王 巖,徐曉慶,劉博涵，許 駿，李一兵

(清華大學，汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室,北京 100084)

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2015049

碰撞車速與車輛類型對行人運動和損傷耦合影響的研究*

王 巖,徐曉慶,劉博涵，許 駿，李一兵

(清華大學，汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室,北京 100084)

根據(jù)相關文獻對行人受傷特征的統(tǒng)計結果，選擇3例涉及不同車輛類型的典型事故案例，利用MADYMO軟件分別對其進行事故再現(xiàn)，并根據(jù)真實交通事故采集數(shù)據(jù)對模型進行驗證，從而建立了車輛多體動力學模型。在此基礎上通過模擬，研究不同車輛類型和碰撞車速對行人頭部-車輛相對速度、行人拋距和行人頭部、胸部與小腿損傷程度的影響。結果表明，除了碰撞車速對行人運動規(guī)律和各部位損傷具有高度相關性外，車輛類型也具有一定程度的影響，相同碰撞車速下：①廂式客車的行人拋距約為微型轎車和普通轎車的1.25倍；②碰撞車速在38～60km/h范圍時，廂式客車的頭部HIC值約為微型轎車和普通轎車的1.3～2.2倍；③廂式客車的行人胸部損傷程度約為微型轎車和普通轎車的1.7～4.5倍；④廂式客車的小腿損傷程度比微型轎車和普通轎車低20%～50%。

人-車事故；車輛類型；行人損傷；MADYMO模擬

前言

2011年我國交通事故死亡總人數(shù)62 387人，其中行人死亡數(shù)為15 690人，占總死亡人數(shù)的25.1%；受傷總人數(shù)為237 421，其中行人受傷數(shù)為40 849，占總受傷人數(shù)的17.2%[1]。而統(tǒng)計結果顯示，在人-車碰撞事故中，不同車輛類型對行人造成損傷的風險不同[2]。因此，研究人-車事故并對事故成因進行微觀案例分析具有重要的指導意義。

在人-車事故人體損傷的研究中，數(shù)值模擬研究是行之有效的手段。為研究汽車速度和前部結構參數(shù)對顱腦損傷的影響，文獻[3]中運用MADYMO多體動力學軟件建立了不同參數(shù)的汽車前部結構模型和行人模型，在此基礎上進行計算機模擬與分析。文獻[4]中建立了汽車與行人碰撞模型，通過改變汽車前部結構參數(shù)，分析各參數(shù)對膝關節(jié)損傷的影響，進而得到使膝關節(jié)損傷較小的各結構參數(shù)優(yōu)化區(qū)間，最后提出了對行人膝關節(jié)損傷較小的汽車前部結構。文獻[5]中通過建立汽車-騎自行車人碰撞模型，對汽車前部各結構參數(shù)對騎車人顱腦損傷的影響進行了系統(tǒng)分析；文獻[6]中基于真實事故建立汽車-兒童碰撞模型，分析了汽車前部結構參數(shù)對兒童頭部損傷的影響；文獻[7]中通過建立汽車-電動自行車的碰撞模型，研究了各初始碰撞參數(shù)對騎車人頭部和骨盆損傷的影響；文獻[8]中通過統(tǒng)計方法對比分析了交通事故中輕型貨車與普通轎車撞擊行人的致死率，結果表明在特定速度下，行人與輕型貨車碰撞導致嚴重頭部和胸部損傷的可能性遠高于普通轎車；文獻[2]中通過對大量交通事故中的行人損傷信息統(tǒng)計，對比了輕型貨車與普通轎車對行人損傷程度的影響，結果表明，輕型貨車導致行人嚴重損傷的風險是普通轎車的3倍。雖然文獻[8]中通過統(tǒng)計的方法從宏觀角度對頭部損傷和胸部損傷進行了研究，但未能從人車運動學和動力學角度進一步探討和解釋，因此本文中擬從微觀案例和損傷參數(shù)的角度分析不同車速和車輛類型對行人運動和損傷的耦合影響。

1 行人損傷部位分布

表1中列出我國交通事故損傷中行人身體主要受傷部位和損傷頻率的統(tǒng)計結果，其中統(tǒng)計了所有AIS2+等級的人體損傷，并得到不同身體部位損傷所占的比例分布[9]。由表1可見，頭部與下肢損傷在人車事故所導致的人體損傷中所占的比例最高。其中下肢損傷最易導致行人喪失行走能力；而頭部作為人體部位中對損傷最為敏感的部位，往往更容易導致行人嚴重損傷甚至死亡；雖然胸部損傷所占比例在各國統(tǒng)計數(shù)據(jù)中低于10%，但較為嚴重的胸部損傷仍可導致內臟破損甚至死亡。

