石亮亮 韓勇 王丙雨 黃紅武 周大永 楊震

摘 ??要：在行人-車輛碰撞事故中，行人頭部損傷不僅源于行人與車輛的一次碰撞，而且還有與地面的二次碰撞.為了綜合分析車輛前部結構參數(shù)對一、二次碰撞中行人運動學及頭部損傷的影響，本文在MADYMO中對車輛前部結構（擋風玻璃角度（WA）、發(fā)動機罩角度（BA）、發(fā)動機罩長度（BL）、發(fā)動機罩前沿高度（BLEH）和離地間隙（GC））進行參數(shù)調整，構建一系列行人-車輛碰撞多體模型，并采用多元線性回歸方法分析車輛參數(shù)對行人運動學和頭部損傷的影響.結果表明，一、二次碰撞中，BLEH對行人頭部HIC值（車）和行人旋轉角度的影響均最為顯著（p<0.01），BA對頭部角加速度（車）的影響較BLEH更為顯著，WA、BL和GC對行人運動學與損傷的影響均較小.較低的BLEH對一次碰撞中行人頭部的保護更好，但BLEH過低易導致二次碰撞中行人頭部首先與地面碰撞，這會增大頭頸部的損傷風險.本文定量分析了車輛前部結構參數(shù)對行人一、二次碰撞的影響，研究結果可為車輛安全性設計提供理論參考.

關鍵詞：行人安全;車輛前部結構;頭部損傷;多元線性回歸分析

中圖分類號：U461.91 ?????????????????????????????文獻標志碼：A

Analysis of Vehicle Front-end Structure Parameters Based

on Pedestrian Landing Impacts

SHI Liangliang1，HAN Yong2？覮，WANG Bingyu2，HUANG Hongwu1，2，

ZHOU Dayong3，4，YANG Zhen3，4

（1. School of Aerospace Engineering，Xiamen University，Xiamen 361005，China;

2. School of Mechanical and Automotive Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China;

3. Key Laboratory of Automobile Safety Technology of Zhejiang Province，Ningbo 315336，China;

4. Geely Automobile Research Institute，Ningbo 315336，China）

Abstract： In the pedestrian-vehicle collision accident， pedestrian may suffer head injury not only from the primary impact with the vehicle but also from the secondary impact with the ground. In order to comprehensively analyze the influence of vehicle front-end structure parameters on pedestrian kinematics and head injury in primary and secondary impacts，in this paper， a series of multi-body models of pedestrian-vehicle collisions were constructed by utilizing the MADYMO code， with adjusting parameters of windshield angle（WA），bonnet angle（BA），bonnet length （BL），bonnet leading edge height（BLEH） and ground clearance（GC）. The influence significance of vehicle parameters on the pedestrian kinematics and injury was analyzed by using multiple linear regression analysis. The results indicate that BLEH is the most significant influence factor on head HIC value（car）（p<0.01） and pedestrian rotation angles in the primary and secondary impact，respectively.The influence of BA on the head angle acceleration （car） is more significant than that of BLEH. WA， BL and GC show a less influence on the kinematics and injuries of pedestrian. The lower BLEH provides better protection of the head in the primary collision， but it can easily lead to the head to collide with the ground firstly in the secondary impact， which increases the risk of head and neck injury. A quantitative analysis of the effect of vehicle front-end structure parameters on the primary and secondary impact was also conducted in the study， and the results can provide some reference for vehicle safety design.

Key words： pedestrian safety;vehicle front-end structure;head injury;multiple linear regression analysis

一直以來，國內外學者對行人交通安全的研究主要集中在行人與車輛碰撞階段[1-4]，即一次碰撞階段，而對行人與地面碰撞（二次碰撞）的研究較少.在以往的研究中，研究人員對車輛前部結構參數(shù)與頭部-地面碰撞損傷的關系有不同的認識，Cavallero等人[5]提出車輛前部結構參數(shù)不會對行人頭部-地面碰撞造成影響，而Ashton等人[6]認為存在相關性并發(fā)現(xiàn)在車輛速度較低的碰撞中，地面造成的頭部損傷比車輛更加嚴重.

