（载运工具运用工程专业论文）汽车自行车碰撞事故再现及骑车人损伤分析.pdf

重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名： 繇趴比 日期：，年rz 月日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时 授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ， 同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：拓认以 日期：y p 年，2 ，月6 日 指导狮签名琊敦哆 日期：沙办年f l l 月日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：笏沈沮 日期：们p 年仁月日 指导教师签名2 衫篆岁。刃 日期：沙少年二月 摘要 长期以来，机动车与非机动车混合行驶是我国众多城市交通的一大特点，汽 车与自行车碰撞事故也是我国城市道路交通事故的主要形式之一。因此，此类事 故已经成为相关研究人员日益关注的问题。目前，通过计算机仿真技术进行事故 再现，以其成本低、准确性高、客观性强和内容丰富的优点，已经成为事故研究 分析的辅助手段之一。事故发生的整个过程在计算机上被准确地仿真重现，解决 了快速处理事故中遇到的疑难问题，为事故鉴定、汽车安全设计和损伤生物力学 研究等提供客观的科学依据。 本文以通过计算机仿真研究汽车与自行车碰撞事故再现的方法为目的，分析 了目前国内外汽车与自行车碰撞事故的研究现状，总结我国此类交通事故的实际 特点及其影响因素。然后，运用p c c r a s h 事故再现软件建立一起真实的汽车与自 行车碰撞事故模型，开展研究。 根据事故信息，建立了事故小轿车与自行车及骑车人碰撞的三维仿真模型， 同时本文从多个角度重现了碰撞事故发生的整个过程，分析了仿真模型参数对仿 真结果的影响，找出了对模拟结果影响较大的关键参数。并利用真实轿车与自行 车碰撞事故的现场数据初步验证了本仿真模型仿真方法的可行性。然后以多刚体 动力学和生物力学为基础，研究了碰撞中骑车人的动力学响应和伤害情况。仿真 再现结果与实际事故中骑车人损伤情况的较好吻合，迸一步验证了本仿真方法可 再现自行车与汽车碰撞事故的可行性，同时论证了使用p c - c r a s h 再现汽车与自行 车碰撞事故模型的可靠性和研究方法的实用性。 考虑到汽车与自行车碰撞事故发生的复杂性，本文借助以上的计算机仿真模 型，同时研究了不同碰撞速度、不同的接触位置、不同的汽车类型和不同的汽车 前部结构等参数变化对碰撞结果的影响进行仿真比较，全面地分析了自行车骑车 人的碰撞运动和损伤特点，探索了其相关技术参数的变化规律。结果表明，车速 是影响骑车人伤害严重程度的关键因素。骑车人头部的动力学响应参数，包括线 加速度、角速度、角加速度等对车速都非常敏感。随着车速增大，骑车人头部碰 撞速度、加速度峰值均呈明显上升趋势。仿真结果显示，当车速大于4 0 k m h 时， 骑车人头部的h i c 值已经超过安全值的范围。另外，车辆前部车体构造与骑车人 的安全也有很大关系。在车辆设计时，应该要考虑到这些因素对骑车人损伤安全 的影响。 本文 基础，为 供一定的 关键词： a b s t r a c t o v e rt h ey e a r s ，t h em a j o rc h a r a c t e r i s t i co fo u ru r b a nt r a f f i ci st h em i x e dd r i v i n g b e t w e e nv e h i c l ea n dt h en o n - m o t o rv e h i c l e t h ev e h i c l e b i c y c l ec o l l i s i o na c c i d e n t sa r e a l s oo n eo ft h em a i nf o r m sf o rt r a f f i ca c c i d e n t so nu r b a nr o a d t h e r e f o r e ，s u c hr e s e a r c h h a sb e e nag r o w i n gc o n c e r n c u r r e n t l y , r e p r o d u c i n gt h ea c c i d e n tb y c o m p u t e r s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e so fl o wc o s t ，h i g l la c c u r a c y , o b j e c t i v i t y , a n da b u n d a n tc o n t e n t ，h a sb e c o m eo n eo fp r i m a r ym e a n so fr e s e a r c hi na c c i d e n t r e p r o d u c t i o n t h ew h o l ep r o c e s so fa na c c i d e n ti sa c c u r a t e l yr e p r o d u c e db y ac o m p u t e r , w h i c hc a ns o l v es o m ed i f f i c u l tp r o b l e m si nq u i c k l yd e a l i n gw i t ht h ea c c i d e n t ，a n d p r o v i d ea l lo b j e c t i v es c i e n t i f i cb a s i sf o rv e h i c l es a f e t yd e s i g n ，a c c i d e n ti d e n t i f i c a t i o n ， i n j u r yb i o m e c h a n i c sr e s e a r c ha n d s oo n t h i sa r c t i c l ea i m st or e s e a r c ht h em e t h o do fr e p r o d u c i n gt h ev e h i c l e b i c y c l e c o l l i s i o na c c i d e n t st h r o u g hc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，t h ec u r r e n ts i t u a t i o nh o m ea n da b r o a d h a sb e e na n a l y s e d ，t h ea c t u a lc h a r a c t e r i s t i c sa n di n f l u e n c ef a c t o ro fs u c ha c c i d e n t sa r e c o n c l u d e d t h e n ，m o d e l sb a s e do nar e a la c c i d e n ta r eb u i l tb yu s i n gp c - c r a s hs o f t w a r e a n ds u c hr e s e a r c hc a nb ec o n d u c t e d a c c o r d i n gt ot h ea c c i d e n ti n f o r m a t i o n ，t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o nm o d e l so f t h e c o l l i s i o na r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h e c o l l i s i o np r o c e s si sr e a p p e r e df r o mv a r i o u sa n g l e s t h e n ，t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h ep a r a m e t e r sw h i c ha f f e c t e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sg r e a t l y a n di d e n t i f i e dt h ek e yp a r a m e t e r sa sw e l l b e s i d e s ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h em o d e l sb u i l t a b o v ei sp r o v e db yt h et h er e a la c c i d e n td a t a f u r t h e r m o r e ，r e s e a r c h e so nt h ed y n a m i c s r e s p o n s et ot h er i d e ra n dh i si n j u r yb a s e do nm u l t i - b o d yd y n a m i c sa n db i o m e