曾必強(qiáng),高繼東,彭 偉

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心汽車工程研究院,天津 300300)

2016151

基于事故再現(xiàn)的行人頭部碰撞研究*

曾必強(qiáng),高繼東,彭 偉

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心汽車工程研究院,天津 300300)

基于中國(guó)道路交通事故深入研究(CIDAS)數(shù)據(jù)和人體模型THUMS的事故仿真，研究了行人與普通轎車、SUV和MPV3種典型車型碰撞過程中，頭部與車體的碰撞狀況和響應(yīng)特點(diǎn)。結(jié)果表明，行人頭部與車輛的碰撞位置、碰撞角度、碰撞速度和損傷程度均與碰撞車輛類型有密切關(guān)系。普通轎車與行人頭部碰撞點(diǎn)位置的WAD值比其他兩種車型大。行人頭部與普通轎車的碰撞角度比另兩種車型大，而相對(duì)碰撞速度則比另兩種車型低。該研究結(jié)果可為新車行人保護(hù)設(shè)計(jì)與行人保護(hù)法規(guī)制定提供參考。

行人保護(hù)；頭部碰撞；事故再現(xiàn)

前言

2004-2010年我國(guó)行人交通事故中導(dǎo)致46萬人受傷，16萬人死亡，占總交通事故總死亡人數(shù)25%以上[1]。行人是交通事故中最易受到傷害的人群，其中行人的頭部損傷是最常見的傷害類型之一，同時(shí)也是造成行人重傷、死亡的主要原因[2]。根據(jù)文獻(xiàn)[3]～文獻(xiàn)[6]中對(duì)美國(guó)和日本人車碰撞交通事故研究結(jié)果可知，行人與不同車型發(fā)生碰撞時(shí)所受的損傷差別較大。行人頭部與車輛的碰撞是行人車輛碰撞過程中的后續(xù)碰撞[7-8]，車輛對(duì)行人身體碰撞的加速過程和人體自身響應(yīng)特征決定了行人頭部與車輛的碰撞狀況。對(duì)行人頭部碰撞狀況進(jìn)行深入研究，并將相關(guān)成果運(yùn)用到車輛設(shè)計(jì)和檢測(cè)中，是降低行人傷亡率的有效途徑。

文獻(xiàn)[9]中使用了Madymo多剛體假人根據(jù)交通事故案例對(duì)行人頭部碰撞相應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了深入研究，為行人頭部碰撞狀況深入研究提供了路徑，但由于文中Madymo多剛體假人與真人間的力學(xué)性能差異也影響了其研究成果。

THUMS全生態(tài)假人是日本豐田公司根據(jù)真實(shí)人體特征開發(fā)的有限元人體模型，它能夠代表真人在碰撞過程中的力學(xué)響應(yīng)特征[10]。本文中采用普通轎車(A)、SUV、MPV這3種典型車型，分別進(jìn)行碰撞仿真，分析它們與行人的碰撞響應(yīng)規(guī)律，根據(jù)仿真結(jié)果，結(jié)合CIDAS所收集的數(shù)百起交通事故，深入研究了真實(shí)交通事故中最有代表性、權(quán)重值最高的行人頭部碰撞案例。

1 仿真模型可靠性分析

在中國(guó)交通事故深度研究項(xiàng)目(CDAIS)行人碰撞事故案例數(shù)據(jù)庫中，提取某轎車與橫穿馬路行人碰撞事故案例如圖1所示。

根據(jù)該事故車制動(dòng)軌跡分析和整體事故再現(xiàn)分析得出該事故碰撞速度約為35km/h。事故碰撞類型為轎車正前方與身高約1 700mm的行人側(cè)方碰撞。行人頭部與轎車風(fēng)窗發(fā)生碰撞，經(jīng)醫(yī)生診斷行人主要傷害為較輕度腦震蕩和軟組織傷害。

基于該事故案例，使用THUMS假人(身高1 780mm)和類似轎車有限元模型進(jìn)行了CAE事故仿真再現(xiàn)。仿真計(jì)算人車碰撞如圖2所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，碰撞過程中行人頭部碰撞點(diǎn)位置位于轎車包絡(luò)線(WAD)值為2 000mm的位置，與事故車行人頭部碰撞點(diǎn)位置(WAD值約1 930mm)較為接近。

