乘用车前端结构几何参数对行人头部动力学响应和损伤风险的影响*

聂 进,李桂兵，王薛超，杨济匡,3

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082；2.娄底职业技术学院，娄底 417000；3.查尔摩斯理工大学应用力学系，瑞典 41296)

前言

交通事故中由于缺少保护装置，行人被认为是最容易受伤害的道路使用者之一。交通事故中行人损伤是导致交通事故受害者死亡或残疾的一个重要因素。2004-2010年我国行人交通事故中导致46万人受伤，16万人死亡，占总交通事故总死亡人数25%以上[1]。历年来中国行人伤亡比例居高不下，行人安全已成为中国车辆交通安全的主要问题之一。因此，基于深入调查的行人交通事故数据研究行人损伤风险在我国具有重要意义。

车辆碰撞速度是影响行人损伤严重程度的主要因素之一。欧美等发达国家早在30年前就已经对乘用车碰撞速度与行人伤亡风险做过相关研究，并得到了不同碰撞速度下的伤亡风险值。在国内，文献[2]中以104例深入调查的行人事故数据为原始样本，通过加权处理得到了乘用车碰撞速度与行人重伤(AIS 3+损伤)和死亡的回归模型和风险曲线。

车辆前部结构几何形状在车辆-行人碰撞过程中能产生不同的行人碰撞动力学响应，也是影响行人损伤分布和严重程度的重要因素之一[3]。国外大量研究表明：微型厢式车、运动型多功能车(SUV)和轿车造成行人身体各部位损伤比例明显不同[4-5]；轻型货车、厢式车和SUV造成行人AIS 3+损伤和死亡的风险远大于轿车[6-8]。

乘用车是国内车辆-行人交通事故中最常见的车辆类型[9]。近年来，随着SUV和微型厢式车辆在国内市场上销售量的不断增加，这两类车型在乘用车中所占比例急剧上升，其对行人的安全问题也变得越来越重要。由于我国深入的交通事故调查活动开展较晚，采集的行人事故案例相对较少，基于深入调查的不同类型乘用车-行人事故对行人损伤风险的研究相对较少。

本文中以长沙地区深入的交通事故调查数据库(IVAC)中采集乘用车-行人事故案例为基础，按照不同乘用车前部轮廓对行人事故进行了归类，对比了不同类型的乘用车对行人的损伤分布和损伤风险；分别建立了不同类型乘用车-行人碰撞的多体动力学模型，并在不同碰撞速度下进行仿真分析，对比了不同碰撞速度下不同车型对行人头部碰撞的影响。

1 方法和材料

1.1 车型分类

从车辆的侧视图中提取了国内市场上绝大部分乘用车纵向中垂面的外部轮廓线，按照真实车辆的长度和高度尺寸，在CAD软件中对所提取的轮廓线进行长度和高度方向的单轴缩放，以确保所提取轮廓线与真实车辆纵向中垂面的外部轮廓保持等比关系。按照IHRA对欧美日等主流乘用车类型的分类[10]，本文中根据等比例缩放后车辆前部结构轮廓线的拟合程度，将乘用车分为以下3大类：轿车、SUV和微型厢式车。各类车型最大和最小前部结构几何轮廓如图1所示。

车辆前部结构形状设计参数定义如图2所示，表1～表3列出了轿车、SUV和微型厢式车前部结构各设计参数的最大值和最小值。

1.2 数据样本

2006年湖南大学与当地交警部门和医院合作，成立了车辆交通事故调查小组，在长沙市开展了深入的交通事故调查活动。当接到事故报警后，小组的研究人员与交警一起赴事故现场调查并采集数据，采集方式包括现场测量、拍照和询问事故当事人和目击者，并通过事故现场回勘和当事人回访进一步采集详细的事故信息。受害人的伤情数据通过急救医院获得。所有采集到的数据经过分析整理归档存于深入事故调查数据库—IVAC(in-depth investigation of vehicle accident in Changsha of China)[2]。

