碰撞车速与车辆类型对行人运动和损伤耦合影响的研究*

王 岩,徐晓庆,刘博涵，许 骏，李一兵

(清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室,北京 100084)



2015049

碰撞车速与车辆类型对行人运动和损伤耦合影响的研究*

王 岩,徐晓庆,刘博涵，许 骏，李一兵

(清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室,北京 100084)

根据相关文献对行人受伤特征的统计结果，选择3例涉及不同车辆类型的典型事故案例，利用MADYMO软件分别对其进行事故再现，并根据真实交通事故采集数据对模型进行验证，从而建立了车辆多体动力学模型。在此基础上通过模拟，研究不同车辆类型和碰撞车速对行人头部-车辆相对速度、行人抛距和行人头部、胸部与小腿损伤程度的影响。结果表明，除了碰撞车速对行人运动规律和各部位损伤具有高度相关性外，车辆类型也具有一定程度的影响，相同碰撞车速下：①厢式客车的行人抛距约为微型轿车和普通轿车的1.25倍；②碰撞车速在38～60km/h范围时，厢式客车的头部HIC值约为微型轿车和普通轿车的1.3～2.2倍；③厢式客车的行人胸部损伤程度约为微型轿车和普通轿车的1.7～4.5倍；④厢式客车的小腿损伤程度比微型轿车和普通轿车低20%～50%。

人-车事故；车辆类型；行人损伤；MADYMO模拟

前言

2011年我国交通事故死亡总人数62 387人，其中行人死亡数为15 690人，占总死亡人数的25.1%；受伤总人数为237 421，其中行人受伤数为40 849，占总受伤人数的17.2%[1]。而统计结果显示，在人-车碰撞事故中，不同车辆类型对行人造成损伤的风险不同[2]。因此，研究人-车事故并对事故成因进行微观案例分析具有重要的指导意义。

在人-车事故人体损伤的研究中，数值模拟研究是行之有效的手段。为研究汽车速度和前部结构参数对颅脑损伤的影响，文献[3]中运用MADYMO多体动力学软件建立了不同参数的汽车前部结构模型和行人模型，在此基础上进行计算机模拟与分析。文献[4]中建立了汽车与行人碰撞模型，通过改变汽车前部结构参数，分析各参数对膝关节损伤的影响，进而得到使膝关节损伤较小的各结构参数优化区间，最后提出了对行人膝关节损伤较小的汽车前部结构。文献[5]中通过建立汽车-骑自行车人碰撞模型，对汽车前部各结构参数对骑车人颅脑损伤的影响进行了系统分析；文献[6]中基于真实事故建立汽车-儿童碰撞模型，分析了汽车前部结构参数对儿童头部损伤的影响；文献[7]中通过建立汽车-电动自行车的碰撞模型，研究了各初始碰撞参数对骑车人头部和骨盆损伤的影响；文献[8]中通过统计方法对比分析了交通事故中轻型货车与普通轿车撞击行人的致死率，结果表明在特定速度下，行人与轻型货车碰撞导致严重头部和胸部损伤的可能性远高于普通轿车；文献[2]中通过对大量交通事故中的行人损伤信息统计，对比了轻型货车与普通轿车对行人损伤程度的影响，结果表明，轻型货车导致行人严重损伤的风险是普通轿车的3倍。虽然文献[8]中通过统计的方法从宏观角度对头部损伤和胸部损伤进行了研究，但未能从人车运动学和动力学角度进一步探讨和解释，因此本文中拟从微观案例和损伤参数的角度分析不同车速和车辆类型对行人运动和损伤的耦合影响。

1 行人损伤部位分布

表1中列出我国交通事故损伤中行人身体主要受伤部位和损伤频率的统计结果，其中统计了所有AIS2+等级的人体损伤，并得到不同身体部位损伤所占的比例分布[9]。由表1可见，头部与下肢损伤在人车事故所导致的人体损伤中所占的比例最高。其中下肢损伤最易导致行人丧失行走能力；而头部作为人体部位中对损伤最为敏感的部位，往往更容易导致行人严重损伤甚至死亡；虽然胸部损伤所占比例在各国统计数据中低于10%，但较为严重的胸部损伤仍可导致内脏破损甚至死亡。

表1 行人身体主要部位损伤频率 %

根据以上统计结果和分析，以头部损伤、胸部损伤和下肢损伤作为考察对象，研究车辆类型对行人损伤的影响。

2 事故再现与验证

本文中所选取的3种车辆类型为微型轿车、普通轿车和厢式客车。三者在前部外形上主要区别有：在发动机罩长度方面，厢式客车小于微型轿车，微型轿车小于普通轿车；在发动机罩前沿高度方面，微型轿车和普通轿车小于厢式客车。