從仿真結(jié)果中還可得到THUMS假人腦部最大主應(yīng)力和腦部壓力分布，如圖3和圖4所示。

由圖3可知，行人顱內(nèi)最大等效應(yīng)力為10.5kPa，由圖4可知，顱內(nèi)最大壓力為158kPa。根據(jù)文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]中的研究結(jié)果判定，行人頭部傷害情況為較輕度腦震蕩，該結(jié)果與事故中醫(yī)生對(duì)行人的診斷結(jié)果相吻合。

由此說明使用THUMS假人進(jìn)行數(shù)值計(jì)算來模擬仿真行人車輛碰撞事故，其結(jié)果與真實(shí)交通事故案例比較一致。

2 行人事故規(guī)律分析

根據(jù)中國(guó)交通事故深度研究項(xiàng)目(CDAIS)對(duì)數(shù)百起行人與車輛的碰撞事故調(diào)查結(jié)果，轎車碰撞行人時(shí)的速度累計(jì)百分比分布如圖5所示。圖6為調(diào)查所得案例中碰撞速度分別為10，20，30，40，50，60，70，80，90和100km/h±5km/h速度范圍內(nèi)的事故數(shù)量占總事故的比例。

由圖5可見，行人碰撞事故中車輛的平均碰撞速度約為48km/h，累計(jì)概率約占總體事故的50%的碰撞速度為46km/h。

由圖6可見，碰撞速度為40±5km/h范圍內(nèi)發(fā)生的事故概率最高，速度在75km/h以上的事故概率較低。通過文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]中的研究成果表明，15km/h以下碰撞速度行人所受傷害均為輕傷，所以選取15～75km/h范圍內(nèi)碰撞行人交通事故為本文的研究范圍。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]中的研究表明，72%的行人事故發(fā)生在行人橫穿直行馬路，63%的行人事故車輛碰撞行人側(cè)面(33%車輛碰撞行人左側(cè);30%車輛碰撞行人右側(cè))。本文中選取最有代表性的人-車正面碰撞工況，建立普通轎車(A)、SUV和MPV 3種車型與行人的碰撞模型，如圖7所示。

3 頭部碰撞位置分析

通過仿真計(jì)算得到3種典型車型在不同速度下與行人發(fā)生碰撞時(shí)，行人的頭部與車輛的接觸部位對(duì)比如圖8所示。

仿真結(jié)果頭部碰撞點(diǎn)(WAD值)位置如圖9所示。

如圖9所示，THUMS假人穿鞋后高度約為1 800mm，碰撞速度較低時(shí)由于THUMS假人頸部繞肩部的轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致了頭部碰撞點(diǎn)WAD值小于1 800mm。當(dāng)碰撞速度較高時(shí)由于頭部與車輛接觸前THUMS假人被整體拋起，假人相對(duì)車輛向后滑動(dòng)，所以頭部碰撞點(diǎn)WAD值大于1 800mm。由于普通轎車高度較低，所以行人在發(fā)動(dòng)機(jī)罩表面向后滑動(dòng)現(xiàn)象較為明顯。SUV和MPV車型發(fā)動(dòng)機(jī)罩相對(duì)行人較高，行人在發(fā)動(dòng)機(jī)罩上方的滑動(dòng)位移較普通轎車低。由圖9可見，在車輛速度為50km/h時(shí)普通轎車頭部碰撞點(diǎn)WAD值已經(jīng)超過目前行人保護(hù)法規(guī)規(guī)定的WAD最大值2 100mm。

由圖9還可見，SUV和MPV車型不同碰撞速度下碰撞點(diǎn)WAD值變化曲線相互交叉上升，兩者曲線變化規(guī)律基本一致，均低于相同速度所得的普通轎車碰撞點(diǎn)WAD曲線。將SUV和MPV兩車型碰撞點(diǎn)WAD變化曲線合并取平均值，得到新碰撞點(diǎn)WAD變化曲線，其與普通轎車碰撞點(diǎn)WAD變化曲線對(duì)比如圖10所示。

分別取普通轎車和大型乘用車(SUV和MPV)與行人碰撞速度i=20，30，40，50，60和70km/h。將i值±5km/h范圍內(nèi)發(fā)生的行人碰撞事故比例Pi與該速度仿真得到碰撞點(diǎn)位置(WAD值)進(jìn)行加權(quán)平均，最后除以THUMS假人身高，可得事故中碰撞點(diǎn)位置(WAD值)與行人身高的比值。

(1)

(2)

式中：WADiA和WADiSUV&MPV為普通轎車和SUV&MPV仿真的碰撞速度為i時(shí)碰撞點(diǎn)的WAD值，81.16%為15～75km/h速度范圍內(nèi)發(fā)生事故占CDAIS所統(tǒng)計(jì)總事故中的比例。

