（车辆工程专业论文）计算机模拟行人碰撞保护研究.pdf

摘要 在道路交通事故导致的人员伤害中，行人伤亡的比例占到了第二位，仅次于 车内乘员的伤害。在美国，每年大约5 0 0 0 名行人在机动车辆事故中丧生，有6 9 0 0 0 名左右的行人则受到不同程度的伤害；在欧盟地区，每年在交通事故中死亡的行 人人数也高达7 0 0 0 人行人碰撞保护已成为汽车安全性研究的焦点问题。 本文综合分析了行人碰撞事故的统计数据和行人在碰撞过程中不同部位的 伤害机理，并详细介绍了目前行人碰撞保护的研究方法及发展现状。 按照e e v c 行人碰撞保护试验法规的规定，本文分别建立了头部撞击器、 腿部撞击器和大腿撞击器的有限元模型。通过对材料模型的合理选择以及材料参 数的正确定义，本文所建立的撞击器计算模型不仅满足试验法规中的各项认证要 求，而且与国外相关的试验结果或模拟计算结果也吻合得相当好。 尽管近年来数值模拟技术的应用正在不断地趋于成熟，但是在建模人体这一 复杂的生物个体时，仍然面临着相当大的难度和挑战。本文全面论述了人体数值 建模工作的复杂性以及目前人体数值模型的发展现状。在收集和整理了大量生物 力学文献研究成果的基础上，参照医学解剖图谱，利用多种计算机软件，建立了 5 0 廿1 男性行人的c a d 模型和有限元模型。本文所建立的人体有限元模型不仅 包含了腿部骨骼、肌肉、皮肤、韧带等详细的生理组织，而且综合考虑了骨折和 韧带断裂的伤害机制。利用几次典型的尸体试验结果，分别从单根长骨的静态弯 曲、人体膝关节的动态弯曲和剪切、臀部的侧面碰撞以及行人整体碰撞响应几个 方面对模型进行了全面的验证，计算结果和试验结果取得了相当好的吻合。在验 证计算中，本文所建立的人体有限元模型也正确地反映出与试验相吻合的腿部骨 折伤害和膝关节韧带的断裂伤害。 利用已建立的撞击器有限元模型和行人有限元模型，本文针对s a n t a n a 2 0 0 0 型轿车分别进行了行人碰撞保护子系统试验以及行人整体碰撞的有限元计 算。子系统试验的计算结果表明，目前s a n t a n a2 0 0 0 型轿车的结构只是部分 满足e e v c 试验法规的规定。在行人与s a n t a n a2 0 0 0 型轿车的碰撞计算中， 也发现了与近年来相关文献对行人下肢伤害研究结果相吻合的多种伤害模式。由 于整个行人碰撞有限元计算的复杂性，本文选择接触问题为代表，在作者具体工 作实践的基础上，对有限元计算中接触类型的选择、惩罚参数和惩罚刚度以及接 触厚度的设定、刚体和大变形实体单元的接触处理给出了一些经验和总结。 最后，本文从车身结构的角度分析了s a n t a n a2 0 0 0 型轿车导致行人伤害 的原因，并对行人头部保护和腿部保护的结构改进思路进行了研究，提出了“主 动式发动机罩 和具有阶梯状吸能泡沫保险杠的结构改进方案。通过对比车身结 构改进前、后行人碰撞有限元计算的结果，证明了结构改进措施对行人的保护是 行之有效的，并且具有较高的可行性。 a b s t r a c t p e d e s t r i a n sa r et h es e c o n dl a r g e s tc a t e g o r yo fr o a d a c c i d e n td e a t h sa n d i n j u r i e s ，o n l y a f t e rv e h i c l eo c c u p a n t s i nt h eu n i t e ds t a t e s ，a b o u t5 ，0 0 0 p e d e s t r i a n sd i e da n d6 9 ，0 0 0a r ei n j u r e di nm o t o rv e h i c l ea c c i d e n t se v e r yy e a r i nt h ee u r o p e a nu n i o n ，t h en u m b e ro fp e d e s t r i a n sd e a t hi sa b o u t7 0 0 0 a n n u a l l y p e d e s t r i a np r o t e c t i o ni sam a j o rc o n c e r ni nv e h i c l es a f e t yr e s e a r c h p e d e s t r i a na c c i d e n ts t a t i s t i c sa n di n j u r ym e c h a n i s m so fd i f f e r e n t b o d y s e g m e n t si np e d e s t r i a n - v e h i c l ec o l l i s i o na r ea n a l y z e df i r s ti nt h i sp a p e r t h e r e s e a r c hm e t h o d sa n dc u r r e n ts t a t u so f p e d e s t r i a np r o t e c t i o na r ea l s o p