表1 轿车前部结构形状设计参数

表2 SUV前部结构形状设计参数

表3 微型厢式车前部结构形状设计参数

样本1 按照上述车型分类，从IVAC数据库中选取包含详细车型和人员损伤信息的乘用车-行人碰撞事故528例(轿车389例，SUV 22例，微型厢式车117例)，取样标准为：(1)事故时间为2004-2011年；(2)行人年龄大于14岁；(3)行人损伤为AIS1+；(4)车辆类型为乘用车。基于此样本，用描述性统计方法统计分析了不同类型乘用车-行人事故中行人损伤部位和损伤严重性的分布比例。

样本2 从样本1中选取包含详细事故发生过程记录，车辆痕迹和行人损伤数据，且车辆碰撞速度可合理估算的186起案例(其中轿车117例，SUV 21例，微型厢式车48例)。通过此样本建立各类乘用车碰撞速度与行人伤亡风险的逻辑回归模型，比较不同类型的乘用车对行人造成的伤亡风险。

1.3 逻辑回归方法

采用逻辑回归分析方法构建了不同车型碰撞速度与行人AIS 3+损伤和死亡风险的逻辑回归模型。比较分析了碰撞速度与行人损伤的关系和不同车型之间的区别。逻辑回归模型中自变量和因变量之间的相关性通过Wald卡方检验，首先建立零假设(假设自变量对事件发生可能性无影响作用)，然后计算出卡方值χ2和检验值p。χ2值越大，p值越小，则自变量与反应变量的相关性越显著。一般当p<0.05时认为相关性非常显著；当p<0.1时，认为相关性较为显著；p≥0.1时，相关性不显著。

基于logistic回归分析建立碰撞速度与行人损伤风险的回归模型，AIS 3+损伤风险或者死亡风险P(v)由以下公式得到

(1)

式中：v为车辆碰撞速度；α、β为参数，采用最大似然估计法求解[11]。

1.4 乘用车行人碰撞仿真

1.4.1 仿真模型

行人基本模型是由瑞典查尔摩斯理工大学开发和验证的多体动力学模型[12-13]。该模型已被广泛用于行人事故重建[14-15]。仿真中使用的模型是根据GB 10000—88中国成年人人体尺寸[16]中50百分位男性行人身高和体质量(身高1.68m，体质量59kg)，通过调用MADYMO中的GEBOD模块缩放得到。

按照上述车型分类，为增大所选车型在同类车中的代表性，分别在各类乘用车中选取各前部结构形状设计参数适中的车型，根据车辆前部结构形状设计参数的真实尺寸，建立了车辆的多体动力学模型，车辆-行人碰撞模型如图3所示。表4列出所选车型前部结构形状设计参数。

表4 所选车型的前部结构形状设计参数

为消除车辆前部结构机械特性对行人动力学响应的影响，所有车型前部各结构的机械特性分别定义为相同的力-变形曲线。图4为Euro-NCAP新车评估试验得到的车辆前部结构机械特性曲线。

1.4.2 碰撞仿真参数定义

研究表明，72%的行人事故发生在行人横穿直行马路，63%的行人事故车辆碰撞行人侧面(33%车辆碰撞行人左侧；30%车辆碰撞行人右侧)[17]。因此，本文中仿真设定车辆从左侧碰撞行人，行人正常行走，行走姿态如图5所示，参数定义见表5。图5中BA为后背角度；SA为肩关节角度；EA为肘关节角度；HA为髋关节角度；KA为膝关节角度；FA为踝关节角度。

表5 行人行走姿态参数 (°)

行人步行速度设定为正常的行走速度：1.55m/s[17]。车辆碰撞速度定义为20～60km/h。车辆加速度设定为-6.8m/s2(70%的行人事故，驾驶员在碰撞前采取了紧急制动[18])。行人脚与地面的摩擦因数定义为0.7，其他部位与地面的摩擦因数定义为0.6；行人身体各部位与轿车前部接触的摩擦因数定义为0.5[19]。

1.4.3 头部碰撞速度 、角度和位置定义

影响头部碰撞动力学响应的参数包括与汽车的相对速度、冲击角度和碰撞位置(图6)。

按照行人与车辆碰撞后三维空间运动过程，头部碰撞速度vRR为

(2)

式中：vRX、vRY、vRZ分别为头部相对车辆在水平、横向和垂直方向的相对速度。

碰撞角度α定义为头部的合速度矢量与水平切线的夹角，即

α=arctanvRZ/vRX

(3)

