基于事故再现的行人头部碰撞研究.pdf

2 0 1 6 年( 第3 8 卷) 第8 期 汽车工程 A u t o m o t iv eE n 舀n e e r in g 基于事故再现的行人头部碰撞研究术 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3 0 0 3 0 0 ) 2 0 1 6 1 5 1 摘要基于中国道路交通事故深入研究( C I D A S ) 数据和人体模型T H u M s 的事故仿真，研究了行人与普通 轿车、s u V 和M P V3 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w A D 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。 关键词：行人保护；头部碰撞；事故再现 A S t u d yo nt h eP e d e s t r ia nH e a dI m p a c tB a s e do nA c c id e n tR e c o n s t m c t io n Z e n gB iq ia n g ，G a oJ id o n g & P e n gW e i A 咖肿t 沁E n g i，聊 增脑阳砌胁m 眦旷吼iMA 以o m 优沁死如加如茸y 胍m n 曲舵r ，彬n 3 0 0 3 0 0 【A b s t r a c tJ T h es it u a t io na n dr e s p o n s ef e a t u r e so ft h eim p a c tb e t w e e nh u m a nh e a da n dV e h ic leb o d ylnt h e c 0 1 lis io np m c e s sb e t w e e np e d e s t r ia na n dt h r e et y p ic a lv e h ic lem o d e ls ( n o 珊a lc a r ，S U Va n dM P V )a r es t u d ie d b a s e do nt h ed a t ao fC I D A S ( C h in aI n d 印t hA c c id e n tS t u d y )a n dt h ea c c id e n ts im u la t j o n sw it hh u m a nm o d e l T H U M S T h er e s u lt ss h o wt h a tt h ep o s it io n ，r e la t iv ea n 9 1 ea n ds p e e do fim p a c ta n din j u r ys e v e r it ya Uc lo s e lyr e la t e d t ov e h ic lem o d e lT h ew r a pa r o u n dd is t a n c eo ft h eh it t in gp o in to fh u m a nh e a da g a in s tV e h ic leb o d yo fn o 瑚a lc a ris la 唱e rt h a nt h a to fS U V a n dM P v ，t h eim p a c ta n g leb e t w e e nh u m a nh e a da n dV e h ic leb o d yo fn o m a lc a risa ls ola r g e rt h a nt h a to fS U Va n dM P V ，w h ilet h er e la t iv eim p a c ts p e e db e t w e e nh u m a nh e a da n dV e h ic leb o d yo fn o 珊a l c a r islo w e rt h a nt h a to fS U Va n dM P V T h eo u t c o m e so fs t u d yp m v id eI f e r e n c e sf o rt h en e wV e h ic led e s ig na n dr e g u la t io nf - o 瑚u la t io ninp e d e s t a n p r o t e c t io n K e y w o r d s ：p e d 馏t r ia np r o t e c t io n ；h 蚴dim p a c t ；舭c id e n tr e c O 璐t m c t io n 日lJ 舌 2 0 0 4 2 0 1 0 年我国行人交通事故中导致4 6 万 人受伤，1 6 万人死亡，占总交通事故总死亡人数 2 5 以上 。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、死亡的主要原因旧J 。根据 文献 3 一文献 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 受的损伤差别较太。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“ 8J ，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M a d y m o 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M a d y m o 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。 T H u M s 全生态假人是日本丰田公司根据真实 国家8 6 3 计划( 2 0 1 1 A A llA 2 8 6 ) 资助。 原稿收到日期为2 0 1 5 年5 月2 2 日，修改稿收到日期为2 0 1 5 年9 月1 日。 汽车工程2 0 1 6 年( 第3 8 卷) 第8 期 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 。