人-車發(fā)生碰撞后，行人的運動學響應會受到多種變量的影響，這導致研究行人的落地損傷機理比較困難.研究人員通常采用多體或有限元仿真的方法來研究碰撞過程中以及碰撞后行人的運動學響應.比如：文獻[7]通過構建車輛-行人碰撞模型，得出SUV碰撞中，地面對行人頭部造成的損傷更為嚴重.文獻[8]利用MADYMO仿真軟件構建了約1 000例車輛-行人碰撞模型，研究了行人初始姿態(tài)和碰撞位置對人體的拋射角度、速度以及飛行高度的影響，以及行人下肢和手臂的姿勢對行人在空中運動響應的影響.文獻[9]采用有限元方法對行人落地碰撞進行重建，研究了地面對行人頭部和顱腦損傷的影響，發(fā)現(xiàn)即使車輛速度降到25 km/h，當行人頭部首先著地時，也會對顱腦造成嚴重損害.隨著研究的深入，學者們開始分析車輛前部結構參數(shù)與二次碰撞的關系.文獻[10]研究了車輛外形與行人落地姿態(tài)和落地速度之間的關系.文獻[11]通過對比不同車輛前部結構，得出行人與地面碰撞的角度隨BLEH的增大而減小.

車輛前部結構參數(shù)既會影響一次碰撞又會影響二次碰撞過程中行人頭部損傷，因此在設計汽車前部結構參數(shù)時，應該綜合考慮其對兩種碰撞過程中頭部損傷的影響，從而設計出人-車友好型汽車，來減少行人頭部損傷.本研究對車輛前部結構參數(shù)進行定量調整，綜合分析各參數(shù)變化對行人一次、二次碰撞響應與頭部損傷的影響，利用多元線性回歸方法對前部結構參數(shù)與行人運動學響應和損傷值之間的關系進行分析，得到了車輛前部結構參數(shù)對行人HIC值（車）、頭部角加速度（車）和行人旋轉角度的影響顯著性概率p值.分析了車輛前部結構對行人一次、二次碰撞的影響機制，找出了綜合影響因子，并對車輛前部結構參數(shù)改進提出了意見.

1 ??方 ??法

1.1 ??車輛模型

車輛類型選取帶有典型發(fā)動機罩結構形式的普通家用型轎車.該模型的前部結構尺寸參考有限元模型表面[12]在MADYMO中參數(shù)化地生成，所建模型的前部主要幾何結構為：擋風玻璃角度（WA）、發(fā)動機罩長度（BL）、發(fā)動機罩角度（BA）、發(fā)動機罩前沿高度（BLEH）、離地間隙（GC）（如表1所示）.采用與文獻[13-14]相同的研究方法對于車輛與行人發(fā)生接觸的部位進行剛度特性的設置，通過頭槌、腿部沖擊器模型分別對已經(jīng)過驗證的有限元車輛[12]的保險杠、發(fā)動機罩中部和尾部、擋風玻璃中部和下緣部位進行碰撞仿真（如圖1所示），碰撞速度為40 km/h，將仿真所得的各部位剛度曲線（如圖2所示）賦予到多剛體車輛模型中.

1.2 ??仿真設置

本文所用行人模型為50 th男性假人，該模型由Yang等人開發(fā)和驗證[15-16]，模型身高1.75 m，體重78 kg.車輛-行人碰撞時行人為步行姿態(tài)的情況較普遍，本文選取行人右腿在前左腿在后的步態(tài)，步行速度為5 km/h[17].由于道路事故中，行人側面受到撞擊的情況更普遍[18]，因此本研究設定行人與車輛的接觸部位為行人身體右側面與車頭中間部位（見圖3），車輛速度為40 km/h.人車之間的接觸摩擦系數(shù)設為0.2，人與地面間的摩擦系數(shù)為0.58，地面定義為剛體，所有車輛接觸部位的遲滯斜率設置為108[10].

1.3 ??分析矩陣

為分析車輛前部各結構參數(shù)對行人運動響應及損傷的影響，分別對擋風玻璃角度（WA）、發(fā)動機罩角度（BA）、發(fā)動機罩長度（BL）、發(fā)動機罩前沿高度（BLEH）、離地間隙（GC）進行單因素定量調整分析，以原始車輛結構尺寸為基準值，各尺寸參數(shù)調整的取值范圍參照文獻[10，19]，調整情況見表2.

