事故工况下行人胸部与车辆碰撞的边界条件特征分析

高文博 吕晓江 肖志 莫富灏 李桂兵

摘 要： 研究了行人胸部与车辆碰撞边界条件特征。建立了基于中国道路事故工况的车辆与行人碰撞多体仿真矩阵，进行了仿真数据统计分析。结果表明：成年行人胸部绕转距离（ WAD）范围为0.957～1.808 m ； 6 岁儿童行人胸部绕转距离（WAD）为0.760～0.910 m ；对于轿车、运动型多功能车（SUV）、多用途汽车（MPV）等3 种车型碰撞，成年行人胸部中值碰撞角度为17°、34°、32°，中值速度为12.5、19.8、17.3 km/h ； 6 岁儿童速度 为20.5、38.4、25.4 km/h，胸部碰撞角度49°、90°、81°。轿车碰撞中的行人胸部绕转距离WAD 高于SUV 和MPV 碰撞工况，但行人胸部与车辆碰撞速度和碰撞角度明显低于SUV 和MPV 碰撞工况。因而，本文作者建议：根据车辆WAD 区域，分别开展成年和儿童行人胸部防护测评，并在测试中根据车型合理设定胸部冲击加载边界条件。

关键词： 汽车安全；车辆与行人的碰撞事故；胸部碰撞；碰撞防护的测评；测评加载的边界条件

中图分类号： U 461.91 文献标识码： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2023.05.004

行人是道路交通中的弱势群体之一，其安全问题一直是车辆与交通安全研究的关注重点。与其他弱势道路使用者相比，行人由于本身没有防护措施而更易受伤。世界卫生组织2018 年发布的《全球道路安全现状报告》显示，行人占全球道路死亡总人数的23% [1]。而在汽车与行人碰撞交通事故中，胸部损伤是仅次于头部损伤的致命伤害类型[2-5]。近年来，行人损伤中胸部损伤所占的比例不断增加[6]，因此针对行人胸部损伤防护开展车辆安全性设计与测评研究对于保护行人出行安全具有重要意义。

行人胸部损伤和防护研究受到关注。韩勇等[7]基于数值人体模型仿真分析了不同前部结构车型对行人胸部损伤风险影响，并指出行人胸部损伤会受到车辆前部各部分尺寸的影响，K. Mizuno 和J Kajzer [8] 的研究中也有类似的发现。LI Guibing 等[9] 通过有限元人体模型再现真实事故中的行人胸部损伤指出平头车型引起的胸部压缩行人胸部损伤的主要机制。WANGFang 等[10] 通过研究不同冲击速度下微型货车与行人碰撞时人体胸部的反应和损伤风险，结果表明小型货车前端设计和碰撞速度变化对胸部损伤风险具有显著的影响，相对平直的小型货车前端设计会导致较高的胸部损伤风险。

张道文等[11] 通过真实事故案例重建对行人应急姿态在车辆与行人正面碰撞时对其胸部损伤影响，结果表明行人侧倾与跳跃是比较危险的姿态，会造成较为严重的胸部损伤；车辆有应急转向时，行人下蹲、跳跃时胸部损伤较大。曹军帅[12] 通过分析国内外行人安全保护研究的现状以及最新技术，发现使用气囊抬升发动机罩盖的方法可显著降低碰撞事故中行人胸部最大加速度，能够很好的减轻行人损伤。

目前对于行人胸部损伤机制和影响因素的研究已经比较完善，但对于行人胸部损伤防护性能评价方面的研究还较少，因此提出新的行人胸部损伤预测方法及开发胸部损伤测评工具成为关注重点。武永强等[13]对160 起车辆与行人碰撞事故进行分析，搭建了车辆与行人的碰撞工况场景，并通过某轿车的碰撞试验真实复现了道路交通中车辆- 行人的碰撞，结果表明行人胸部下端存在较大损伤风险，在后续研究中应对行人胸部损伤进行深入研究并制定法规对胸部损伤进行考量。吕晓江等[14] 通过对目前行人保护现状进行总结提出在未来研究中要开发和应用胸部冲击器，结合制定的标准法规，提高车辆对行人胸部损伤防护性能。

欧盟Horizon 2020 Seniors 项目开发出了一种测试工具TIPT（thorax injury prediction tool） [15]，用于预测行人和骑行者在与乘用车碰撞时的胸部损伤。TIPT 由ES2 侧面碰撞假人的胸腔组成，该胸腔已解耦，并独立用于胸腔损伤预测，在碰撞侧将手臂添加到ES2 胸腔上，垂直于肋骨放置。Horizon 2020 Seniors 项目还开发了TIPT 发射器，并根据欧美人体身高及其在车辆碰撞下的响应为之定义了测试冲击边界条件。