头部碰撞位置一般可以根据风窗玻璃和发动机罩的损坏和变形痕迹确定，同时可以根据行人围绕转动距离WAD测定。

2 结果

2.1 行人损伤分布和严重性

图7为不同类型乘用车-行人事故中行人身体各部位受伤的比例。从图7看出，行人头部和下肢是受伤比例最高的两个部位。在不同类型乘用车与行人的碰撞事故中，超过60%的事故行人头部受伤，3类车型中头部受伤的比例相差不大。对下肢而言，有超过50%的轿车-行人事故和SUV-行人事故行人下肢受伤，然而只有35%的微型厢式车-行人事故行人下肢受到伤害。

图8为不同类型乘用车-行人事故中行人身体各部位受AIS 3+损伤的比例。头部、胸部和下肢在乘用车-行人事故中受AIS 3+损伤的比例最高。SUV造成行人头部受AIS 3+损伤的比例最大，超过40%的SUV-行人事故行人头部受到AIS 3+损伤；其次为微型厢式车(约为35%)，轿车最低，约为25%。SUV造成行人下肢受AIS 3+损伤比例也远高于轿车和微型厢式车。胸部在微型厢式车-行人碰撞事故中受AIS 3+损伤的比例(15%)要高于在轿车-行人事故和SUV-行人事故中行人胸部受AIS 3+损伤比例，后者分别有约7%和5%的事故胸部受AIS 3+损伤。同时，胸部在微型厢式车-行人事故受AIS 3+损伤的机率也超过了下肢(8%)，成为仅次于头部易受AIS 3+损伤的部位。

图9为不同类型的乘用车-行人事故中，行人AIS3+损伤在身体各部位之间的分布。如果行人同一部位同时受到几处AIS 3+损伤，本文中只取AIS评分最高的损伤进行统计。从图9中可以看出，行人头部是所有身体部位中最容易受到AIS3+损伤的部位，在这3类乘用车与行人的碰撞事故中，头部AIS 3+损伤都超过了50%。在轿车-行人和SUV-行人事故中，下肢AIS 3+损伤仅次于头部，所占比例分别为26%和29%；然而胸部AIS 3+损伤在微型厢式车-行人事故中所占比例约为21%，比下肢AIS 3+损伤比例(13%)高，仅次于头部位居第2位。

2.2 头部碰撞点分布

图10为行人与轿车、SUV和微型厢式车碰撞时，头部碰撞点在汽车上的分布示意图。

行人与轿车碰撞时，头部碰撞点分布在发动机罩后端、风窗玻璃和A柱下端及下边框，且越靠近A柱和下边框区域，头部受AIS 3+损伤的机率越大。当行人与SUV碰撞时，绝大部分头部碰撞点分布在发动机罩后端，且头部受AIS 3+损伤比例很高。与微型厢式车碰撞时，行人头部碰撞点基本都分布在风窗玻璃区域，碰撞点靠近A柱的比例较高。

2.3 行人损伤风险

2.3.1 碰撞速度分布

样本2中车辆碰撞速度分别如图11所示。大约90%的乘用车-行人碰撞事故车辆碰撞速度小于或等于60km/h。

2.3.2 逻辑回归分析

基于本文中对乘用车的分类，采用Logistic回归分析方法对原始样本分别构建不同类型车辆的碰撞速度与行人AIS 3+损伤，置信度95%。回归方程为

轿车：

(4)

SUV：

实验结果表明，随着加入NaCl含量的增加和p H值的降低，亦即CaSO4的溶解度升高，TSR反应生成的H 2 S体积分数增大。TSR反应受到硫酸盐溶解度的影响，溶解度越高，反应速率越快。然而，虽然Na2 SO 4溶解度比CaSO 4大得多，但Na2 SO4实验组无H 2 S生成，也就是说未发生TSR反应。这说明虽然TSR反应受到硫酸盐溶解度的影响，但溶解度不是决定TSR反应是否发生的唯一条件，TSR反应的启动还受到硫酸盐种类(金属阳离子)的影响。

(5)

微型厢式车：

(6)

