（车辆工程专业论文）汽车自行车碰撞事故分析及骑车人头部损伤防护技术研究.pdf

硕士学位论文 摘要 骑自行车人作为道路交通使用者中的易受伤害群体，事故发生率极高。汽车 自行车碰撞事故中，骑车人颅脑损伤占身体各部位损伤总数比例仅次于下肢，是 造成死亡的主要原因。针对我国道路交通环境和交通模式开展汽车与自行车碰撞 的事故分析和防护技术研究是目前我国道路车辆交通安全领域急待解决的重要科 技问题，也是推动社会进步的一项重要工作。 本文采用的是事故分析与计算机仿真相结合的研究方法。通过在长沙地区采 集和整理2 0 0 1 2 0 0 6 年的汽车一自行车交通事故数据，进行了统计分析，探索长 沙地区汽车一自行车交通事故的规律、人一车环境以及交通损伤的分布特点。从 而为控制和预防长沙市自行车事故和更好地改进车辆的安全性设计及骑车人损伤 防护技术提供基础数据。通过对长沙地区一起典型的汽车一自行车碰撞事故采用 m a d y m o 软件进行事故重建，再现了汽车与骑车人碰撞动力学响应过程，仿真 结果与实际事故情况比较，验证了仿真方法和模型的可行性和准确性。借助计算 机仿真模型，针对影响骑车人颅脑动力学响应的主要因素：自行车速度、碰撞位 曼、汽车碰撞速度、车辆前部结构、刚度特性进行参数研究，研究了不同参数对 骑车人颅脑损伤的影响。为我国道路弱势群体的安全法规的制订和骑车人颅脑损 伤防护技术提供依据。 统计研究表明，长沙地区侧面碰撞在自行车事故中发生率最高，碰撞车辆类 型中小型客车所占比例最大，损伤部位统计中发现，头部损伤是导致重伤及死亡 的主要原因。参数分析表明，自行车的速度和碰撞位置对骑车者头部的接触位置 有很大的影响。在所有研究车型中，汽车车速，汽车前部结构中发动机盖边缘高 度对骑车人颅脑损伤影响都很大，对于s e d a n 车型，由于挡风玻璃是其车型事故 中骑车者头部直接的接触部位，故s e d a n 车型的挡风玻璃刚度对骑车人颅脑损伤 影响很大。 本文研究方法和研究结果对于指导道路弱势群体损伤研究和车辆安全性设计 有重要意义。 关键词：汽车自行车碰撞；颅脑损伤；事故分析；事故重建；参数研究 汽车自行车碰撞事故分析及骑车人头部损伤防护技术研究 a b s t r a c t b i c y c l i s tw a st h em o s tv u l n e r a b l er o a du s e r s ，a n df r e q u e n t l yi n v o l v e di nv e h i c l e t r a f f i ca c c i d e n c e s t h ep r o p o r t i o no ft h eh e a d - b r a i ni n ju r i e si nv e h i c l e b i c y c li s t sw a s n e x tt 0l o w e re x t r e m i t y ，w h i c ho f t e nr e s u l t e di naf a t a lc o n s e q u e n c e i nc h i n at h e b i c y c l i s ts a f e t yw a ss t i l ln o to n l yas e r i o u ss o c i a lp r o b l e m ，b u ta l s oa ni m p o r t a n t t e c h n i c a li s s u et ob eu r g e n t l yr e s o l v e d t h i st h e s i su s e dt h ei n t e g r a t e dm e t h o do fa c c i d e n ta n a l y s i sa n dc o m p u t e r s i m u l a t i o n o n ea i mo fi tw a si n v e s t i g a t i o no ft r a f f i ca c c i d e n t sa n di n j u r y e p i d e m i o l o g yb yu s i n gc o l l e c t e dv e h i c l e - b i c y c l i s ta c c i d e n td a t ad u r i n g p e r i o do f 2 0 0 1 2 0 0 6i nc h a n g s h a t h ea c c i d e n t sw e r ea n a l y z e di nt e r m so ft h ea c c i d e n t d i s t r i b u t i o n ， c h a r a c t e r i s t i c so f h u m a n v e h i c l e e n v i r o n m e n t ， a n dt r a f f i c i n j u f y m e c h a n i s m t h er e s u l t so ft h ea n a l y s i sc a nb eu s e dt oi