1.4 ??數(shù)據(jù)統(tǒng)計

本文主要研究行人與車輛碰撞階段和行人與地面碰撞階段的運動學響應與損傷情況.大量研究表明[20-22]頭部在碰撞過程中承受線性和旋轉載荷的復雜影響.本文選取最常用的線性損傷準則HIC和旋轉損傷參數(shù)頭部旋轉角加速度作為頭部損傷風險的評價指標.此外，行人頭部與車輛相對碰撞速度也是一次碰撞中重要的研究參數(shù)[12，23].二次碰撞的研究表明行人與車輛接觸至行人與地面接觸的時間段內身體繞y軸旋轉過的角度（行人旋轉角度）對行人二次碰撞損傷有顯著影響[14，24]，因此，本文選取行人旋轉角度、頭部HIC（地）、頭部角加速度（地）作為地面碰撞階段的研究參數(shù).另外，采用多元線性回歸分析方法，分別構建以車輛前部結構參數(shù)為自變量，頭部損傷相關參數(shù)為因變量的回歸模型，分析行人一次碰撞與二次碰撞中的影響因子，認為p < 0.01為統(tǒng)計上顯著[25].

2 ??結 ??果

2.1 ??行人運動學響應

表3分別展示了車輛前部結構參數(shù)對一次碰撞與二次碰撞中行人運動響應的影響，其中，表3 （a） 為一次碰撞中行人頭部與車輛碰撞時刻的運動學姿態(tài)，可以看出，車輛前部結構參數(shù)WA、BA、BL和GC的變化對行人頭部與車輛碰撞姿態(tài)的影響較小，即無明顯差異，而BLEH的改變對行人姿態(tài)的影響較大，主要表現(xiàn)在行人下肢的旋轉高度存在明顯差異：隨著BLEH的升高行人下肢旋轉高度逐漸減小，如BLEH+10 cm、+15 cm、+20 cm的碰撞中，頭部與車輛碰撞時刻行人下肢旋轉高度均未超過發(fā)動機罩前沿.另外，車輛前部結構參數(shù)對行人頭部與車輛的碰撞部位存在影響，在BL和BLEH的調整中，隨著參數(shù)尺寸的增加，行人頭部與車輛的碰撞部位由擋風玻璃逐漸向發(fā)動機罩移動.對WA、BA和GC調整時，行人頭部與擋風玻璃的接觸部位均無明顯改變.

表3 （b）為二次碰撞中行人與地面碰撞時刻的運動學姿態(tài)，可以看出WA、BA、BL和GC的變化對行人落地姿態(tài)的影響均較小，行人下肢首先著地，行人旋轉角度差別不大，而BLEH的改變對行人落地姿態(tài)的影響顯著.隨著BLEH的降低，行人旋轉角度逐漸減小，行人身體與地面的碰撞部位發(fā)生明顯改變.當BLEH+0 cm、+5 cm、+10 cm、+15 cm時，行人下肢首先與地面碰撞;當BLEH-10 cm，-15 cm時，行人頭部首先與地面碰撞.

2.2 ??車輛前部結構對行人-車輛碰撞階段的影響

圖4為車輛前部結構對一次碰撞中行人運動響應與損傷的影響情況.其中，圖4（a）為車輛前部結構對行人頭部-車輛相對碰撞速度的影響，可見各參數(shù)的變化對頭部-車輛相對碰撞速度的影響較小，頭部-車輛的相對碰撞速度主要集中在6～7 km/h的范圍內.其中BLEH和BA對頭部碰撞速度的影響相對較大，BL、WA和GC的影響均較小.

影響最大，其次，BA與BL對HIC值（車）的影響也較明顯.以原車型尺寸為基準，當各參數(shù)減小時，頭部HIC值（車）均無明顯變化，而在車輛前部結構參數(shù)增加時，頭部HIC值（車）有增大的趨勢.對于參數(shù)WA和GC，無論其增大或減小，行人頭部HIC值（車）始終無明顯變化.

圖4（c）為車輛前部結構參數(shù)對行人頭部角加速度（車）的影響.整體可見行人頭部角加速度變化范圍較大.BA、BLEH和BL與行人頭部角加速度呈一定的正線性關系，相關性分別為R2=0.95、0.81和0.86.WA與頭部角加速度呈線性負相關（R2=0.99）.

2.3 ??車輛前部結構參數(shù)對行人-地面碰撞階段的

影響

圖5為車輛前部結構參數(shù)對行人旋轉角度、頭部HIC值（地）和頭部角加速度（地）的影響.由圖5 （a）可見，BLEH對行人旋轉角度的影響最大，當BLEH-10 cm和-15 cm時，行人旋轉角度約為180°;BA、WA、BL和GC對行人旋轉角度的影響均較小，行人旋轉角度在315°左右.

