汽车与行人碰撞事故再现仿真研究

羊 玢，王 玉，王 哲，胡 敏，宋化卫

(南京林业大学汽车与交通工程学院，南京210037)

事故再现是根据已知的事故信息重新模拟事故参数和发生的过程，为事故鉴定提供参考和依据［1］。汽车-行人碰撞事故是道路交通事故的主要类型，尤其在中国，由于道路通行条件、人口密度和车型等因素的影响，使得行人安全问题更加突出。据统计，2009年，全国共发生道路交通事故238 351起，造成67 759人死亡、275 125人受伤，直接财产损失9.1亿元［2］。欧美及日本等西方国家汽车与行人碰撞事故在交通事故总数中也占有一定比例。因此，针对我国行人交通事故的现状，研究行人碰撞安全的相关技术，具有很重要的现实意义。

各国围绕汽车与行人碰撞的相关研究，日本汽车研究所 (JARI)、美国交通部以及其他的一些汽车制造商和科研院校也对行人碰撞安全和事故再现做了比较深入的研究。在中国，行人碰撞安全的研究起步较晚，主要集中在高等院校和汽车研究所，研究的范围也相对狭窄。江苏大学、吉林大学、上海交通大学、清华大学等单位都在行人碰撞安全和道路交通事故再现方面做了大量相关研究［3，7-9］。

本文主要研究汽车与行人碰撞后汽车与行人运动仿真分析，从保护交通事故中处于弱者地位的行人出发，分别就同一工况下汽车有无ABS制动系统、不同碰撞初速度以及利用随机函数确定汽车与行人的随机参数进行大量的仿真实验事故发生后确定人体重要器官头部与车体前部碰撞点以及损伤程度的分布规律。因此分析再现汽车-行人碰撞事故的特点对改进汽车车身设计，保护行人安全有着重要的意义。

1 汽车-行人碰撞模型

1.1 汽车-行人碰撞特点

行人由于走路姿势、性别、身高、年龄、体重及精神等自身因素影响，运动过程极为复杂，人体损伤的严重程度主要取决于行人身体与车辆或地面发生碰撞的部位以及碰撞速度的大小。研究表明［4］:引起行人交通事故的车辆70% ～80%是轿车，碰撞事故中成人事故所占比例最高，行人绝大多数 (55%)处于行走状态;行人与车辆侧向方位碰撞中所占比例最大 (68%)，头部是造成行人死亡的主要原因。

行人的伤情严重程度主要与碰撞速度有关，事故分析表明:70%的驾驶员在碰撞前采取了制动行为，95%的汽车与行人碰撞事故汽车速度低于45 km/h，碰撞速度低于15 km/h时，行人通常受到轻微伤害，碰撞速度介于25～55 km/h之间时，行人受到严重伤害的几率呈上升趋势，当碰撞速度超过55 km/h时，则常造成行人死亡［5-6］，具体碰撞发生时车辆的水平速度分布如图1所示。

图1 碰撞车速分布Fig.1 Collision velocity distribution

1.2 汽车-行人碰撞模型的建立

本文采用多刚体动力学方法建立汽车、行人和路面的多刚体碰撞力学模型，对汽车与行人碰撞事故过程进行仿真求解。行人模型采用多个刚体组成的多体动力学系统，不同的独立刚体代表行人身体不同组成部分。代表头部、骨盆和躯干等部位的独立刚体通过铰接点相连。对于每个独立刚体，其表面形状、接触刚度、质量和摩擦因数等属性都是重要的参数。独立刚体和铰接点的数量直接影响仿真计算的时间。在仿真中可以计算各独立刚体的速度、运行距离、加速度等动力学参数［10］。

每个独立刚体的表而行人选择PC-Crash中的成年假人模型，模型由19个铰接点和20个独立刚体组成，人体模型参照我国50百分位成年男子人体尺寸，假人与地面和车辆接触的平均摩擦因数为0.4，如图2所示。车辆部分参数的设置如图3所示。由于发动机舱盖向前下方倾斜的梯形前端车型在市场中占有率较多，因此，本文中试验车型选择选用PC-Crash系统车型数据库中的大众Passat CL1.8型轿车，仿真中设置车辆外形尺寸与实际车辆参数一致。道路路面平直，汽车与地面的摩擦因数为0.67，足部与地面的摩擦因数为0.7，身体各部分与汽车前部接触摩擦因数为0.5［11-12］。