由于中国道路行人事故碰撞工况（车速、行人身高分布等）与欧美存在差异，需要基于中国车辆与行人碰撞工况实际，研究适合国情的行人胸部损伤测评冲击器加载边界条件。

本文通过中国行人事故数据分析获得车辆碰撞速度与行人身高分布特征，依此在MADYMO 软件中建立基于事故工况的车辆与行人碰撞仿真矩阵并求解，基于仿真数据分析涵盖胸部环绕距离（wrap arounddistance，WAD）、碰撞角度和碰撞速度及其矢量角等参数分布的行人胸部与车辆碰撞边界条件特征，以期为中国政府针对行人胸部防护的车辆安全性评价提供基础参考。

1 材料与方法

1.1 事故数据分析

对来自湖南大学事故深度调查数据库的93 例中国行人事故信息进行了统计分析，获得车辆碰撞速度和行人身高分布如图1 所示。从数据中可知，车辆速度主要集中在25～45 km/h，其均值为42.03 km/h（标准差，SD = 14.78 km/h）；行人身高主要集中在165～175 cm，平均身高為167.98 cm（SD = 9.56 cm）；该分布规律跟CIDAS 数据[16] 接近。

1.2 行人模型

本文采用了不同尺寸的MAYDMO 行人模型来模拟事故中155～185 cm 身高区间的行人，模型身高分别为153、160、165、170、175、180、185 cm。MAYDMO 行人模型由刚体和关节组成，其基础模型的机械力学性能已通过尸体实验数据进行了验证，验证载荷涉及各个加载方向以及针对各个身体部位的钝性碰撞试验和车辆- 整人碰撞试验，验证中模型都展示出了良好的运动学响应和损伤风险预测能力[17]。

1.3 车辆模型

根据中国乘用车市场信息联席会发布的中国乘用车零售量[18]，选择2022 年上半年中国大陆轿车、运动型多功能车（sports utility vehicle， SUV）和多用途汽车（multi-purpose vehicles， MPV）销量排名前20 的车型，提取了车辆纵向中垂面的前部轮廓线并在计算机辅助设计（computer aided design， CAD）软件进行缩放得到前部轮廓的真实尺寸。根据提取的车辆前部轮廓线，建立汽车多刚体模型。为了保证建立的模型具有较好的代表性，使模型额前部轮廓线位于曲线比较密集的位置如图2 所示，图中蓝色曲线所选车辆最大、最小轮廓，红色曲线表示模型前部轮廓线。车辆前部结构机械特性曲线参考欧洲新车评价规程（European NewCar Assessment Programme， Euro-NCAP）试验得到的刚度曲线 [19]，如图3 所示 。

1.4 仿真矩阵

根据2.1 中真实事故中的车辆碰撞速度和行人身高分布特征（见与图1），定义100 种车辆与行人碰撞仿真工况，具体工况参数和仿真次数如表1 所示。

表1 中，行人身高小于155 cm 的群体采用高度为153 cm 的5 百分位女性行人模型模拟， 身高大于180 cm 的群体采用185 cm 的行人模型模拟，其余身高段用中位身高行人模型模拟；车辆碰撞速度则在对应区间根据仿真次数均布设置。例如，根据图1 可知行人身高<155 cm （占12.5%）且车辆碰撞速度为26～35 km/h （25%）的事故碰撞工况所占比例为12.5%×25%=3.2％， 因此对该工况定义3 个仿真，行人模型为5 百分位女性模型，碰撞速度分别为 在速度区间内均匀取得的27.5、30.0、32.5 km/h。

图4 为车辆与行人碰撞仿真模型示例。考虑事故中行人大都在行走中被车辆从侧面撞击[20]，仿真工况设置为车辆碰撞行人侧面，行人速度定为1 m/s [21]。此外，为避免手臂支撑汽车发罩而导致假人胸部与汽车不接触而无法测量相关边界条件参数，参考以往行人尸体碰撞试验中的手臂约束方法[22]，仿真中将假人手臂位置调节至胸前锁定肘关节和肩关节，以减少手臂对仿真结果的不确定影响。针对图2 所示轿车、SUV 和MPV 模型，按上述方法定义的100 个碰撞仿真工况中分别开展仿真计算。

1.5 行人胸部与车辆碰撞边界条件定义

本文参考欧盟HORIZON 2020 SENIORS 项目[23-24]，定义行人胸部与车辆碰撞边界条件，具体参数包括：上肋骨WAD（ 记WAD-Ur）、下肋骨WAD（ 记WAD-Lr），行人胸部与车辆碰撞速度v（行人胸部与车辆接触瞬间相对车辆的速度）及此时速度矢量角度β（速度方向的水平夹角），行人胸部与车辆接触时其躯干头盆向轴线的水平夹角α，如图5 所示。

