基于事故再现的行人头部碰撞研究*

曾必强,高继东,彭 伟

(中国汽车技术研究中心汽车工程研究院,天津 300300)

2016151

基于事故再现的行人头部碰撞研究*

曾必强,高继东,彭 伟

(中国汽车技术研究中心汽车工程研究院,天津 300300)

基于中国道路交通事故深入研究(CIDAS)数据和人体模型THUMS的事故仿真，研究了行人与普通轿车、SUV和MPV3种典型车型碰撞过程中，头部与车体的碰撞状况和响应特点。结果表明，行人头部与车辆的碰撞位置、碰撞角度、碰撞速度和损伤程度均与碰撞车辆类型有密切关系。普通轿车与行人头部碰撞点位置的WAD值比其他两种车型大。行人头部与普通轿车的碰撞角度比另两种车型大，而相对碰撞速度则比另两种车型低。该研究结果可为新车行人保护设计与行人保护法规制定提供参考。

行人保护；头部碰撞；事故再现

前言

2004-2010年我国行人交通事故中导致46万人受伤，16万人死亡，占总交通事故总死亡人数25%以上[1]。行人是交通事故中最易受到伤害的人群，其中行人的头部损伤是最常见的伤害类型之一，同时也是造成行人重伤、死亡的主要原因[2]。根据文献[3]～文献[6]中对美国和日本人车碰撞交通事故研究结果可知，行人与不同车型发生碰撞时所受的损伤差别较大。行人头部与车辆的碰撞是行人车辆碰撞过程中的后续碰撞[7-8]，车辆对行人身体碰撞的加速过程和人体自身响应特征决定了行人头部与车辆的碰撞状况。对行人头部碰撞状况进行深入研究，并将相关成果运用到车辆设计和检测中，是降低行人伤亡率的有效途径。

文献[9]中使用了Madymo多刚体假人根据交通事故案例对行人头部碰撞相应规律进行了深入研究，为行人头部碰撞状况深入研究提供了路径，但由于文中Madymo多刚体假人与真人间的力学性能差异也影响了其研究成果。

THUMS全生态假人是日本丰田公司根据真实人体特征开发的有限元人体模型，它能够代表真人在碰撞过程中的力学响应特征[10]。本文中采用普通轿车(A)、SUV、MPV这3种典型车型，分别进行碰撞仿真，分析它们与行人的碰撞响应规律，根据仿真结果，结合CIDAS所收集的数百起交通事故，深入研究了真实交通事故中最有代表性、权重值最高的行人头部碰撞案例。

1 仿真模型可靠性分析

在中国交通事故深度研究项目(CDAIS)行人碰撞事故案例数据库中，提取某轿车与横穿马路行人碰撞事故案例如图1所示。

根据该事故车制动轨迹分析和整体事故再现分析得出该事故碰撞速度约为35km/h。事故碰撞类型为轿车正前方与身高约1 700mm的行人侧方碰撞。行人头部与轿车风窗发生碰撞，经医生诊断行人主要伤害为较轻度脑震荡和软组织伤害。

基于该事故案例，使用THUMS假人(身高1 780mm)和类似轿车有限元模型进行了CAE事故仿真再现。仿真计算人车碰撞如图2所示。

根据仿真结果可知，碰撞过程中行人头部碰撞点位置位于轿车包络线(WAD)值为2 000mm的位置，与事故车行人头部碰撞点位置(WAD值约1 930mm)较为接近。

从仿真结果中还可得到THUMS假人脑部最大主应力和脑部压力分布，如图3和图4所示。

由图3可知，行人颅内最大等效应力为10.5kPa，由图4可知，颅内最大压力为158kPa。根据文献[11]和文献[12]中的研究结果判定，行人头部伤害情况为较轻度脑震荡，该结果与事故中医生对行人的诊断结果相吻合。

