电动两轮车骑车人紧急避让姿态对损伤风险的影响研究*

2022-06-08林丽雅蔡鸿瑜

汽车工程 2022年5期

韩勇，林丽雅，何勇，潘迪，蔡鸿瑜，彭倩，冯浩

（1. 厦门理工学院机械与汽车工程学院，厦门 361024；2. 厦门大学航空航天学院，厦门 361005；3. 司法部司法鉴定重点实验室（司法鉴定科学研究院），上海 200063）

前言

近年来，电动两轮车群体增长迅速，碰撞事故也越发频繁。基于中国交通事故深入研究（China indepth accident study，CIDAS）统计数据显示，二、三轮车事故占比达60%以上。根据中国统计年鉴，2018和2019 年电动二轮车发生事故占道路交通事故总数的比例分别达到了9.68%和10.81%。

关于行人和两轮车骑车人运动学及损伤机理已经进行了诸多研究。自1970 年以来，大多数研究工作都集中在减少因车辆撞击直接造成的行人伤害上。结果表明，最严重的损伤部位是头部，其次是胸部、骨盆和下肢，并指出车辆碰撞速度和车辆前部结构是影响行人运动学和伤害严重性的两个主要因素。然而，行人在与车辆发生初次碰撞后最终与地面发生二次碰撞。近10 年来，许多研究人员开始关注由地面撞击引起的行人二次损伤，发现在实际事故中行人与地面撞击造成的伤害也非常严重。目前评估头部损伤的标准有两类，一类是基于头部运动学，包括头部损伤准则（head injury criterion，HIC）、脑损伤标准（BrIC，BRIC）、脑损伤阈值的广义加速模型（generalized acceleration model for brain injury threshold，GAMBIT）和头部碰撞能量（head impact power，HIP）；另一类是基于脑组织应力应变的损伤准则，包括最大主应变（max principle strain，MPS）、累积应变损伤变量（cumulative strain damage measure，CSDM）、Von-mises 应力、剪切应力、颅内压力和扩张损伤度量（dilation damage measure，DDM）。常见的下肢评价标准有股骨和胫骨的弯矩、轴向的压缩力、剪切力和Von-mises应力。

随着道路监控视频的增多，越来越多的学者开始基于事故视频信息分析道路弱势群体（vulnerable road users，VRU）的碰撞前姿态和碰撞后的运动响应。Han 等通过完整的事故视频分析了VRU 的预碰撞行为，发现超过一半的VRU 在遇到危险时表现出一些紧急避让的反应，例如各种紧急避让姿态。研究表明，不同的碰撞前姿态会导致头部和下肢不同的损伤，但目前的研究主要集中在正常姿态，对碰撞前紧急避让姿态的研究很少。

本文中根据市场调查建立了一款典型的电动两轮车有限元模型，并采用了丰田中央研发中心开发的THUMS4.02 人体有限元模型和经过验证的卡罗拉汽车有限元模型，进行骑车人不同紧急避让姿态下的汽车-电动两轮车的碰撞仿真，研究不同车辆碰撞速度和电动两轮车骑车人不同紧急避让姿态对其运动学响应和落地损伤风险的影响。

1 方法与材料

1.1 汽车-骑车人有限元碰撞模型

采用2012 款丰田卡罗拉汽车有限元模型。该模型包含64 个结构部件，241 979 个单元和191 100个节点，整车质量为1 239 kg。该汽车模型通过了头锤模型以35 km/h 的速度撞击发动机罩和行人下肢冲击器以40 km/h 的速度撞击保险杠的模型验证实验。结果表明，该模型能模拟车辆前部结构的力学特性，可用于骑车人碰撞仿真研究。考虑到计算效率，对不影响分析结果的汽车后部有限元模型进行简化处理，采用集中质量替代简化部分的质量，最后获得简化的汽车前部结构有限元模型。

电动两轮车有限元模型为中国典型的电动两轮车车型，通过实际测量获得几何尺寸和质量，使用三维软件建模，再导入有限元前处理软件进行精密网格划分，并赋予材料属性等。该电动两轮车有限元模型包含56 685 个单元和43 232 个节点，质量为53.6 kg。