c h a n i c sa r e c o n d u c t e d f i n a l l y , t h eg o o dm a t c h e so ft h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ea c t u a ld a m a g ei n t h ea c c i d e n tf u r t h e rv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h er e p r o d u c t i o nm e a n s i nv i e w o ft h ec o m p l e x i t yo ft h ev e h i c l e b i c y c l ec o l l i s i o na c c i d e n t ，晰t l lt h eh e l po f t h ea b o v ec o m p u t e rs i m u l a t i o nm o d e l s ，t h i sa r t i c l er e s e a r c h e sav a r i e t yo ff a c t o r s i n f l u e n c i n gt h ec o l l i s i o nr e s u l t s ，a n dp a r a m e t e r s ( d i f f e r e n tc o l l i s i o ns p e e d s ，c o n t a c t p o s i t i o n s ，t y p e so fa u t o m o b i l e ，f r o n ts t r u c t u r e sa n ds oo n ) a r em a d ec o m p a r i s o n t h i s a r t i c l ea l s oa n a l y s e st h er i d e r sc o l l i s i o np r o c e s sa n di n j u r yc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ec h a n g i n g l a w so fr e l a t e dt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa r ef o u n d t h ea n a l y s i so fp a r a m e t e r ss h o w st h a t t h es p e e di st h ek e yf a c t o ri n f l u e n c i n gt h es e v e r i t yo fi n j u r y a st h ev e h i c l es p e e di s i n c r e a s i n g t h ec o l l i s i o ns p e e do fc y c l i s t sh e a d ，a n dp e a ko f i t sa c c e l e r a t i o nb o t hs h o w s ar i s i n g 仃e 1 1 d s i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o w st h a tw h e nt h es p e e di sm o r et h a n4 0 k m h , t h eh i co fr i d e r sh e a db e y o n dt h er a n g eo fs e c u r i t y i na d d i t i o n ，t h ef r o n ts t r u c t u r e so f v e h i c l ea l s op l a yag r e a tp a r ti nt h ec y c l i s t ss a f e t y t h e s ef a c t o r ss h o u l dh ec o n s i d e r e d w h e nv e h i c l e sa r ed e s i g n e d t h i sa r t i c l ep r o v i d e sar e f e r e n c ef o rr e s e a r c h i n gm e a n so fv e h i c l e - b i c y c l ec o l l i s i o n a c c i d e n tr e p r o d u c t i o na n dab a s i sf o rl a y i n gd