因此，根據(jù)行人交通事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果，1 800mm身高的行人與普通轎車碰撞時(shí)，其頭部碰撞點(diǎn)位于WAD值為1800×1.151≈2070mm位置附近的概率最大，同理該行人與SUV和MPV車型碰撞時(shí)其頭部碰撞點(diǎn)位于WAD值為1800×1.024≈1840mm位置附近的概率最大。

4 頭部碰撞角度與碰撞速度分析

根據(jù)人車碰撞中行人頭部與車輛的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，頭部與車輛接觸時(shí)刻頭部絕對(duì)速度為

(3)

而頭部碰撞相對(duì)速度則為

圖4和圖5所示，與細(xì)胞對(duì)照組相比，CP組NSC中PKA和PKC熒光強(qiáng)度變化不明顯；ACR組NSC數(shù)量減少，形態(tài)異常，NSC中PKA和PKC熒光強(qiáng)度減少且分布不均勻。與ACR組相比，ACR+CP組NSC數(shù)量增多，形態(tài)趨于正常，NSC中PKA和PKC熒光強(qiáng)度升高且分布均勻。與CP組相比，ACR+CP組PKA和PKC變化不明顯。

(4)

式中：vx為頭部水平方向的速度；vz為頭部豎直方向的速度；v為頭部絕對(duì)速度；vcx為碰撞時(shí)刻轎車行駛速度；v′為頭部碰撞相對(duì)速度。

頭部碰撞角度β是指碰撞開始時(shí)刻頭部速度矢量相對(duì)于水平地面的角度，即

β=arctanvz/vx

(5)

頭部碰撞角度β′是指碰撞開始時(shí)刻頭部速度矢量相對(duì)于碰撞表面的角度，即

β′=β+δ

(6)

式中δ為碰撞表面與水平線的夾角。

圖11為接觸時(shí)刻頭部碰撞角度。

通過行人與普通轎車、SUV、MPV 3種車型碰撞的仿真計(jì)算結(jié)果得到行人與車輛在不同速度碰撞工況中，β和β′變化規(guī)律如圖12所示。

圖12中普通轎車(A)頭部相對(duì)于碰撞面的碰撞角度β′曲線從碰撞速度40～50km/h范圍內(nèi)發(fā)生了突變，這是由于出現(xiàn)了行人肩部提前將風(fēng)窗玻璃壓塌，導(dǎo)致頭部和風(fēng)窗玻璃接觸時(shí)風(fēng)窗玻璃已經(jīng)凹陷變形，導(dǎo)致較大測(cè)量誤差所致。風(fēng)窗玻璃被肩部提前壓塌后，如果頭部相對(duì)風(fēng)窗玻璃的碰撞角度采用凹陷變形后的碰撞點(diǎn)玻璃角度(約為72°)，則該曲線的突變位置將會(huì)消失。

圖12中SUV車型頭部相對(duì)于碰撞面的碰撞角度β′曲線從碰撞速度50～60km/h范圍內(nèi)也發(fā)生了突變，這是由于這時(shí)頭部碰撞點(diǎn)由發(fā)動(dòng)機(jī)罩后沿移至風(fēng)窗玻璃下方導(dǎo)水槽位置，兩者高度上有臺(tái)階差所致。

由圖12可見，行人與3種車型碰撞中β值差別較大，而行人與3種車型碰撞中β′值的差別則較小。所以在面對(duì)不同車型的行人保護(hù)考核體系中，使用頭部相對(duì)碰撞面的角度來替代頭部相對(duì)水平地面的碰撞角度更為合理。

(7)

(8)

由式(7)可知，行人與普通轎車正面碰撞時(shí)行人頭部相對(duì)碰撞面的碰撞角度為78°左右的權(quán)重最大。由式(8)可知，行人與SUV和MPV大型乘用車碰撞時(shí)行人頭部相對(duì)碰撞面的碰撞角度為48°左右的權(quán)重最大。

通過行人與普通轎車、SUV、MPV 3種車型碰撞的仿真計(jì)算結(jié)果得出行人與車輛在不同速度碰撞工況中，行人頭部與車輛的相對(duì)碰撞速度v′隨行人-車輛碰撞速度的變化規(guī)律如圖13所示。

由圖13可見，頭部與車輛的相對(duì)碰撞速度要低于碰撞車速；SUV和MPV車型對(duì)應(yīng)的行人頭部相對(duì)碰撞速度高于普通轎車(A)；車頭均較高的SUV和MPV車型對(duì)應(yīng)的行人頭部相對(duì)碰撞速度曲線基本重合。