m p r o v et h ea u t o m o b i l es a f e t y d e s i g n a n dt d e v e l o p b i c y c l i s ti n j u r yp r o t e c t i v es y s t e m ar e a l v e h i c l e b i c y c l i s t a c c i d e n ti nc h a n g s h aw a sr e c o n s t r u c t e db yu s i n gm a d y m om u l t i - b o d ys o f t w a r e i n t h er e c o n s t r u c t i o n ，t h ek i n e t i ct r a c ko fv e h i c l ea n db i c y c l i s tw e r ep r e s e n t e d t h em a i n d y n a m i cp a r a m e t e r sr e l a t e dt ob i c y c l i s ti n j u r yw e r ec a l c u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t c o m p a r e dw i t hr e a la c c i d e n t ，v a l i d a t e dt h ef e a s i b i l i t yo fs i m u l a t i o nm e t h o d o l o g ya n d a c c u r a c yo fm u t i - b o d ym o d e ap a r a m e t r i cs t u d yw a st oa n a l y s et h ei n f l u e n c eo f b i c y c l ev e l o c i t y ，i m p a c tp o s i t i o n ，v e h i c l ei m p a c tv e l o c i t yv e h i c l ef r o n ts t r u c t u r e sa n d s t i f f n e s so nb i c y c l i s th e a d b r a i ni n j u r i e s r e s u l to ft h es i m u l a t i o nc a nb ea d o p t e da sa b a s i so fe s t a b l i s h i n gs a f er e g u l a t i o no fv u l n e r a b l er o a du s e r sa n dt h ev e h i c l es a f e t y d e s i g n v r e h i c l e b i c y c l i s t a c c i d e n t a n a l y s i s i n d i c a t e s ：s i d ec o l l i s i o n sa r et h em o s t f r e q u e n tc o n f i g u r a t i o nf o rb i c y c l i s ta c c i d e n t s m a l lp a s s e n g e rc a ra r et h em a i nt y p e s o fa c c i d e n tv e h i c l e m o s ts e r i o u si n j u r i e sa n df a t a l i t i e sa r ec a u s e db yh e a di n j u r i e s p a r a m e t r i cs t u d yi n d i c a t e s ：b i c y c l ev e l o c i t ya n di m p a c tp o s i t i o nh a v eag r e a te f f e c t o nc o n t a c tp o s i t i o no fb i c y c l i s th e a d t i oa l lt h er e s e a r c h e dv e h i c l et y p e s ，v e h i c l e v e l o c i t ya n dt h eh e i g h to fv e h i c l eh o o de d g eh a v et h es i g n i f i c a n ti n n u e n c eo n h e a d b r a i ni n j u r i e s 7 i os e d a nt y p e ，t h ew i n d s c r e e ni st h em a i nc o n t a c t e dp o s i t i o no f b i c y l i s t sh e a di na c c i d e