r e s e n t e d b a s e do nt h ee e v cp e d e s t r i a nt e s t i n gp r o t o c o l ，f i n i t ee l e m e n tm o d e l so f h e a d f o r mi m p a c t o r ，l e g f o r mi m p a c t o ra n du p p e rl e g f o r mi m p a c t o ra r e d e v e l o p e da n dc e r t i f i e d t h er a t i o n a lm a t e r i a im o d ea n dc o r r e c tm a t e r i a i p a r a m e t e r sm a k et h es i m u l a t i o nr e s u l t so fc e r t i f i c a t i o nt e s tm e e ta l it h e r e q u i r e m e n t si nt e s t i n gp r o t o c 0 1 f u r t h e r m o r e 。t h es i m u l a t i o nr e s u l t sh a v ea g o o da g r e e m e n tw i t ht h ec e r t i f i c a t i o nt e s t so rs i m i l a rs i m u l a t i o nr e s u l t s a v a i l a b l ei nt h ei i t e r a t u r e d e s p i t et h ei n c r e a s i n gm a t u r i t yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e r ea r es t i l ial o to f d i f f i c u l t i e sa n dc h a l l e n g e si nm o d e l l i n gh u m a nb e i n g s t h i sp a p e rd i s c u s s e s t h ec o m p l e x i t yo fh u m a nn u m e r i c a im o d e l l i n ga n dd e s c r i b e st h ec u r r e n ts t a t u s 0 fh u m a nm o d e l si nd e t a i l b a s e do nt h ed a t ac o l l e c t e da n da r r a n g e df r o m r e c e n tb i o m e c h a n i c a l i i t e r a t u r e ac a dm o d e ia n daf em o d e io f5 0 mm a l e p e d e s t r i a na r ed e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h er e p r e s e n t a t i o no fg r a y a n a t o m y d i f f e r e n th u m a nt i s s u e s ，i n c l u d i n gb o n e 。m u s c l e ，s k i no ft h el e ga n dl i g a m e n t s o ft h ek n e e ，a r em o d e l e di nt h i sp e d e s t r i a nf em o d e l h u m a ni n j u r i e s 。s u c ha s b o n ef r a c t u r ea n da v u l s i o no fl i g a m e n t s 。a r ea l s oc o n s i d e r e db yi n t r o d u c t i o no f m a t e r i a if a i l u r e i no r d e rt ov a l i d a t et h eh u m a nf em o d e l 。