表1 行人身體主要部位損傷頻率 %

根據(jù)以上統(tǒng)計結果和分析，以頭部損傷、胸部損傷和下肢損傷作為考察對象，研究車輛類型對行人損傷的影響。

2 事故再現(xiàn)與驗證

本文中所選取的3種車輛類型為微型轎車、普通轎車和廂式客車。三者在前部外形上主要區(qū)別有：在發(fā)動機罩長度方面，廂式客車小于微型轎車，微型轎車小于普通轎車；在發(fā)動機罩前沿高度方面，微型轎車和普通轎車小于廂式客車。

首先分別建立車輛與行人的模擬碰撞試驗場；然后，通過事故調查所得到不同角度信息對再現(xiàn)結果進行準確性驗證；最后，在此基礎上進行模擬試驗來研究不同類型車輛和碰撞車速對行人運動和損傷的影響。表2為3例事故的基本信息。

表2 事故案例簡要信息

2.1 模型建立

根據(jù)人-車事故數(shù)據(jù)采集信息，分別建立了微型轎車、普通轎車和廂式客車的多體動力學模型。通過車輛實地測量和實車三視圖與模型三視圖的對比驗證確保所搭建的車輛模型在幾何結構上能夠較好地代表實際事故車輛。圖1為經縮放后的行人模型。模型以TNO行人模型為基礎，其模型表面由64個橢球與兩個平面組成，其骨架結構由52個剛體組成，并與20個鉸鏈相連。本文中在基礎模型上根據(jù)實際身高和體質量信息，通過MADYMO/Scale模塊進行縮放，其縮放的有效性已經過TNO研發(fā)人員試驗驗證[10]。圖2分別為微型轎車、普通轎車和廂式客車的MADYMO模型及其對應的事故真實車輛。汽車模型前部結構(保險杠、發(fā)動機罩、風窗玻璃和A柱等)剛度特性參考文獻[11]中沖擊試驗的力-位移曲線。

2.2 事故再現(xiàn)與結果驗證

模型初步建立后，須根據(jù)現(xiàn)場信息、車輛勘察信息和行人醫(yī)學報告對碰撞車速、行人行走姿態(tài)和相對位置等初始參數(shù)進行預估，根據(jù)模擬結果對初始參數(shù)在合理范圍內進行調整，直到碰撞結果參數(shù)(人與車的運動距離、車輛損壞痕跡、行人損傷等)與實際事故數(shù)據(jù)吻合。經過一系列模擬計算后，得到的模擬結果與真實數(shù)值對比如表3所示。從表3看出，兩者具有較好的一致性。

下面通過對比模擬結果與實際事故中車輛的接觸與損壞情況，進一步驗證模擬結果的準確性。行人與轎車接觸過程中，較大的沖擊力一方面會使行人身體受傷，另一方面也會造成車身損壞而留下痕跡，因此車身遺留痕跡可以作為一項重要驗證信息。圖3為模擬中接觸情況與實際車輛損壞痕跡情況的人體損傷的部位和程度等信息是重要的醫(yī)學證據(jù)，因此可以從損傷角度對模型和模擬結果進行進一步驗證。頭部與胸部損傷情況和損傷指標的對比如表4所示。其中損傷指標采用國際上通用的評價人體損傷的頭部HIC、頭部加速度和胸部TTI[12]。

表3 事故再現(xiàn)結果驗證(運動距離對比)

對比。由圖3可見，3個事故模擬結果均與實際事故車輛損壞痕跡吻合較好。

從表4可以看出，仿真得到的行人損傷指標值與實際損傷情況大體相符。

以上分別從人與車的運動距離、車輛損壞痕跡和行人損傷3個不同角度將模擬結果與真實事故信息進行對比，可以看出不同角度下模擬結果均能與真實事故數(shù)據(jù)吻合較好，據(jù)此對碰撞模型和再現(xiàn)結果的準確性進行了驗證，為后續(xù)的仿真試驗與分析奠定基礎。