首先分别建立车辆与行人的模拟碰撞试验场；然后，通过事故调查所得到不同角度信息对再现结果进行准确性验证；最后，在此基础上进行模拟试验来研究不同类型车辆和碰撞车速对行人运动和损伤的影响。表2为3例事故的基本信息。

表2 事故案例简要信息

2.1 模型建立

根据人-车事故数据采集信息，分别建立了微型轿车、普通轿车和厢式客车的多体动力学模型。通过车辆实地测量和实车三视图与模型三视图的对比验证确保所搭建的车辆模型在几何结构上能够较好地代表实际事故车辆。图1为经缩放后的行人模型。模型以TNO行人模型为基础，其模型表面由64个椭球与两个平面组成，其骨架结构由52个刚体组成，并与20个铰链相连。本文中在基础模型上根据实际身高和体质量信息，通过MADYMO/Scale模块进行缩放，其缩放的有效性已经过TNO研发人员试验验证[10]。图2分别为微型轿车、普通轿车和厢式客车的MADYMO模型及其对应的事故真实车辆。汽车模型前部结构(保险杠、发动机罩、风窗玻璃和A柱等)刚度特性参考文献[11]中冲击试验的力-位移曲线。

2.2 事故再现与结果验证

模型初步建立后，须根据现场信息、车辆勘察信息和行人医学报告对碰撞车速、行人行走姿态和相对位置等初始参数进行预估，根据模拟结果对初始参数在合理范围内进行调整，直到碰撞结果参数(人与车的运动距离、车辆损坏痕迹、行人损伤等)与实际事故数据吻合。经过一系列模拟计算后，得到的模拟结果与真实数值对比如表3所示。从表3看出，两者具有较好的一致性。

下面通过对比模拟结果与实际事故中车辆的接触与损坏情况，进一步验证模拟结果的准确性。行人与轿车接触过程中，较大的冲击力一方面会使行人身体受伤，另一方面也会造成车身损坏而留下痕迹，因此车身遗留痕迹可以作为一项重要验证信息。图3为模拟中接触情况与实际车辆损坏痕迹情况的人体损伤的部位和程度等信息是重要的医学证据，因此可以从损伤角度对模型和模拟结果进行进一步验证。头部与胸部损伤情况和损伤指标的对比如表4所示。其中损伤指标采用国际上通用的评价人体损伤的头部HIC、头部加速度和胸部TTI[12]。

表3 事故再现结果验证(运动距离对比)

对比。由图3可见，3个事故模拟结果均与实际事故车辆损坏痕迹吻合较好。

从表4可以看出，仿真得到的行人损伤指标值与实际损伤情况大体相符。

以上分别从人与车的运动距离、车辆损坏痕迹和行人损伤3个不同角度将模拟结果与真实事故信息进行对比，可以看出不同角度下模拟结果均能与真实事故数据吻合较好，据此对碰撞模型和再现结果的准确性进行了验证，为后续的仿真试验与分析奠定基础。

表4 人体损伤验证结果

3 车辆-行人碰撞模拟试验

为便于比较不同车辆类型对行人运动和损伤的影响，在以上建立的模型中按照我国第50百分位人体模型特征进行统一调整，即将身高和体质量分别设定为168.5cm和65.5kg。统一设定行人为快走步态，根据交叉路口行人平均行走速度[13]将其设定为1.4m/s，且车辆前端中部位置与行人侧部碰撞，在此基础上开展仿真试验，研究车辆类型和碰撞车速对行人运动与损伤的影响。采用的损伤指标除头部HIC、头部加速度和胸部TTI外，还有胸部加速度和小腿加速度及其峰值。

因本文中侧重研究不同车辆类型对行人运动与损伤的影响，未考虑行人与地面接触后所产生的二次碰撞损伤情况。

3.1 头部-车辆相对碰撞速度

图4是碰撞车速为11.1m/s时，不同车辆类型对应的行人头部-车辆相对速度的时间历程曲线。车辆-行人接触过程中，首先行人下肢与车辆前部接触，由于人体结构的缓冲作用，头部与车辆相对速度变化不大；随着接触的持续，行人头部速度迅速增加，导致头部-车辆相对速度迅速降低，直到接触结束行人被抛向空中后头部-车辆相对速度值才达到相对稳定。

此外，由图4中可以发现：厢式客车模拟试验中，行人头部相对速度迅速下降时刻明显早于微型轿车和普通轿车，这是由于厢式客车发动机罩前沿较高且机罩长度很短，导致行人与车辆接触后头部速度在较短时间内迅速增加，使头部与车辆之间的相对速度迅速下降；而微型轿车和普通轿车模拟试验中，头部相对速度变化差异不大，主要是由于两者前部形状相似的原因。