本文中采用普 通轿车( A ) 、s u V 、M P V 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C I D A S 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j 1 仿真模型可靠性分析 在中国交通事故深度研究项目( C D A I S ) 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： 图l某行人碰撞事故照片 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3 5 k n h 。事故碰撞类 型为轿车正前方与身高约17 0 0 m m 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T H u M S 假人( 身高 l 7 8 0 m m ) 和类似轿车有限元模型进行了C A E 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( w A D ) 值为2o o o m m 的位 置，与事故车行人头部碰撞点位置( w A D 值约 19 3 0 m m ) 较为接近。 从仿真结果中还可得到T H u M S 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 1 0 5 k P a ，由图4 可知，颅内最大压力为1 5 8 k P a 。根 据文献 1 1 和文献 1 2 中的研究结果判定，行人头 图4 脑部压力云图 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T H u M S 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( c D A I s ) 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1 0 ，2 0 ，3 0 ，4 0 ，5 0 ，6 0 ， 7 0 ，8 0 ，9 0 和1 0 0 k m h 5 k m 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 曾必强，等：基于事故再现的行人头部碰撞研究9 6 3 2 04 0 6 08 01 0 01 2 碰撞速度 k m h 。) 封5 行人事故碰撞速度累计F i分比分布 2 )4 6 f )8 【llL l【) 碰撞速度( k m h 。1 ) 图6 不同碰撞速度事故占比 速度约为4 8 k n h ，累计概率约占总体事故的5 0 的 碰撞速度为4 6 k n h 。 由图6 可见，碰撞速度为4 0 5 k m h 范围内发 生的事故概率最高，速度在7 5 k n h 以上的事故概 率较低。通过文献 1 3 和文献 1 4 中的研究成果 表明，1 5 k m h 以下碰撞速度行人所受伤害均为轻 伤，所以选取1 5 7 5 k m h 范围内碰撞行人交通事 故为本文的研究范围。 根据文献 1 5 中的研究表明，7 2 的行人事故 发生在行人横穿直行马路，6 3 的行人事故车辆碰 撞行人侧面( 3 3 车辆碰撞行人左侧；3 0 车辆碰撞 行人右侧) 。本文中选取最有代表性的人一车正面碰 撞工况，建立普通轿车( A ) 、S u V 和M P V3 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。 a ) 行人与普通轿车碰撞示意图( b ) 行人与s u V 碰撞示意图( c ) 行人j M P V 碰撞示意图 图7T H u M S 假人与典型车型碰撞示意图 攀蠢 图83 种典型车型不同速度时行人头部碰撞位置示意图 由图8 可见，在这几种工况中普通轿车与行人 头部除2 0 k - n h 工况的碰撞位置位于发动机罩后沿 线外，其他几种工况均位于风窗玻璃处。S U V 轿车 碰撞速度为6 0 和7 0 k H h 时，行人头部的碰撞位置 位于发动机罩后面的风窗位置；碰撞速度为2 0 5 0 k - n h 时，行人头部的碰撞位置位于发动机罩后 方。M P V 车型在这几种工况中与行人头部的碰撞 位置均位于风窗玻璃。从这3 种典型车型仿真结果 可见，随着碰撞速度的提高，行人头部碰撞点逐步向 车辆后方移动。 仿真结果头部碰撞点( w A D 值) 位置如图9 所示。 如图9 所示，T H u M S 假人穿鞋后高度约为 18 0 0 m m ，碰撞速度较低时由于T H u M S 假人颈部绕 肩部的转动，导致了头部碰撞点W A D 值小于 18 0 0 m m 。当碰撞速度较高时由于头部与车辆接触 9 6 4 汽车工程2 0 1 6 年( 第3 8 卷) 第8 期 j L )j 1 速度( k m h 1 ) 图9 不同车型头部碰撞点位置( w A D 值) 前T H u M s 假人被整体抛起，假人相对车辆向后滑 动，所以头部碰撞点w A D 值大于18 0 0 m m 。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。s u V 和M P V 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5 0 k m h 时普通 轿车头部碰撞点w A D 值已经超过目前行人保护法 规规定的w A D 最大值21 0 0 m m 。 由图9 还可见，s u V 和M P V 车型不同碰撞速度 下碰撞点w A D 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w A D 曲线。将s u V 和M P V 两车型碰 撞点w A D 变化曲线合并取平均值，得到新碰撞点 w A D 变化曲线，其与普通轿车碰撞点w A D 变化曲 线对比如图1 0 所示。 