表4 人體損傷驗證結果

3 車輛-行人碰撞模擬試驗

為便于比較不同車輛類型對行人運動和損傷的影響，在以上建立的模型中按照我國第50百分位人體模型特征進行統(tǒng)一調整，即將身高和體質量分別設定為168.5cm和65.5kg。統(tǒng)一設定行人為快走步態(tài)，根據(jù)交叉路口行人平均行走速度[13]將其設定為1.4m/s，且車輛前端中部位置與行人側部碰撞，在此基礎上開展仿真試驗，研究車輛類型和碰撞車速對行人運動與損傷的影響。采用的損傷指標除頭部HIC、頭部加速度和胸部TTI外，還有胸部加速度和小腿加速度及其峰值。

因本文中側重研究不同車輛類型對行人運動與損傷的影響，未考慮行人與地面接觸后所產生的二次碰撞損傷情況。

3.1 頭部-車輛相對碰撞速度

圖4是碰撞車速為11.1m/s時，不同車輛類型對應的行人頭部-車輛相對速度的時間歷程曲線。車輛-行人接觸過程中，首先行人下肢與車輛前部接觸，由于人體結構的緩沖作用，頭部與車輛相對速度變化不大；隨著接觸的持續(xù)，行人頭部速度迅速增加，導致頭部-車輛相對速度迅速降低，直到接觸結束行人被拋向空中后頭部-車輛相對速度值才達到相對穩(wěn)定。

此外，由圖4中可以發(fā)現(xiàn)：廂式客車模擬試驗中，行人頭部相對速度迅速下降時刻明顯早于微型轎車和普通轎車，這是由于廂式客車發(fā)動機罩前沿較高且機罩長度很短，導致行人與車輛接觸后頭部速度在較短時間內迅速增加，使頭部與車輛之間的相對速度迅速下降；而微型轎車和普通轎車模擬試驗中，頭部相對速度變化差異不大，主要是由于兩者前部形狀相似的原因。

3.2 行人拋距

行人拋距作為人-車碰撞的關鍵參數(shù)之一，在交通事故再現(xiàn)實踐中具有重要的作用。由于不同類型車輛前部形狀的差異，碰撞后常見的人體運動形態(tài)主要有卷繞型和向前彈射型兩種[14]。對本文中所選取的車輛類型和第50百分位行人而言，微型轎車與普通轎車和行人碰撞絕大多數(shù)屬于卷繞型；而廂式客車則為向前彈射型，這主要取決于發(fā)動機罩離地高度與人體質心高度的相對位置關系，也即是由車輛前部結構尺寸決定的。

基于前面的事故案例統(tǒng)計結果，將碰撞車速范圍設定在20～70km/h，每間隔5km/h進行一次模擬計算，分別得到不同碰撞車速下的行人拋距，進而研究車輛類型和碰撞車速對行人拋距的影響規(guī)律。圖5示出微型轎車和普通轎車(卷繞型)對應的拋距計算結果。這里同時列出了文獻[15]中的卷繞型人-車碰撞事故數(shù)據(jù)與本文中的計算結果進行對比，以輔助驗證模擬結果的合理性。根據(jù)量綱分析，拋距s(單位m)與碰撞車速v(單位km/h)具有如下關系：

[s]∝k[v2/g]

式中：k為常數(shù)；g=9.8m/s2。

根據(jù)以上結果和擬合模型，采用非線性最小二乘法進行擬合，可得到卷繞型人-車事故中拋距-碰撞車速的顯式關系式為

s=0.0703(v2/g)

(1)

按照相同的方法，圖6中示出廂式客車(向前彈射型)對應的拋距計算結果。同樣列出文獻[15]中的向前彈射型人-車碰撞事故數(shù)據(jù)與本文中計算結果進行對比，以輔助驗證模擬結果的合理性。

類似地，可擬合得到向前彈射型事故中拋距-碰撞車速的顯示關系式為

s=0.0882(v2/g)

(2)

根據(jù)式(1)和式(2)可以看出，在相同碰撞車速下，廂式客車對應的行人拋距比普通轎車和微型轎車對應的行人拋距大25%。以上擬合公式可為人-車碰撞事故的車速確定提供簡捷的理論依據(jù)。

3.3 頭部損傷

為研究車輛類型與碰撞車速vv-p對行人頭部HIC值的影響，通過在模型中改變vv-p來計算相應的HIC值。根據(jù)EuroNCAP碰撞法規(guī)[16]，人-車碰撞標準車速為v0=40km/h，將vv-p用v0進行無量綱化，將HIC用HIC0=1 000進行無量綱化，即定義無量綱化參數(shù)β=vv-p/v0，γ=HIC/HIC0。