采用丰田中央研发实验室有限公司开发的THUMS（total human model for safety）Ver. 4.02 第50百分位成人男性人体有限元模型模拟骑车人，身高175 cm，体质量77 kg。该模型头部和颅内软组织的相关材料特性已经过全面验证，可分析脑组织损伤和颅骨骨折风险。同时，THUMS 下肢模型可以模拟骑车人下肢骨折损伤。其运动学响应特性与尸体实验结果吻合较好。

根据VRU-TRAVi（VRU traffic accident database with video）中二轮车事故视频信息，对骑车人在碰撞前的紧急避让姿态进行统计分析，基于统计结果选择3 种典型紧急避让姿态：被撞侧脚着地（struck foot landing，SFL）、非被撞侧脚着地（nonstruck foot landing，NSFL）和双脚着地（landing on both feet，LBF）。通过对THUMS 有限元模型施加力-位移曲线的方法调整骑车人姿态，共调整4 种骑车人姿态（图1）。

图1 骑车人有限元模型

1.2 碰撞仿真矩阵

根据VRU-TRAVi 数据库的二轮车事故研究，汽车与电动两轮车发生碰撞时，汽车速度在20～50 km/h 范围内，电动两轮车速度在10～30 km/h 范围内。据统计，汽车前部与两轮车侧面碰撞是最常见的事故类型。为保证骑车人损伤均由地面碰撞引起，碰撞位置选取电动两轮车前后轮的中轴线在汽车右侧，离汽车中心线847 mm的位置，如图2所示。

图2 汽车-电动两轮车有限元模型

在LS-DYNA R11.1 环境中进行了8 组仿真，探究不同姿态骑车人在不同车速下的落地损伤风险。表1 为仿真条件，设定汽车车速低速20 km/h、高速40 km/h，两轮车车速为15 km/h。

表1 仿真实验设计

1.3 骑车人损伤评价指标

研究表明，在两轮车事故中，头部是骑车人最脆弱的部位，大多数损伤类型是颅骨骨折。头部线性加速度是颅骨骨折发生的重要原因，而局灶性脑损伤和弥漫性脑损伤的发生与旋转加速度密切相关。Shi 等通过15 项损伤指标分析了10起深度事故中骑车人落地碰撞中头部损伤情况。结果表明：角加速度、线性加速度、HIC、颅内正压力、CSDM和MPS 对于AIS 4+头部损伤风险具有很好的预测能力。损伤等级（abbreviated injury scale，AIS）通常用于评估脑损伤的程度，严重的脑损伤被归类为AIS 4+。并用尸体实验测得的胫骨和股骨皮质骨的平均屈服应力（分别为129 和114 MPa）作为评估下肢损伤风险的参考。

据此，本文中采用峰值角加速度（peak angular acceleration，PAA）、峰值线性加速度（peak linear acceleration，PLA）、HIC、颅内正压力（C. P.）、CSDM和主应变MPS 6 项指标综合评估重度脑损伤风险，以Von-mises 应力值评估骑车人下肢的骨折损伤风险。

2 结果分析

2.1 运动学分析

图3 为车速是20 km/h 时，不同姿态骑车人每隔约200 ms 的碰撞运动学响应。电动两轮车骑车人与汽车碰撞时，汽车保险杠右前端与电动两轮车尾部接触碰撞，使电动两轮车以碰撞点为中心发生顺时针旋转。随后，骑车人因离心力脱离电动两轮车，最后与地面或电动两轮车发生碰撞。

图3 车速20 km/h两轮车骑车人运动学响应

正常姿态骑车人在电动两轮车受到撞击侧翻后，在惯性驱使下整体呈现一个前倾趋势，并在电动两轮车的约束下发生翻转，致使骑车人头部右侧与地面发生碰撞。与正常姿态不同的是：紧急避让姿态SFL 和LBF 与电动两轮车约束较大，骑车人趴坐于电动两轮车上，头部没有与地面发生碰撞。紧急避让姿态NSFL骑车人顺时针旋转270°，头部前侧与地面接触。