3.2 行人抛距

行人抛距作为人-车碰撞的关键参数之一，在交通事故再现实践中具有重要的作用。由于不同类型车辆前部形状的差异，碰撞后常见的人体运动形态主要有卷绕型和向前弹射型两种[14]。对本文中所选取的车辆类型和第50百分位行人而言，微型轿车与普通轿车和行人碰撞绝大多数属于卷绕型；而厢式客车则为向前弹射型，这主要取决于发动机罩离地高度与人体质心高度的相对位置关系，也即是由车辆前部结构尺寸决定的。

基于前面的事故案例统计结果，将碰撞车速范围设定在20～70km/h，每间隔5km/h进行一次模拟计算，分别得到不同碰撞车速下的行人抛距，进而研究车辆类型和碰撞车速对行人抛距的影响规律。图5示出微型轿车和普通轿车(卷绕型)对应的抛距计算结果。这里同时列出了文献[15]中的卷绕型人-车碰撞事故数据与本文中的计算结果进行对比，以辅助验证模拟结果的合理性。根据量纲分析，抛距s(单位m)与碰撞车速v(单位km/h)具有如下关系：

[s]∝k[v2/g]

式中：k为常数；g=9.8m/s2。

根据以上结果和拟合模型，采用非线性最小二乘法进行拟合，可得到卷绕型人-车事故中抛距-碰撞车速的显式关系式为

s=0.0703(v2/g)

(1)

按照相同的方法，图6中示出厢式客车(向前弹射型)对应的抛距计算结果。同样列出文献[15]中的向前弹射型人-车碰撞事故数据与本文中计算结果进行对比，以辅助验证模拟结果的合理性。

类似地，可拟合得到向前弹射型事故中抛距-碰撞车速的显示关系式为

s=0.0882(v2/g)

(2)

根据式(1)和式(2)可以看出，在相同碰撞车速下，厢式客车对应的行人抛距比普通轿车和微型轿车对应的行人抛距大25%。以上拟合公式可为人-车碰撞事故的车速确定提供简捷的理论依据。

3.3 头部损伤

为研究车辆类型与碰撞车速vv-p对行人头部HIC值的影响，通过在模型中改变vv-p来计算相应的HIC值。根据EuroNCAP碰撞法规[16]，人-车碰撞标准车速为v0=40km/h，将vv-p用v0进行无量纲化，将HIC用HIC0=1 000进行无量纲化，即定义无量纲化参数β=vv-p/v0，γ=HIC/HIC0。

图7为不同车辆类型中行人头部HIC随车速变化的走势。从图7可以看出，同一β值下，微型轿车和普通轿车对应的头部HIC值相差不大，因此分析时将两者作为整体统一分析。随着β值的增加，总体上3种车辆类型对应的γ值均随之增加，但增加幅度有较大不同。其中当β∈[0.25,0.625)时(即10km/h≤vv-p<25km/h)，随着β的增加，γ值增加幅度不明显，通过对模拟过程的分析发现，此时头部未与汽车前部结构碰撞或仅发生轻微碰撞，因此行人通常只发生轻微损伤；而当β∈[0.625,0.95)时(即25km/h≤vv-p<38km/h)，厢式客车对应的γ值略低于微型轿车和普通轿车，主要是因为与厢式客车低速碰撞时人体结构可发挥一定的缓冲作用，使头部-车辆相对碰撞速度较低。当β∈[0.95,1.5]时(即38km/h≤vv-p≤60km/h)，厢式客车对应的γ值大幅增长，约为微型轿车和普通轿车的1.3～2.2倍，因为高速碰撞时人体结构的缓冲效果大大下降，行人头部在极短时间内与厢式客车接触，较高的头部-车辆碰撞速度导致HIC值较高，而由于微型轿车和普通轿车发动机罩较长，在头部与车辆碰撞前仍有较长的缓冲时间，因此对应的HIC相对较低。

本文中的厢式客车与文献[2]和文献[8]中研究的厢式货车具有近似的前部外形结构。因此以上分析便从基于微观案例的角度解释和论证了文献[2]和文献[8]中根据宏观数据统计分析所做出的“厢式货车导致行人严重损伤的风险高于普通轿车”这一结论。

进一步采用非线性最小二乘法对图7中的数据点选用合适的公式进行拟合，则可得到如下显式关系式。

厢式客车：

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

(3)

根据试验数据分布特征，将微型轿车和普通轿车的数据进行分段拟合，得

(4)

图8是在碰撞车速为40km/h时3种车辆类型对应的头部合成加速度-时间历程曲线。由图可见，厢式客车对应的头部加速度峰值较高，且出现时刻较早，微型轿车和普通轿车对应的峰值较低，出现时刻较晚。