s e v e r a ic l a s s i c c a d a v e rt e s t sa r es i m u l a t e d ，i n c l u d i n gs t a t i cb e n d i n gt e s to fs i n g l eb o n e ， d y n a m i cs h e a r i n ga n db e n d i n gt e s t so ft h ek n e e ，s i d ei m p a c to ft h ep e l v i s ，a n d k i n e m a t i cr e s p o n s eo ft h ep e d e s t r i a ni nc o l l i s i o nw i t hv e h i c l ea sw e l l a s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v eag o o dc o r r e l a t i o nw i t ht h et e s tr e s u l t s t h eb o n e f r a c t u r ea n dl i g a m e n t sa v u l s i o nr e p o r t e di nt h et e s t sa r ea l s or e p r e s e n t e d c o r r e c t l yi nt h ep e d e s t r i a nf em o d e l u t i l i z i n gt h en u m e r i c a lm o d e l so fi m p a c t o r sa n dp e d e s t r i a n ，s u b s y s t e mt e s to f e e v cp e d e s t r i a nt e s t i n gp r o t o c o la n dc o l l i s i o no ft h ew h o l ep e d e s t r i a na r e a n a l y z e di nf i n i t ee l e m e n tc o d e ss e p a r a t e l y at y p i c a ld o m e s t i cp a s s e n g e rc a r , i i s a n l - a n a2 0 0 0m o d e l ，i sc h o s e na st h et e s t e dv e h i c l e t h es i m u l a t i o nr e s u l t s o fs u b s y s t e mt e s td e m o n s t r a t et h a tt h et e s t e dv e h i c l em e e t st h er e q u i r e m e n t s 0 fe e v cp e d e s t r i a n t e s t i n g p r o t o c o l p a r t l y m a n i f o l di n j u r ym o d e so f p e d e s t r i a ni o w e re x t r e m i t i e s w h i c ha r em p o r t e di nr e c e n tb i o m e c h a n i c a i j i t e r a t u r e a r ea l s of o u n di nt h es i m u l a t i o no fp e d e s t r i a n v e h i c l ec o l l i s i o n b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yi n f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 。s o m ea d v i c e so nt h e c o n t a c t - i m p a c tp r o b l e m sa r es u m m a r i z e di nt h i sp a p e ro nt h eb a s i so fa u t h o r s e x p e r i e n c e s f r o mt h ev i e wo fv e h i c l eb o d ys t r u c t u r e ，t h ec a u s e so fp e d e s t r i a ni n j u r i e sa r e a n a l y z e di nt h i sp a p e ra n dt h ec o n c e p t i o no fs t r u c t u r a | i m p r o v e m e n ti sa l s o d i s c u s s e d a tl a s t 。a na c t i v eb o n n e ta n dan e wb u m p e rw i t ht w o p i e c ef o a m c o r ea r e a d o p t e da s t h ep r o t e c t i v em e a s u r e m e n t s b yc o m p a r i n gt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sf o r e a f ti m p r o v e m e n t 。