n t ，t h es t i f f n e s so fs e d a nw i n d s c r e e nh a v et h es i g n i f i c a n t i n f l u e n c eo nh e a d - b r a i ni n j u r i e s 硕士学位论文 t h er e s e a r c hm e t h o d o l o g ya n dr e s e a r c hr e s u l to ft h i ss t u d yh a v ea ns i g n i f i c a n t c o n t r i b u t i o nf o rv u l n e r a b l er o a du s e r sp f o t e c t i o na n dv e h i c l es a f e t yd e s i g n k e yw o r d s ：v e h i c l e - b i c y c l i s tc o l l i s i o n ；h e a d - b r a i ni n j u r y ；a c c i d e n ta n a l y s i s ； a c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o n ；p a f a m e t e rs t u d y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 律后果由本人承担。 作者签名： ， 0 参 日期圳年n 日 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。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 储签名力缈 剥磁名杨砑压 ，口孝p l 苎 )11(一、 1 p 月月 r 一，7 年，年 p 尜飞 n 愚 砂 期期 j 习 硕上学位论文 1 1 研究的背景与意义 第1 章绪论 随着汽车工业和交通运输的飞速发展，世界各国汽车碰撞交通事故问题相当 严峻，从2 0 0 0 年至2 0 2 0 年，全球交通伤亡的总数将上升6 5 左右。但是，各 国交通事故道路交通伤害的情况又不尽相同，高收入国家和低收入国家在事故中 死亡者有很大区别，前者死亡者多在车内，而后者死亡者多在车外。欧美发达国 家由于小车多，道路设施较好，人、车混杂的路面较少，车速较快，在交通事故 中驾驶员和乘员受到伤害的比例较高，死亡人数占全部道路交通死亡人数7 0 以 上引。 我国是一个拥有1 3 亿人口的发展中国家，也是全世界道路交通事故死亡人数 最多的国家之一。表1 1 是我国1 9 9 9 2 0 0 5 年间的交通事故概况。我国目前尚处 在经济发展中阶段国家行列，道路交通具有人与车平均道路少、道路等级低、混 合交通比例大等特点。据表1 2 公安部交通管理局发布的易受伤害道路使用者死 亡人员统计表明，2 0 0 5 年中国因道路交通事故导致死亡的行人2 4 4 5 1 人，摩托车 驾驶员2 1 8 9 5 人，骑自行车者1 1 4 0 7 人，分别占道路交通事故死亡人数的2 4 7 6 、 2 2 1 8 、1 1 5 5 。车外无防御能力的道路使用者，如行人，摩托车手、骑自行车 者的死亡人数占6 0 1 。因此，针对我国道路交通特点，对汽车碰撞时车外无防 御能力的道路使用者的安全性及防护措施的研究尤为重要。 表1 11 9 9 9 2 0 0 5 年道路交通事故概况 目前，自行车在世界范围内得到越来越广泛的应用。在瑞典8 2 的居民有自 行车h 1 ，在美国，至少3 0 的居民拥有1 辆自行车陆1 ；此外，荷兰、丹麦、德国 等居民也多乐意把自行车当成一种交通工具3 。我国则是真正的“自行车王国”， 汽车自行车碰撞事故分析及骑车人头部损伤防护技术研究 可以从以下几点得到证明：( 1 ) 目前全球自行车拥有量超过1 4 亿辆，人均0 2 5 辆， 中国拥有4 4 亿辆，人均0 3 6 辆；( 2 ) 全球自行车年产量超过1 亿辆。我国自1 9 7 9 年起，年产量已超过1 0 0 0 万辆，为各国之冠；( 3 ) 就自行车在交通中的作用，段 里仁统计了我国2 2 个大、中型城市居民出行方式中使用自行车所占的比例，结果 显示，绝大多数城市在3 0 以上 1 。 表1 2 易受伤害道路使用者死亡人员统计 虽然随着近几年摩托车、电动车等两轮车数量增加，近两年自行车事故相对 减少，但随着人们对环保意识的加强和很多城市禁摩令的出台，自行车事故在很 长一段时间还将会向上波动。自行车在路面上行驶数量基数大与道路交通基础设 施建设的相对滞后，使得机动车与自行车等非机动车混行拥挤在同一条道路上， 引发交通事故频繁发生。在我国，政府交通管理部门和统计部门对交通事故都有 不同侧重的统计。与机动车一机动车的交通事故相比，汽车撞自行车事故的研究 相对不足。可见，开展汽车与自行车碰撞的事故分析和防护措施技术研究，为交 通安全管理、车辆安全设计和人体保护提供了必要的参考依据，有利于减少我国 道路交通事故死亡人数和死亡率，同时推进我国相关法规的健全，具有比较重要 的应用价值和社会意义。 