行人和骑车人头部与轿车碰撞特征的研究*

曾必强,高继东,彭 伟,孙振东

(中国汽车技术研究中心,天津 300300)

行人和骑车人头部与轿车碰撞特征的研究*

曾必强,高继东,彭 伟,孙振东

(中国汽车技术研究中心,天津 300300)

基于CIDAS对行人和骑车人与车辆碰撞事故调查结果和THUMS假人对事故的仿真再现，总结了行人-轿车、电动自行车骑车人-轿车两种碰撞工况的碰撞特点，并据此建立了相应的交通事故仿真模型，深入研究了行人、骑车人与普通轿车碰撞过程中，行人、骑车人头部运动学响应和伤害特征。结果表明：行人头部与轿车、骑车人头部与轿车两种碰撞工况相似，故只须适当扩充现行行人保护法规中对冲击速度、冲击角度和碰撞点位置的规定，即可涵盖对两轮车乘员保护的范畴。

车辆工程；头部碰撞；行人保护；骑车人保护；安全法规

前言

行人与不同类型车辆混合的道路交通条件是我国交通事故中人员伤亡率较高的根源。我国公安部统计数据表明:2004-2010年，交通事故中导致16万行人死亡，其占总交通事故总死亡人数25%以上，其中机动车-自行车交通事故导致约6万骑车人死亡，占道路交通事故总死亡人数的9.8%。在交通事故人员伤亡比例中骑车人和行人的死亡和受伤人数远高于其他人员[1]。交通事故中行人、骑车人的头部损伤是最常见的伤害类型，同时也是造成行人重伤和死亡的主要原因[2]。

THUMS全生态假人是日本丰田公司根据真实人体特征开发的有限元人体模型，其结构根据中年男性完整尸体解剖测绘数据及其器官力学性能测试结果而建立，能代表真人在碰撞过程中的力学响应特征[3]。本文中采用经对标后的整车CAE模型，结合中国道路交通事故深度研究CIDAS交通事故数据库中交通事故特点，通过THUMS假人模拟再现了典型交通事故中行人、骑车人碰撞响应特征，研究了行人、骑车人碰撞过程中头部的运动学特征。

1 行人和骑车人交通事故统计分析

1.1 行人交通事故统计分析

根据中国交通事故深度研究项目(CIDAS)对几百起行人与车辆的碰撞事故调查结果，行人与车辆碰撞速度±5km/h范围内发生的事故数量占总事故的比例如图1所示。

图1 ±5km/h速度范围内事故比例

由图1可见，50±5km/h范围内发生的事故概率最高，75km/h以上速度事故概率较低。通过文献[4]和文献[5]中的研究成果表明，15km/h以下碰撞速度行人所受伤害均为轻伤，所以本文中选取15～75km/h碰撞速度作为行人头部碰撞工况研究的速度范围。

1.2 骑车人交通事故统计分析

中国交通事故深入研究项目(CIDAS)共记录轿车与自行车事故数百起，图2为自行车与车辆碰撞速度±5km/h范围内发生的事故数量占总事故的比例。

图2 ±5km/h速度范围内事故比例

由图2可见，15～75km/h为事故高发区间。所以选取15～75km/h碰撞速度分析骑车人运动姿态与伤害。

2 行人和骑车人头部伤害规律研究

2.1 行人和骑车人典型交通事故模型建立

文献[6]中研究表明，72%的行人事故发生在行人横穿马路，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),所以选取最有代表性的人和车正前方碰撞事故，分别建立行人与车辆、骑车人与车辆碰撞仿真再现模型，如图3和图4所示。

图4 骑车人交通事故

立姿假人(行人)身高1 780mm,穿鞋后高度为1 800mm；本文选择目前社会使用最为广泛且大小适中的自行车作为本文仿真车型，骑车假人高度为1 750mm。行人和骑车人所借用的假人均为THUMS4.0假人。

2.2 行人和骑车人头部伤害分析

2.2.1 头部运动学响应对比

汽车以40km/h速度与自行车或行人发生碰撞时，骑车人和行人不同碰撞时刻的运动姿态如图5所示。其中左侧为行人与轿车碰撞示意图，右侧为骑车人与轿车碰撞示意图。

图5 行人和骑车人运动学响应对比

由图5可见，在与轿车的整体碰撞过程中骑车人和行人的运动姿态变化规律基本类似。在前40ms，骑车人或行人下肢与轿车前保险杠接触，开始向前运动而上半身保持不动。随后骑车人或行人上半身向轿车发动机罩方向倾斜。通过对比可见，由于行人的重心较高，故行人上半身翻转得更加剧烈，在80ms左右，行人整体腾空。而骑车人骨盆始终没有离开轿车发动机罩，仅在轿车发动机罩表面向后滑移。

