面向碰撞再现验证的车辆冲撞行人实验平台搭建

袁 泉，王 田，张金换，金益锋，石 屹，王明直

（1. 清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084；2. 公安部，物证鉴定中心，北京100038）

0 引 言

车辆冲撞行人案件作为驾驶人主动操控下实施的非正常驾驶行为，相比于普通碰撞案件，其呈现出事故危害性大、碰撞机理复杂、现场痕迹混乱等问题，而车辆冲撞行人案件目前缺少实用化、可重复验证的研判方法。行人作为弱势道路使用者，其生命安全需要有力的技术支持保障。根据2019 年交通事故统计数据显示，我国行人因交通死亡人数和受伤人数分别为17 473人和45 495 人，约占交通事故伤亡人员总数的27.84%和17.76%，为占比最多的碰撞形态[1]。研究表明，在车辆冲撞行人案件中，前保险杠对腿部的冲击和前风挡玻璃对头部的冲击是最显著的严重特征伤害[2-3]。基于冲击实验平台的研究方法对于行人安全性保护、伤害估计以及案情重建界定具有重要的研究意义。

目前车辆冲撞行人重建领域多停留于计算机仿真分析阶段。Daisuke[4]等人研究汽车前部结构对行人整个下肢的负载影响，其中汽车通过有限元模型和行人采用多体模型进行汽车-行人碰撞仿真模拟，采用时间序列数据分析下肢负荷，得出行人多体模型的弯矩图以用于调查各尺寸行人的下肢负荷。Peng Yong[5]等人通过验证汽车-行人碰撞事故中人体头部有限元模型，并预测人车碰撞时行人头部受伤的风险，分析了三种类型的发动机罩对行人头部的伤害。Shi 等人[6]通过建立行人多体模型，考察了不同车辆类型和碰撞速度下不同尺寸和不同步态的行人碰撞事故形态，仿真研究行人碰撞至落地的旋转角度，主要分析地面碰撞对头部损伤的危险，提出应尽可能避免地面撞击行人头部的次生危险发生。而对于冲击试验台进行理论分析与伤害估计的研究相对较少。Tolea[7]等人通过行人多体系统虚拟仿真以及真实假人碰撞测试，使用不同类别、不同前部轮廓的车辆进行事故模拟，使用生物力学标准进行头部损伤评估，得出头部损伤程度与车辆前部正面轮廓设计参数之间的关系，并以此来优化车辆前部轮廓设计。Yuan Quan 等人[8]利用计算机仿真研究不同碰撞速度下行人头部与汽车挡风玻璃之间的接触特征，为复杂碰撞案件再现提供了基础依据。因此，结合仿真模拟试验并利用冲击试验平台进行理论模型验证，有利于碰撞再现过程准确性的有效提升。

车辆碰撞行人实验开展具有难度大、造价高、不易控制等特点，国内外利用实车碰撞实验研究，均面临实车不可重复使用和假人造价昂贵的难题与挑战。现有的汽车碰撞实验室已开展多年行人保护实验与仿真研究[9]，本文搭建的实验平台为车辆碰撞行人安全性实验研究提供了新的重要手段，同时，也为碰撞仿真模型的建立和验证提供了有效的实验验证方法，并能替代实车重复开展碰撞实验。因此，该实验台的搭建与应用在汽车与交通安全研究领域中具有一定的实用价值。

1 实验平台的搭建

车辆冲撞行人实验平台的组成包括车辆实验台架和行人发射台两大部分，具体组成结构如图1 所示。面向车辆冲撞人体动力学再现模型的建立与实际验证，实验平台基于已有国际水平的标准行人假人模型发射台，建立与之相匹配的车辆实验台架，替代实车来综合开展车辆冲撞人体模型的系列实验，包括车辆风挡玻璃-行人头部模块和车辆保险杠-行人下肢模块两类碰撞实验，从而验证所构建的人车碰撞动力学仿真再现模型的可靠性[10]。

图1 实验平台的组成

为了验证车辆冲撞行人特征损伤参数与碰撞速度之间的相关性仿真结果，搭建了行人冲撞车辆实验台架并设计相应实验方法，由底座、支架、风挡玻璃平面轮廓架及夹持装置、保险杠固定杆等装置组成。如图2 所示，搭建过程中的关键问题是对车辆风挡玻璃的特殊材料进行固定的方式及避免夹持部位应力集中，经过设计研究，成功解决了包括风挡玻璃与实验台架之间的固定连接、风挡玻璃碰撞点的计算定位等一系列技术难题。经多次测试验证，该实验台架可用于代替实际车辆开展冲撞行人的实验研究，并兼容利用已有的行人发射台进行碰撞实验。面向车辆冲撞行人案事件重建研究中的定量实验需要，即行人的头部冲撞车辆前风挡玻璃实验及行人腿部冲击车辆前保险杠实验，针对具体车辆的保险杠和风挡玻璃部件，旨在提供综合性的夹持装置来对其进行固定，从而减小冲撞实验的难度，降低实验成本。由于前风挡玻璃形状结构复杂、材料特殊，夹持难度较大，本研究也为前风挡玻璃的固定提供了一种新的思路。

实验平台采用铸铁材料为主进行加工制作，构件之间采用焊接等方式连接，风挡玻璃和保险杠的固定框架尺寸规格参照当前主流车型（大众品牌）进行设计制作，方便后续更换调整。所搭建的实验平台具有如下特点：