行人頭部與車輛碰撞速度比車輛與行人初始碰撞速度低，這是由于行人碰撞中行人下肢先被撞擊，在頭部與車體發(fā)生碰撞前行人已經(jīng)整體向前運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致碰撞時(shí)刻頭部與車輛的相對(duì)速度低于碰撞車速。

(10)

由式(9)可知，行人與普通轎車發(fā)生正面碰撞時(shí)，行人頭部相對(duì)碰撞速度為23km/h左右的權(quán)重最大。由式(10)可知，行人與SUV和MPV車型碰撞時(shí)，行人頭部相對(duì)碰撞速度為31km/h左右的權(quán)重最大。由此可見在相同工況下行人頭部與SUV和MPV這類大型乘用車的碰撞速度約為與普通轎車碰撞速度的1.3倍。

5 結(jié)論

使用THUMS假人進(jìn)行某行人交通事故的仿真再現(xiàn)，結(jié)果顯示行人碰撞位置、行人頭部傷害情況與仿真結(jié)果均吻合較好，說明THUMS假人模型能夠較好地模擬碰撞中行人的力學(xué)響應(yīng)特征。根據(jù)仿真計(jì)算和CDAIS交通事故調(diào)查結(jié)果進(jìn)行了交通事故最有代表性、權(quán)重最高的行人頭部碰撞工況研究，具體結(jié)論如下。

(1) 行人與車輛碰撞時(shí)，頭部碰撞點(diǎn)位置的WAD值隨著碰撞速度的升高而增大。根據(jù)不同碰撞速度下行人碰撞事故的發(fā)生概率，計(jì)算得到普通轎車1.15倍行人身高的WAD值是該行人頭部碰撞事故最為集中的位置。同理計(jì)算得到SUV和MPV車型行人身高的WAD值是該行人頭部碰撞事故最為集中的位置。

(2) 針對(duì)不同的車型使用頭部與碰撞表面的相對(duì)角度來衡量行人頭部與車輛碰撞角度時(shí)，碰撞角度的一致性較使用地面坐標(biāo)時(shí)行人頭部碰撞角度一致性更好。研究還表明，行人頭部與普通轎車表面的碰撞角度約為78°，遠(yuǎn)大于行人頭部與SUV和MPV車型碰撞表面48°的碰撞角度。

(3) 行人與車輛碰撞中由于身體下部先與車輛接觸，人體的變形和黏彈性力學(xué)特性對(duì)頭部與車輛的相對(duì)碰撞速度影響較為明顯。據(jù)仿真結(jié)果和事故分布概率綜合計(jì)算可知，行人與普通轎車碰撞時(shí)頭部相對(duì)速度為23km/h的概率最大。而行人與SUV和MPV車型碰撞時(shí)頭部相對(duì)速度約為31km/h的概率最大，該相對(duì)速度要高于與普通轎車碰撞時(shí)的相對(duì)速度。

不同車型前端外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的差異，導(dǎo)致了行人碰撞事故中頭部與車輛碰撞狀況有較大差異。在車輛設(shè)計(jì)方面根據(jù)車型特點(diǎn)對(duì)行人頭部沖擊位置進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)，有利于降低行人傷亡率。在車輛行人安全法規(guī)制定中考慮車型外觀結(jié)構(gòu)上的差異，分別設(shè)定不同的沖擊考核工況，也有利于提高法規(guī)考核的有效性。

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A Study on the Pedestrian Head Impact Based on Accident Reconstruction

Zeng Biqiang, Gao Jidong & Peng Wei

AutomotiveEngineeringResearchInstituteofChinaAutomotiveTechnology&ResrarchCenter,Tianjin300300

The situation and response features of the impact between human head and vehicle body in the collision process between pedestrian and three typical vehicle models (normal car, SUV and MPV) are studied based on the data of CIDAS (China In-depth Accident Study) and the accident simulations with human model THUMS. The results show that the position, relative angle and speed of impact and injury severity all closely related to vehicle model. The wrap around distance of the hitting point of human head against vehicle body of normal car is larger than that of SUV and MPV, the impact angle between human head and vehicle body of normal car is also larger than that of SUV and MPV, while the relative impact speed between human head and vehicle body of normal car is lower than that of SUV and MPV. The outcomes of study provide references for the new vehicle design and regulation formulation in pedestrian protection.

pedestrian protection; head impact; accident reconstruction

*國(guó)家863計(jì)劃(2011AA11A286)資助。

原稿收到日期為2015年5月22日，修改稿收到日期為2015年9月1日。