汽车-电动自行车碰撞事故中骑车人头部动力学响应研究＊

2020-11-27钱宇彬郭风虎王琰肖凌云胡文浩

汽车技术 2020年11期

钱宇彬郭风虎王琰肖凌云胡文浩

（1.上海工程技术大学，上海 201600；2.国家市场监督管理总局缺陷产品管理中心，北京 100101）

1 前言

数据表明，电动两轮车参与的交通事故占非机动车事故的59%以上，且事故中骑车人死亡率在13.9%以上[1]。作为交通参与者中的弱势群体，电动自行车骑车人在交通事故中容易遭受到严重伤害[2]，保护骑车人的安全显得尤为重要。

国外学者针对非机动车事故开展了大量研究，结果表明，骑车人头部是交通事故中最容易造成严重损伤的部位[3-6]。Darren N.Moore等人[7]对发生在北美的自行车交通事故进行研究，分析了显著影响骑车人损伤程度的6个变量。Höskuldur R.G.Kröyer等人[8]基于瑞典地区交通事故数据，研究了自行车骑行人受伤严重程度与年龄和碰撞速度的关系。Alexandro Badea-Romero 等人[9]对英国205起汽车与自行车事故进行深度研究，结果表明，自行车骑车人头部与地面接触造成的损伤比骑行人头部与汽车接触造成的损伤更加严重。N.Bourdet等人[10]研究了摩托车手头部在真实事故中模拟撞击的行为，分析了头部创伤与冲击速度的关系。国内学者对于非机动车交通事故的研究也已逐步深入。聂进等人[11]对24起自行车与轿车事故案例进行事故重建，分析了典型碰撞形态下自行车骑车人的动力学响应过程，并进一步研究了骑车人身体各部位在碰撞中的损伤风险。徐荡等人[12]建立了汽车-行人、汽车-骑车人碰撞模型，通过仿真研究了行人和骑车人的损伤程度与碰撞速度的关系。

受形状、质量、速度等特点的影响，在与汽车发生碰撞时，电动自行车及骑车人的动力学响应也有所差异，本文根据国家车辆事故深度调查体系（National Automobile Acci⁃dent In-Depth Investigation System，NAIS）中上海松江地区典型的汽车-电动自行车事故案例，通过事故仿真重建，分析不同因素对骑行人动力学响应和损伤的影响。

2 数据分析

2.1 数据样本

本文涉及的事故案例来源于NAIS 上海松江站点，事故案例的深度调查涉及不同学科的交叉，包括人车路系统、汽车构造、车辆动力学、力学、医学、道路工程等[13]。本文对13 起典型的汽车-电动自行车事故进行重建分析，数据样本如表1 所示。其中，碰撞角度为汽车速度与电动自行车速度方向的夹角，按顺时针定义为0°～360°，碰撞位置为碰撞点与车标的横向距离，向左为正，向右为负。

表1 事故参数信息

2.2 事故重建

将13 起典型的事故案例进行仿真重建，可以还原碰撞发生前、后车辆和人员的运动情况，如运动轨迹、碰撞点等，并可进行可视化还原。碰撞事故除需参与方信息外，还需要精确的场景还原，保证每一时刻定位点的精确程度，建立的二维事故过程如图1所示。

2.3 骑车人运动学轨迹

运用PC-Crash 软件对事故进行重建，分析不同碰撞类型的事故，再对骑车人碰撞后抛出的运动规律进行归类，可大致将骑车人的运动学轨迹进行定义并分为7类，如图2所示。

图1 事故过程

图2 骑车人的7类运动学轨迹

3 仿真设计

3.1 模型建立

本文选用PC-Crash软件中的汽车模型和电动自行车-骑车人组合模型，对13起真实事故数据进行仿真重建分析。通过改变运动学参数，分析不同因素对碰撞模型的影响，根据碰撞事故的特点可知，骑车人碰撞后的损伤主要受碰撞速度、碰撞角度和车辆类型的影响，本文主要研究汽车-电动自行车碰撞瞬间骑车人头部受到的影响，故碰撞速度定义为碰撞瞬间汽车的瞬时速度。

根据车辆外形参数将汽车划分为轿车、SUV、MPV[14]。所研究的事故案例中，主要碰撞类型为汽车前部与电动自行车发生接触，本文依据典型事故实车参数对汽车模型的前部主要几何参数进行调整，如表2所示。

表2 车辆模型几何参数

骑行人模型选用PC-Crash 模型库中的电动自行车-骑行人多刚体组合模型，因电动自行车模型的影响相对较小，本研究中只选用了1 种电动自行车-骑车人组合模型，如图3所示。