o w nr o a ds a f e t yr e g u l a t i o n sf o rv u l n e r a b l e g r o u p s i ta l s oh a ss o m er e f e r e n c i n gv a l u ef o r t h et r a f f i ci n j u r ym e c h a n i s m k e yw o r d s ：v e h i c l e ；b i c y c l e ；t r a f f i ca c c i d e n t ；r e p r o d u c t i o na n a l y s i s ；p c - c r a s h 目录 第一章绪论“l 1 1 研究背景一1 1 2 国内外研究现状一3 1 2 1 国外研究现状3 1 2 2 国内研究现状9 1 3 论文研究的意义和目的1 1 1 4 论文研究内容l2 1 5 本章小结l3 第二章自行车交通事故分析1 4 2 1 我国自行车交通存在的必然性1 4 2 2 自行车交通的优缺点1 4 2 3 汽车自行车碰撞事故原因及骑车人心理特征分析- 1 6 2 3 1 事故原因分析1 6 2 3 2 骑车人的心理特征l8 2 4 汽车自行车碰撞事故类型一19 2 5 汽车自行车碰撞运动学特性分析2 1 2 6 骑车人损伤机理与评价指标”2 7 2 6 1 骑车人损伤机理2 7 2 6 2 头部损伤机理与评价指标2 8 2 6 3 胸部损伤机理与评价指标3 2 2 6 4 下肢损伤机理与评价指标3 3 2 7 骑车人伤害防护分析3 4 2 8 本章小结3 6 第三章汽车自行车碰撞事故再现理论基础3 7 3 1 汽车自行车碰撞事故再现的内容3 7 3 1 1 汽车自行车碰撞事故再现的难点3 7 3 1 2 汽车自行车碰撞事故再现的方法3 9 3 2 事故再现软件建模方法介绍”4 0 3 2 1p c c r a s h 仿真分析软件简介4 2 3 2 2 坐标系4 2 3 2 3 汽车的运动方程4 5 3 2 4 运动方程的求解4 6 3 2 5 关节的定义5 0 3 2 6 碰撞模型51 3 2 7 接触形式”5 2 3 3 本章小结5 4 第四章汽车自行车碰撞事故再现计算机仿真方法研究0 0 0 0 0 0 0 0 q 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 05 5 4 1 汽车自行车碰撞事故案例信息”5 7 4 2 汽车自行车碰撞事故仿真模型建立一5 8 4 2 1 汽车模型5 8 4 2 2 骑车人模型5 9 4 2 3 自行车模型6 0 4 2 4 仿真参数分析与设定”6 1 4 3 汽车自行车碰撞事故仿真结果分析6 2 4 4 骑车人损伤分析6 7 4 5 本章小结6 8 第五章汽车一自行车碰撞事故参数与骑车人损伤分析6 9 5 1 汽车自行车碰撞模型一6 9 5 1 1 骑车人自行车模型6 9 5 1 2 汽车模型的选择7 0 5 2 汽车自行车碰撞参数与骑车人损伤分析7 1 5 2 1 汽车速度与骑车人损伤分析7 1 5 2 2 自行车速度与骑车人损伤分析7 7 5 2 3 自行车与汽车接触位置与骑车人损伤分析7 8 5 2 4 汽车前部结构参数与骑车人损伤分析7 9 5 3 本章小结”8 4 第六章结论与展望一8 5 6 1 结论一8 5 6 2 不足与展望”8 7 致 参考 在学 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 汽车的发明与使用，使人类的生活方式和生产方式发生了巨大的变化，进而 影响到社会的变革，所以人们称汽车为“改造世界的机器 。当今社会，汽车是最 常用、最普通、最方便的出行工具，但是汽车在给人类以舒适和便捷等正面效应 的同时，也给人类生活带来一些负面效应，交通事故就是其中最严重、危害最大 的负面效应之一。据估计全世界每年约有1 2 0 万人死于汽车交通事故伤害，地球 上平均每1 5 秒就有1 人死于道路交通事故，受伤者多达5 0 0 0 万人1 1 1 。自从有机动 车道路交通事故死亡记录以来，全世界死于道路交通事故的人数己超过3 2 0 0 万， 也就是说，百年来累计死于汽车轮下的人数已超过两次世界大战中的浩劫数。因 此，道路交通事故已成为“现代社会的公害 。以美国高速公路安全管理局( n h t s a ) 统计数据【1 l 为例，仅2 0 0 8 年，在美国大约有5 2 8 0 人死于道路交通事故，其中，行 人4 3 7 8 人，骑自行车人7 1 6 人。