電動兩輪車及自行車與汽車碰撞損傷對比分析＊

馬興會 馬國清 馮居輝 劉淑敏 王彥琨

（煙臺大學，煙臺 264005）

主題詞：汽車碰撞 自行車 電動兩輪車 損傷對比 THUMS

1 前言

研究表明，非機動車交通事故中，由電動兩輪車造成的事故數量占比較大[1]。根據中國交通事故深入研究（China In-Depth Accident Study，CIDAS）數據庫提供的數據，汽車-電動兩輪車事故致死率為9.6%，汽車-自行車事故致死率為23.4%。因此，研究不同碰撞工況對騎乘人員損傷的影響具有重要意義。

近年來，針對兩輪車交通安全的分析引起了國內外學者的重視。Maki[2]等通過對比發現，自行車騎行者的頭部撞擊位置、腿部受傷類型及其原因與行人均不相同；Elliott[3]利用多體行人模型，分析了車速、行人速度和步行步態對行人頭部運動響應的影響；Nie[4]選取24 個汽車-自行車事故案例，分析了頭部碰撞速度、頭部碰撞時間和碰撞角度對自行車騎行者頭部和下肢的影響；許駿[5]、李松慶[6]、蒲玲玲[7]、孫曉玲[8]等再現汽車-自行車碰撞事故，研究了不同的汽車車速、自行車車速對騎行者頭部損傷的影響；王興華[9]等利用多剛體人體模型對典型汽車-自行車和汽車-摩托車事故進行仿真，比較了2類事故中騎行者頭部及腿部動態響應的差異；錢宇彬[10]、尹均[11]等分析了碰撞速度、碰撞角度對電動自行車騎行者動力學響應的影響；Han[12]、徐夢雪[13]、李東青[14]探討了車輛碰撞速度、汽車前端結構與騎行者頭部損傷的關系；王薛超[15]、趙喜磊[16]討論了汽車類型、汽車速度對騎車人碰撞響應的影響。以上研究使用的模型多為多剛體人體模型，不能反映人體各器官內在的應力-應變關系，亦無法深入研究人體組織層面的損傷機理。

本文建立了汽車-電動兩輪車、汽車-自行車有限元碰撞模型，以調整姿勢后的THUMS 人體模型作為騎行者，研究汽車速度、兩輪車速度及碰撞位置對騎行者損傷程度的影響，從而為降低損傷程度提供依據。

2 有限元模型建立

本文使用的汽車模型為2012款豐田凱美瑞有限元模型，該模型通過了美國國家公路交通安全管理局的正面新車評估計劃（US-NCAP）測試，如圖1所示。

圖1 轎車有限元模型

本文采用的電動兩輪車為國內某知名品牌的豪華款電動兩輪車，采用懸吊法對所建模型進行質心對標驗證，利用Hyperworks建模后得到電動兩輪車有限元模型質心位置為(-202,-685,232)，實車模型質心坐標為(-195,-680,225)，兩者位置坐標誤差在允許范圍內，從而證明了該模型的有效性。

本文采用的自行車為國內常見的一種自行車，通過實測獲得幾何尺寸與質量，利用UG 軟件建模后導入HyperMesh對其進行精密的網格劃分，并依據實際情況賦予材料、屬性，設置接觸與速度。

本研究使用的人體有限元模型為豐田公司開發的THUMS AM50 Version 4.0版本，是當前研究中應用較多且成熟穩定的版本。通過對THUMS原始模型進行姿勢調整，得到騎行者人體有限元模型。

將汽車有限元模型、調整后的THUMS 人體模型及電動兩輪車、自行車組合在一起，構成完整的碰撞模型，如圖2所示。

圖2 汽車-兩輪車碰撞模型

3 事故重建

3.1 事故信息

3.1.1 電動兩輪車事故信息

事故發生時，一轎車由南向北直行，與同向直行左轉、斜穿公路的一電動兩輪車發生碰撞，事故過程如圖3所示。電動車騎行者為男性，54 歲，身高170 cm，體重63 kg。事故造成電動兩輪車騎行者當場死亡，轎車前風窗玻璃和發動機罩損壞，電動兩輪車受損嚴重。

圖3 電動兩輪車事故過程示意

3.1.2 自行車事故信息

事故發生時，轎車由西向東行駛，在路口碰撞到闖紅燈過馬路的自行車，事故過程如圖4所示。轎車駕駛員為男性，25歲，未受傷，自行車騎行者顱骨骨折、顱腦損傷，當場死亡。

圖4 自行車事故過程示意

3.2 事故重建結果

3.2.1 電動兩輪車事故

仿真過程中，THUMS 模型的左小腿先與汽車的前保險杠接觸，接著左側大腿開始與汽車的發動機罩接觸，隨后左側胸腹部與發動機罩產生擠壓性接觸，然后左肘和左肩相繼與前風窗玻璃撞擊接觸，造成風窗玻璃局部塌陷，最后THUMS 模型的頭部與前風窗玻璃撞擊接觸，并在撞擊位置出現蜘蛛網狀裂痕。這與實際事故的結果基本相符，如圖5所示。仿真模型可用作進一步分析。