1 2 汽车一自行车碰撞事故研究的历史和现状 目前，欧美汽车工业发达国家对汽车交通事故中人体损伤生物力学和汽车被 动安全技术的研究已有四十多年的历史。从7 0 年代以来，人们使用生物样本、机 械假人、以及数学模型开展了多种研究，包括人体的损伤机理、耐受限度、汽车 前部结构设计对行人损伤严重程度的影响、损伤防护技术以及安全对策等哺1 。作 为占道路弱势群体死亡总数很大部分的骑自行车者的碰撞伤害及保护研究，相对 2 硕士学位论文 行人来讲，国内外研究都较少。骑自行车者保护研究工作主要可以归纳为以下几 个方面。 1 2 1 自行车事故统计及其形态分析 r a s a n e na n ds u m m a l a ( 1 9 9 8 ) 指出在芬兰，汽车一自行车事故中，大约有4 0 的事故是驾驶员和骑车者二者都没有意识到危险而没有时间做出避免事故的措 施。6 8 的骑车人事故前是发现了肇事车辆，但9 2 都以为汽车会遵守交通规则 而减速避旧1 。 k r 0 0 n ( 1 9 9 0 ) 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引。 美国的j o o n k ik i m 根据1 9 9 7 2 0 0 2 年北卡罗来纳州交警数据，利用多项 l o g i t 模型分析了在汽车一自行车碰撞事故中影响骑车人损伤严重度的影响因子。 严重影响因子有：汽车的超速、与卡车相撞的事故、醉酒的司机和骑车人、年龄 超过5 5 岁的骑车人、恶劣的天气、没有路灯的晚上1 。 t e t s u o ( 2 0 0 3 ) 等人从日本交通事故研究与数据分析研究所( i t a r d a ) 的数 据发现，1 0 0 0 事故死亡、重伤的人数随汽车类型不同而不同，这说明汽车前部几 何尺寸很大影像影响骑车者头部损伤程度。 国内清华大学的袁泉等人根据0 2 0 4 年北京事故再现研究室数据进行分析， 发现汽车一自行车碰撞事故最多的为小型客车n2 1 。 1 2 2 法规研究 目前安全法规都是基于行人保护，针对行人保护进行了一系列前期研究( 包 括假人实验、尸体实验、事故重建、事故数据分析和计算机仿真) 之后，建立起 行人保护法规试验程序。 1 9 9 4 年e e v cw g l 0 在已有各国研究成果的基础上，制定了局部部件试验法 规评估汽车前部车体对行人的头部和下肢造成的伤害，包括小腿冲击锤冲击保险 杠试验、大腿冲击锤冲击发动机罩缘试验、成人及儿童头部冲击锤冲击发动机盖 试验。欧盟已决定从2 0 0 5 年7 月1 日起，最迟于2 0 0 5 年1 0 月1 日，欧洲汽车工 业协会( a c e a ) 成员中所有新车型都必须通过2 项部件冲击试验( 下肢和儿童头 部) 。到2 0 1 0 年7 月1 日，8 0 的新车必须通过评价实验，2 0 n 年达到9 0 ，烈 2 0 1 2 年达到1 0 0 3 1 。 国际标准化组织( i s o ) 1 9 9 7 年在e e v c 的基础上，提出了行人保护的汽车 技术法规( i s o ，1 9 9 7 ) ，已经完成了成年行人头部保护的部件试验法规。i s o 局 部部件试验基本上是在e e v c 的基础上制定完成，因此i s o 试验法规与e e v c 法 规在试验规程上只是略有不同。 3 汽车一自行7 f 碰撞事故分析及骑乍人头部损伤防护技术研究 由于e e v c 在挡风玻璃框架、a 柱、挡风玻璃与顶盖连接区域还没有提出相 应的试验方法，i h r a ( i n t e r n a t i o n a lh a r m o n i s e dr e s e a r c ha c t i v i t i e sc o m m i t t e e ) 将制 定用于这些区域的试验方法。 t e t s u o ( 2 0 0 3 ) 等人指出行人的保护法规试验程序需要改进后才能有效的评 价骑自行车者的损伤风险。在头锤冲击试验中，选择冲击的区域和角度应该考虑 事故中骑车人和行人不同的运动学响应。由于碰撞过程中，骑车人在发动机盖上 有一个滑滚运动，头部撞击骑车位置要更靠后，撞击角度比行人也要更小1 。 根据摩托车事故类型观察研究，国际标准化组织( i s o ) 制定了i s 0 1 3 2 3 2 摩 托车驾驶员碰撞保护设备的研究性评估试验和分析程序。w m m c l u n d i e 根据观 察自行车与汽车碰撞的事故类型，目前f 在起草一份针对骑自行车者的碰撞保护 设备的研究性评估试验和分析程序。见图1 1 ： 胡 喀j ，疗? 、 b 聱d 矗c c t l o no ft r a 、e l 岬。0 图1 1 针对骑自行车人的i s 0 1 3 2 3 2 标准改写本的草案图 1 2 3 损伤机理及生物力学的研究 骑车人的损伤机理与行人有相同之处，但也存在定的差异。 骑车人头部的碰撞运动学响应参数由三个部分组成：头部相对车的碰撞速度， 碰撞角和碰撞位置。一般的头部损伤模式是头骨骨折和脑部损伤，包括颅骨骨折， 脑挫伤，脑震荡，脑肿胀和弥漫性神经损伤。骑车人头部与车体前部碰撞，有三 种损伤机理：集中压缩力，颅骨里的粘性加载和对头脑的惯性加载。