如表1 1 所示： 表1 119 9 8 - 2 0 0 8 年美国道路交通事故伤亡数 t a b l 11 9 9 8 2 0 0 8t h en u m b e ro f u s c a s u a l t i e si nr o a dt r a f f i ca c c i d e n t s 自行车骑车人行人伤亡数其它人员 年份 总数( 人) 伤亡数( 人) ( 人)伤亡数( 人) 1 9 9 87 6 0 5 2 2 81 3 16 1 1 9 1 9 9 97 5 44 9 3 91 4 9 5 8 4 2 2 0 0 0 6 9 34 7 6 31 4 15 5 9 7 2 0 0 17 3 24 9 0 11 2 35 7 5 6 2 0 0 26 6 5 4 8 5 11 1 45 6 3 0 2 0 0 36 2 94 7 7 41 4 0 5 5 4 3 2 0 0 47 2 7 4 6 7 51 3 05 5 3 2 2 0 0 57 8 64 8 9 21 8 6 5 8 6 4 2 0 0 67 7 2 4 7 9 51 8 55 7 5 2 2 0 0 77 0 1 4 6 9 91 5 85 5 5 8 2 0 0 8 7 1 64 3 7 81 8 85 2 8 2 研究表明，在2 0 0 0 2 0 2 0 年期间，汽车交通事故死亡人数在高收入国家将下 降3 0 左右，而在中等收入和低收入国家则会大幅度增加。如果不采取适当措施， 到2 0 2 0 年汽车交通事故伤害预计将成为导致全球疾病与伤害的原因中的第三位。 因此，人们把交通事故称之为“无休止的战争 ，把导致交通事故的汽车称之为“行 2 第一章绪论 驶的棺材 。表1 2 1 2 l 可以看出，汽车交通事故已经严重威胁到人们的生命安全，成 为了人类生存面临的一个不容忽视的安全问题。 表1 21 9 9 0 年与2 0 2 0 年全球疾病负担前十大原因的排序 t a b l 21 9 9 0a n d2 0 2 0t h es e q u e n c eo f t o pt e nr e a s o n sf o rg l o b a ld i s e a s e 序次1 9 9 0 年疾病或伤害序次2 0 2 0 年疾病或伤害 1 下呼吸道感染 1 缺血性心脏病 2腹泻病 2 抑郁症 3围产期疾病 3 汽车交通事故伤害 4 抑郁症 4 脑血管疾病 5 缺血性心脏病 5 慢性阻塞性肺病 6脑血管疾病6下呼吸道感染 7 结核病 7 结核病 8麻疹8战争 9汽车交通事故伤害9腹泻病 1 0 先天性畸形 1 0 艾滋病病毒感染 面对复杂多样的汽车交通碰撞事故，世界各国正积极开展不同类型事故的调 查和研究工作。除了目前世界各国正在大力开展的行人安全性研究外，汽车与自 行车碰撞事故的研究正逐渐成为学者们积极关注的新颖课题。 随着我国经济飞速发展，各种类型交通工具也迅速增加。目前，我国拥有自 行车近8 亿辆，而且每年仍在以1 0 以上的速度递增【2 】，这使我国已成为名副其实 的自行车大国。然而，由于道路基础设施建设相对滞后，形成了我国公路自行车 密度剧增、城市自行车交通高度拥挤、人车平均道路少，混合交通比例大的局面。 加之我国自行车和汽车有相当一部分车况差，交通管理技术手段和公民遵守交通 规则的意识及文明修养程度不高，因而自行车与汽车发生碰撞事故的问题也相当 突出。骑自行车人作为车外交通参与者，又是无防护的交通参与者，在预见不到 危险或时间紧急的时候，很可能在道路交通事故中受到伤害，受到伤害后也最易 形成死亡或重伤的恶性交通事故。据统计，在我国城市交通事故统计中，与自行 车有关的交通事故占3 0 左右。就伤亡人数而言，因自行车事故受伤人数占全国 道路交通事故受伤人员总数的2 5 左右，死亡人数占全国道路交通事故死亡人数 的1 5 左右1 2 。 可见，我国自行车交通事故造成了大量人员死亡，已经成为严重的交通安全 隐患。因此，根据我国的实际交通安全状况，针对众多的汽车与自行车碰撞事故， 迫切需要开展自行车交通安全与事故研究工作，一方面可为众多此类事故的正确 第一章绪论 3 鉴定提供依据，另一方面对寻求避免发生此类交通事故的措施及制定更加合理的 交通安全法规显得十分必要。 汽车与自行车发生的碰撞事故是一个复杂的动力学过程，相比汽车与行人的 碰撞事故更为复杂，涉及到汽车与自行车、汽车与骑车人以及自行车与骑车人的 相互碰撞作用，以及人为或自然力因素的作用等外界因素干扰而产生的偶然性， 因此在自行车的交通碰撞事故再现研究方面具有较大难度。将计算机仿真技术应 用于复杂的汽车与自行车碰撞事故研究工作中，可以有效地辅助解决实际遇到的 诸多疑难问题，为正确鉴定此类事故和制定相关交通安全法规提供了一条新的途 径。仿真得到的人体碰撞响应形态和损伤程度，可以进一步辅助推定事故发生时 的情形。同时，计算机仿真技术在交通事故领域的应用结合到人体损伤生物力学 研究、汽车结构改进设计和交通事故防范教育等交叉领域起到了相互促进的作用， 也容易呈现出丰硕的研究成果。 