骑行姿态对自行车与乘用车碰撞事故中的骑车人股骨损伤的影响

摘 要：基于一例自行车与乘用车碰撞的交通事故，在MADYMO软件中建立仿真模型，并在此基础上研究碰撞车速、自行车曲柄长度和踏板相位对骑车人股骨损伤的影响。研究发现，车辆碰撞速度越大，骑车人股骨损伤越严重。曲柄长度和相位通过影响骑行人姿态影响股骨的损伤程度，曲柄越长、姿态越伸展，伤情越严重。

关键词：自行车事故 骑行姿态 事故重建 股骨损伤 MADYMO

我国是全球最大的自行车生产和出口国，目前自行车社会保有量超过2亿辆[1]。2020年我国自行车、电动自行车、租赁自行车、共享单车总计发生交通事故24890起，伤亡比例达到1.27人/起[2]。

汽车与自行车的碰撞事故已经被学者广泛关注。邹铁方[3]通过物理实验和模拟仿真研究发现座高与骑车人头部损伤显著相关。吴良伟[4]对184例自行车事故视频进行统计分析，得到了自行车事故特征。邹铁方[5]通过事故重建对比了自行车事故和行人事故的损伤风险和损伤来源对比。胡林[6]通过PC-Crash软件仿真研究发现骑车人头部损伤风险和下肢骨折风险与自行车座高具有相关性。聂进[7]基于事故重建研究了骑车人动力学响应和骑车人身体各部位损伤分布和头部损伤与下肢骨折风险。

当前已有的研究中暂未有考虑到自行车曲柄长度和曲柄相位导致的骑车人姿态在碰撞事故中的影响。本文基于一个真实的自行车与乘用车碰撞的交通事故案例，在多刚体动力学软件MADYMO中建立自行车-汽车碰撞仿真试验模型，分析自行车曲柄长度和相位对骑车人股骨损伤的影响。

1 模型建立及验证

1.1 事故案例描述

选取1例典型汽车-自行车碰撞事故，如图1所示，一名56岁男性驾驶自行车闯红灯经过十字路口，其右侧与右方行驶来的乘用车发生碰撞，导致车辆损坏和骑车人受伤。事发时路面是干燥的沥青路面，汽车在碰撞前采取制动措施，而自行车未减速。

1.2 模型建立与验证

建立该事故的车辆和自行车碰撞的MADYMO模型如图2所示。

人-车-自行车-地面的摩擦系数参考胡林[6]的研究；车辆各接触部位根据 Martinez[8]和Rooij[9]等的试验所得数据赋予力学特性。建立自行车的多刚体几何模型，根据事故骑车人的参数，缩放经验证过的CPM模型，并将其调整到骑行姿态[10]。表1-表3展示了该事故中乘用车、自行车和骑车人的相关参数。

以事故视频为参考对事故进行重建。重建后得到的车辆速度为41.6km/h，自行车车速为16km/h，碰撞后的自行车和骑车人抛距对比如表4。碰撞中的运动学对比如图3所示。对比图表可知，重建仿真的骑车人和车辆运动学过程与真实事故中的运动过程具有良好的一致性。

骑车人的伤情报告显示，以简明损伤定级对头部最大损伤程度评估为AIS 3级。仿真结果显示头部HIC15值为1072.4。重建仿真的骑车人头部损伤与真实伤情吻合。

该仿真重建在运动学和人员伤情对比中均表现出与真实事故的一致性，可以认为该仿真试验模型有效。

2 碰撞仿真试验

通过设置不同的车速、不同的自行车曲柄长度和曲柄相位，进行仿真模拟，以骑车人股骨弯矩为观测值探究其姿态对股骨损伤的影响。本研究消除了骑车人与地面的碰撞对结果造成影响。

2.1 参数设置

根据自行车行业标准QB/T1885-93《自行车 链轮和曲柄》中规定的自行车曲柄长度规格（表5）建立不同长度曲柄的自行车模型。本研究中汽车车速选取为10km/h、20km/h、30km/h、40km/h，自行车车速为10km/h。

本研究借鉴储开晴[11]对自行车运动的踏蹬动作区间分割法方法，将踏蹬动作分为相位0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°，如图5所示。