回归模型卡方检验结果如表6所示。所有回归模型的相关系数p都小于0.05，即轿车、SUV和微型厢式车碰撞速度都与行人发生AIS 3+损伤的比例显著相关。风险曲线见图12。

从图12可以看出，SUV与微型厢式车造成行人AIS 3+损伤的风险基本相同，但远高于轿车造成的风险。行人50%死亡风险对应的轿车、SUV和微型厢式车的碰撞速度分别为40、31.1和29.2km/h。

同理，基于各类乘用车-行人碰撞事故构建的置信度为95%的车辆碰撞速度与行人死亡风险的回归模型方程为

轿车：

(7)

SUV：

(8)

微型厢式车：

(9)

逻辑回归方程的卡方检验结果如表7所示。所有回归模型的相关系数p同样都小于0.05，即轿车、SUV和微型厢式车碰撞速度与行人死亡的比例同样都显著相关。风险曲线见图13。

表7 行人死亡风险逻辑回归分析结果

图13显示，SUV造成行人死亡的风险最大，其次为微型厢式车，轿车造成行人死亡的风险最低，行人50%死亡风险对应的轿车、微型厢式车和SUV的碰撞速度分别为64.9、58.7和48.7km/h。

2.4 仿真结果

2.4.1 行人动力学响应比较

由上述车辆碰撞速度的分布统计可知，车辆碰撞速度处在31～40km/h范围内的比例最高。因此，本文中选取40km/h的车辆碰撞速度来比较各类乘用车-行人碰撞中行人的动力学响应。当行人与轿车发生碰撞时，行人小腿和大腿首先与车辆保险杠和发动机罩前沿碰撞，行人上半身开始绕大腿与发动机罩前沿接触位置向发动机罩绕转，最终行人头部在大约120ms时与风窗玻璃下端发生碰撞；当行人与SUV发生碰撞时，行人大腿和骨盆分别与车辆保险杠和发动机罩前沿发生碰撞，行人上半身绕骨盆向发动机罩旋转，头部在大约100ms时与车辆发动机罩碰撞；当行人与微型厢式车发生碰撞时，行人下肢和骨盆在短时间内分别与车辆保险杠和前面板接触，之后胸部与车辆前面板和风窗玻璃下边框交接处碰撞，头部在大约70ms时与风窗玻璃下端发生碰撞，如图14所示。

身体各部位质心运动轨迹如图15所示。行人头部和骨盆的水平位移与轿车碰撞时最大，其次为SUV，与微型厢式车碰撞最小；与轿车和SUV碰撞时，行人上半身绕转程度也明显大于微型厢式车。

2.4.2 头部碰撞条件

由上述的统计结果可知，头部是行人容易受致命伤的身体部位。通过轿车、SUV和微型厢式车与行人的碰撞仿真，比较不同车型和不同车速下对行人头部的碰撞情况。不同碰撞条件下，行人头部碰撞时间、碰撞速度和碰撞角度见表8。

表8 行人头部碰撞条件和动力学响应参数

注：*v为车辆碰撞速度，*T为头部碰撞时间，*vhead为头部碰撞速度，*θ为头部碰撞角。

不同车辆碰撞速度下WAD与行人身高的比值ω的关系如图16所示。当行人与SUV或微型厢式车发生碰撞时，ω值保持在1左右；与轿车发生碰撞时，ω值要明显大于1，且随着车辆碰撞速度的增大，比值增大的幅度明显大于SUV和微型厢式车。

不同车辆碰撞速度下，行人头部碰撞速度与车辆碰撞速度的比值δ如图17所示。δ随车辆碰撞速度的增大而增大，3类不同车型比值的变化区间分别为：0.92～1.25(轿车)、0.64～0.95(SUV)和0.81～0.88(微型厢式车)。相同的车辆碰撞速度，行人与SUV和微型厢式车碰撞时头部碰撞速度相差较小，但两者都小于行人与轿车碰撞的头部碰撞速度。3类不同车型之间行人头部平均碰撞速度分别为：轿车47.6km/h、SUV 34.1km/h和微型厢式车34km/h。