图3 骑车人多刚体模型

模型验证方面，将原始事故案例参数带入模型进行仿真运行，得到模型的运行工况和运动参数，与实际车辆运行中的参数及过程进行对比，误差范围在5%以内。

3.2 影响因素

汽车-电动自行车碰撞是多因素影响的复杂系统，存在多因素交叉影响的情况，对影响程度较小的因素不单独分析，对其中4 种主要影响因素进行研究，包括车型、车速、碰撞角度、碰撞位置。

事故重建可以得到详细的车辆运动参数以及骑车人的碰撞参数，如速度、加速度、碰撞位置、碰撞角度等。通过对比分析可以得到对应参数变化与骑车人头部动力学响应之间的关系。

4 仿真结果及分析

本文中骑车人头部运动学响应主要包括骑车人的运动轨迹、碰撞速度和骑车人头部损伤标准（Head Injury Criterion，HIC）值：

式中，t1、t2分别为碰撞过程中的时间节点；R(t)为头部质心处加速度，可由PC-Crash软件导出。

4.1 车型对骑车人动力学响应的影响

在仿真中，设碰撞角度为90°，碰撞位置为0 cm，通过碰撞速度的调整，分析不同车型在碰撞中对骑车人动力学响应的影响。20 km/h、40 km/h、60 km/h 车速下3种车型碰撞后骑车人的运动轨迹点及轨迹拟合曲线如图4所示，由图4可以看出，骑车人纵向位移与车速正相关，相同碰撞速度下对骑车人的纵向位移影响最大的为MPV，其次为SUV，最后为轿车。

图4 不同车速下骑车人头部运动学轨迹

由图4 中的散点轨迹可以看出，在车速较低时，骑车人头部会向车后绕转，这种运动趋势在SUV 和MPV上幅度减小，随着车速的提高，3 种车型发生碰撞后骑车人的运动轨迹逐渐趋向于抛物线。轿车车速超过40 km/h时，骑车人会被抛起并在空中旋转，随着碰撞速度提高，骑车人的抛起离地高度和纵向位移逐渐增加。

4.2 碰撞角度对骑车人动力学响应的影响

以轿车为例，以碰撞速度为变化量，分别在0°（180°）、45°（315°）和90°（270°）碰撞角度下分析碰撞角度对骑车人头部HIC、头部碰撞速度和头部碰撞加速度的影响，结果如图5所示。由图5可知，不同碰撞角度下，骑车人动力学响应情况随着碰撞速度的变化而变化，碰撞角度为0°（180°）时骑车人受到的伤害最大，其次是45°（315°）时，碰撞角度为90°（270°）时影响相对较小。

4.3 碰撞位置对骑车人动力学响应的影响

轿车3 种碰撞位置下，以碰撞速度为对比变化量，骑车人动力学响应情况如图6所示。

由图6 可以看出，同一碰撞位置下，骑车人碰撞后的响应程度与车速正相关，碰撞速度不超过41 km/h时，骑车人的头部HIC 基本不超过1 000，头部速度和加速度均在人体承受范围内，随着车速增加，骑车人损伤程度也明显增加，超过50 km/h时会对人体造成严重损伤。

图6 不同碰撞位置下骑车人的动力学响应

分析这3个位置参数的关系可知，碰撞位置为0 cm时骑车人的动力学响应程度明显高于±40 cm、±80 cm碰撞位置。碰撞位置在逐渐远离0 cm 位置的过程中，骑车人的损伤程度呈下降趋势，其原因在于，在逐渐接近汽车边缘时，骑车人受到切向力，向汽车运行轨迹外侧偏移，减小了抛出的纵向距离和高度。碰撞速度超过50 km/h 时，骑车人头部碰撞速度略有下降，因为此时骑车人会被抛起并绕上身呈旋转运动。

4.4 碰撞角度和碰撞位置与骑车人AIS的关系

目前，关于骑车人发生碰撞后的损伤评价标准较多，评价标准对应的侧重点也有所偏差，简明损伤定级（Abbreviated Injury Scale，AIS）是用于量化分析人体损伤的判定标准。AIS 分为6 个等级，由低到高代表损伤程度逐渐增加，本文结合AIS 与中国新车评价规程（China-New Car Assessment Program，C-NCAP），建立头部HIS与AIS等级的对应关系，如表3所示。

以样本中的13 起真实事故案例分析，结合前文碰撞位置和碰撞角度对骑车人动力学影响的结论，可以得出这2 种影响因素与骑车人AIS 等级的相关性，如图7所示，对每个案例的碰撞角度和位置不做变化，仅改变其碰撞速度进行重建分析，分为低速（30～35 km/h）、中速（50～55 km/h）和高速（＞60 km/h）3种速度状态。可以看出，在同速度范围内碰撞位置接近0 cm时骑车人AIS等级较其他碰撞位置偏高，碰撞角度在接近0°（180°）时骑车人AIS等级也偏高。