汽車與行人碰撞事故再現(xiàn)仿真研究

羊 玢，王 玉，王 哲，胡 敏，宋化衛(wèi)

(南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，南京210037)

事故再現(xiàn)是根據(jù)已知的事故信息重新模擬事故參數(shù)和發(fā)生的過程，為事故鑒定提供參考和依據(jù)［1］。汽車-行人碰撞事故是道路交通事故的主要類型，尤其在中國，由于道路通行條件、人口密度和車型等因素的影響，使得行人安全問題更加突出。據(jù)統(tǒng)計，2009年，全國共發(fā)生道路交通事故238 351起，造成67 759人死亡、275 125人受傷，直接財產(chǎn)損失9.1億元［2］。歐美及日本等西方國家汽車與行人碰撞事故在交通事故總數(shù)中也占有一定比例。因此，針對我國行人交通事故的現(xiàn)狀，研究行人碰撞安全的相關(guān)技術(shù)，具有很重要的現(xiàn)實意義。

各國圍繞汽車與行人碰撞的相關(guān)研究，日本汽車研究所 (JARI)、美國交通部以及其他的一些汽車制造商和科研院校也對行人碰撞安全和事故再現(xiàn)做了比較深入的研究。在中國，行人碰撞安全的研究起步較晚，主要集中在高等院校和汽車研究所，研究的范圍也相對狹窄。江蘇大學(xué)、吉林大學(xué)、上海交通大學(xué)、清華大學(xué)等單位都在行人碰撞安全和道路交通事故再現(xiàn)方面做了大量相關(guān)研究［3，7-9］。

本文主要研究汽車與行人碰撞后汽車與行人運動仿真分析，從保護交通事故中處于弱者地位的行人出發(fā)，分別就同一工況下汽車有無ABS制動系統(tǒng)、不同碰撞初速度以及利用隨機函數(shù)確定汽車與行人的隨機參數(shù)進行大量的仿真實驗事故發(fā)生后確定人體重要器官頭部與車體前部碰撞點以及損傷程度的分布規(guī)律。因此分析再現(xiàn)汽車-行人碰撞事故的特點對改進汽車車身設(shè)計，保護行人安全有著重要的意義。

1 汽車-行人碰撞模型

1.1 汽車-行人碰撞特點

行人由于走路姿勢、性別、身高、年齡、體重及精神等自身因素影響，運動過程極為復(fù)雜，人體損傷的嚴(yán)重程度主要取決于行人身體與車輛或地面發(fā)生碰撞的部位以及碰撞速度的大小。研究表明［4］:引起行人交通事故的車輛70% ～80%是轎車，碰撞事故中成人事故所占比例最高，行人絕大多數(shù) (55%)處于行走狀態(tài);行人與車輛側(cè)向方位碰撞中所占比例最大 (68%)，頭部是造成行人死亡的主要原因。

行人的傷情嚴(yán)重程度主要與碰撞速度有關(guān)，事故分析表明:70%的駕駛員在碰撞前采取了制動行為，95%的汽車與行人碰撞事故汽車速度低于45 km/h，碰撞速度低于15 km/h時，行人通常受到輕微傷害，碰撞速度介于25～55 km/h之間時，行人受到嚴(yán)重傷害的幾率呈上升趨勢，當(dāng)碰撞速度超過55 km/h時，則常造成行人死亡［5-6］，具體碰撞發(fā)生時車輛的水平速度分布如圖1所示。

圖1 碰撞車速分布Fig.1 Collision velocity distribution

1.2 汽車-行人碰撞模型的建立

本文采用多剛體動力學(xué)方法建立汽車、行人和路面的多剛體碰撞力學(xué)模型，對汽車與行人碰撞事故過程進行仿真求解。行人模型采用多個剛體組成的多體動力學(xué)系統(tǒng)，不同的獨立剛體代表行人身體不同組成部分。代表頭部、骨盆和軀干等部位的獨立剛體通過鉸接點相連。對于每個獨立剛體，其表面形狀、接觸剛度、質(zhì)量和摩擦因數(shù)等屬性都是重要的參數(shù)。獨立剛體和鉸接點的數(shù)量直接影響仿真計算的時間。在仿真中可以計算各獨立剛體的速度、運行距離、加速度等動力學(xué)參數(shù)［10］。

每個獨立剛體的表而行人選擇PC-Crash中的成年假人模型，模型由19個鉸接點和20個獨立剛體組成，人體模型參照我國50百分位成年男子人體尺寸，假人與地面和車輛接觸的平均摩擦因數(shù)為0.4，如圖2所示。車輛部分參數(shù)的設(shè)置如圖3所示。由于發(fā)動機艙蓋向前下方傾斜的梯形前端車型在市場中占有率較多，因此，本文中試驗車型選擇選用PC-Crash系統(tǒng)車型數(shù)據(jù)庫中的大眾Passat CL1.8型轎車，仿真中設(shè)置車輛外形尺寸與實際車輛參數(shù)一致。道路路面平直，汽車與地面的摩擦因數(shù)為0.67，足部與地面的摩擦因數(shù)為0.7，身體各部分與汽車前部接觸摩擦因數(shù)為0.5［11-12］。