由此说明使用THUMS假人进行数值计算来模拟仿真行人车辆碰撞事故，其结果与真实交通事故案例比较一致。

2 行人事故规律分析

根据中国交通事故深度研究项目(CDAIS)对数百起行人与车辆的碰撞事故调查结果，轿车碰撞行人时的速度累计百分比分布如图5所示。图6为调查所得案例中碰撞速度分别为10，20，30，40，50，60，70，80，90和100km/h±5km/h速度范围内的事故数量占总事故的比例。

由图5可见，行人碰撞事故中车辆的平均碰撞速度约为48km/h，累计概率约占总体事故的50%的碰撞速度为46km/h。

由图6可见，碰撞速度为40±5km/h范围内发生的事故概率最高，速度在75km/h以上的事故概率较低。通过文献[13]和文献[14]中的研究成果表明，15km/h以下碰撞速度行人所受伤害均为轻伤，所以选取15～75km/h范围内碰撞行人交通事故为本文的研究范围。

根据文献[15]中的研究表明，72%的行人事故发生在行人横穿直行马路，63%的行人事故车辆碰撞行人侧面(33%车辆碰撞行人左侧;30%车辆碰撞行人右侧)。本文中选取最有代表性的人-车正面碰撞工况，建立普通轿车(A)、SUV和MPV 3种车型与行人的碰撞模型，如图7所示。

3 头部碰撞位置分析

通过仿真计算得到3种典型车型在不同速度下与行人发生碰撞时，行人的头部与车辆的接触部位对比如图8所示。

仿真结果头部碰撞点(WAD值)位置如图9所示。

如图9所示，THUMS假人穿鞋后高度约为1 800mm，碰撞速度较低时由于THUMS假人颈部绕肩部的转动，导致了头部碰撞点WAD值小于1 800mm。当碰撞速度较高时由于头部与车辆接触前THUMS假人被整体抛起，假人相对车辆向后滑动，所以头部碰撞点WAD值大于1 800mm。由于普通轿车高度较低，所以行人在发动机罩表面向后滑动现象较为明显。SUV和MPV车型发动机罩相对行人较高，行人在发动机罩上方的滑动位移较普通轿车低。由图9可见，在车辆速度为50km/h时普通轿车头部碰撞点WAD值已经超过目前行人保护法规规定的WAD最大值2 100mm。

由图9还可见，SUV和MPV车型不同碰撞速度下碰撞点WAD值变化曲线相互交叉上升，两者曲线变化规律基本一致，均低于相同速度所得的普通轿车碰撞点WAD曲线。将SUV和MPV两车型碰撞点WAD变化曲线合并取平均值，得到新碰撞点WAD变化曲线，其与普通轿车碰撞点WAD变化曲线对比如图10所示。

分别取普通轿车和大型乘用车(SUV和MPV)与行人碰撞速度i=20，30，40，50，60和70km/h。将i值±5km/h范围内发生的行人碰撞事故比例Pi与该速度仿真得到碰撞点位置(WAD值)进行加权平均，最后除以THUMS假人身高，可得事故中碰撞点位置(WAD值)与行人身高的比值。

(1)

(2)

式中：WADiA和WADiSUV&MPV为普通轿车和SUV&MPV仿真的碰撞速度为i时碰撞点的WAD值，81.16%为15～75km/h速度范围内发生事故占CDAIS所统计总事故中的比例。

因此，根据行人交通事故统计结果，1 800mm身高的行人与普通轿车碰撞时，其头部碰撞点位于WAD值为1800×1.151≈2070mm位置附近的概率最大，同理该行人与SUV和MPV车型碰撞时其头部碰撞点位于WAD值为1800×1.024≈1840mm位置附近的概率最大。

4 头部碰撞角度与碰撞速度分析

根据人车碰撞中行人头部与车辆的运动规律，头部与车辆接触时刻头部绝对速度为

(3)

而头部碰撞相对速度则为

图4和图5所示，与细胞对照组相比，CP组NSC中PKA和PKC荧光强度变化不明显；ACR组NSC数量减少，形态异常，NSC中PKA和PKC荧光强度减少且分布不均匀。与ACR组相比，ACR+CP组NSC数量增多，形态趋于正常，NSC中PKA和PKC荧光强度升高且分布均匀。与CP组相比，ACR+CP组PKA和PKC变化不明显。