由图5还可见，骑车人与轿车发生碰撞时，其上半身有一个转身的过程，骑车人的后脑与轿车接触的概率更高。而行人与轿车发生碰撞时，与轿车碰撞侧的手臂会对行人有支撑作用，行人手臂受伤的概率更高。

2.2.2 头部碰撞点WAD值对比

根据仿真计算结果得到不同碰撞速度下行人/骑车人与轿车碰撞事故中人员头部与轿车碰撞点WAD值的变化规律如图6所示。

图6 头部碰撞点WAD值变化曲线

由图6可见，行人/骑车人头部碰撞点WAD值随着车辆碰撞速度的增加而增加，两者的变化规律基本一致。

在碰撞速度较低时由于THUMS行人脖子绕肩部的转动，所以导致了头部碰撞点WAD值小于1 800mm，当碰撞速度较高时由于头部与车辆接触前THUMS行人沿发动机罩表面发生向车后方向滑动，所以头部碰撞点WAD值大于1 800mm，且碰撞速度越大该规律越明显。在车辆速度为50km/h时,普通轿车头部碰撞点WAD值已经超过目前行人保护法规规定的WAD最大值2 100mm。

THUMS骑车人头部高度约1 750mm,由于其下肢初始位置较行人高，所以碰撞中骑车人骨盆沿发动机罩滑移量相对较大，因此骑车人头部碰撞点WAD值较高，在碰撞速度为30km/h时骑车人头部碰撞点WAD值已经超过2 100mm。

分别取行人和骑车人与轿车碰撞速度i=20，30，40，50，60和70km/h。将i±5km/h范围内发生的行人或骑车人碰撞事故比例Pi与该速度仿真得到的碰撞包络线数值(WAD值)进行加权平均，最后除以行人或骑车人头顶高度，可得事故中碰撞点WAD值与行人或骑车人头部高度的比值kp或kb。

行人

(1)

骑车人

(2)

式中：WADip和WADib为行人和骑车人仿真得到的车辆碰撞速度为i时碰撞点的包络线(WAD)值；81.16%，82.70%分别为15～75km/h速度范围内行人事故和骑车人事故占总事故的比例。

结合行人交通事故统计结果，1 800mm身高的行人与普通轿车碰撞时，其头部碰撞点位于WAD=1800×1.151≈2070mm的位置附近的概率最大，同理自行车碰撞事故中骑车人头部碰撞点位于WAD=1750×1.229≈2150mm的位置附近的概率最大。

2.2.3 行人和骑车人头部碰撞角度与碰撞速度分析

根据人车碰撞中行人头部与车的运动规律，头部与车辆接触时刻头部绝对速度为

(3)

而头部碰撞相对速度则为

(4)

式中：vx为头部水平方向的速度；vz为头部垂直方向的速度；v为头部绝对速度；vc为碰撞时刻轿车行驶速度；v′为头部碰撞相对速度。

图7为头部与车辆接触时刻相对矢量关系图。

图7 接触时刻头部碰撞角度

头部碰撞角度β是碰撞开始时刻头部相对于水平地面的角度，即

β=arctan(vz/vx)

(5)

根据仿真计算结果得到不同碰撞速度下骑车人和行人与车辆碰撞事故中头部碰撞相对碰撞速度和碰撞角度的变化规律如图8和图9所示。

图8 头部相对碰撞速度变化曲线

图9 头部相对地面碰撞角度变化曲线

从图8和图9可见，行人和骑车人头部碰撞速度、碰撞角度的运动学规律较为一致，但数值有较大差别。碰撞后骑车人整体向前速度要大于行人整体向前速度，所以骑车人头部与车辆的相对速度要小于行人头部与车辆的相对速度。

行人

83.2km/h

(6)

骑车人

(7)

结合行人和骑车人交通事故统计和仿真计算结果，人体侧面与车辆发生正前方碰撞时，由于人体下肢受撞击过程中对头部的反向加速作用，头部与车辆碰撞时其相对车辆的碰撞速度会高于车辆的行驶速度，车辆碰撞速度越高头部相对碰撞速度与实际车速的偏离越明显。由以上分析可知，行人交通事故头部与车辆碰撞的相对速度约为83.2km/h的概率最大，骑车人交通事故中头部与车辆碰撞的相对速度约为58km/h的概率最大。

行人

(8)

骑车人

(9)

所以结合交通事故统计结果行人与车辆正前方碰撞时，其头部相对碰撞面的碰撞角度为78°左右的概率最大，骑车人与车辆正前方碰撞时头部相对碰撞面角度为73.9°的概率最大。

