行人和騎車人頭部與轎車碰撞特征的研究*

曾必強,高繼東,彭 偉,孫振東

(中國汽車技術研究中心,天津 300300)

行人和騎車人頭部與轎車碰撞特征的研究*

曾必強,高繼東,彭 偉,孫振東

(中國汽車技術研究中心,天津 300300)

基于CIDAS對行人和騎車人與車輛碰撞事故調查結果和THUMS假人對事故的仿真再現，總結了行人-轎車、電動自行車騎車人-轎車兩種碰撞工況的碰撞特點，并據此建立了相應的交通事故仿真模型，深入研究了行人、騎車人與普通轎車碰撞過程中，行人、騎車人頭部運動學響應和傷害特征。結果表明：行人頭部與轎車、騎車人頭部與轎車兩種碰撞工況相似，故只須適當擴充現行行人保護法規中對沖擊速度、沖擊角度和碰撞點位置的規定，即可涵蓋對兩輪車乘員保護的范疇。

車輛工程；頭部碰撞；行人保護；騎車人保護；安全法規

前言

行人與不同類型車輛混合的道路交通條件是我國交通事故中人員傷亡率較高的根源。我國公安部統計數據表明:2004-2010年，交通事故中導致16萬行人死亡，其占總交通事故總死亡人數25%以上，其中機動車-自行車交通事故導致約6萬騎車人死亡，占道路交通事故總死亡人數的9.8%。在交通事故人員傷亡比例中騎車人和行人的死亡和受傷人數遠高于其他人員[1]。交通事故中行人、騎車人的頭部損傷是最常見的傷害類型，同時也是造成行人重傷和死亡的主要原因[2]。

THUMS全生態假人是日本豐田公司根據真實人體特征開發的有限元人體模型，其結構根據中年男性完整尸體解剖測繪數據及其器官力學性能測試結果而建立，能代表真人在碰撞過程中的力學響應特征[3]。本文中采用經對標后的整車CAE模型，結合中國道路交通事故深度研究CIDAS交通事故數據庫中交通事故特點，通過THUMS假人模擬再現了典型交通事故中行人、騎車人碰撞響應特征，研究了行人、騎車人碰撞過程中頭部的運動學特征。

1 行人和騎車人交通事故統計分析

1.1 行人交通事故統計分析

根據中國交通事故深度研究項目(CIDAS)對幾百起行人與車輛的碰撞事故調查結果，行人與車輛碰撞速度±5km/h范圍內發生的事故數量占總事故的比例如圖1所示。

圖1 ±5km/h速度范圍內事故比例

由圖1可見，50±5km/h范圍內發生的事故概率最高，75km/h以上速度事故概率較低。通過文獻[4]和文獻[5]中的研究成果表明，15km/h以下碰撞速度行人所受傷害均為輕傷，所以本文中選取15～75km/h碰撞速度作為行人頭部碰撞工況研究的速度范圍。

1.2 騎車人交通事故統計分析

中國交通事故深入研究項目(CIDAS)共記錄轎車與自行車事故數百起，圖2為自行車與車輛碰撞速度±5km/h范圍內發生的事故數量占總事故的比例。

圖2 ±5km/h速度范圍內事故比例

由圖2可見，15～75km/h為事故高發區間。所以選取15～75km/h碰撞速度分析騎車人運動姿態與傷害。

2 行人和騎車人頭部傷害規律研究

2.1 行人和騎車人典型交通事故模型建立

文獻[6]中研究表明，72%的行人事故發生在行人橫穿馬路，63%的行人事故車輛碰撞行人側面(33%車輛碰撞行人左側;30%車輛碰撞行人右側),所以選取最有代表性的人和車正前方碰撞事故，分別建立行人與車輛、騎車人與車輛碰撞仿真再現模型，如圖3和圖4所示。