(4)

式中：vx为头部水平方向的速度；vz为头部竖直方向的速度；v为头部绝对速度；vcx为碰撞时刻轿车行驶速度；v′为头部碰撞相对速度。

头部碰撞角度β是指碰撞开始时刻头部速度矢量相对于水平地面的角度，即

β=arctanvz/vx

(5)

头部碰撞角度β′是指碰撞开始时刻头部速度矢量相对于碰撞表面的角度，即

β′=β+δ

(6)

式中δ为碰撞表面与水平线的夹角。

图11为接触时刻头部碰撞角度。

通过行人与普通轿车、SUV、MPV 3种车型碰撞的仿真计算结果得到行人与车辆在不同速度碰撞工况中，β和β′变化规律如图12所示。

图12中普通轿车(A)头部相对于碰撞面的碰撞角度β′曲线从碰撞速度40～50km/h范围内发生了突变，这是由于出现了行人肩部提前将风窗玻璃压塌，导致头部和风窗玻璃接触时风窗玻璃已经凹陷变形，导致较大测量误差所致。风窗玻璃被肩部提前压塌后，如果头部相对风窗玻璃的碰撞角度采用凹陷变形后的碰撞点玻璃角度(约为72°)，则该曲线的突变位置将会消失。

图12中SUV车型头部相对于碰撞面的碰撞角度β′曲线从碰撞速度50～60km/h范围内也发生了突变，这是由于这时头部碰撞点由发动机罩后沿移至风窗玻璃下方导水槽位置，两者高度上有台阶差所致。

由图12可见，行人与3种车型碰撞中β值差别较大，而行人与3种车型碰撞中β′值的差别则较小。所以在面对不同车型的行人保护考核体系中，使用头部相对碰撞面的角度来替代头部相对水平地面的碰撞角度更为合理。

(7)

(8)

由式(7)可知，行人与普通轿车正面碰撞时行人头部相对碰撞面的碰撞角度为78°左右的权重最大。由式(8)可知，行人与SUV和MPV大型乘用车碰撞时行人头部相对碰撞面的碰撞角度为48°左右的权重最大。

通过行人与普通轿车、SUV、MPV 3种车型碰撞的仿真计算结果得出行人与车辆在不同速度碰撞工况中，行人头部与车辆的相对碰撞速度v′随行人-车辆碰撞速度的变化规律如图13所示。

由图13可见，头部与车辆的相对碰撞速度要低于碰撞车速；SUV和MPV车型对应的行人头部相对碰撞速度高于普通轿车(A)；车头均较高的SUV和MPV车型对应的行人头部相对碰撞速度曲线基本重合。

行人头部与车辆碰撞速度比车辆与行人初始碰撞速度低，这是由于行人碰撞中行人下肢先被撞击，在头部与车体发生碰撞前行人已经整体向前运动，导致碰撞时刻头部与车辆的相对速度低于碰撞车速。

(10)

由式(9)可知，行人与普通轿车发生正面碰撞时，行人头部相对碰撞速度为23km/h左右的权重最大。由式(10)可知，行人与SUV和MPV车型碰撞时，行人头部相对碰撞速度为31km/h左右的权重最大。由此可见在相同工况下行人头部与SUV和MPV这类大型乘用车的碰撞速度约为与普通轿车碰撞速度的1.3倍。

5 结论

使用THUMS假人进行某行人交通事故的仿真再现，结果显示行人碰撞位置、行人头部伤害情况与仿真结果均吻合较好，说明THUMS假人模型能够较好地模拟碰撞中行人的力学响应特征。根据仿真计算和CDAIS交通事故调查结果进行了交通事故最有代表性、权重最高的行人头部碰撞工况研究，具体结论如下。

(1) 行人与车辆碰撞时，头部碰撞点位置的WAD值随着碰撞速度的升高而增大。根据不同碰撞速度下行人碰撞事故的发生概率，计算得到普通轿车1.15倍行人身高的WAD值是该行人头部碰撞事故最为集中的位置。同理计算得到SUV和MPV车型行人身高的WAD值是该行人头部碰撞事故最为集中的位置。