图2 车辆实验台架

（1）提供嵌入式车辆风挡玻璃轮廓架，方便安装和更换；

（2）平台集成汽车风挡玻璃和保险杠部件，可同步开展碰撞实验；

（3）平台与实际车辆采取了相似的固定设计，接近实车碰撞效果。

同时，在平台搭建过程中克服了许多工程设计和技术难题，包括：

（1）风挡玻璃材料特殊不易夹持固定，且容易变形损坏；

（2）冲撞位置和速度等不易精准控制，需要提前估算好；

（3）风挡玻璃与保险杠集成难度较大，保持实车相似性。

2 车辆冲撞实验设计

面向车辆冲撞动力学模型的再现模型建立与验证需要，基于国际水平的行人发射台，借助上述新开发的车辆冲撞行人实验台架，开展车辆冲撞人体模块实验，包括风挡玻璃-头部和保险杠-下肢两类碰撞试验。本平台已验证了基于有限元-多体动力学仿真技术构建了车辆风挡玻璃-人体碰撞模型，并获取了车辆冲撞速度与风挡玻璃裂纹半径之间的关系模型，其具体实验设计方法主要包括综合性台架设计、行人冲击试验以及试验数据采集等主要步骤，具体如下所示：

（1）综合性台架设计。分析风挡玻璃及保险杠的实际结构和在实车上的固定方式，结合试验情况得出台架的工作需求及强度需求。

（2）行人冲击试验。结合台架及已有行人模块发射设备，设计整体试验流程。确定行人发射台发射头部及腿部模块的位置、角度和速度，确定发射后的测量、试样保存，确定现场的设备布置及设备的保护措施。

（3）试验数据采集。分析风挡玻璃最大环形裂纹半径并与仿真结果对比，验证模型仿真结果的准确度，具体冲撞实验结果如图3 所示。同时，分析误差来源，对模型提出改进方向；观察前保险杠损坏部位及特征，对后续冲撞案事件的现场勘测提供参考。

图3 行人头部模块冲撞汽车风挡玻璃的典型实验结果

本实验获取了对行人头部模块冲击风挡玻璃的12 组不同速度实验，如表1 所示，其中进行三次试验测量碰撞点与预定点的偏差距离。结果表明，车辆风挡玻璃的主要损坏特征包括裂纹形状规则与环绕裂纹最大半径两个方面。裂纹形状规则的成因推测为风挡玻璃不规则形状以及头部模型的切向速度对于环绕裂纹上下发散速度的影响。环绕裂纹中，取其最大近圆裂纹半径与模拟场景中的碰撞初速度建立数值关系，可得到二者之间关联的经验公式，如公式1 所示，这一经验公式经过典型事故案例的测试验证后，可用于进行碰撞案件的重建分析：

表1 行人头部模块冲击风挡玻璃试验数据记录表

结合试验可得，行人头部碰撞后玻璃产生的裂纹可分为包围碰撞中心的环绕裂纹、以碰撞中心为起始向外发散的辐射裂纹以及后续发散的不规则裂纹。如图4 所示，其中，越是接近碰撞中心的环绕裂纹，其形状越接近规则圆形，在向外拓展时，向上发散速度明显低于向下发散速度。

图4 行人头部模块冲击风挡玻璃试验数据对比

3 实验平台应用研究

3.1 车辆冲撞弱势道路使用者的实验研究

面向行人保护的冲击实验包括头部对前风挡玻璃的冲击实验和腿部对前保险杠的冲击实验。在这一过程中，通常由于风挡玻璃几何形状的复杂性和多样性，需要用到原车身来对风挡玻璃进行固定，使冲击实验的成本较高。因此，使用能对风挡玻璃和保险杠同时进行固定的实验台架，将大幅简化冲击试验的程序，通过完全模拟车辆上的应力状况后，能开展相应定量试验，对于汽车被动安全性的产品开发和交通安全改善的相关研究起到积极的促进作用。

3.2 与行人发射台的匹配进行碰撞试验

汽车碰撞实验室原有的行人发射装置，需要和实车相匹配来开展碰撞实验。而单纯进行实车碰撞假人等实验，造价不菲，原有的行人发射台利用率较低。本实验台的建立，一方面为原有的行人发射装置的利用提供了新的机遇，另一方面也在某种程度上取代了昂贵的实车碰撞实验。同时，基于实验平台进行了“车辆冲撞案件动力学模型构建及研判技术”的创新研究，完成了再现模型的实验验证任务。

3.3 开展面向碰撞再现的相关科学研究

该实验平台的构建为汽车冲撞人体实验提供了重要的方法，可以部分替代实车实验。该平台可实现对车辆冲撞过程的全方位模拟、车辆冲撞案件的研判分析等科学研究，所研发的试验平台可直接用于车辆冲撞行人案事件的分析和重建，为提高办案效率、提升案件处理水平和改善车辆碰撞安全性等方面提供重要的技术手段。

4 总 结

综上所述，汽车碰撞假人实验造价高、周期长、难度大，为此，自主搭建的台架实验平台可以较为灵活地开展车辆风挡玻璃、保险杠等典型接触部位与行人（假人）的主要模块之间的碰撞实验。

（1）实验平台的搭建为车辆冲撞行人案件动力学模型的验证提供了重要的手段。通过平台开展定量冲撞实验，验证了车辆冲撞速度与风挡玻璃裂纹半径之间的关系模型，并可应用于碰撞再现与车速分析。

（2）通过实验获得了行人头部模块冲击车辆风挡玻璃的参数化特征结果。车辆风挡玻璃的主要损坏特征规律集中体现在裂纹形状规则与环绕裂纹最大半径两个方面。

实验平台在国内外汽车与交通安全、事故仿真重建等研究领域的同类技术中具有一定的实用和推广价值，为行人碰撞安全研究提供了低成本、实用化的辅助手段。