行人头部碰撞角度受车辆前部轮廓的影响相对较大。不同车辆碰撞速度下，轿车和SUV导致的行人头部碰撞角度远大于微型厢式车。在与轿车和微型厢式车的碰撞中，随着车辆碰撞速度的增大，行人头部碰撞角度不断减小。然而在与SUV的碰撞中，行人头部碰撞角度随着车辆碰撞速度的增大变化不大，头部碰撞角度保持在77°左右。行人与轿车、SUV和微型厢式车在不同速度碰撞下头部碰撞角度的平均值分别为64.4°、77.1°和44.7°。

3 讨论

SUV碰撞速度与行人伤亡风险的关系是通过对样本2中包括的21例SUV-行人事故数据进行逻辑回归分析得到。样本较少，SUV碰撞速度与行人伤亡风险的定量关系还需要更多相关的深入调查的行人事故数据更加精确地确定。

统计分析显示：行人与SUV的碰撞中，头部受AIS 3+损伤的比例最高，其次为微型厢式车，轿车导致行人头部AIS 3+损伤的比例最低。而行人与微型厢式车碰撞中，胸部受AIS 3+损伤的比例远高于轿车和SUV。这主要是因为车辆前部结构形状的差异，致使行人头部和胸部与车辆不同区域碰撞所导致。行人与SUV碰撞时，由于车辆发动机罩前沿高度和发动机罩长度等参数的影响，行人头部与车辆的碰撞点大多处于发动机罩后端。而SUV发动机罩后端整体刚度较大，行人头部受AIS 3+损伤的概率较高。当行人与微型厢式车碰撞时，由于风窗玻璃宽度较小，行人头部与A柱碰撞的概率增大，从而导致较高的头部AIS 3+损伤比例。当行人与轿车碰撞时，尽管头部碰撞点也会出现在轿车发动机罩后端或A柱以及风窗玻璃下边框上，但碰撞点主要集中在刚度较低的风窗玻璃上，头部AIS 3+损伤的概率要低于SUV和微型厢式车。行人胸部在与微型厢式车的碰撞中受AIS 3+损伤比例最高，主要是因为微型厢式车发动机罩和风窗玻璃角度相对较大，行人胸部与刚度较大的风窗玻璃下边框直接发生碰撞，并且由于风窗玻璃和下边框刚度的差异，使胸部受力较为集中，进一步加大了风窗玻璃下边框对行人胸部的侵入量。因此，在微型厢式车的碰撞中，行人胸部AIS 3+的损伤比例较高。行人与轿车和SUV的碰撞时，行人胸部与车辆发动机罩接触，受力较均匀，且导致胸部变形的主要受力由行人绕转所产生的垂直方向的分速度产生，相对较小；在行人与轿车的碰撞中，行人头部和骨盆与车辆的碰撞更为胸部起到了减少载荷的作用。因此，行人胸部在与轿车和SUV的碰撞中受AIS 3+损伤的比例较低。

逻辑回归分析结果表明：行人损伤风险与轿车、SUV和微型厢式车三者的碰撞速度显著相关，这与文献[2]中的研究结果相似；SUV和微型厢式车造成行人AIS 3+伤亡的风险高于轿车，这与国外的研究结果相似[6-8]，也与本文中的统计结果一致。统计显示：行人头部AIS 3+损伤比例在与SUV碰撞时最高，其次为微型厢式车，与轿车碰撞时最低；胸部AIS 3+损伤比例在与微型厢式车碰撞时最高。而头部损伤和胸部损伤是导致行人死亡的主要伤害，特别是头部损伤。因此，逻辑回归分析结果中SUV和微型厢式车造成行人AIS 3+伤亡的风险高于轿车的结论合理。

仿真结果表明，车辆前部几何形状对行人动力学相应影响显著(图14)。从行人身体各部位的运动轨迹可以看出，行人在与车辆的碰撞过程中以绕转运动为主。当行人与轿车碰撞时，由于车辆发动机罩前沿高度较低和长度较长，行人骨盆及以上部位能获得充分的绕转空间，行人的绕转程度明显大于SUV和微型厢式车。在SUV-行人的碰撞中，相对较高SUV发动机罩前沿大大减少了行人骨盆以上部位的绕转半径。因此，行人绕转程度明显低于轿车。当行人与微型厢式车发生碰撞时，由于前面板纵向长度短和风窗玻璃倾斜角大的缘故，使行人身体各部位在短时间内全部与车辆发生接触，行人的绕转程度在3类车型中最低，这与文献[4]中的研究结果基本一致。