圖4 騎車人交通事故

立姿假人(行人)身高1 780mm,穿鞋后高度為1 800mm；本文選擇目前社會使用最為廣泛且大小適中的自行車作為本文仿真車型，騎車假人高度為1 750mm。行人和騎車人所借用的假人均為THUMS4.0假人。

2.2 行人和騎車人頭部傷害分析

2.2.1 頭部運動學響應對比

汽車以40km/h速度與自行車或行人發生碰撞時，騎車人和行人不同碰撞時刻的運動姿態如圖5所示。其中左側為行人與轎車碰撞示意圖，右側為騎車人與轎車碰撞示意圖。

圖5 行人和騎車人運動學響應對比

由圖5可見，在與轎車的整體碰撞過程中騎車人和行人的運動姿態變化規律基本類似。在前40ms，騎車人或行人下肢與轎車前保險杠接觸，開始向前運動而上半身保持不動。隨后騎車人或行人上半身向轎車發動機罩方向傾斜。通過對比可見，由于行人的重心較高，故行人上半身翻轉得更加劇烈，在80ms左右，行人整體騰空。而騎車人骨盆始終沒有離開轎車發動機罩，僅在轎車發動機罩表面向后滑移。

由圖5還可見，騎車人與轎車發生碰撞時，其上半身有一個轉身的過程，騎車人的后腦與轎車接觸的概率更高。而行人與轎車發生碰撞時，與轎車碰撞側的手臂會對行人有支撐作用，行人手臂受傷的概率更高。

2.2.2 頭部碰撞點WAD值對比

根據仿真計算結果得到不同碰撞速度下行人/騎車人與轎車碰撞事故中人員頭部與轎車碰撞點WAD值的變化規律如圖6所示。

圖6 頭部碰撞點WAD值變化曲線

由圖6可見，行人/騎車人頭部碰撞點WAD值隨著車輛碰撞速度的增加而增加，兩者的變化規律基本一致。

在碰撞速度較低時由于THUMS行人脖子繞肩部的轉動，所以導致了頭部碰撞點WAD值小于1 800mm，當碰撞速度較高時由于頭部與車輛接觸前THUMS行人沿發動機罩表面發生向車后方向滑動，所以頭部碰撞點WAD值大于1 800mm，且碰撞速度越大該規律越明顯。在車輛速度為50km/h時,普通轎車頭部碰撞點WAD值已經超過目前行人保護法規規定的WAD最大值2 100mm。

THUMS騎車人頭部高度約1 750mm,由于其下肢初始位置較行人高，所以碰撞中騎車人骨盆沿發動機罩滑移量相對較大，因此騎車人頭部碰撞點WAD值較高，在碰撞速度為30km/h時騎車人頭部碰撞點WAD值已經超過2 100mm。

分別取行人和騎車人與轎車碰撞速度i=20，30，40，50，60和70km/h。將i±5km/h范圍內發生的行人或騎車人碰撞事故比例Pi與該速度仿真得到的碰撞包絡線數值(WAD值)進行加權平均，最后除以行人或騎車人頭頂高度，可得事故中碰撞點WAD值與行人或騎車人頭部高度的比值kp或kb。

行人

(1)

騎車人

(2)

式中：WADip和WADib為行人和騎車人仿真得到的車輛碰撞速度為i時碰撞點的包絡線(WAD)值；81.16%，82.70%分別為15～75km/h速度范圍內行人事故和騎車人事故占總事故的比例。

結合行人交通事故統計結果，1 800mm身高的行人與普通轎車碰撞時，其頭部碰撞點位于WAD=1800×1.151≈2070mm的位置附近的概率最大，同理自行車碰撞事故中騎車人頭部碰撞點位于WAD=1750×1.229≈2150mm的位置附近的概率最大。

2.2.3 行人和騎車人頭部碰撞角度與碰撞速度分析

根據人車碰撞中行人頭部與車的運動規律，頭部與車輛接觸時刻頭部絕對速度為

(3)

而頭部碰撞相對速度則為

(4)