圖7為不同車輛類型中行人頭部HIC隨車速變化的走勢。從圖7可以看出，同一β值下，微型轎車和普通轎車對應的頭部HIC值相差不大，因此分析時將兩者作為整體統(tǒng)一分析。隨著β值的增加，總體上3種車輛類型對應的γ值均隨之增加，但增加幅度有較大不同。其中當β∈[0.25,0.625)時(即10km/h≤vv-p<25km/h)，隨著β的增加，γ值增加幅度不明顯，通過對模擬過程的分析發(fā)現(xiàn)，此時頭部未與汽車前部結構碰撞或僅發(fā)生輕微碰撞，因此行人通常只發(fā)生輕微損傷；而當β∈[0.625,0.95)時(即25km/h≤vv-p<38km/h)，廂式客車對應的γ值略低于微型轎車和普通轎車，主要是因為與廂式客車低速碰撞時人體結構可發(fā)揮一定的緩沖作用，使頭部-車輛相對碰撞速度較低。當β∈[0.95,1.5]時(即38km/h≤vv-p≤60km/h)，廂式客車對應的γ值大幅增長，約為微型轎車和普通轎車的1.3～2.2倍，因為高速碰撞時人體結構的緩沖效果大大下降，行人頭部在極短時間內與廂式客車接觸，較高的頭部-車輛碰撞速度導致HIC值較高，而由于微型轎車和普通轎車發(fā)動機罩較長，在頭部與車輛碰撞前仍有較長的緩沖時間，因此對應的HIC相對較低。

本文中的廂式客車與文獻[2]和文獻[8]中研究的廂式貨車具有近似的前部外形結構。因此以上分析便從基于微觀案例的角度解釋和論證了文獻[2]和文獻[8]中根據(jù)宏觀數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析所做出的“廂式貨車導致行人嚴重損傷的風險高于普通轎車”這一結論。

進一步采用非線性最小二乘法對圖7中的數(shù)據(jù)點選用合適的公式進行擬合，則可得到如下顯式關系式。

廂式客車：

γ=83.03+94.13β+19.56β2+33.94β3-84.39eβ

(3)

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分布特征，將微型轎車和普通轎車的數(shù)據(jù)進行分段擬合，得

(4)

圖8是在碰撞車速為40km/h時3種車輛類型對應的頭部合成加速度-時間歷程曲線。由圖可見，廂式客車對應的頭部加速度峰值較高，且出現(xiàn)時刻較早，微型轎車和普通轎車對應的峰值較低，出現(xiàn)時刻較晚。

3.4 胸部損傷

為研究車輛類型與碰撞車速vv-p對行人胸部TTI值的影響，通過在3種碰撞模型中改變碰撞車速vv-p來計算相應的胸部TTI值。將TTI用TTI0=85g進行無量綱化，即定義無量綱化參數(shù)τ=TTI/TTI0。

圖9為不同車輛類型中行人胸部TTI隨車速變化的走勢。從圖9可以發(fā)現(xiàn)，同一β值下，微型轎車與普通轎車對應的τ值相差不大，因此同樣將兩者統(tǒng)一進行分析。隨著β值的增加，3種車型對應的τ值均隨之增加，但廂式客車的τ值明顯大于微型轎車和普通轎車，前者約為后者的1.7～4.5倍。由于廂式客車發(fā)動機罩前沿較高，與行人胸部高度相對一致，撞擊過程中較大的沖擊力直接作用于行人胸部，因此造成的胸部TTI值和τ值明顯高于其他兩種車輛類型。

同樣地，采用非線性最小二乘法對圖9中數(shù)據(jù)點選用合適公式進行擬合，則可得到如下顯式關系式。

廂式客車：

τ=-1.05+5.70β-4.22β2+2.54β3

(5)

微型轎車和普通轎車：

τ=-0.37+2.74β-3.34β2+1.66β3

(6)

圖10是碰撞車速為40km/h時3種車型對應的行人胸部合成加速度的時間歷程曲線?？梢钥闯觯瑤娇蛙噷男夭考铀俣确逯党霈F(xiàn)最早；峰值加速度也明顯高于微型轎車與普通轎車。由于碰撞時廂式客車前部直接與行人胸部沖擊；而微型轎車與普通轎車因發(fā)動機罩前沿高度較低，首先與行人下肢接觸，隨后發(fā)動機罩才與胸部接觸，在此過程中降低了胸部-發(fā)動機罩碰撞前兩者之間的相對速度，故胸部所承受的沖擊力和加速度峰值較低。