i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ep r o t e c t i v e m e a s u r e m e n t sa r ee f f e c t i v ea n df e a s i b l e i i i 第一章绪论 第一章绪论 从最初坚信汽车是一种内在安全的产品，到彻底承认安全性设计是汽车性能 的重要标志，汽车的设计理念经历着重大的变革。早在上世纪2 0 年代，汽车安 全性研究还将注意力集中在道路系统的建设和维护上，从5 0 年代末汽车制造厂 商在汽车中安装上座椅安全带开始，人们逐渐意识到通过汽车本身的设计能够有 效地降低道路交通事故中人员的伤害。时至今日，安全性设计的概念已经完全融 入汽车整车开发的过程中，而汽车安全性研究的内容还在不断地深入与拓展。 1 1 行人碰撞保护问题的发展 在过去的几十年间，汽车的安全性受到了汽车工业和各国政府的高度重视， 随着各项安全性法规的实施以及主动安全性和被动安全性技术的革新，在道路交 通事故中人员的伤害呈现出逐年下降的趋势。尽管如此，伤亡的绝对数字依然十 分庞大。其中，行人是仅次于车内乘员的第二大道路交通事故伤害对象。 在美国，每年大约5 0 0 0 名行人在机动车辆事故中丧生，而有6 9 0 0 0 名左右 的行人则受到不同程度的伤害；在日本，行人伤害在交通事故伤害中的人数占 到了将近2 7 1 2 1 ；在欧盟地区，每年在交通事故中的死亡的行人人数约为7 0 0 0 ， 比例也已经达到了约1 4 i j j 。 而在我国，改革开放以来，国民经济持续高速、稳定地发展，高速公路里程 和机动车保有量也迅速地增加：高速公路从1 9 8 0 年的8 8 3 万公里增加到2 0 0 2 年的1 4 0 3 万公里【4 l ，城市机动车保有量从1 9 8 0 年的1 7 8 3 万辆增加到2 0 0 2 年 的1 6 0 8 9 万辆【5 】。与此同时，道路交通事故和事故的伤亡人数也在迅猛地增加。 7 0 年代每年全国交通事故死亡人数为l 一2 万人，1 9 9 1 年后交通事故死亡人数急 剧增长，至9 9 年底，死亡人数已超过8 4 万人，万车死亡人数是汽车发达国家6 1 8 倍，成为世界交通事故死亡人数最多的国家。尽管没有关于行人交通事故伤 亡人数的具体统计数据，但是从万车死亡人数推断，我国每年在交通事故中伤亡 的行人人数也将是一个十分庞大的数字。 行人的伤害主要发生在城市地区。近几年来，在城市交通管理中已经采取了 诸如过街天桥、地下通道、人行横道以及交通安全岛等多项措施来保护行人的安 全。这些措施也取得了很大的成效。另一方面，如何从汽车设计的角度出发来保 护行人，有效地减轻其与车辆发生碰撞时的伤害正逐渐成为汽车安全性研究的最 新领域。 夺1 9 8 2 年，欧洲车辆安全性委员会( e e v c ) 意识到行人保护的重要性， 开始委托其所辖的工作组进行行人与车辆碰撞领域的研究【6 】【7 】【8 】，这些研 究工作包括对行人碰撞保护的可行性分析以及对车身前部设计的建议。 令1 9 8 7 年，e e v c 正式成立了“行人保护工作组”一一w g l o 。该工作组 由欧盟大多数成员国和各大汽车研究机构组成，着重研究行人碰撞保护 试验程序以及相应的评价指标。w g l 0 在总结前期工作的基础上提出了 第一章绪论 关于行人碰撞保护试验方法的建议，并于1 9 9 4 年解散。 1 9 9 6 年，在e e v c 的提议下，行人碰撞保护研究成为“国际协调研究 行动( i h r a 尸的正式项目 1 9 9 7 年，e e v c 成立了新的“行人安全性工作组”一一w g l 7 ，以协调 与i h r a 的合作。 1 9 9 8 年，e e v c 提出了行人碰撞保护试验法规草案一一“e e v ci m p r o v e d p e d e s t r i a np r o t e c tt e s tm e t h o d ”。 2 0 0 1 年，行人碰撞保护试验法规一一“e u r o n c a pp e d e s t r i a nt e e i n g p r o t o c o l ”在欧盟委员会( e c ) 通过，成为欧盟新车评价强制性试验法 规的重要内容。 从上面的时间进度来看，行人碰撞保护尽管起步较晚，但是发展却十分迅速。 而新的行人碰撞保护试验法规将于2 0 0 5 年起在欧盟开始正式实施。因此，对行 人碰撞保护的研究自然也就成为了汽车安全性研究的焦点。 1 2 本文的研究内容 围绕行人碰撞保护这一课题，本文开展了一系列的工作： 综合分析了行人与车辆碰撞事故中的伤亡数据。对行人在碰撞过程中不 同部位的伤害机理以及国外众多学者的研究成果进行了全面的评述。详 细介绍了目前行人碰撞保护的研究方法以及发展现状。 按照e e v c 行人碰撞保护试验法规的规定建立了代表人体各伤害部位 的头部撞击器、腿部撞击器和大腿撞击器的有限元模型，并对撞击器计 算模型进行了认证试验的模拟计算。计算结果表明，本文所建立的行人 碰撞保护撞击器计算模型不仅满足试验法规中的各项认证要求，而且与 国外相关的试验结果或模拟计算结果取得了相当好的吻合。 全面论述了人体数值建模工作的复杂性以及目前人体数值模型的发展 现状。