式中：vx為頭部水平方向的速度；vz為頭部垂直方向的速度；v為頭部絕對速度；vc為碰撞時刻轎車行駛速度；v′為頭部碰撞相對速度。

圖7為頭部與車輛接觸時刻相對矢量關系圖。

圖7 接觸時刻頭部碰撞角度

頭部碰撞角度β是碰撞開始時刻頭部相對于水平地面的角度，即

β=arctan(vz/vx)

(5)

根據仿真計算結果得到不同碰撞速度下騎車人和行人與車輛碰撞事故中頭部碰撞相對碰撞速度和碰撞角度的變化規律如圖8和圖9所示。

圖8 頭部相對碰撞速度變化曲線

圖9 頭部相對地面碰撞角度變化曲線

從圖8和圖9可見，行人和騎車人頭部碰撞速度、碰撞角度的運動學規律較為一致，但數值有較大差別。碰撞后騎車人整體向前速度要大于行人整體向前速度，所以騎車人頭部與車輛的相對速度要小于行人頭部與車輛的相對速度。

行人

83.2km/h

(6)

騎車人

(7)

結合行人和騎車人交通事故統計和仿真計算結果，人體側面與車輛發生正前方碰撞時，由于人體下肢受撞擊過程中對頭部的反向加速作用，頭部與車輛碰撞時其相對車輛的碰撞速度會高于車輛的行駛速度，車輛碰撞速度越高頭部相對碰撞速度與實際車速的偏離越明顯。由以上分析可知，行人交通事故頭部與車輛碰撞的相對速度約為83.2km/h的概率最大，騎車人交通事故中頭部與車輛碰撞的相對速度約為58km/h的概率最大。

行人

(8)

騎車人

(9)

所以結合交通事故統計結果行人與車輛正前方碰撞時，其頭部相對碰撞面的碰撞角度為78°左右的概率最大，騎車人與車輛正前方碰撞時頭部相對碰撞面角度為73.9°的概率最大。

2.2.4 行人和騎車人頭部傷害對比

針對人員頭部傷害情況的判別，國外對顱腦應力、顱內壓力、頭蓋骨應力等進行了大量的尸體測試和研究分析。文獻[7]中的研究指出，當顱內等效應力達到15～20kPa時，會導致腦震蕩的出現，而當顱內等效應力達到38kPa，會導致嚴重的腦損傷。文獻[8]中的研究也指出：當顱內壓力大于235kPa時，會導致嚴重傷害；顱內壓力在173～235kPa之間，會產生中度傷害。

汽車以40km/h速度與行人或騎車人發生碰撞時，騎車人和行人顱腦最大主應力和顱內壓力云圖分別如圖10和圖11所示。

圖10 騎車人顱腦主應力和顱內壓力分布云圖

圖11 行人顱腦主應力和顱內壓力分布云圖

由圖10可知，騎車人顱腦最大等效應力為9.678kPa。根據文獻[7]中的研究，電動自行車騎車人頭部會受到輕度的腦震蕩傷害。根據仿真結果可知騎車人顱內受到最大壓力為111.2kPa，根據文獻[8]中的研究，頭部會受到輕度傷害。通過以上對顱腦最大等效應力和顱內壓力的分析均判定該騎車人的傷害程度為輕度腦震蕩。該結果與文獻[9]和文獻[10]中基于德國GIDAS數據庫中自行車案例的分析和仿真結果非常接近。

由圖11可知，行人顱腦最大等效應力為11.29kPa，行人顱內受到最大壓力為141.0kPa。根據文獻[7]和文獻[8]中的研究結果，行人頭部會受到腦震蕩傷害。

綜上可知，相同工況碰撞騎車人的顱腦主應力與顱內壓力均略小于行人，但在仿真結果中還看到其兩者碰撞點所處位置差別較大。騎車人頭部碰撞點處于碰撞側的腦后方，而行人頭部碰撞點處于碰撞側的上方，如圖12所示。