行人与轿车和SUV碰撞时，其头部碰撞速度与车辆碰撞速度的比值在不同车辆碰撞速度下区别较大(图17)。这主要与行人头部绕转所产生的垂直方向的分速度有关。当行人与轿车和SUV发生碰撞时，因车辆前部结构形状给予了行人很大的绕转空间，行人绕转较为充分。在低速碰撞下，行人下肢受到车辆向前的冲量相对较小，行人绕转速度也会相对较小，头部因绕转所产生的垂直方向的速度也会很小。随着车辆碰撞速度的增大，行人因下肢受到向前的较大冲击，会产生较大的旋转速度，因此，行人在头部因绕转所产生的垂直方向的分速度也会明显大于车辆低速碰撞时，从而导致头部碰撞速度迅速增大。当行人与微型厢式车碰撞时，因绕转程度较低，头部垂直方向分速度的影响会很小，因而在不同车辆碰撞速度下的头部碰撞速度与车辆碰撞速度的比值区别不会很大。图17还显示：在相同的车辆碰撞速度下，轿车的δ值要明显高于SUV和微型厢式车。这主要与车辆的发动机罩前沿高度有关。由于轿车发动机罩前沿高度低于行人的质心位置，在轿车保险杠与行人下肢发生碰撞后，行人质心及以上部位依然会保持一段时间的静止，然后才开始绕转运动，这就使行人头部与车辆在水平方向保持较大的相对速度。而对于SUV和微型厢式车而言，行人下肢首先与车辆发生接触后，质心位置迅速与发动机罩前沿发生碰撞，就导致整个行人在水平方向具有相对较大的速度，从而使头部与车辆在水平方向的相对速度减小。因此，与轿车碰撞时，行人头部碰撞速度与车辆碰撞速度的比值δ会高于SUV和微型厢式车。

仿真结果显示：行人头部碰撞角度在行人与不同类型车辆的碰撞中差别很大。行人与轿车和SUV碰撞时的头部碰撞角度远大于微型厢式车。这是由行人与车辆碰撞过程中身体的绕转程度所造成的。行人与轿车和SUV碰撞时身体绕转程度远大于微型厢式车，行人头部与轿车和SUV碰撞时在垂直方向已具有较大的分速度，因而碰撞角度要大于与微型厢式车碰撞时的碰撞角度。

4 结论

在乘用车-行人事故中，头部和下肢是行人最常见的两个受伤部位，且头部受AIS 3+损伤的比例最高。因此，能降低行人头部损伤程度的车型设计可大大减少行人伤亡机率，基于行人保护的乘用车前部结构的设计应着重考虑对行人头部的保护。

乘用车碰撞速度与行人AIS 3+损伤和死亡风险都显著正相关。SUV和微型厢式车造成行人AIS 3+损伤的风险高于轿车；SUV是导致行人死亡比例最高的车型，其次为微型厢式车，轿车最低。车辆碰撞速度30km/h时，SUV造成行人死亡风险约为微型厢式车的8倍，为轿车的6倍；50km/h时SUV造成行人死亡的风险约为微型厢式车的3倍，为轿车的4倍；当碰撞速度达到80km/h时，行人几乎不能在与SUV和微型厢式车的碰撞中幸免，轿车造成行人死亡的风险也高达86.3%。

从真实事故中头部碰撞点的分布情况和车辆-行人碰撞仿真结果来看，行人头部碰撞位置、头部碰撞速度和碰撞角度在与轿车、SUV和微型厢式车的碰撞中差别明显。

结果显示：SUV发动机罩后端应为头锤碰撞的主要测试区域，头部碰撞速度和碰撞角度分别为34km/h和77°，比较符合真实事故中行人头部的碰撞情况；对于微型厢式车而言，风窗玻璃和A柱应为头锤碰撞的主要测试区域，头部碰撞速度为34km/h、碰撞角度应为45°，能较为合理地反映真实事故中行人的头部碰撞情况。

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