在v i e w p o i n t t md a t a l a b s 公司和美国国家医学实验室提供的人体 外形和骨骼多边形模型的基础上建立了5 0 m 男性行人外形和腿部骨骼 的c a d 模型，并进行了精细的有限元离散。根据g r a y sa n a t o m y 解剖 图谱和目前人体生物力学的研究成果，分别建立了行人腿部骨骼、肌肉、 皮肤以及膝关节韧带的有限元模型。对人体其他生理部位采用刚体来建 模，通过非线性运动连接单元来模拟人体其它关节的力学特性，将各个 身体模块连接起来，组成了行人整体有限元模型。利用几次典型尸体试 验的结果，分别从单根长骨的弯曲、人体膝关节的动态弯曲和剪切、臀 部的侧面碰撞以及行人整体碰撞响应几个方面对建立的行人有限元模 型进行了全面的验证，模拟计算结果和试验结果取得了相当好的吻合。 在作者前期硕士论文的基础上，对s a n t a n a2 0 0 0 型轿车计算模型的 前部进行了更为详细的建模。利用已建立的撞击器有限元模型和5 0 m 2 第一章绪论 行人有限元模型，针对s a n t a n a2 0 0 0 型轿车分别进行了行人碰撞保 护子系统试验以及行人整体碰撞的有限元计算。对子系统试验的计算结 果进行了相应的分析，得出目前s a n t a n a2 0 0 0 型轿车的结构只是部 分满足e e v c 试验法规的结论。通过行人整体碰撞的有限元计算，对行 人在与车辆碰撞过程中不同生理组织的伤害有了更为直观和准确的判 断。针对整个行人碰撞有限元计算的复杂性，选择接触问题为代表，根 据作者的实践，对有限元计算中接触的定义给出了一些经验和总结。 从车身结构的角度分析了s a n t a n a2 0 0 0 型轿车导致行人伤害的原因， 并对行人头部保护和腿部保护的结构改进思路进行了研究，提出了“主 动式发动机罩”和具有阶梯状吸能泡沫保险杠的结构改进方案。通过对 比车身结构改进前、后行人碰撞有限元计算的结果，证明了结构改进措 施对行人的保护是行之有效的，并且具有较高的可行性。 正如前文所述，行人碰撞保护是汽车安全性研究的新兴课题，目前国内并没 有相关工作的文献发表，国际上这一领域的研究成果和相关文献也并不多见。通 过本文的研究工作，取得了下面一些主要成果。 本文建立了e e v c 行人保护试验法规中的撞击器计算模型，撞击器本身的 结构虽然较为简单，但是却具有与人体相应伤害部位类似的生物力学特性，数值 建模过程中材料模型的选择以及材料参数的定义对于模型的精确性十分重要。本 文对此进行了参数化研究，并积累了一定的经验。所建立的撞击器模型通过验证 计算，不仅满足试验法规中的各项要求，而且与国外验证试验的结果以及类似的 工作取得了相当好的吻合，为以后相关工作的开展奠定了基础。 尽管目前数值模拟技术的应用正在不断地趋于成熟，但是在建模人体这一复 杂的生物个体时，仍然面临着相当大的难度和挑战，人体生物力学有限元模型的 建立涉及医学、生物力学、计算机技术等多学科领域内容的相互交叉，是论文工 作的重点和难点所在。 人体作为一个生物个体，存在着内在的样本多变性，而漫长的进化过程使得 其生理结构逐渐适应了环境的要求，同时也造就了其生理结构的复杂性。本文以 5 0 m 标准男性人体为建模对象，由于人体不规则的几何外形以及人体骨骼复杂 的关节面形状，本文采用了多种软件来共同完成c a d 建模和有限元建模工作， 包括造型软件i m a g e w a r e t ms u r f a c e r 、a u t o d e s k t m3 d m a x ，工程c a d 软件e d s u n i g r a p h i c s t m 、i - d e a s t m 以及有限元前处理软件h y p e r m e s h t m ，p a m t m - g e n e r i s ， 整个建模过程工作量极大。 人体组织在生物力学上通常被描述为非线性的、粘弹性的、应变率相关的材 料。在进行人体有限元建模时，处理这些生理组织的材料特性会涉及到两方面的 困难：一是如何获得这些材料特性数据；二是如何在有限元程序中实现这些材料 特性。为此，本文查阅了大量的生物力学文献，对相关试验数据进行了分类整理， 并选取了适当的材料模型和单元类型，完成了对人体腿部骨骼、肌肉、皮肤、韧 第一章绪论 带等生理组织的详细建模。需要指出的是，文献 9 】建立的膝关节模型只包含了 骨骼和韧带结构，而没有对皮肤和肌肉进行建模；文献 1 0 1 1 1 1 虽然建模了较完 整的膝关节结构，并考虑了韧带断裂的伤害机制，但是却没有考虑骨结构骨折的 伤害。本文利用人体生物力学的研究结果和数据，建立一个综合考虑骨折伤害以 及韧带断裂的膝关节有限元模型。 对于人体数值模型的试验验证而言，真实物理试验的样本是人体本身，这就 给人体数值模型的验证工作带来了诸多的困难。在众多替代物试验中，尸体试验 的结果是最接近人体真实情况的，本文利用几次典型的尸体试验的结果，分别从 单根长骨的静态弯曲试验、人体膝关节的动态弯曲和剪切试验、臀部的侧面碰撞 试验以及行人整体碰撞响应几个方面对建立的行人有限元模型进行了全面的验 证，模拟计算结果和试验结果取得了相当好的吻合。