圖12 騎車人和行人碰撞頭部接觸位置

轎車在15～75km/h速度區間分別與騎車人和行人發生碰撞，騎車人/行人頭部的主應力和壓力對比如圖13和圖14所示。

圖13 行人和騎車人顱腦主應力對比

圖14 行人和騎車人顱腦壓力對比

由圖13和圖14可見，騎車人和行人頭部顱腦主應力和壓力的變化規律基本一致，其總趨勢均隨碰撞車輛速度增加而增大。行人的顱腦主應力和顱內壓力都比騎車人的大，故同等條件下行人顱腦受到傷害較大。在車輛速度為60～70km/h高速碰撞下，行人頭部顱腦主應力和顱內壓力變化曲線突然下折，這是由于行人肩部先與汽車風窗玻璃接觸，在該沖擊速度下玻璃會被壓塌而分擔了頭部的沖擊能量，故出現了數值下降的現象。

3 結論

通過對真實交通事故數據進行統計得到了行人與車輛、自行車與車輛兩種碰撞類型，在不同碰撞速度下的發生概率，然后建立了15～75km/h速度下的人車CAE碰撞模型，并對行人和騎車人頭部傷害機理進行了深入研究，得出如下結論。

(1) 通過對行人和騎車人在碰撞過程中頭部運動學響應分析，兩者頭部碰撞點的WAD值、頭部相對碰撞速度和頭部碰撞角度等變化規律基本一致，可以考慮優化調整已有行人保護法規，將行人和騎車人傷害要求在新行人保護法規中體現。

(2) 擴大現行行人保護法規中頭部碰撞區域范圍，重新修正碰撞速度、碰撞角度等試驗參數可以更好地同時反映行人和騎車人碰撞傷害情況。

(3) 通過對行人、騎車人頭部傷害特征研究發現，行人和騎車人顱腦主應力和顱內壓力等變化規律基本一致且數值接近，表明在新行人保護法規中用類同的傷害指標來衡量行人和騎車人頭部的傷害是可行的。

[1] 公安部交通管理局.中華人民共和國道路交通事故統計年報(2011年度)[R].無錫,2012.

[2] MIZUNO K, KAJZER J. Head injuries in vehicle-pedestrian impact[C]. SAE Paper 2000-01-0157.

[3] TOYOTA Motor Corporation. The documentation of total human for model safety[M]. Japan:[s.n.],2011:4-6.

[4] OTTE D, POHLEMANN T. Analysis and load assessment of secondary impact to adult pedestrians after car collisions on roads[C]. Proc. of the Int. IRCOBI Conf. on the Biomechanics of Trauma, October 10-12, Isle of Man, UK. IRCOBI Secretariat, Bron, France,2001:143 -157.

[5] KONG Chunyu, YANG Jikuang. Logistic regression analysis of pedestrian casualty risk in passenger vehicle collisions in China[J]. Accident Analysis & Prevention,2010,42(4):987-993.

[6] YANG Jikuang. Review of injury biomechanics in car-pedestrian collisions[J]. Int. J. of Vehicle Safety,2005,1:100 -117.

[7] WILLINGER R, BAUMGARTNER D, CHINN B, et al. Head tolerance limits derived from numerical replication of real world accidents[C]. Proc of the IROBI Conf,2000:209-221.

[8] WARD C C, CHAN M, NAHUM A M. Intracranial pressure-A brain injury criterion[C]. SAE Paper 801304.

[9] PENG Yong, CHEN Yong, YANG Jikuang, et al. A study of pedestrian and bicyclist exposure to head injury in passenger car collisions based on accident data and simulations[J]. Safety Science,2012,50(9):1749-1759.

[10] 聶進,楊濟匡.基于汽車-自行車碰撞事故重建的騎車人動力學響應和損傷研究[J].汽車工程,2015,37(2):160-167.

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

*國家863計劃(2011AA11A286)資助。

2016228

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