3.5 小腿損傷

為研究車輛類型與碰撞車速vv-p對行人小腿加速度峰值apeak的影響，同樣通過模型中改變vv-p來計算相應的apeak。類似地，將碰撞車速vv-p用v0=40km/h進行無量綱化，將apeak用apeak0=150g進行無量綱化，即定義無量綱化參數(shù)β=vv-p/v0，λ=apeak/apeak0。

圖11為不同車輛類型中小腿加速度峰值隨車速變化走勢。與頭部和胸部損傷類似，微型轎車和普通轎車對應的小腿加速度峰值仍無明顯區(qū)別，因此同樣將兩者統(tǒng)一進行分析。隨著β值的增加，3種車型對應的λ值均隨之增加，但廂式客車所對應λ值比微型轎車和普通轎車低20%～50%。主要是由于與微型轎車和普通轎車相比，廂式客車發(fā)動機罩前沿高度較高，在碰撞過程中與行人身體接觸區(qū)域較大，上身部位承擔了部分載荷，從而使小腿部位所承受的載荷降低，因此廂式客車對應的小腿峰值加速度apeak較低。

同樣采用非線性最小二乘法對圖11中的數(shù)據(jù)點選用合適公式進行擬合，則可得到如下顯式關系式。

廂式客車：

λ=0.74β+0.37β2-0.03β3

(7)

微型轎車和普通轎車：

λ=-0.17+2.34β-1.56β2+0.79β3

(8)

圖12是碰撞車速為40km/h時3種車型對應的小腿加速度-時間歷程曲線。由于普通轎車和微型轎車前端結構(保險杠部位)較為相似，因此所導致的行人小腿加速度曲線和峰值情況均較相近；而由于廂式客車碰撞時上身部位承擔了部分載荷，使小腿部分載荷減小，因此廂式客車導致的小腿加速度峰值比另外兩種車型低。

4 結論

針對人車事故中人體損傷部位分布統(tǒng)計結果，運用MADYMO軟件對3例不同類型車輛的人-車碰撞事故進行重建并驗證，最后基于驗證的模型進行模擬試驗，得到如下結論。

(1) 在行人頭部-車輛相對速度和行人的拋距、頭部HIC值、胸部TTI值與小腿峰值加速度等方面，微型轎車和普通轎車無明顯差別。

(2) 基于模擬試驗結果，分別建立了卷繞型與向前彈射型的人-碰撞事故車速-拋距經驗公式，可為人-車碰撞事故的車速確定提供參考。結果表明，在相同碰撞車速下廂式客車的行人拋距比普通轎車和微型轎車的行人拋距約大25%。

(3) 低速時廂式客車對應的頭部損傷較輕；碰撞車速高于38km/h時，廂式客車對應的頭部損傷急劇加重，約為微型轎車和普通轎車的1.3～2.2倍。

(4) 在同一碰撞車速下，廂式客車所對應的行人胸部損傷程度約為微型轎車和普通轎車的1.7～4.5倍，而小腿損傷程度比微型轎車和普通轎車低20%～50%。

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A Study on the Coupling Influence of Impact Speed and VehicleType on the Movement and Injury of Pedestrian

Wang Yan, Xu Xiaoqing, Liu Bohan, Xu Jun & Li Yibing

Three typical pedestrian-vehicle accident cases with different types of vehicle involved are selected according to the statistic results of pedestrian’s injury features. The software MADYMO is utilized to conduct a reconstruction simulation, which is verified with real traffic accident data acquired and a vehicle multi-body dynamic model is built. Then on this basis a simulation is performed to study the effects of vehicles types and impact speed on the relative speed of pedestrian’s head over vehicle, throw distance and the injury severities of pedestrian’s head, thorax and lower leg. The results show that, besides the strong correlation between impact speed and pedestrian’s movement pattern and their injuries in different parts of body, the types of vehicle also have certain degrees of influences, for the same collision speed: 1) the throw distance in van collisions is about 1.25 times as long as that in mini-car and sedan collisions; 2) the HIC value in van collisions is around 1.3～2.2 times as high as that in mini-car and sedan collisions in a speed range of 38 ～ 60km/h; 3) the thoracic injury in van collisions is some 1.7～4.5 times as severe as that in mini-car and sedan collisions; 4) the injury severity of lower leg in van collisions is about 20%～50% lower than that in mini-car and sedan collisions.

vehicle-pedestrian accident; vehicle type; pedestrian injury; MADYMO simulation

*國家自然科學基金(11102099)、中國博士后特別資助和清華大學國際合作項目(20121080050)資助。

TsinghuaUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,Beijing100084

原稿收到日期為2013年5月21日，修改稿收到日期為2013年8月16日。