在验证计算中，本文所建立 的人体有限元模型正确地反映出与试验相吻合的腿部骨折伤害和膝关节韧带的 断裂伤害。而且，在行人与s a n t a n a2 0 0 0 型轿车的碰撞计算中，也发现了与 近年来相关文献对行人下肢伤害研究结果相吻合的多种伤害模式。 整个人体的有限元建模过程遵循了“模块化”的建模思想，尽管人体其他生 理部位采用了刚体来建模，但是均具有精确的几何外形和正确的惯性参数，为该 有限元模型的进一步改进提供了方便。该人体有限元模型不仅可以用于研究行人 在碰撞过程中的运动响应和伤害，通过适当的改进，还可以成为车内乘员的人体 有限元模型。 本文所建立的5 0 m 行人有限元模型涵盖了多种不同的单元类型( 体单元、 壳单元、杆单元、运动连接单元、焊点单元) ，并采用了多种材料模型来建模， 各种材料模型之间又具有较大的差异，再加上碰撞车辆的有限元模型，使得整个 行人碰撞有限元计算的过程十分复杂。为此，本文选择了接触问题为代表，对有 限元计算中接触类型的选择、惩罚参数和惩罚刚度以及接触厚度的设定、刚体和 大变形实体单元的接触处理给出了一些经验和总结。这些经验和总结均是基于作 者具体的工作实践，不仅适用于本文所采用的p a m c r a s h t m 程序，同样也适用 于其它一些目前常用的商用有限元程序，例如l s d y n a r m 。 根据撞击器试验和行人整体碰撞的计算结果，发现s a n t a n a2 0 0 0 型轿车 并没有满足e e v c 行人碰撞保护试验法规的要求。事实上，目前还没有一个车 型能够完全满足试验法规中的各项规定。为此，本文研究了有效降低行人头部伤 害和腿部伤害的车身结构改进思路，并提出了“主动式发动机罩”和具有阶梯状 吸能泡沫保险杠的结构改进方案。 1 3 行人碰撞保护的意义 据估计，1 9 9 9 年全球交通事故导致的伤亡人数约3 0 0 0 万，其中死亡人数约 9 0 万，而在汽车不发达国家，行人伤亡的比例更高，约占其总体伤亡人数的 4 5 t 1 2 1 。原因很明显，一是这些国家的道路交通条件较恶劣，容易发生交通事故； 二是这些国家行人的人数相对而言更多。 4 第一章绪论 有关研究表明，对车身前部结构和外形的改进可以减少行人伤害的频率以及 伤害的程度，例如y o s h i d a e t a l ，1 9 9 9 | 1 3 1 同时，行人保护的相关措施同样也有 利于保护其他容易受到伤害的道路人群，如骑自行车的人员和摩托车驾驶员。 l a w r e n c ee ta 1 ，1 9 9 3 t 1 4 1 提出了一套程序来对e e v c 行人保护试验法规在欧 洲实施可以挽救的行人生命以及减轻行人严重伤害的数量进行估计，参见图1 1 。 i h r a 认为该方法同样也适用于其它国家和地区。 彭羿希霸槲栉趸 墓死亡( 1 0 0 ) 。严重伤害( 1 0 0 1 kk j 艇? 一叠! t 嚣t 一一一 艮lk 匿i瑟嚣鍪戛 眨j 离。雠轼 4 0 晒竺虽蘑剿r *溷 欧盟委员会据此方法进行估计，e e v c 行人保护试验法规的全面实施每年可 以挽救约2 0 0 0 人的生命和减轻1 7 0 0 0 人的严重伤害，由此带来的社会效益和经 济效益将是十分巨大的。目前，我国仍处于汽车不发达国家之列，行人伤亡人数 的比例相对更高，因此，可以推断行人碰撞保护试验法规在我国的实施将具有更 大的现实意义。 5 第一章绪论 参考文献 【l 】f i n a lr e p o r t n ep e d e s t r i a nc r a s hd a t as t u d y , a u g u s t u sb c h i d e s t e r , r u t ha i s e n b e r g , n a t i o n a lh i g h w a yt r a f f i cs a f e t ya d m i n i s t r a t i o n ，19 9 4 【2 】d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h en e wp e d e s t r i a nd u m m y , a k i h i k oa k i y a m a , m a s a y o u s h i o k a m o t o ，h o n d ar & dc o l t d j a p a n ，19 9 8 【3 】i m p r o v e dt e s tm e t h o d st oe v a l u a t ep e d e s t r i a np r o t e c t i o na f f o r d e db yp a s s e n g e rc a r s ，e e v c w o r k i n gg r o u p1 7r e p o r t , 1 9 9 8 【4 】c h i n al e n g t ho f t r a n s p o r t a t i o nr o u t e s ，c h i n as t a t i s t i c sy e a r b o o k2 0 0 2 ，2 0 0 2 【5 】c h i n an u m b e ro fc