由圖5（b）與圖5（c）可見，行人頭部HIC （地） 和頭部角加速度（地）的變化較為復雜，缺少特征性，主要原因為行人落地損傷除了受到行人旋轉角度的影響外，還與落地速度、人體的朝向、身體各部位著地順序等有關.如BA+5 cm、+10 cm、+15 cm和GC-10 cm、+5 cm、+10 cm時，行人落地時面朝y軸負方向（垂直屏幕向內）（見表3（b）），該落地工況導致行人頭部HIC值（地）較大.影響因素的多樣導致行人頭部-地面碰撞損傷差異較大.

2.4 ??車輛前部結構參數(shù)對行人一次碰撞與二次碰撞

的影響顯著性

采用多元線性回歸方法構建以車輛前部結構參數(shù)為自變量，頭部HIC值（車）、頭部角加速度（車）和行人旋轉角度為因變量的回歸模型.假設行人頭部HIC 值（車）、頭部角加速度（車）和行人旋轉角度分別受到WA、BA、BL、BLEH和GC五個因素的影響，且分別與五個影響因素構成多元線性回歸關系，可得出回歸模型：

y = β0 + βWA × WA + βBA × BA + βBL × BL +

βBLEH × BLEH + βGC × GC

其中，y分別代表行人頭部HIC值 （車）、頭部角加速度（車）和行人旋轉角度的因變量，βWA，βBA，βBL，βBLEH，βGC分別為自變量WA，BA，BL，BLEH，GC的系數(shù).將各變量數(shù)據(jù)代入回歸模型得出WA、BA、BL、BLEH、GC對頭部HIC值（車）的影響顯著性概率p值依次為0.655、0.040、0.037、<0.01、0.974，說明這五個影響因素中，BLEH對行人頭部HIC值（車）的影響最為顯著，各因素的影響性從大到小依次為BLEH>BL>BA>WA>GC.同理，WA、BA、BL、BLEH、GC對頭部角加速度（車）影響顯著性概率p值依次為0.077、<0.01、0.003、<0.01、0.895，BLEH和BA的顯著性概率p值均小于0.01，說明這兩個因素對頭部角加速度（車）影響最為明顯，再對各影響因素的系數(shù)做歸一化處理得出BA對頭部角加速度（車）的影響大于BLEH，五個因素的影響性為BA> BLEH > BL > WA > GC.WA、BA、BL、BLEH、GC對行人旋轉角度的影響顯著性概率p值分別為0.21、0.91、0.341、<0.01、0.91，說明BLEH對行人旋轉角度的影響最為顯著，而其他影響因素統(tǒng)計特征不顯著，即對行人旋轉角度的影響程度較小，分析結果如表4所示.

3 ??討 ??論

由回歸分析結果可以看出在所選車輛前部結構參數(shù)中，BLEH對行人一次碰撞與二次碰撞的影響顯著性最大，因此在汽車前部結構參數(shù)設計中，應重點關注BLEH對一、二次碰撞中行人運動學與損傷的影響，其對一、二次碰撞中行人運動響應與損傷的影響機制討論如下.

3.1 ??BLEH對一次碰撞中行人運動學的影響

由圖4可見車輛前部結構參數(shù)的改變對行人一次碰撞中頭部-車輛相對碰撞速度的影響較小，而對頭部HIC值與角加速度的影響較大，主要原因在于車輛前部結構參數(shù)的改變直接導致頭部與車輛的碰撞部位的變化.當BLEH增大時，行人頭部與車輛的碰撞部位由擋風玻璃中部逐漸向擋風玻璃下緣或發(fā)動機罩移動，由于各部位剛度的不同，從而導致行人頭部損傷的差異.

圖6將行人頭部與車輛碰撞部位分為四個區(qū)域： A為擋風玻璃中部，B為擋風玻璃下沿，C為發(fā)動機罩尾部，D為發(fā)動機罩中部.行人與原始車型碰撞中，頭部與車輛的碰撞點位于A區(qū)域內（見表3（a）），BLEH+5 cm時，頭部與擋風玻璃的碰撞點移至B區(qū)域，B區(qū)域的剛度較A區(qū)域大，因此造成行人頭部HIC值（車）升高，隨著BLEH的繼續(xù)增大，頭部將與發(fā)動機罩發(fā)生碰撞，當BLEH+10 cm和BLEH+15 cm時，頭部與發(fā)動機罩的碰撞點進入C區(qū)域，由于C區(qū)域剛度較B區(qū)域高，從而導致頭部HIC值（車）繼續(xù)增大.同樣，對于參數(shù)BL，當BL+5 cm和BL+10 cm時，行人頭部碰撞位置在區(qū)域B內，BL+15 cm時，頭部碰撞位置在區(qū)域C內，因此，頭部HIC值（車）有逐漸增大的趨勢.當車輛前部結構參數(shù)比原始尺寸減小時，行人頭部與車輛的碰撞部位始終位于擋風玻璃中部，因此頭部損傷無顯著變化.