图2 人体模型Fig.2 Pedestrian model

图3 车辆基本参数Fig.3 Basic vehicle parameters

图3中列出车辆前部各结构参数为:1为0.35 m;2为0.5 m;3为0.8 m;4为0.9 m;a为0.05 m;b为0.06 m;c为1.02 m;d为0.58 m

2 仿真结果及分析

2.1 行人伤害动力学响应

HIC(Head Injury Criterion)是目前使用最广泛的头部伤害指标，计算公式 (1)如下:

式中:t1为加速度作用中的任意时间;t2为相对于t1头部伤害指标达到最大的时间;aHead为头部中心的合成加速度。

目前，通常将头部伤害指标HIC=1000作为头部冲击伤害的安全界限，欧盟的行人安全性法规DIRECTIVE 2003/102/EC和美国联邦机动车安全标准 (FMVSS208)等都采用这一安全界限作为评价汽车碰撞安全措施的依据［13］。

评价侧面碰撞下胸部损伤的常用指标有胸部伤害指标TTI(Thoracic Trauma Index)和平均胸椎加速度指标ASA等。胸部伤害指标TTI主要用于预测胸部受到侧向刚性冲击时的损伤，是一个基于胸部侧向加速度测量值的损伤指标［14-15］，其计算公式(2)如下:

式中:Riby为撞击侧的第4根肋骨侧向加速度峰值;T12y为第12节胸椎侧向加速度峰值;Mass50为50百分位假人重量;Mass为试验人体对象的体量，Age为试验人体对象的体重。

2.2 碰撞仿真分析

汽车与行人发生高速碰撞后，行人的运动过程一般分为接触、腾空翻转、摔地滑行3个阶段。本文案例选取汽车以40 km/h与行人碰撞，制动减速度在汽车与行人碰撞时刻起开始施加，大小为0.6 g(g为重力加速度)，车辆直行，行人以步行姿势通过马路，行人的行走方向与汽车行驶速度方向垂直，碰撞时行人位于汽车中部区域。文中模拟仿真汽车有无ABS制动系统的情况，比较在相同条件下行人头部和胸部加速度曲线，分析和验证ABS制动系统在保护行人安全领域的作用。运动学仿真结果如图4所示。

图4 运动学仿真结果(v=40km/h)Fig.4 Kinematics simulation results(v=40km/h)

仿真试验研究表明，当汽车车速低于40 km/h时，行人表现为附着撞出，行人头部与汽车发动机罩发生一次碰撞，所受伤害较轻微。当速度超过40 km/h时，行人开始发生翻转，与汽车前挡玻璃和发动机罩发生碰撞，从而发生腾空翻转的现象。汽车装备有ABS和无ABS碰撞过程基本相同，装备ABS的汽车碰撞后的末速度和侧偏角比无ABS的汽车都要大些。

根据试验仿真可以得到不同碰撞车速情况下行人头部质心合成加速度变化曲线，如图5～图8所示。计算碰撞速度分别为 30 km/h、40 km/h、50 km/h和 60km/h的 HIC分别近似于250、370、480和1000。从HIC值可以看出，随着碰撞车速的增加，行人HIC值呈现增加的趋势，车速低于60 km/h，行人头部碰撞HIC值没有达到1000的安全界限。所以在汽车采取制动措施低速碰撞行人侧面的情况下，行人头部不会受到重创，发生死亡的可能性很小。在车速超过60 km/h时，可能造成对行人的多次碰撞甚至碾压，HIC值超出了安全界限值，行人会死于颅脑严重损伤。

图5 头部线加速度(30km/h)Fig.5 Head linear acceleration(30 km/h)

图6 头部线加速度(40km/h)Fig.6 Head linear acceleration(40 km/h)

图7 头部线加速度(50km/h)Fig.7 Head linear acceleration(50 km/h)

图8 头部线加速度(60km/h)Fig.8 Head linear acceleration(60 km/h)