国外学者采用计算机仿真技术进行了广泛的汽车与自行车碰撞事故研究工 作，并在真实的碰撞事故中进行了实际应用，来辅助人体生物力学损伤方面的研 究，以及为司法部门正确鉴定事故提供依据。针对我国道路交通中汽车与自行车 ” 碰撞事故频繁这种不容乐观的交通状况，基于计算机仿真技术进行自行车碰撞事 故的研究和实际应用工作显得非常滞后，使得目前积极开展这方面的研究工作具 有重大的学术意义和实用价值。 正是在这样的背景下，本文将基于计算机仿真技术对汽车与自行车碰撞事故 展开深入的研究工作。 菇 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 从7 0 年代起，随着汽车与自行车碰撞事故发生率的逐渐上升，自行车的交通 安全性日益受到了各国交通安全管理部门的重视。对汽车与自行车碰撞事故的调 查和研究工作，国外的汽车安全研究机构如欧盟试验汽车安全委员会0 1 ( e e v c e u r o p e a ne x p e r i m e n t a lv e h i c l ec o m m i t t e e ) 、美国国家高速公路交通安 全局( n a s t h a ? n a t i o n a lh i g h w a y 田a m cs a f e t ya d m i n i s t r a t i o n ) 1 4 1 、日本汽车 研究机构1 6 1 ( j a r i j a p a n a u t o m o b i l er e s e a r c hi n s t i t u t e ) ，国际标准组织 ( i s o i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so r g a n i z a t i o n ) 1 5 1 等较早地展开了这方面的研究项 目。这些项目主要对自行车真实事故的碰撞类型、碰撞形态和人员伤亡展开调查 研究，统计分析。同时，也利用尸体和假人进行汽车与自行车标准碰撞试验，建 立早期的经验公式。 1 9 7 7 年柏林工业大学h r a u t s l 博士根据事故统计结果，选取汽车的碰撞速度 4 第一章绪论 ( 最大速度为4 5 k i n h ) 和典型事故形态作为自变量，对汽车一两轮车( 它包括各 类摩托车、自行车和机动自行车) 进行了实车模拟碰撞试验。 1 9 7 9 年h r a u 【6 】博士进一步完善这种碰撞试验，使试验对象( 自行车骑车人) 保持直立不运动，根据统计结果取碰撞类型、自行车质量和碰撞速度为试验参数， 其中最高汽车碰撞速度仍取4 5 k m h 。 早期的试验中碰撞车速较低，试验车辆的车身造型、车体构架以及材料刚度等 与现在的车型相比已经有了较大差异，因此早期的经验公式在当前的事故再现应 用中具有一定的局限性。 1 9 8 4 年，欧盟试验汽车安全委员会( e e v c ) 成立的第八工作小组( w o r k i n g g r o u p8 ) 针对在欧洲各国普遍发生的汽车与两轮车碰撞事故，展开了名为“自行 车和轻型两轮机动车事故 的研究项目 7 1 。该项目主要包括两个方面的研究内容， 一方面是展开对真实事故的调查分析，另一方面是展开汽车与两轮车的碰撞试验 研究。对欧洲大多数国家进行的汽车与两轮车碰撞事故统计数据显示，两轮车碰 撞事故造成各国骑车人平均死亡率约为1 5 8 ，仅次子行人死亡率2 2 ，其中在 荷兰两轮车碰撞事故造成骑车人死亡最为严重，占到交通事故死亡总人数的2 8 4 。通过对典型的两轮车碰撞事故形态、碰撞速度和骑车人的伤害特征进行研究 分析。同时，与e e v c 第七工作小组( w o r k i n gg r o u p7 ) 的行人安全性研究项目 报告比较发现，相对于行人碰撞事故，两轮车骑车人的碰撞形态较为复杂和多样， 骑车人的主要伤害集中于头部，而且自行车骑车人相比于摩托车骑车人更容易受 到头部的致命伤害，其次上肢和下肢是容易受到严重碰撞伤害的部位。汽车对自 行车事故碰撞速度的9 0 集中于3 7 k m h 到7 2 k m h ，高于汽车对行人事故碰撞速 度区间4 4 k m h 到5 8 k m h 。该项目通过汽车与自行车、摩托车等两轮车的碰撞试 验来寻求更好地保护两轮车骑车人措施，如图1 1 所示，碰撞中采用了仿真假人来 模拟自行车骑车人，在此基础上提出了发展计算机数学仿真模型和专用骑车人碰 撞仿真假人模型来辅助进行此类事故的仿真研究。 图1 1 早期汽车与自行车碰撞实验 f i g 1 1c r a s ht e s tb e t w e e nv e h i c l ea n db i c y c l e 第一章绪论 5 1 9 8 5 年j a n s s e na n dw i s m a n s t 8 】通过事故统计发现，自行车事故中，骑车者头 部撞击汽车部位比行人更靠后一些。