i v i lm o t o rv e h i c l e so w n e d ，c h i n as t a t i s t i c sy e a r b o o k2 0 0 2 ，2 0 0 2 【6 】p e d e s t r i a ni n j u r ya c c i d e n t s ，e u r o p e a ne x p e d m e n t a lv e h i c l e sc o m m i t t e e ，p r o c e e d i n g so ft h e 9 t he s vc o n f e r e n c e , 19 8 2 【7 】c y c l ea n dl i g h t - p o w e r e dt w o - w h e e l e ra c c i d e n t s ，e u r o p e a ne x p e r i m e n t a lv e h i c l e sc o m m i t t e e ， p r o c e e d i n g so ft h e9 t hi r c o b ic o n f e r e n c e ，19 8 4 8 】p e d e s t r i a ni n j u r yp r o t e c t i o nb yc a rd e s i g n ，e u r o p e a ne x p e r i m e n t a lv e h i c l e sc o m m i t t e e ， p r o c e e d i n g so f t h el o t he s vc o n f e r e n c e ，1 9 8 5 【9 】b e r m o n d ，f ，r a m e t , m ，b o u q u e t ，r a n dc e s a r i ，d ，af i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h ep e d e s t r i a n k n e ej o i n ti nl a t e r a li m p a c t ”，p r o c o fi n t e r i r c o b ic o n f e r e n c eo nt h eb i o m e c h a n i c so f i m p a c t s ，p p 11 7 1 2 9 ，e i n d h o v e n ，s e p t e m b e r8 - 1 0 ，1 9 9 3 1o 】d e v e l o p m e n to fp r a c t i c a la n ds i m p l i f i e dh u m a nw h o l eb o d yf e mm o d e l ，i s a ow a t a n a b e ， k a t s u y af u r u s u , c h i h a r uk a t o , k a z u om i k i ，j u n j ih a s e g ：a w a , j s a er e v i e w2 218 9 19 4 ，2 0 0 1 【1 l 】d e v e l o p m e n to f af i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h et o t a lh u m a nm o d e lf o rs a f e t y ( t h u m s ) a n d a p p l i c a t i o nt oc a r - p e r l e s t r i a ni m p a c t s ，t o m o y u k im a c n o ，j u n j ih a s e g a w a , p r o c o ft h e17 t h e s vc o n f e r e n c e 2 0 0 1 【12 e s t i m a t i n gg l o b a lr o a df a t a l i t i e s ，j a e o b sg a e r o nt h o m a s ，t r l r e p o r tt r l 4 4 5 ，2 0 0 0 【13 】d e v e l o p m e n to fav e h i c l es t r u c t u r ew i t hp r o t e c t i v ef e a t u r e sf o rp e d e s t r i a n s ，y o s h i d as ，n i g a r a s h i ，a t a k a h a s h i ，1 1 m a i z u m i ，s a ep a p e r1 9 9 9 - 0 1 0 0 7 5 ，1 9 9 9 【14 】c o s t sa n db e n e f i t so ft h ee e v cp e d e s t r i a ni m p a c tr e q u i r e m e n t s ，l a w r e n c eg jl ，bjh a r d y , rwl o w n e ，t r lp r o j e c tr e p o r tl9 ，l9 9 3 6 第二章行人碰撞保护的发展现状 第二章行人碰撞保护的发展现状 2 1 行人伤亡事故数据分析 早在上世纪7 0 年代，众多的学者就已经开始对行人碰撞事故进行了大量的研 究工作，例女p a p p e le ta 1 ，1 9 7 5 1 1 、a s h t o ne ta 1 ，1 9 7 7 2 、n i e d e r e re ta 1 ，1 9 8 7 1 3 1 等研究了行人在碰撞过程中的整体响应、伤害部位、伤害程度以及车身外形和碰 撞速度对行人响应的影响。 