图4 为碰撞速度是40 km/h 时，不同姿态骑车人每隔约150 ms 的碰撞运动学响应。电动两轮车尾部受到汽车冲击力而急剧侧翻，骑车人上半身在惯性驱使下仍保持原先前进的状态，下半身由于受到电动两轮车的约束致使骑车人整体有一个绕脚面旋转的趋势，随后髋部与行驶的汽车右翼子板发生短暂摩擦，上半身在接触点发生较大旋转，整个人体呈现落地态势，下肢与侧翻的电动两轮车碰撞，上半身进一步加剧旋转，致使骑车人头部以近乎垂直的角度直接冲向地面，造成严重的头部损伤。与正常姿态不同的是：紧急避让姿态SFL 骑车人下肢与电动两轮车相互作用力较小，致使骑车人由于惯性力更早落地。紧急避让姿态NSFL 骑车人左腿受到汽车碰撞电动车传递的力，使骑车人发生较大转动，胸部与电动两轮车把手发生碰触，以平抛姿态落地，较其他姿态更晚与地面发生碰撞。紧急避让姿态LBF 骑车人在450 ms时，右肩与地面发生接触，随后头部与地面发生剧烈撞击。

图4 车速40 km/h两轮车骑车人运动学响应

2.2 骑车人头部损伤风险分析

为研究不同紧急避让姿态对骑车人头部损伤风险的影响，计算不同姿态骑车人头部损伤，并进一步研究正常姿态和紧急避让姿态的头部损伤差异。首先计算4 种不同姿态（正常姿态、SFL、NSFL、LBF）的6 个头部损伤标准值。然后，将头部AIS 4+ 阈值为标准值，并设定为1，对4 种姿态骑车人受到的头部损伤，依照标准化进行重新设定。

图5 所示为不同姿态骑车人的头部损伤对比。在车速为20 km/h时，正常姿态骑车人头部损伤大部分指标超过了重度脑损伤发生的阈值。骑车人在紧急避让姿态NSFL 的PAA 值降低了50%以上，其余各指标均有一定的降低。紧急避让姿态LBF 和SFL的头部损伤远低于阈值，这是由于LBF和NSFL骑车人腿部与电动两轮车有较大约束，导致碰撞后骑车人落于电动两轮车上，头部未与地面发生碰撞，与真实事故视频中的运动学一致（图6）。在车速为40 km/h时，所有姿态的头部落地损伤均超过严重脑损伤发生的阈值，其中LBF的头部损伤风险最高。

图5 不同紧急避让姿态头部损伤对比

图6 紧急避让姿态真实事故场景

2.3 骑车人下肢损伤风险分析

在碰撞事故中，除头部损伤外，下肢损伤作为一种常见的损伤部位也被广泛研究。本文中选取4 种碰撞前姿态进行仿真分析，通过比较不同姿态骑车人股骨和胫骨的Von-mises 应力，来评估骑车人下肢损伤风险。股骨和胫骨的Von-mises 应力损伤评估参考值分别为114和129 MPa。

图7 为被撞侧和非被撞侧骑车人腿部胫骨和股骨皮质骨最大Von-mises 应力。在车速为20 km/h时，各姿态下骑车人被撞侧股骨Von-mises应力均在60 MPa 左右，无显著差异；而非被撞侧股骨，SFL 应力最小，这是由于正常姿态下肢没有约束，碰撞后骑车人抛出惯性大，而骑车人SFL 碰撞后被撞侧腿接收部分能量，非被撞侧腿相对自由，股骨损伤风险最低，而SFL姿态胫骨在落地过程中与电动两轮车发生撞击，损伤风险最高。骑车人LBF的应力分布相对平均，这是由于被撞侧与非被撞侧的腿与电动两轮车的约束较大，低速时造成下肢损伤风险由电动两轮车引起。各姿态骑车人下肢损伤风险均未达到阈值。

图7 骑车人腿部胫骨和股骨的最大Von-mises应力

在车速为40 km/h 时，3 种紧急避让姿态均达到阈值，有骨折风险。正常姿态下骑车人下肢损伤风险最低。这是由于紧急避让姿态骑车人的腿部均有较大约束，易与车辆和地面接触，造成下肢损伤。紧急避让姿态NSFL，被撞侧股骨在电动两轮车侧翻后与汽车翼子板产生较大撞击，导致其应力最大（119.5 MPa），且超过皮质骨断裂阈值，非被撞侧股骨在惯性运动中未与汽车发生接触，发生骨折风险最低。在SFL姿态下，两侧胫骨的应力均超过阈值。