2 结 果

2.1 行人整体动态响应

根据表1 中车辆碰撞速度和行人身高在不同区间内的分布，选取车辆碰撞速度为40 km/h、行人身高为170 cm 的工况仿真结果为例，比较不同车型碰撞中的人体动态响应。当行人与轿车发生碰撞时，行人大腿发动机罩前沿碰撞后上半身向发动机罩方向绕转，最终在90 ms 时胸部与发动机罩发生碰撞，如图6a 所示；当行人与SUV 碰撞时，行人骨盆与发罩前沿发生碰撞，上半身绕骨盆向发动机罩方向绕转，大约在60 ms 时胸部与车辆发动机罩碰撞，如图6b所示；当行人与MPV 碰撞时，骨盆与车辆前部接触，之后大约在70 ms 时胸部与发动机罩发生碰撞，如图6c 所示。

2.2 行人胸部WAD 分布

不同车辆碰撞下行人胸部最低肋骨与最高肋骨WAD 分布特征如图7 所示。

由图7 可知：轿车、SUV 和MPV 碰撞中的行人最低肋骨WAD 的最小值分别为1.00、0.96、1.02 m，最高肋骨WAD 的最大值分别为1.81、1.57、1.69 m。整体而言轿车碰撞中的行人胸部WAD 高于SUV 和MPV 碰撞工况，SUV 碰撞中行人胸部WAD 为三者最低，且通过 Mann-Whitney U 检验发现不同车型相互之间的差异都具有统计学显著性（p <0.05）。

2.3 行人胸部碰撞速度分布

不同车型碰撞中，行人胸部碰撞速度分布和累积规律如图8 所示。

行人胸部与轿车碰撞的中位速度为12.5 km/h，80% 的碰撞速度小于16.5 km/h ；行人胸部与SUV 车型碰撞的中位速度为19.8 km/h，碰撞速度主要位于15～25 km/h 内，80% 的碰撞速度小于23.5 km/h ；行人胸部与MPV 车型碰撞的中位速度为17.3 km/h，碰撞速度大部分集中在10～20 km/h 区间内；80% 的碰撞速度小于23.5 km/h。由Mann-Whitney U 检验可知：SUV 和MPV 碰撞中行人胸部与车辆碰撞速度显著（p <0.05）高于轿车碰撞。

图9 所示为行人胸部與车辆碰撞损伤与车速相关性线性拟合。由图9 可知：从斜率和R2 值来看MPV和SUV 碰撞中行人胸部与车辆碰撞速度跟车速的相关性和敏感度均明显高于轿车碰撞。

2.4 行人胸部与车辆碰撞角度

行人胸部与车辆碰撞角度α 和速度矢量角度β 的分布规律如图10 所示。由图10 可知：轿车碰撞中α 中位数为17°，β 中位数为24°；行人胸部与SUV 碰撞的α 中位数为34°，β 中位数为25°；MPV 碰撞中行人胸部α 中位数为32°，β 中位数为29°。通过Mann-Whitney U 检验可知，轿车、SUV 和MPV 的α 具有显著差异。

3 讨 论

通过仿真矩阵分析， 结果显示：轿车与行人发生碰撞时行人胸部WAD（ 1.0～1.81 m）大于SUV（0.96～1.57 m）和MPV（1.02～1.69 m）碰撞工况。主要原因在于不同车型与行人发生碰撞时行人身体绕转半径不同。同时行人臀部在轿车发罩有较大向上滑移运动（见图6），使得行人胸部与车辆碰撞位置上移，从而导致WAD 距离较大。上述行人在轿车发罩上的向上滑移运动也降低了其胸部与车辆碰撞速度及其对车速的敏感度，从而有结果中观测的SUV（19.8 km/h）和MPV（17.3 km/h）碰撞中行人胸部与车辆碰撞速度及其对车速的敏感度均明显高于轿车（12.5 km/h）碰撞工况的现象（ 见图8-图9）。

对比分析还发现：轿车碰撞中行人胸部碰撞角度明显低于SUV 和MPV 车型，这同样是因为轿车发罩前沿高度低，行人上半身绕转角度大，从而使得其胸部与车辆接触时水平倾角变小（见图6）。但是，SUV车型碰撞中行人胸部与车辆碰撞速度矢量角度与轿车、MPV 有显著性差异， 而轿车与MPV 碰撞中行人胸部与车辆碰撞速度矢量角度未见明显差异。由式（ 2）可知：碰撞速度矢量角度不受碰撞速度影响，由碰撞速度在x 和z 向分量vx 和vz 决定。