j j ( 速度( k m h “) 图1 0 两类车型头部碰撞点位置( w A D 值) 分别取普通轿车和大型乘用车( s u V 和M P V ) 与行人碰撞速度i= 2 0 ，3 0 ，4 0 ，5 0 ，6 0 和7 0 k I n h 。将 i值5 k n h 范围内发生的行人碰撞事故比例只与 该速度仿真得到碰撞点位置( w A D 值) 进行加权平 均，最后除以T H u M S 假人身高，可得事故中碰撞点 位置( w A D 值) 与行人身高的比值。 ”；志等扎 删旷军志等“以 ( 2 ) 式中：黝D 认和形4 D 删v 。，。为普通轿车和S u V & M P V 仿真的碰撞速度为i时碰撞点的W A D 值，8 1 1 6 为1 5 7 5 k m h 速度范围内发生事故占c D A I s 所统 计总事故中的比例。 因此，根据行人交通事故统计结果，18 0 0 m m 身 高的行人与普通轿车碰撞时，其头部碰撞点位于 w A D 值为1 8 0 0 1 1 5 1 2 0 7 0 m m 位置附近的概率 最大，同理该行人与s U V 和M P V 车型碰撞时其头 部碰撞点位于W A D 值为1 8 0 0 1 0 2 4 1 8 4 0 m m 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 秽= 厢( 3 ) 而头部碰撞相对速度则为 口= ( 口。一“) 2 + 秽； 2( 4 ) 式中：叱为头部水平方向的速度；为头部竖直方向 的速度；秽为头部绝对速度；为碰撞时刻轿车行驶 速度；秽为头部碰撞相对速度。 头部碰撞角度口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 卢= a r c t a n 吐秽。( 5 ) 头部碰撞角度口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 卢7 = 卢硒( 6 ) 式中6 为碰撞表面与水平线的夹角。 图1 l为接触时刻头部碰撞角度。 瓣鬻舅b 图ll 接触时刻头部碰撞角度 通过行人与普通轿车、s u V 、M P V3 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，卢和卢变化规律如图1 2 所示。 孙鲫加 2 2 2 2 2 1 1 1 1 EE跹一n爿。、 加如m帅蛐鲫砷 2 2 2 2 2 1 1 1 EE芒(【、一、 曾必强，等：基于事故再现的行人头部碰撞研究 9 6 5 型 旺 型 爱 03 05 0 速度( k m h 图1 2 头部碰撞角度变化曲线 图1 2 中普通轿车( A ) 头部相对于碰撞面的碰 撞角度口7 曲线从碰撞速度4 0 5 0 k n 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7 2 。) ，则该 曲线的突变位置将会消失。 图1 2 中S U V 车型头部相对于碰撞面的碰撞角 度口7 曲线从碰撞速度5 0 6 0 k m 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1 2 可见，行人与3 种车型碰撞中卢值差别 较大，而行人与3 种车型碰撞中卢值的差别则较小。 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。 分别取普通轿车( A ) 和大型乘用车( s u V 和 M P V ) 与行人碰撞速度江2 0 ，3 0 ，4 0 ，5 0 ，6 0 和 7 0 k - n h 。将i值5 k m h 范围内发生的行人碰撞事 故比例只与该速度仿真得到的头部碰撞角度p7 ；进 行加权平均，可得该车型行人碰撞事故中碰撞点权 重最大的碰撞角度。 ，一 P J B 一2 ；i蒜如= 7 7 9 8 。 ( 7 ) 一；点学堋卿 ( 8 ) 式中：届认，卢删。和卢7 舢v 为普通轿车、s u V & M P V 仿 真得到的行人碰撞速度为i时头部相对碰撞面的夹 角；8 1 1 6 为1 5 7 5 k n h 速度范围内发生事故占 C D A I S 所统计总事故中的比例。 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7 8 。左右的权重最 大。由式( 8 ) 可知，行人与s u V 和M P V 大型乘用车 碰撞时行人头部相对碰撞面的碰撞角度为4 8 。左右 的权重最大。 通过行人与普通轿车、S U V 、M P V3 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“ 7 随行人一车 辆碰撞速度的变化规律如图1 3 所示。 图1 3 头部相对碰撞速度与碰撞车速的关联曲线 由图1 3 可见，头部与车辆的相对碰撞速度要低 于碰撞车速；s u V 和M P V 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s u V 和 M P V 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。 分别取普通轿车( A ) 和大型乘用车( s u V 和 M P V ) 与行人碰撞速度江2 0 ，3 0 ，4 0 ，5 0 ，6 0 和 7 0 k r n h 。将i值5 k m h 范围内发生的行人碰撞事 故比例P ，与该速度仿真得到头部相对碰撞速度移。 进行加权平均，可得该车型行人碰撞事故中碰撞点 权重最大的头部相对碰撞速度。 P ”；丽赢州户2 3 1 2 ( k h ) ( 9 ) 。 ：y 一竺生竺。3 1 0 9 ( k m h ) 2 车瓦而i i一2 M 删( k 叫h ( 1 0 ) 式中：“ 7 。，口。和”M P 、为普通轿车、s u V 和M P V 仿 真得到的行人碰撞速度为i时头部相对碰撞速度； 8 1 1 6 为1 5 7 5 k r n h 速度范围内发生事故占 鲫加如如如m 0 9 6 6 汽车工程2 叭6 年( 第3 8 卷) 第8 期 C D A I S 所统计总事故中的比例。 