建立的试验仿真矩阵如表6所示。

2.2 损伤评价指标

本文对骑车人股骨损伤进行探究，选取评价指标为股骨弯矩，股骨骨折的弯矩约为320 Nm[12]。

3 结果分析与讨论

3.1 汽车碰撞速度的影响

在探究汽车碰撞速度对骑车人股骨损伤的影响的时候，取各汽车速度下的仿真试验结果的平均值作为观测，即不考虑曲柄长度和相位。

图5为股骨弯矩-车速变化趋势图，可以看出，随着车辆速度的增加，骑车人碰撞侧和非碰撞侧的股骨弯矩均增大，速度对碰撞侧的影响显著程度高于非碰撞侧；碰撞侧的股骨损伤严重程度高于非碰撞侧；在车速为约26km/h时碰撞侧股骨达到骨折容限，车速约为32km/h时非碰撞侧股骨达到骨折容限。

产生这些现象的原因是碰撞侧的股骨受到来自车辆前部的直接碰撞冲击载荷和自行车惯性限制下肢运动的综合作用，而非碰撞侧则只受到碰撞侧下肢的冲击，如图6所示。

3.2 自行车曲柄长度的影响

在探究自行车曲柄长度对骑车人股骨损伤的影响的时候，取仿真试验结果的平均值作为观测，即不考虑曲柄相位。

图7、图8为股骨弯矩-曲柄长度变化趋势图。由图可知，随着曲柄长度的增加，两侧的股骨弯矩均呈现上升趋势，原因推测是曲柄越长，碰撞点以下的下肢质量就越大，改变其运动状态所需弯矩越大。

3.3 自行车曲柄相位的影响

在探究自行车曲柄相位对骑车人股骨损伤的影响的时候，取仿真试验结果的平均值作为观测，即不考虑曲柄长度。

图9、图10为股骨弯矩-曲柄相位变化趋势图。由图可知，碰撞侧股骨弯矩在135°-225°相位阶段明显高于其他相位，原因是在此相位阶段之前，碰撞侧股骨逐渐伸展，在此相位阶段之后碰撞侧下肢逐渐卷曲；非碰撞侧股骨弯矩在315°-45°相位阶段明显高于其他相位，原因是在此相位阶段之前，碰撞侧股骨逐渐伸展，在此相位阶段之后碰撞侧下肢逐渐卷曲。

4 结论

在自行车侧面与汽车正面的碰撞的模拟中，车辆速度越大，骑车人股骨损伤越严重。曲柄长度和相位通过影响骑行人姿态影响股骨损伤严重程度，基本规律是骑车人在越长的曲柄、下肢越伸展的相位时，股骨损伤越严重。

本研究可以为自行车骑车人受到碰撞时提供骑行应急姿态指导，也可以为未来基于真实车辆和假人的自行车骑车人碰撞试验的骑车人姿态提供参考。

参考文献：

[1]叶昊鸣.中国自行车社会保有量超2亿辆[N].人民日报海外版，2023-9-18（3）.

[2]公安部交通管理局.2020年道路交通事故统计年报[R].2020.

[3]邹铁方，吴良伟，胡林，等.自行车座高对骑车人脊背前倾角和头部损伤的影响[J].汽车安rcVvmmWvSB9qj6VZnjPMCw==全与节能学报，2022，13（1）：95-103.

[4]吴良伟，邹铁方，刘阳阳，等.基于视频的自行车事故特征及控制人致伤因素观察[J].汽车工程学报，2021，011（006）：393-403，412.

[5]邹铁方，易亮，肖璟，等.基于事故再现的骑车人与行人各部位损伤的对比研究[J].汽车工程，2018，40（3）：272-276.

[6]胡林，程启寅，黄晶，等.自行车座椅高度对事故中骑车人动力学响应的影响[J].机械工程学报， 2018， 54（21）：81-89.

[7]聂进，杨济匡.基于汽车-自行车碰撞事故重建的骑车人动力学响应和损伤研究[J].汽车工程，2015，37（2）：160-167.

[8]Martinez L，Guerra L J，Ferichola G ，et al. Stiffness Corridors of the European Fleet for Pedestrian Simulations[J].2007.

[9]Rooij L V，Bhalla K，Meissner M，et al.Pedestrian crash reconstruction using multi-body modeling with geometrically detailed，validated vehicle models and advanced pedestrian injury criteria[J].2003.

[10]Yang J K，Lvsund P，Cavallero C，et al.A human-body 3D mathematical model for simulation of car-pedestrian impacts[J].Journal of Crash Prevention & Injury Control，2000，2（2）：131-149.

[11]储开晴.自行车运动踏蹬动作浅析[J].南京体育学院学报：社会科学版，1995（3）：41-46.

[12]Kress T A， Snider J N，Porta D J，et al.Human femur response to impact loading[C]//Proceedings of the International Research Council on the Biomechanics of Injury conference. International Research Council on Biomechanics of Injury，1993，21：93-104.