3.4 胸部损伤

为研究车辆类型与碰撞车速vv-p对行人胸部TTI值的影响，通过在3种碰撞模型中改变碰撞车速vv-p来计算相应的胸部TTI值。将TTI用TTI0=85g进行无量纲化，即定义无量纲化参数τ=TTI/TTI0。

图9为不同车辆类型中行人胸部TTI随车速变化的走势。从图9可以发现，同一β值下，微型轿车与普通轿车对应的τ值相差不大，因此同样将两者统一进行分析。随着β值的增加，3种车型对应的τ值均随之增加，但厢式客车的τ值明显大于微型轿车和普通轿车，前者约为后者的1.7～4.5倍。由于厢式客车发动机罩前沿较高，与行人胸部高度相对一致，撞击过程中较大的冲击力直接作用于行人胸部，因此造成的胸部TTI值和τ值明显高于其他两种车辆类型。

同样地，采用非线性最小二乘法对图9中数据点选用合适公式进行拟合，则可得到如下显式关系式。

厢式客车：

τ=-1.05+5.70β-4.22β2+2.54β3

(5)

微型轿车和普通轿车：

τ=-0.37+2.74β-3.34β2+1.66β3

(6)

图10是碰撞车速为40km/h时3种车型对应的行人胸部合成加速度的时间历程曲线。可以看出，厢式客车对应的胸部加速度峰值出现最早；峰值加速度也明显高于微型轿车与普通轿车。由于碰撞时厢式客车前部直接与行人胸部冲击；而微型轿车与普通轿车因发动机罩前沿高度较低，首先与行人下肢接触，随后发动机罩才与胸部接触，在此过程中降低了胸部-发动机罩碰撞前两者之间的相对速度，故胸部所承受的冲击力和加速度峰值较低。

3.5 小腿损伤

为研究车辆类型与碰撞车速vv-p对行人小腿加速度峰值apeak的影响，同样通过模型中改变vv-p来计算相应的apeak。类似地，将碰撞车速vv-p用v0=40km/h进行无量纲化，将apeak用apeak0=150g进行无量纲化，即定义无量纲化参数β=vv-p/v0，λ=apeak/apeak0。

图11为不同车辆类型中小腿加速度峰值随车速变化走势。与头部和胸部损伤类似，微型轿车和普通轿车对应的小腿加速度峰值仍无明显区别，因此同样将两者统一进行分析。随着β值的增加，3种车型对应的λ值均随之增加，但厢式客车所对应λ值比微型轿车和普通轿车低20%～50%。主要是由于与微型轿车和普通轿车相比，厢式客车发动机罩前沿高度较高，在碰撞过程中与行人身体接触区域较大，上身部位承担了部分载荷，从而使小腿部位所承受的载荷降低，因此厢式客车对应的小腿峰值加速度apeak较低。

同样采用非线性最小二乘法对图11中的数据点选用合适公式进行拟合，则可得到如下显式关系式。

厢式客车：

λ=0.74β+0.37β2-0.03β3

(7)

微型轿车和普通轿车：

λ=-0.17+2.34β-1.56β2+0.79β3

(8)

图12是碰撞车速为40km/h时3种车型对应的小腿加速度-时间历程曲线。由于普通轿车和微型轿车前端结构(保险杠部位)较为相似，因此所导致的行人小腿加速度曲线和峰值情况均较相近；而由于厢式客车碰撞时上身部位承担了部分载荷，使小腿部分载荷减小，因此厢式客车导致的小腿加速度峰值比另外两种车型低。

4 结论

针对人车事故中人体损伤部位分布统计结果，运用MADYMO软件对3例不同类型车辆的人-车碰撞事故进行重建并验证，最后基于验证的模型进行模拟试验，得到如下结论。

(1) 在行人头部-车辆相对速度和行人的抛距、头部HIC值、胸部TTI值与小腿峰值加速度等方面，微型轿车和普通轿车无明显差别。

(2) 基于模拟试验结果，分别建立了卷绕型与向前弹射型的人-碰撞事故车速-抛距经验公式，可为人-车碰撞事故的车速确定提供参考。结果表明，在相同碰撞车速下厢式客车的行人抛距比普通轿车和微型轿车的行人抛距约大25%。

(3) 低速时厢式客车对应的头部损伤较轻；碰撞车速高于38km/h时，厢式客车对应的头部损伤急剧加重，约为微型轿车和普通轿车的1.3～2.2倍。

(4) 在同一碰撞车速下，厢式客车所对应的行人胸部损伤程度约为微型轿车和普通轿车的1.7～4.5倍，而小腿损伤程度比微型轿车和普通轿车低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

*国家自然科学基金(11102099)、中国博士后特别资助和清华大学国际合作项目(20121080050)资助。

TsinghuaUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,Beijing100084

原稿收到日期为2013年5月21日，修改稿收到日期为2013年8月16日。