(2) 针对不同的车型使用头部与碰撞表面的相对角度来衡量行人头部与车辆碰撞角度时，碰撞角度的一致性较使用地面坐标时行人头部碰撞角度一致性更好。研究还表明，行人头部与普通轿车表面的碰撞角度约为78°，远大于行人头部与SUV和MPV车型碰撞表面48°的碰撞角度。

(3) 行人与车辆碰撞中由于身体下部先与车辆接触，人体的变形和黏弹性力学特性对头部与车辆的相对碰撞速度影响较为明显。据仿真结果和事故分布概率综合计算可知，行人与普通轿车碰撞时头部相对速度为23km/h的概率最大。而行人与SUV和MPV车型碰撞时头部相对速度约为31km/h的概率最大，该相对速度要高于与普通轿车碰撞时的相对速度。

不同车型前端外形结构特点的差异，导致了行人碰撞事故中头部与车辆碰撞状况有较大差异。在车辆设计方面根据车型特点对行人头部冲击位置进行重点设计，有利于降低行人伤亡率。在车辆行人安全法规制定中考虑车型外观结构上的差异，分别设定不同的冲击考核工况，也有利于提高法规考核的有效性。

[1] 公安部交通管理局.中华人民共和国道路交通事故统计年报(2011年度)[G].无锡,2012.

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

[3] ROUDSARI B S, MOCK C N, KAUFMAN R, et al. Pedestrian crashes: higher injury severity and mortality rate for light truck vehicles compared with passenger vehicles[J]. Injury Prevention,2004,10(3):154-158.

[4] BALLESTEROS M F, DISCHINGER P C, LANGENBERG P. Pedestrian injuries and vehicle type in maryland,1995-1999[J]. Accid. Anal.Prev.,2004,36(1):73-81.

[5] MIZUNO K, KAJZER J. Compatibility problems in frontal, side, single car collisions and car-to-pedestrian accidents in Japan[J]. Accid. Anal. Prev.,1999,31(4):381-391.

[6] LEFLER D E, GABLER H C. The fatality and injury risk of light truck impacts with pedestrians in the United States[J]. Accident Analysis and Prevention,2004,36(2):295-304.

[7] 李凡,杨济匡.基于车辆-行人碰撞颅脑伤防护的参数研究[J].中国机械工程,2007,18(9):1125-1130.

[8] YANG J. Effects of vehicle front design parameters on pedestrian head-brain injury protection[C]. Proceedings of the 18th International Conference on the Enhanced Safety of Vehicles(ESV),Nagoya, Japan,2003.

[9] 聂进,李桂兵,王薛超,等.乘用车前端结构几何参数对行人头部动力学响应和损伤风险的影响[J].汽车工程,2014,36(12):1473-1482.

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

[11] 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.

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

[13] 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.

[14] 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.

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

A Study on the Pedestrian Head Impact Based on Accident Reconstruction

Zeng Biqiang, Gao Jidong & Peng Wei

AutomotiveEngineeringResearchInstituteofChinaAutomotiveTechnology&ResrarchCenter,Tianjin300300

The situation and response features of the impact between human head and vehicle body in the collision process between pedestrian and three typical vehicle models (normal car, SUV and MPV) are studied based on the data of CIDAS (China In-depth Accident Study) and the accident simulations with human model THUMS. The results show that the position, relative angle and speed of impact and injury severity all closely related to vehicle model. The wrap around distance of the hitting point of human head against vehicle body of normal car is larger than that of SUV and MPV, the impact angle between human head and vehicle body of normal car is also larger than that of SUV and MPV, while the relative impact speed between human head and vehicle body of normal car is lower than that of SUV and MPV. The outcomes of study provide references for the new vehicle design and regulation formulation in pedestrian protection.

pedestrian protection; head impact; accident reconstruction

*国家863计划(2011AA11A286)资助。

原稿收到日期为2015年5月22日，修改稿收到日期为2015年9月1日。