上述结果表明：车辆类型对行人胸部与车辆碰撞边界条件存在显著影响，发罩前沿越高的车型其碰撞下的行人胸部- 车辆接触时的WAD 越小、碰撞速度越大、碰撞角度越小，在采用胸部冲击器对车辆安全性进行测评时应考虑车型差异而设置针对性的测试边界条件。

根据中国真实交通事故数据建立仿真得到的行人胸部WAD、胸部碰撞速度、胸部水平倾角和碰撞速度矢量角等数据与欧盟仿真结果中的数据存在一定的差异。欧盟HORIZON 2020 SENIORS 项目中行人胸部WAD 范围定义为0.77～1.54 m [23]，小于本文中仿真后统计结果0.96～1.81 m，这是因为前者是根据站立姿态下6 岁儿童的最低肋骨离地高度和95 百分位成年男性最高肋骨离地高度定义的，而本文是通过基于事故工况分布的行人与车辆碰撞仿真获得。为便于对比，此处增设了6 岁儿童与不同车辆模型的碰撞仿真，碰撞速度参考欧盟项目设为40 km/h，仿真结果如表2 所示。

由表2 可见：儿童胸部最小WAD 分布在0.76～0.78 m之间，与欧盟项目定义值相似。但是，考虑车辆与行人发生碰撞时并非简单的沿前部表面倒下，而是在倒下的同时会沿发罩滑动并伴随绕转。本文仿真结果中成年行人胸部WAD 明显大于欧盟数据，这种差异也说明以行人肋骨离地高度来定义WAD 范围的方式并不准确。而对于发罩参考线以上区域的胸部碰撞速度和角度的定义，欧盟数据仅采用THUMS 50 百分位行人模型（身高175 cm） 车速20～50 km/h 条件下进行的碰撞仿真结果，未考虑行人身高多样性及其分布概率，与本文设置的仿真工况存在明显差异。

对于发罩参考线以下区域的胸部冲击器碰撞边界条件，欧盟项目基于6 岁儿童工况定义为碰撞速度40 km/h（矢量角0°）和胸部角度90° [24]，这与本文研究中SUV 车型碰撞结果类似。但是对轿车而言儿童胸部碰撞区域在发罩参考线以上，其碰撞速度矢量角度几乎平行于水平面（主要为刮擦而非冲击），因而不必要考慮儿童胸部防护；而MPV 工况中儿童胸部碰撞速度明显低于SUV 工况，从而需要区别对待。

此外， 仿真结果中胸部WAD 与目前中国新车评价规程（ C-NCAP） [24] 中行人头部WAD 区域（1.00～2.30 m）有较多重合部分，主要重合部分集中在C-NCAP 儿童头部测试区域（1.00～1.50 m），该区域一般为发动机罩；但与成人头部测试区域重合部分（1.70～1.80 m）相对较少，该部分一般为发罩与挡风玻璃交接区域。考虑头锤重量和体积较小，其冲击测试区域安全刚度特性要求或无法反映胸部冲击防护需求，而儿童胸部接触区域胸部与车辆碰撞边界条件明显异于成人胸部接触区。从而，本文作者建议：在不同区域内开展针对成儿童及成年行人胸部损伤防护的车辆安全性测评。

4 结 论

本文基于中国大陆交通事故中车速和行人身高分布及概率，构建仿真矩阵，仿真分析了行人胸部与车辆碰撞边界条件特特征，以期为针对行人胸部防护的车辆安全性评价测评提供基础参考。

结果表明：成年行人与轿车、SUV、MPV 碰撞中，行人胸部绕转距离（WAD）范围分别为1.00～1.81、0.96～1.57、1.02～1.69 m， 碰撞角度中位值分别为17°、34°、32°，碰撞速度中位值分别为12.5、19.8、17.3 km/h ；中值矢量角分别为24°、25°、29° ；轿车、SUV、MPV 碰撞中6 岁儿童胸部WAD 介于0.76～0.91 m 之间，胸部碰撞速度分别为几乎沿水平方向的20.5、38.4、25.4 km/h，胸部碰撞角度分别为49°、90°、81° ；轿车碰撞中的行人胸部WAD 高于SUV 和MPV 碰撞工况，但行人胸部与车辆碰撞速度和碰撞角度明显低于后者。上述数据可为胸部冲击器测试工况提供基本参考。

同时，本文作者建议：在WAD 为0.95～1.80 m 的车辆区域内开展成年行人胸部防护测评，在SUV/MPV车型发罩参考线以下WAD>0.76 m 区域开展儿童胸部防护测评，并在测试中根据车型合理设定胸部冲击加载边界条件。

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