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2 3 k m h 左右的权重 最大。由式( 1 0 ) 可知，行人与S u V 和M P V 车型碰 撞时，行人头部相对碰撞速度为3 1 k r n h 左右的权 重最大。由此可见在相同工况下行人头部与S u V 和M P V 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T H u M S 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T H u M s 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c D A I s 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 w A D 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 1 5 倍行人身高的w A D 值是该行人头部碰撞 事故最为集中的位置。同理计算得到s u V 和M P V 车型行人身高的w A D 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7 8 。，远大于行人头部与s u V 和 M P V 车型碰撞表面4 8 。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2 3 k h 的概率最大。而行人与s u V 和M P V 车型碰撞时头部相对速度约为3 1 k m 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。 参考文献 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 ( 2 0 1 1 年度) G 无锡，2 0 1 2 ， 2 M I z u N 0K ，K A J z E RJ H e a din j u r ie sinv e h ic le p e d e s t r ia nim - p a c t c s A EP a p e r2 0 0 0 0 1 一0 1 5 7 3 R 0 u D s A R IBs ，M 0 c KcN ，K A u F M A NR ，e ta 1 P e d e s t r ia n c m s h e s ：h ig h e rin j u r ys e v e r it ya n dm o r t a lit yr a t ef o rl远h tt m c kv e h ic le sc o m p a r e dw it hp a s s e n g e rv e h ic le s J I n j u r yP r e v e n t io n ， 2 0 0 4 ，1 0 ( 3 ) ：1 5 4 1 5 8 4 B A L L E s T E R 0 sMF ，D I s c H I N G E RPC ，L A N G E N B E R GP ，P e d e s t r ia J lin j u r ie sa n dv e h ic let y p einm a r y la n d ，1 9 9 5 1 9 9 9 J A c c id A n a lP r e v ，2 0 0 4 ，3 6 ( 1 ) ：7 3 8 1 5 M I z u N 0K ，K A J z E RJ c o m p a t b ilit yp r o b le m sinf 而n t a l，s id e ， s i“9 1 ec a rc o llis io n sa n dc a r t o p e d e s I r ia n a c c id e n t sinJ a p a n J A c c id A n a lP r e v ，1 9 9 9 ，3 1 ( 4 ) ：3 8 1 3 9 1 6 L E F L E RDE ，G A B L E RHc T h ef a t a lit ya n din j u r yr is k o flig h t m c kim p a c t sw it hp e d e s t a J lsint h eu n it e ds t a t e s J A c c id e n t A n a ly s isa n dP r e v e n t io n ，2 0 0 4 ，3 6 ( 2 ) ：2 9 5 3 0 4 7 李凡，杨济匡基于车辆一行人碰撞颅脑伤防护的参数研究 J 中国机械工程，2 0 0 7 ，1 8 ( 9 ) ：1 1 2 5 一1 1 3 0 8 Y A N GJ E f f e c t so fv e h ic lef r o n td e s ig np a m m e t e r so ”p e d e s t r ia n h e a d - b r a inin j u r yp m t e c t io n c P r o c e e d in g so ft h e18 t hI n t e m a t io n a lc o n f e r e n c eo nt h eE n h a n c e ds a f e t yo fV e h ic le s ( E S V ) ，N a g o y a ，J a p a n ，2 0 0 3 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，2 0 1 4 ，3 6 ( 1 2 ) ：1 4 7 3 1 4 8 2 1 0 T O Y o T AM o t o rc o r p o r a t io n ，T h ed o c u m e n t a t io no ft o t a lh u m a n f o rm o d e l s 如t y M J 印a n ： s n ，2 0 1 1