圖2 人體模型Fig.2 Pedestrian model

圖3 車輛基本參數(shù)Fig.3 Basic vehicle parameters

圖3中列出車輛前部各結(jié)構(gòu)參數(shù)為:1為0.35 m;2為0.5 m;3為0.8 m;4為0.9 m;a為0.05 m;b為0.06 m;c為1.02 m;d為0.58 m

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 行人傷害動力學(xué)響應(yīng)

HIC(Head Injury Criterion)是目前使用最廣泛的頭部傷害指標(biāo)，計算公式 (1)如下:

式中:t1為加速度作用中的任意時間;t2為相對于t1頭部傷害指標(biāo)達到最大的時間;aHead為頭部中心的合成加速度。

目前，通常將頭部傷害指標(biāo)HIC=1000作為頭部沖擊傷害的安全界限，歐盟的行人安全性法規(guī)DIRECTIVE 2003/102/EC和美國聯(lián)邦機動車安全標(biāo)準(zhǔn) (FMVSS208)等都采用這一安全界限作為評價汽車碰撞安全措施的依據(jù)［13］。

評價側(cè)面碰撞下胸部損傷的常用指標(biāo)有胸部傷害指標(biāo)TTI(Thoracic Trauma Index)和平均胸椎加速度指標(biāo)ASA等。胸部傷害指標(biāo)TTI主要用于預(yù)測胸部受到側(cè)向剛性沖擊時的損傷，是一個基于胸部側(cè)向加速度測量值的損傷指標(biāo)［14-15］，其計算公式(2)如下:

式中:Riby為撞擊側(cè)的第4根肋骨側(cè)向加速度峰值;T12y為第12節(jié)胸椎側(cè)向加速度峰值;Mass50為50百分位假人重量;Mass為試驗人體對象的體量，Age為試驗人體對象的體重。

2.2 碰撞仿真分析

汽車與行人發(fā)生高速碰撞后，行人的運動過程一般分為接觸、騰空翻轉(zhuǎn)、摔地滑行3個階段。本文案例選取汽車以40 km/h與行人碰撞，制動減速度在汽車與行人碰撞時刻起開始施加，大小為0.6 g(g為重力加速度)，車輛直行，行人以步行姿勢通過馬路，行人的行走方向與汽車行駛速度方向垂直，碰撞時行人位于汽車中部區(qū)域。文中模擬仿真汽車有無ABS制動系統(tǒng)的情況，比較在相同條件下行人頭部和胸部加速度曲線，分析和驗證ABS制動系統(tǒng)在保護行人安全領(lǐng)域的作用。運動學(xué)仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 運動學(xué)仿真結(jié)果(v=40km/h)Fig.4 Kinematics simulation results(v=40km/h)

仿真試驗研究表明，當(dāng)汽車車速低于40 km/h時，行人表現(xiàn)為附著撞出，行人頭部與汽車發(fā)動機罩發(fā)生一次碰撞，所受傷害較輕微。當(dāng)速度超過40 km/h時，行人開始發(fā)生翻轉(zhuǎn)，與汽車前擋玻璃和發(fā)動機罩發(fā)生碰撞，從而發(fā)生騰空翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。汽車裝備有ABS和無ABS碰撞過程基本相同，裝備ABS的汽車碰撞后的末速度和側(cè)偏角比無ABS的汽車都要大些。

根據(jù)試驗仿真可以得到不同碰撞車速情況下行人頭部質(zhì)心合成加速度變化曲線，如圖5～圖8所示。計算碰撞速度分別為 30 km/h、40 km/h、50 km/h和 60km/h的 HIC分別近似于250、370、480和1000。從HIC值可以看出，隨著碰撞車速的增加，行人HIC值呈現(xiàn)增加的趨勢，車速低于60 km/h，行人頭部碰撞HIC值沒有達到1000的安全界限。所以在汽車采取制動措施低速碰撞行人側(cè)面的情況下，行人頭部不會受到重創(chuàng)，發(fā)生死亡的可能性很小。在車速超過60 km/h時，可能造成對行人的多次碰撞甚至碾壓，HIC值超出了安全界限值，行人會死于顱腦嚴(yán)重損傷。

圖5 頭部線加速度(30km/h)Fig.5 Head linear acceleration(30 km/h)

圖6 頭部線加速度(40km/h)Fig.6 Head linear acceleration(40 km/h)

圖7 頭部線加速度(50km/h)Fig.7 Head linear acceleration(50 km/h)

圖8 頭部線加速度(60km/h)Fig.8 Head linear acceleration(60 km/h)

將同一工況下汽車有無ABS制動系統(tǒng)、不同碰撞初速度頭部質(zhì)心和胸部合成加速度峰值進行仿真試驗，結(jié)果如表1所示。在汽車車速低于40 km/h時，無ABS制動系統(tǒng)頭部質(zhì)心加速度峰值要低于裝備ABS制動系統(tǒng)頭部加速度峰值，隨著車速的升高，裝備ABS制動系統(tǒng)的汽車對行人頭部碰撞加速度HIC值反而降低，說明高速碰撞制動時，ABS制動系統(tǒng)對人體頭部的保護作用更加明顯。