t e t s u om a k i 指出，自行车与长头车发生碰撞 时，骑车人的绕转距离( w a d ) 大约是行人的1 2 倍。骑车者头部大部分撞击在 挡风玻璃和车顶，数据显示撞击挡风玻璃中心区域和车项，头部损伤风险会减少。 文中还指出由于膝部弯曲的骑车姿势、比较高的盆骨位置、自行车的速度，这三 点是影响骑车者的运动学响应和损伤类型与行人不同的关键。 1 9 8 8 年荷兰国家应用科学研究道路在车辆研究所h u i j b e r s 等人进行了轿车一 一自行车运动方向为直角的模拟碰撞试验和数学模拟。h u i j b e r s 和j a n s s e n 9 】在早 期通过尸体试验来研究汽车与自行车碰撞事故的基础上，建立了简单的数学仿真 模型来研究不同类型汽车对自行车事故的碰撞形态和影响因素，如图1 2 所示，对 汽车与自行车侧面碰撞进行了仿真模拟，结果发现碰撞速度对造成骑车人严重伤 害的影响程度最大。其试验对象自行车骑车人选择为静止和速度等于1 5 k m h 的两 种状态，汽车的碰撞速度为2 0 k m h 、3 0 k m h 和4 0 k m h 。h u i j b e r s 在1 9 8 8 年发表 文章中提到车子前部形状对成年骑车人头部损伤影响很大，但对儿童骑车人头部 损伤影响不是很大。汽车的速度和碰撞方向对骑车人和自行车的抛距影响比车子 一 前部形状和刚度影响要大得多。 图1 2 不同姿态的成人和儿童骑车人仿真模型 f i 9 1 2s i m u l a t i o nm o d e l so f a d u ra n dc h i l d r e nc y c l i s t sw i t hd i f f e r e mp o s t u 他 1 9 8 9 年，o t t e l l 0 】研究小组通过对6 1 4 起汽车与两轮车碰撞事故的调查研究发 现，6 5 的两轮车碰撞事故集中于汽车前部，平均碰撞速度约为3 6 k m h ，汽车碰 撞速度超过7 0 k m h 约占4 ；汽车对两轮车事故碰撞速度在3 0k m h 以下时，一 般不会造成骑车人严重的头部碰撞伤害；成人骑车人和儿童骑车人除了受到普遍 的头部碰撞伤害外，儿童骑车人更容易受到严重的颈部碰撞伤害。 1 9 9 0 年g b o y e l l 0 1 从交通安全法律要求的角度探讨了佩带自行车头盔的重要 性。针对骑车人头部被动安全保护，国外大多是通过佩戴头盔来减少骑车人头部 的损伤。澳大利亚是最早在法律上强制骑自行车人戴头盔的国家之一，开始于1 9 9 2 年。美国的大部分州，加拿大，瑞典、丹麦、新西兰等国都有强制性法规，规定 一 r毯诮龌溅鳖0日滟撼坠 6 第一章绪论 青少年骑自行车必须佩戴头盔。据美国公路安全保险研究的报告表明：美国1 9 9 9 年骑自行车死亡的人数有9 8 未戴头盔，而在撞击事件中戴头盔的人使他们头部 受重伤的危险系数减少了8 5 。但是，佩戴不符合标准的安全头盔，发生头部损 伤的几率反而要大于未戴安全头盔者。 1 9 9 0 年，h a i g h t 和e u b a n k s t l l l 为了能够准确地判断汽车对自行车碰撞事故中 车速的高低，研究了通过一系列汽车与白行车碰撞试验来建立骑车人抛距、落地 形态与碰撞速度的关系，从而可以进一步反推自行车骑车人的碰撞姿态，碰撞前 汽车的行驶状态，汽车是否在碰撞前采取了制动措施等情况。同年，k r o o n 指出 在瑞典的哥特堡自行车事故中，侧面碰撞占很大比例。和其他道路弱势群体一样， 头部损伤是骑车者致死的主要原因。 日本对汽车一自行车碰撞事故统计数据表明：自行车骑车人头部受伤比例最 高，占4 9 ；而在所有汽车一自行车碰撞死亡事故中，骑车人因为头部受伤而死 亡的比例占7 2 。 综上所述，在2 0 世纪，学者们对汽车与自行车碰撞事故的研究较多地是进行 真实事故的调查分析和碰撞试验。然而，碰撞实车试验( 包括肢体模块试验) 受限 很多，生物样本或机械假人的状态变化、环境波动都会对试验结果带来很大影响。 通过碰撞试验获得的经验及研发的碰撞安全保护技术，对千变万化的真实碰撞事 故而言不具有普适性和代表性。 进入2 1 世纪以后，由于计算机仿真技术的飞速发展和对自行车碰撞事故研究 的不断深入，研究者们更多地侧重于基于数值仿真方法来研究汽车与自行车的碰 撞事故，对不同条件下自行车的交通安全性进行分析评价。由于碰撞环境的巨大 不确定性和影响因素的高度复杂性的特点，采用计算机仿真方法可避免实车试验中 的随机因素影响，且不受试验条件限制，易于模拟不同碰撞形态和实现对比分析，从 而试验的重复性更强，试验结果更客观，并可获得一些采用实车碰撞试验难以获取 的参数数据。 近年来，随着生物力学和数值仿真方法的迅速发展，具有生物力学特性的仿 真假人得到了大力的研发。特别是在交通安全与碰撞生物力学领域，适用于不同 类型碰撞事故的多刚体仿真假人和有限元仿真假人得到了广泛的应用。