2.2.4 行人和骑车人头部伤害对比

针对人员头部伤害情况的判别，国外对颅脑应力、颅内压力、头盖骨应力等进行了大量的尸体测试和研究分析。文献[7]中的研究指出，当颅内等效应力达到15～20kPa时，会导致脑震荡的出现，而当颅内等效应力达到38kPa，会导致严重的脑损伤。文献[8]中的研究也指出：当颅内压力大于235kPa时，会导致严重伤害；颅内压力在173～235kPa之间，会产生中度伤害。

汽车以40km/h速度与行人或骑车人发生碰撞时，骑车人和行人颅脑最大主应力和颅内压力云图分别如图10和图11所示。

图10 骑车人颅脑主应力和颅内压力分布云图

图11 行人颅脑主应力和颅内压力分布云图

由图10可知，骑车人颅脑最大等效应力为9.678kPa。根据文献[7]中的研究，电动自行车骑车人头部会受到轻度的脑震荡伤害。根据仿真结果可知骑车人颅内受到最大压力为111.2kPa，根据文献[8]中的研究，头部会受到轻度伤害。通过以上对颅脑最大等效应力和颅内压力的分析均判定该骑车人的伤害程度为轻度脑震荡。该结果与文献[9]和文献[10]中基于德国GIDAS数据库中自行车案例的分析和仿真结果非常接近。

由图11可知，行人颅脑最大等效应力为11.29kPa，行人颅内受到最大压力为141.0kPa。根据文献[7]和文献[8]中的研究结果，行人头部会受到脑震荡伤害。

综上可知，相同工况碰撞骑车人的颅脑主应力与颅内压力均略小于行人，但在仿真结果中还看到其两者碰撞点所处位置差别较大。骑车人头部碰撞点处于碰撞侧的脑后方，而行人头部碰撞点处于碰撞侧的上方，如图12所示。

图12 骑车人和行人碰撞头部接触位置

轿车在15～75km/h速度区间分别与骑车人和行人发生碰撞，骑车人/行人头部的主应力和压力对比如图13和图14所示。

图13 行人和骑车人颅脑主应力对比

图14 行人和骑车人颅脑压力对比

由图13和图14可见，骑车人和行人头部颅脑主应力和压力的变化规律基本一致，其总趋势均随碰撞车辆速度增加而增大。行人的颅脑主应力和颅内压力都比骑车人的大，故同等条件下行人颅脑受到伤害较大。在车辆速度为60～70km/h高速碰撞下，行人头部颅脑主应力和颅内压力变化曲线突然下折，这是由于行人肩部先与汽车风窗玻璃接触，在该冲击速度下玻璃会被压塌而分担了头部的冲击能量，故出现了数值下降的现象。

3 结论

通过对真实交通事故数据进行统计得到了行人与车辆、自行车与车辆两种碰撞类型，在不同碰撞速度下的发生概率，然后建立了15～75km/h速度下的人车CAE碰撞模型，并对行人和骑车人头部伤害机理进行了深入研究，得出如下结论。

(1) 通过对行人和骑车人在碰撞过程中头部运动学响应分析，两者头部碰撞点的WAD值、头部相对碰撞速度和头部碰撞角度等变化规律基本一致，可以考虑优化调整已有行人保护法规，将行人和骑车人伤害要求在新行人保护法规中体现。

(2) 扩大现行行人保护法规中头部碰撞区域范围，重新修正碰撞速度、碰撞角度等试验参数可以更好地同时反映行人和骑车人碰撞伤害情况。

(3) 通过对行人、骑车人头部伤害特征研究发现，行人和骑车人颅脑主应力和颅内压力等变化规律基本一致且数值接近，表明在新行人保护法规中用类同的伤害指标来衡量行人和骑车人头部的伤害是可行的。

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A Study on the Features of Car Collision Against Pedestrian’s and Bicyclist’s Heads

Zeng Biqiang, Gao Jidong, Peng Wei & Sun Zhendong

ChinaAutomotiveTechnology&ResrarchCenter,Tianjin300300

On the basis of the survey results of China In-depth Accident Study project for the vehicle collision with both pedestrians and electric bicycle riders and the reconstruction simulation on accidents with THUMS dummy, the impact features of two crash conditions of car-to-pedestrian and car-to-bicyclist are summarized. Based on these, a corresponding simulation model for traffic accidents is set up, and the kinematic responses and injury features of pedestrian’s and bicyclist’s heads in collision process are studied. The results show that the conditions of car-pedestrian and car-bicyclist collisions are similar, so as long as the provisions on the impact speed, impact angle and the position of hitting point in current pedestrian protection regulations are appropriately extended, the scope of two wheeler rider protection can be well covered.

automotive engineering; head impact; pedestrian protection; bicyclist protection; safety regulations

*国家863计划(2011AA11A286)资助。

2016228

原稿收到日期为2015年10月29日，修改稿收到日期为2015年12月27日。