将同一工况下汽车有无ABS制动系统、不同碰撞初速度头部质心和胸部合成加速度峰值进行仿真试验，结果如表1所示。在汽车车速低于40 km/h时，无ABS制动系统头部质心加速度峰值要低于装备ABS制动系统头部加速度峰值，随着车速的升高，装备ABS制动系统的汽车对行人头部碰撞加速度HIC值反而降低，说明高速碰撞制动时，ABS制动系统对人体头部的保护作用更加明显。

不同碰撞车速情况下行人胸部质心合成加速度变化曲线，如图9～图12所示。通过计算胸部加速度TTI可以得出，在汽车车速低于50 km/h时，胸部加速度峰值低于60 g的安全界限，不对造成行人骨折等致命性伤害，但足以对人体造成严重性的伤害，ABS制动系统在低速制动时对行人胸部的保护作用较为明显。

表1 行人头胸部碰撞加速度峰值Tab.1 Peak values for head and thoracic side acceleration

图9 胸部线加速度(30 km/h)Fig.9 Thoracic side linear acceleration(30 km/h)

图10 胸部线加速度(40 km/h)Fig.10 Thoracic side linear acceleration(40 km/h)

图11 胸部线加速度(50 km/h)Fig.11 Thoracic side linear acceleration(50 km/h)

图12 胸部线加速度(60 km/h)Fig.12 Thoracic side linear acceleration(60 km/h)

3 行人头部与汽车碰撞点分布分析

研究表明，人车碰撞事故发生后，除了头与地面碰撞或其他一些特例外，相当大的一部分运动规律是头部与发动机罩和挡风玻璃碰撞。所以从保护行人头部安全的角度出发，首先要搞清楚的应该是人体与车体碰撞后，头部与车体碰撞点的分布规律。

由于汽车-行人碰撞事故是带有一定随机性的，通过大量的实验模拟才能确保真实反映事故发生时的整体情况，因此要选取足够的样本量来进行模拟仿真。根据研究表明，影响行人交通事故发生后行人的运动状态的因素主要有:行人身高、步行速度、车辆速度这几个主要方面。所以为了消除主观因素的影响使研究的结果能够反映人-车事故的普遍水平，对行人的身高、步行速度、车辆的速度采用随机调取的方法，在EXCEL下用随机函数RAND和取整INT函数在一定范围内随机产生30组模拟碰撞的参数，头部碰撞点分布如图13所示。

图13 头部碰撞点分布Fig.13 Head impact location distribution

经统计，挡风玻璃 (包括A柱和挡风玻璃下边缘)频数为4及发动机罩的后二分之一部分频数为17，发动机前二分之一部分频数为4，未碰撞频数5。因此发动机罩的后二分之一部分和挡风玻璃 (包括A柱和挡风玻璃下边缘)是行人头部第一次碰撞点几率最大的着落区域，30次模拟中共有21次头部碰撞点在此区域，其频率达到0.7，是行人头部保护的重点区域。

由于文中规定人的步行方向由车的右前端至左，所以会导致碰撞点在车的左半部分分布比较多这样的现象。在模拟试验中身高较低的行人碰撞时头部大多不会落在发动机罩上，基本运动轨迹大致是与车的行使方向同向运动，所以对以身高较低的儿童来说碰撞时基本上是儿童被撞倒或向前抛出，所以对儿童碰撞保护的重点应该在汽车前保险杠或者发动机罩前端［16-17］。

4 结论

根据大量的汽车-行人碰撞事故仿真试验，现就行人保护方面提出以下建议:

(1)改善发动机罩基本结构和性能。适当降低汽车发动机罩的刚度可以降低行人头部与发动机罩的撞击力大小，如降低发动机罩外板的厚度，改变发动机罩截面形状，采用可溃发动机罩的支撑结构，以保证发动机罩后二分之一合理结构布置。

(2)采用汽车前保险杠安全气囊和前风窗安全气囊。由于汽车正面和侧面碰撞安全性的要求，汽车前风窗框架的刚性要求很大，这些部位的刚性不可能降低来满足对行人碰撞的头部安全性要求，目前的办法是采用前挡玻璃安全气囊或缓冲装置。

(3)采用辅助制动装置。在不同车速模拟碰撞试验中，发现汽车车速越高，行人头部碰撞加速度越大，从碰撞到行人落在发动机罩上所经历的时间也越短，采用辅助制动装置可以明显缩短汽车制动距离，降低汽车与行人发生碰撞时的速度，从而达到有效的行人保护。

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