圖5 現場痕跡與事故重建對比

3.2.2 自行車事故

仿真中汽車前風窗玻璃與發動機罩變形情況與真實案例基本符合，如圖6 所示，仿真模型可用作進一步分析。

圖6 轎車現場痕跡與事故重建結果對比

3.3 仿真驗證設計

基于CIDAS 數據庫提供的數據可知，汽車與兩輪車發生碰撞事故時，汽車速度大多在(30,50]km/h 范圍內，電動兩輪車的速度多在(15,20]km/h范圍內，自行車的速度在(5,10]km/h 范圍內最多見。本文以轎車車速（30 km/h、40 km/h、50 km/h）、兩輪車車速（5 km/h、15 km/h）為速度變量，以碰撞位置（兩輪車前部、兩輪車中部、兩輪車后部）為位置變量，利用有限元分析軟件Hyperworks和LS-DYNA，對THUMS人體模型進行了16組碰撞仿真，比較不同碰撞條件下騎行人員的碰撞響應及損傷情況。

當碰撞位置為兩輪車中部時，以速度為變量，設計了12 組驗證，如表1 所示；又以汽車車速40 km/h、兩輪車車速5 km/h為定量，以碰撞位置為變量設計了4組驗證，如表2所示。

表1 以速度為變量驗證設計方案

表2 以位置為變量驗證設計方案

4 仿真結果及分析

4.1 汽車車速和兩輪車車速對騎行者損傷特性的影響

選取顱內壓力、顱骨等效應力、肋骨塑性應變、頭部皮膚應變、心臟壓力、碰撞側下肢脛骨等效應力6 個具有代表性的評價指標為主要研究對象，分析碰撞位置一定時，汽車車速、兩輪車車速對騎行人員損傷特性的影響。以E40-5、B40-5 兩組驗證為例，各部位的應力應變云圖如圖7、圖8所示。

匯總各組驗證結果，繪制折線圖如圖9 所示，其中vb、ve分別為自行車和電動兩輪車的車速。

由圖9可知：

a.對于頭部損傷評價指標：當汽車車速≥40 km/h時，自行車騎行者顱內壓力大于電動兩輪車騎行者顱內壓力，且騎行人員顱內壓力均超過235 kPa，造成嚴重的顱腦損傷[17]；自行車騎行者的頭部皮膚塑性應變均大于電動兩輪車騎行者頭部皮膚塑性應變；仿真中，顱骨等效應力均未超過損傷極限10.09 MPa[18],且由于E30-5、E50-5組頭部碰撞點落在了窗風玻璃邊緣處，導致騎行者顱骨等效應力較大。

圖7 電動兩輪車騎行人員傷害云圖

圖8 自行車騎行人員傷害云圖

b.對于胸部評價指標：當汽車車速達到50 km/h時，自行車騎行者肋骨塑性應變較電動兩輪車騎行者大，且兩者隨汽車車速增大均有增大的趨勢；當兩輪車車速達到15 km/h 時，肋骨塑性應變超過3%[19]，極可能造成肋骨骨折；當汽車車速達到50 km/h時，心臟壓力均會超過170 MPa的損傷極限[20]。

c.對于下肢骨骼評價指標：仿真中的脛骨等效應力均大于120 MPa，均有骨折的風險[21]，且自行車騎行者碰撞側脛骨等效應力均大于電動兩輪車騎行者碰撞側脛骨等效應力，這是由于汽車與電動兩輪車碰撞時，汽車前保險杠首先與電動兩輪車發生碰撞，電動兩輪車可起到緩沖作用。

4.2 碰撞位置對騎行者損傷特性的影響

以碰撞位置為變量，獲得的各部位傷害值匯總結果如表3所示。

圖9 汽車車速對騎行人員評價指標的影響

由表3可知，碰撞位置對自行車騎行人員的人體損傷評價指標影響不大。試驗編號為E40-5-f的電動兩輪車的顱內壓力、顱骨等效應力明顯比E40-5和E40-5-r數值高。原因在于：編號為E40-5-f的仿真中，騎行人員頭部與汽車A柱碰撞，造成應力集中，顱腦損傷較嚴重。因此，可以考慮在A柱附近設置安全氣囊。

表3 位置變量引起的騎行人員損傷特性

5 結束語

本文利用有限元分析軟件Hyperworks 和LSDYNA，研究不同碰撞條件下電動兩輪車和自行車的損傷差異，通過對THUMS 人體模型進行16 組仿真分析，得到以下結論：

a.整體來看，碰撞位置一定時，汽車車速對騎行者的損傷影響較大；速度一定時，碰撞位置對騎行者造成的損傷影響較小。因此，在事故高發路段有必要對汽車車速進行限制。

b.自行車碰撞時，其座椅相對位置更高，吸能能力較小，自行車騎行者傷害值較電動兩輪車大。因此，在A 柱、發動機罩邊緣等易造成應力集中的部位，可考慮安裝安全氣囊以提高對騎行者的保護。

c.隨著汽車車速增加，騎行者頭部在汽車縱向上的碰撞位置逐漸提高；隨著兩輪車車速增加，騎行人員在汽車橫向上的偏移距離增大，且反映人體損傷特性的6項評價指標均與車速呈明顯的正相關。