3.2 ??BLEH對行人落地響應的影響

表5為BLEH分別為+15 cm、0、-15 cm后的行人運動響應對比情況.可見行人運動響應共分為一次碰撞、飛行和二次碰撞三個階段，其中一次碰撞階段又細分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三個階段，Ⅰ為車輛撞擊行人下肢階段，Ⅱ為行人上半身與車輛碰撞階段，Ⅲ為行人反彈階段.

階段Ⅰ中，車輛前端（主要為保險杠）與行人下肢發(fā)生碰撞，行人以BLEH上邊緣為支點進行旋轉，旋轉中心以下部位由于受到車輛沖擊，開始逆時針旋轉，旋轉中心以上肢體由于慣性開始逆時針向下旋轉運動，行人整體呈逆時針轉動.階段Ⅱ中，行人上半身與發(fā)動機罩或擋風玻璃碰撞，由于BLEH高度的不同，行人頭部與車輛的碰撞部位存在差異.發(fā)動機罩和擋風玻璃的阻擋與沖擊使得行人上半身停止旋轉，而行人下半身由于不受阻礙，繼續(xù)保持逆時針旋轉的趨勢.階段Ⅲ中，車輛繼續(xù)向前運動，行人上半身由于受到擋風玻璃或發(fā)動機罩部位的沖擊開始反彈并與車輛分離，此時行人上半身具有順時針旋轉的勢能，而行人下半身由于無碰撞阻礙，仍保持逆時針旋轉，最終，順時針旋轉的上半身與逆時針旋轉的下半身相互作用并形成行人在飛行階段的旋轉方向.

如表5所示，BLEH-15 cm時，車輛直接撞擊行人下肢的范圍最小，因此旋轉中心以下肢體的轉動能量最小，這導致行人在階段Ⅱ和Ⅲ中下肢逆時針向上的旋轉動能不足以讓行人上半身與車輛徹底分離，從而在飛行階段，行人頭部與車輛擋風玻璃和發(fā)動機罩易發(fā)生接觸，這將對行人頭部產(chǎn)生摩擦阻力，進一步減小行人逆時針旋轉的趨勢，最終導致行人在二次碰撞階段中頭部首先著地的幾率增大，行人頭頸部將出現(xiàn)嚴重損傷.當BLEH+0和+15 cm時，行人在飛行階段中身體始終未與車輛發(fā)生接觸，因此行人落地角度不受影響.綜合考慮BLEH對一、二次碰撞的影響，雖然BLEH的降低對行人HIC值（車）和頭部角加速度（車）均有降低的趨勢，但BLEH過低時將導致行人出現(xiàn)較危險的落地角度，行人身體各部位與地面的碰撞順序將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生不同的地面碰撞損傷風險.

目前MADYMO假人模型尚無落地損傷的實驗驗證數(shù)據(jù)，本研究只關注HIC值的分布趨勢而非絕對值.另外，本研究中行人僅位于車輛前端中間位置，后續(xù)研究需對不同碰撞位置的行人運動及損傷響應進行分析.

4 ??結 ??論

本文通過對車輛前部各結構參數(shù)進行定量調整，對行人一次碰撞與二次碰撞中各參數(shù)進行了研究，可以得出以下結論：

1）行人-車輛碰撞中，BLEH對行人頭部HIC值（車）的影響顯著性最大（p < 0.01）;BA對頭部角加速度（車）的影響較BLEH更為顯著.行人-地面碰撞中，BLEH對行人旋轉角度的影響顯著性最大（p<0.01）.WA、BL和GC對一、二次碰撞中的行人運動學及損傷的影響均較小.

2）車輛BLEH較高將導致一次碰撞中行人頭部與車輛發(fā)動機罩碰撞，易產(chǎn)生較嚴重的頭部損傷，相反，較低的BLEH對一次碰撞中行人頭部的保護效果更好.

3）BLEH對二次碰撞中行人運動學的影響主要是改變行人的旋轉角度.雖然較低的BLEH在一次碰撞中造成的行人頭部損傷較輕，但BLEH的降低會導致二次碰撞中行人旋轉角度的較大變化，這將增加行人頭頸部的損傷風險.

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