目前自行 车骑车人的碰撞损伤模拟很大程度上借助于数值仿真假人来进行研究。通过计算 机仿真模拟碰撞事故中数值假人的碰撞响应和损伤程度，从而对自行车交通安全 性进行仿真评价，为探寻骑车人的保护措施提供依据。 在2 0 0 0 年，m a k i t l 2 1 等采用多刚体动力学方法来建立汽车与自行车及骑车人碰 撞的仿真模型，通过对不同碰撞条件下的仿真模拟来分析自行车骑车人的碰撞响 应，并与骑车人尸体实验( p m h s p o s tm o r t e mh u m a n s u b j e c t ) 获取的碰撞响应 第一章绪论 7 比较来验证仿真模型，如图1 3 所示。在此基础上对比分析了骑车人和行人的碰撞 响应和伤害差别，仿真结果认为，自行车骑车人的碰撞响应较行人更为复杂，受 到骑车人的坐姿、座椅相对于汽车发动机罩盖边缘的位置和高度等因素的影响。 p m h $ t c s lr 铭u l l sf o rb i c y 幽t ( 3 5k m 脚 图1 3 汽车与自行车侧面碰撞尸体试验和仿真结果 f i g 1 3 p m h st e s ta n ds i d ei m p a c ts i m u l a t i o nr e s u l t sb e t w e e nv e h i c l ea n db i c y c l e 2 0 0 1 年，w e m e r 和n e w b e r r y t l 3 1 等基于m 削d y m o 多刚体仿真模型来模拟自行 车正常行驶过程中与前方障碍物碰撞时骑车人的动力学响应，同时仿真分析了自 行车前叉结构碰撞失效对骑车人碰撞响应的影响，如图1 4 所示。该研究通过自行 车志愿者在2 2 5 k m h 至3 1 k m h 行驶速度时与障碍物的碰撞试验来对仿真模型和模 拟结果进行验证。 玉 图1 4 自行车与前障碍物碰撞仿真结果 f i g 1 4s i m u l a t i o nr e s u l t so fc o l l i s i o nb e t w e e nb i c y c l ea n d t h ef r o n t a lb a r r i e r 2 0 0 1 年，m a k i l l 4 l 等采用h y b f i d l h 假人来模拟自行车骑车人，对汽车与自行车 前部碰撞和后部碰撞事故中骑车人的碰撞伤害进行了仿真模拟。该研究建立了汽 车与自行车及骑车人的多刚体碰撞模型，如图1 5 所示，仿真结果发现汽车与自行 车后部碰撞造成骑车人伤害程度比前部碰撞造成骑车人伤害严重，骑车人头部与 发动机罩盖撞击产生的头部加速度与骑车人的姿势、骑车人膝盖相对于发动机罩 盖边缘的高度位置相关。 立 8 第一章绪论 0m s e c 1 3 0m s o c 2 0 0m s e 【： ， 曲 仁溢1 勰 图1 5 汽车与自行车前部碰撞仿真结果 f i g 1 5f r o n t a li m p a c ts i m u l a t i o nr e s u l t sb e t w e e nv e h i c l ea n db i c y c l e 2 0 0 3 年，m c l u n d i e t l 5 1 研究分析了汽车对自行车碰撞事故的类型，采用有限元 仿真方法建立汽车、自行车和骑车人的碰撞模型，如图1 6 所示。该研究探索了采 用行人有限元仿真假人模型进行两轮车碰撞事故仿真的可能性，并与尸体试验比 较验证了仿真结果，能达到较好的吻合程度。 宜香曰 b 审 j。 图1 6 汽车与自行车碰撞形态及有限元仿真模型 f i g 1 6c o l l i s i o nc o n f i g u r a t i o na n df i n i t ee l e m e n tm o d e lo f v e h i c l ea n db i c y c l e 2 0 0 3 年，m a k i 1 6 l 等在研究中同样采用h y b r i d l l i 假人来模拟自行车骑车人，对 汽车与自行车侧面碰撞事故中骑车人的碰撞伤害进行仿真模拟，如图1 7 所示。研 究发现，碰撞中骑车人头部和腿部容易受到严重伤害，头部与发动机罩盖或者前 挡风玻璃碰撞是导致骑车人致命的原因。同时，对于不同的汽车车型，骑车人产 生的碰撞响应不同，使得对身体部位的伤害程度存在区别。 s l i d i n gh m a v i 嘎o n 乙磊；吾蕊咄c 刚狮 跨 j 一 。 b i c y c l i s lw i t hs u v 图1 7 汽车与自行车侧面碰撞仿真结果 f 皓1 7s i d ei m p a c ts i m u l a t i o nr e s u l t sb e t w e e nv e h i c l ea n db i