駕駛員受到汽車的阻擋速度迅速降低，此時駕駛員還未進(jìn)入飛行階段，頭部因?yàn)閼T性的存在而產(chǎn)生碰撞前的峰值。

2.3 車輛狀態(tài)分析

汽車的運(yùn)行狀態(tài)在責(zé)任劃分中有著很大的參考價值，影響車輛運(yùn)行狀態(tài)的制動和碰撞力，可由外在的位移- 速度、加速度曲線反應(yīng)出來。

本文中，汽車在轉(zhuǎn)彎處行駛速度慢，在制動因素設(shè)置接近100% 的條件下，車輛行駛速度隨著車輛制動距離平緩變化，0.75 m 的距離內(nèi)便完成汽車的制動行為。經(jīng)過分析，波動位置主要是由猛踩制動踏板行為導(dǎo)致。

圖7 所示為交通事故中汽車的主要運(yùn)動狀態(tài)圖?？梢钥闯?，在制動因素設(shè)置接近100% 的條件下，緊急制動時汽車整體運(yùn)動狀態(tài)呈現(xiàn)負(fù)值加速度。汽車側(cè)面與兩輪車存在兩次碰撞行為，分別是與兩輪車前輪和兩輪車側(cè)面的碰撞。首次碰撞，兩輪車速度快，造成汽車側(cè)面加速度峰值的出現(xiàn)；二次碰撞，車速降低，碰撞面為兩輪車的側(cè)面，峰值大小要比第一次小。汽車右前角有明顯的損傷，原因是兩輪車車輛施加的外力，這外力在y 軸上的分力讓汽車有小幅度在鉛錘方向的正值加速度。

3 結(jié)束語

本文研究結(jié)果表明，通過對比仿真與監(jiān)控中各事故參與方的碰撞位置以及兩輪車駕駛員飛行落地滑移階段的軌跡和最終位置，事故仿真得到的響應(yīng)結(jié)果與實(shí)際碰撞過程接近，驗(yàn)證了重建模型的可靠性?；谝曨l法推算的汽車行駛車速為11.04 km/h，兩輪車行駛車速為44.60 km/h，兩者車速與仿真時給出的車速誤差在5% 以內(nèi)，驗(yàn)證了該方法的可行性。

本文通過對事故3 個過程的分析以及事故深度調(diào)查的方法，建立了汽車- 兩輪車碰撞仿真模型，仿真結(jié)果與實(shí)際情況比較吻合?；趯?shí)例的深度調(diào)查，保證了事故重建過程的效率性以及結(jié)果的可靠性。在某種意義上，降低了監(jiān)控等基礎(chǔ)設(shè)施不夠完善路段責(zé)任劃分難度，同時也為深入研究提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

作者簡介：宋英武，本科，工程師，研究方向?yàn)檎囋囼?yàn)技術(shù)。

陳君，本科，助理工程師，研究方向?yàn)榻煌ò踩鹿收{(diào)查。

謝鵬鵬，博士，副研究員，研究方向?yàn)榈缆方煌ò踩鹿噬疃日{(diào)查。

李世強(qiáng)，本科，工程師，研究方向?yàn)檎囋囼?yàn)技術(shù)。

鄧詩濤，本科，助理工程師，研究方向整車試驗(yàn)技術(shù)。

張輝力，本科，工程師，研究方向?yàn)檎囋囼?yàn)技術(shù)。