不同碰撞車速情況下行人胸部質(zhì)心合成加速度變化曲線，如圖9～圖12所示。通過計算胸部加速度TTI可以得出，在汽車車速低于50 km/h時，胸部加速度峰值低于60 g的安全界限，不對造成行人骨折等致命性傷害，但足以對人體造成嚴(yán)重性的傷害，ABS制動系統(tǒng)在低速制動時對行人胸部的保護作用較為明顯。

表1 行人頭胸部碰撞加速度峰值Tab.1 Peak values for head and thoracic side acceleration

圖9 胸部線加速度(30 km/h)Fig.9 Thoracic side linear acceleration(30 km/h)

圖10 胸部線加速度(40 km/h)Fig.10 Thoracic side linear acceleration(40 km/h)

圖11 胸部線加速度(50 km/h)Fig.11 Thoracic side linear acceleration(50 km/h)

圖12 胸部線加速度(60 km/h)Fig.12 Thoracic side linear acceleration(60 km/h)

3 行人頭部與汽車碰撞點分布分析

研究表明，人車碰撞事故發(fā)生后，除了頭與地面碰撞或其他一些特例外，相當(dāng)大的一部分運動規(guī)律是頭部與發(fā)動機罩和擋風(fēng)玻璃碰撞。所以從保護行人頭部安全的角度出發(fā)，首先要搞清楚的應(yīng)該是人體與車體碰撞后，頭部與車體碰撞點的分布規(guī)律。

由于汽車-行人碰撞事故是帶有一定隨機性的，通過大量的實驗?zāi)M才能確保真實反映事故發(fā)生時的整體情況，因此要選取足夠的樣本量來進行模擬仿真。根據(jù)研究表明，影響行人交通事故發(fā)生后行人的運動狀態(tài)的因素主要有:行人身高、步行速度、車輛速度這幾個主要方面。所以為了消除主觀因素的影響使研究的結(jié)果能夠反映人-車事故的普遍水平，對行人的身高、步行速度、車輛的速度采用隨機調(diào)取的方法，在EXCEL下用隨機函數(shù)RAND和取整INT函數(shù)在一定范圍內(nèi)隨機產(chǎn)生30組模擬碰撞的參數(shù)，頭部碰撞點分布如圖13所示。

圖13 頭部碰撞點分布Fig.13 Head impact location distribution

經(jīng)統(tǒng)計，擋風(fēng)玻璃 (包括A柱和擋風(fēng)玻璃下邊緣)頻數(shù)為4及發(fā)動機罩的后二分之一部分頻數(shù)為17，發(fā)動機前二分之一部分頻數(shù)為4，未碰撞頻數(shù)5。因此發(fā)動機罩的后二分之一部分和擋風(fēng)玻璃 (包括A柱和擋風(fēng)玻璃下邊緣)是行人頭部第一次碰撞點幾率最大的著落區(qū)域，30次模擬中共有21次頭部碰撞點在此區(qū)域，其頻率達到0.7，是行人頭部保護的重點區(qū)域。

由于文中規(guī)定人的步行方向由車的右前端至左，所以會導(dǎo)致碰撞點在車的左半部分分布比較多這樣的現(xiàn)象。在模擬試驗中身高較低的行人碰撞時頭部大多不會落在發(fā)動機罩上，基本運動軌跡大致是與車的行使方向同向運動，所以對以身高較低的兒童來說碰撞時基本上是兒童被撞倒或向前拋出，所以對兒童碰撞保護的重點應(yīng)該在汽車前保險杠或者發(fā)動機罩前端［16-17］。

4 結(jié)論

根據(jù)大量的汽車-行人碰撞事故仿真試驗，現(xiàn)就行人保護方面提出以下建議:

(1)改善發(fā)動機罩基本結(jié)構(gòu)和性能。適當(dāng)降低汽車發(fā)動機罩的剛度可以降低行人頭部與發(fā)動機罩的撞擊力大小，如降低發(fā)動機罩外板的厚度，改變發(fā)動機罩截面形狀，采用可潰發(fā)動機罩的支撐結(jié)構(gòu)，以保證發(fā)動機罩后二分之一合理結(jié)構(gòu)布置。

(2)采用汽車前保險杠安全氣囊和前風(fēng)窗安全氣囊。由于汽車正面和側(cè)面碰撞安全性的要求，汽車前風(fēng)窗框架的剛性要求很大，這些部位的剛性不可能降低來滿足對行人碰撞的頭部安全性要求，目前的辦法是采用前擋玻璃安全氣囊或緩沖裝置。

(3)采用輔助制動裝置。在不同車速模擬碰撞試驗中，發(fā)現(xiàn)汽車車速越高，行人頭部碰撞加速度越大，從碰撞到行人落在發(fā)動機罩上所經(jīng)歷的時間也越短，采用輔助制動裝置可以明顯縮短汽車制動距離，降低汽車與行人發(fā)生碰撞時的速度，從而達到有效的行人保護。

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