上述工作考察的对象都是早期设计的车辆。由于汽车在动力性、经济性上要 求的不断提高，以及审美趋势的改变，使得现代汽车车身外形发生了较大的改变。 因此，为了全面了解现代车型汽车与行人发生碰撞的情况，在“国际协调研究行 动( i h r a 广的组织协调下，其成员国决定相互合作、共同建立行人碰撞交通事 故调查的数据库，数据库由四个国家采集的数据综合而成，即： 美国国家高速公路交通安全管理局( n h t s a ) 于1 9 9 4 年至1 9 9 9 年期间 开始实施行人碰撞数据研究计划( p c d s ) ，共采集了5 2 1 起案例数据。 德国汽车工业研究协会( a i r a ) 和联邦道路研究所( f r r i ) 于1 9 8 5 年 至1 9 9 8 年实施了一项称为g i d a s ( g e r m a ni n d e p t ha c c i d e n ts t u d y ) 的 联合计划研究行人碰撞事故，总共采集了7 8 3 起案例数据。 日本汽车研究所( j a r i ) 分别于1 9 8 7 年至1 9 8 8 年以及1 9 9 4 年至1 9 9 8 年间对行人碰撞数据进行研究，共采集了2 4 0 起案例数据。 澳大利亚于1 9 9 9 年开始进行行人碰撞事故调查。在1 9 9 9 年至2 0 0 0 年 共采集了8 0 起行人碰撞事故案例。 所有采用的案例均基于同一标准采集数据，包括行人的伤害部位、伤害等级、 与车辆的碰撞部位( 伤害源) 、碰撞速度等多项数据。表2 - 1 和表2 2 分别为行 人伤害部位和车辆碰撞部位( 伤害源) 分布情况的统计数据。 表2 - 1 行人伤害部位分布情况【4 1 ( a i s 2 6 ) 伤害部位美国欧洲 日本 澳大利亚总共 头部3 2 7 一2 9 8 2 8 6 。3 9 o 3 1 3 面部 3 7 5 3 2 4 4 4 4 3 颈部 o 0 1 8 4 5 0 5 1 3 胸部9 5 1 1 6 8 5 9 3 1 0 2 腹部 7 7 3 8 4 8 6 o 5 6 臀部5 3 7 9 4 5 4 4 6 3 手臂 7 9 8 1 9 0 8 8 8 1 4 腿部3 3 3 一3 1 3 3 5 7 ，一 ，。：2 7 5 3 2 4 未知 0 0 0 5 2 1 o 0 o 5 合计 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 7 第二章行人碰撞保护的发展现状 表2 - 2 行人伤害源分布情况川( a i s 2 6 ) 伤害源 美国 欧洲日本澳大利亚总共 前保险杠 2 0 9 2 1 o 2 3 o 1 9 8 2 1 1 一发动机罩顶面 2 1 6 1 5 2 一 1 4 0 1 3 2 1 7 5 发动机罩前缘 1 3 8 9 7 8 5 1 7 6 1 1 6 风挡玻璃 1 7 2 1 6 0 4 5 5 5 1 4 6 风挡框架a 立柱 8 7 8 1 7 7 3 6 3 9 8 散热器格栅 4 4 2 5 5 0 0 o 3 4 其它 7 0 4 3 1 2 4 1 6 6 1 间接接触 o 6 1 0 6 9 0 0 1 4 道路表面接触 5 9 1 3 0 9 8 4 9 9 4 未知 o 0 9 4 8 2 1 1 5 1 从上表中可以看出，头部伤害( 3 1 3 ) 和腿部伤害( 3 2 4 ) 在总的行人 伤害数量中各占到了l 3 的比例，是行人最容易发生伤害的部位。此外，在伤害 等级为a i s 2 6 的行人伤害中，8 5 的伤害是由于碰撞车辆的车身所造成的，车 身结构中前保险杠( 2 1 1 ) 和发动机罩顶面( 1 7 5 ) 则是最主要的伤害源。 表2 - 3 行人伤害身体部位和车身接触部位分布案例数量1 4 1 ( 年龄 1 5 ) 淤= 头部面部颈部胸部腹部臀部手臂腿部未知总共 前保险杠 2 022333 乏5 7 2 主 6 0 5 发动机罩顶面融4 蚂 9l1 2 23 93 57 32 8l4 4 8 车 发动机罩前缘 7213 66 58 0 2 81 0 93 2 8 风挡玻璃 爹3 的鼍5 21 12 831 02 234 3 2 曳 风挡框架a 立柱豪。1 5 9 l 2 853 4 71 42 9622 8 4 散热器格栅 181 3656 39 6 其它 3 372 991 21 15 41 5 5 间接接触 1 21 61 764 2 道路表面接