颅骨骨折主 要取决于颅骨的碰撞位置和接触区域，当碰撞力超过头盖的承载极限时就会发生 颅骨骨折，颅骨骨折可能会与脑损伤同时发生。当头部在加速度场受惯性力作用 时，脑与颅骨就有相对的运动，弥漫性神经损伤是由强的剪切应变和应变率造成 的。汽车一自行车碰撞事故中，骑车人头部既遭受直接的碰撞力与线性加速度， 也有角加速度与角速度，所以在复杂的碰撞响应下，骑车人头部有很复杂的颅脑 损伤。在没有更合适的头部损伤标准的情况下，用h i c l 5 来预测头部损伤和评价 头部与发动机盖和风挡玻璃碰撞的危险性。当头部加速度超过4 5 0 0 r a d s 2 和角速 度超过5 0 r a d s 时，桥血管有可能会破裂。 4 影窗平鸯 硕士学位论文 胸骨的侧面碰撞是最常见的胸部损伤情况，成人与年龄稍大的儿童在自行车 事故中的胸部损伤主要是与发动机盖顶部碰撞造成的，胸部损伤主要有两种损伤 机理：胸部压缩和胸腔里的粘性加载。胸部的压缩力会造成肋骨和胸骨骨折，胸 腔积血( h e m o t h o r a x ) 和气胸( p n e u m o t h o r a x ) 。粘性和惯性加载会造成肺部挫伤 和桥血管破裂。在事故中这两种损伤机理往往是伴随发生的。胸部损伤标准( t t i ) 和粘性指标( v c ) 用来评价在钝性碰撞中的胸部损伤。研究表明成人和儿童的 t t i 极限指标分别为8 5 9 和6 0 9 引，成人的最大粘性指标v c 最大极限值为1 m s 引。 盆骨在与坚硬的发动机盖或者发动机盖顶部发生侧面碰撞时也会受到损伤， 在汽车与骑车人碰撞过程中，盆骨受集中力作用是主要的损伤机理。实验表明盆 骨5 的女性和5 0 的男性受侧面碰撞力的极限平均值分别为4 k n 和1 0 k n n7 1 。 骑车人的下肢的损伤与行人有一定的差异。骑车人一般有会阴部与自行车鞍座 接触挤压，形成皮下出血或表皮脱落。自行车的车架钢管会造成骑车人下肢内侧的 损伤。由于骑车人的弯膝姿势，汽车的发动机盖边缘会引起骑车人的大腿骨、胫骨、 腓骨骨折，而在行人碰撞中，发动机盖一般只引起大腿骨的骨折，很少见到由发动 机盖边缘引起的胫骨、腓骨骨折。由保险杠引起的胫骨、腓骨骨折中，骑车人的骨 折距足底高度一般比行人要低。相比行人，膝盖部位的剪切力和弯矩造成了韧带的 拉伸和铰面的挤压而导致韧带撕裂，这种伤在骑车人事故中很少见到n 引。 侧面剪切和弯矩被认为是造成下肢与保险杠接触碰撞损伤的重要因素。发动 机盖边缘是造成胫骨和大腿骨损伤的主要车体部位。绝大部分的胫骨损伤主要是 由于侧面撞击所产生的弯矩所造成，胫骨的弯曲会在加载面造成挤压应力而在相 反的面产生拉伸应力。胫骨的损伤机理同样适应于腓骨和大腿骨骨折。实验表明， 碰撞力峰值在3 k n 1 0 k n 之间，力矩在3 2 0 n m 时大腿骨会产生骨折现象n9 。，胫 骨损伤碰撞力峰值和力矩分别是2 5 8 k n ，2 0 0 一4 0 0 n m 。 膝部的损伤通常是由保险杠撞击膝盖部位和通过膝盖铰传递的力造成的，它 包括大腿骨和胫骨骨节骨折，相比行人事故，自行车事故中，韧带撕裂很少见到。 1 2 4 事故重建与仿真研究 成功地事故重建对骑车人安全研究是很重要的，可以了解骑车人在碰撞过程 中的动态响应和损伤机理的详细信息，仿真的损伤参数和实际不同身体部位的损 伤关系可以扩展我们对损伤机理和活人人体耐受极限的了解。 目前国内外的一些自行车事故重建中，多数是了解碰撞过程中骑车人的动力 学响应过程，j a n s s e na n dw i s m a n s 在1 9 8 5 年通过仿真和事故统计发现，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心0 i 。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项，数据显示撞击挡风玻璃中心区域和车顶， 5 汽车自行车碰掩事故分析及骑车人头部损伤防护技术研究 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、比较高的骨盐位置、 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。 荷兰的h u i _ i 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前部形状和刚度影响要大得多心。 德国的o t t ed i e t m a r 和国内吉林大学的许洪国对自行车与骑车人的抛距与汽 车碰撞速度之间的关系进行了深入研究凹2 23 l 。 1 2 5 为保护骑车人的各种安全防护方法 骑车人安全防护的方法主要与行人相同，主要分为两类：主动安全和被动安 全。主动安全的目的在于避免车辆和骑车人碰撞的发生，被动安全的目的在于当 碰撞不可避免时尽量减小骑车人的损伤心引。 主动安全方法与行人保护相同的主要有： ( 1 ) 加强交通管理，采用车辆限速装置； ( 2 ) 采用辅助制动装置，降低汽车与骑车人碰撞的速度； ( 3 ) 采用电子探测装置，避免事故的发生； ( 4 ) 采用视野扩大辅助装置，加强驾驶员事故预见能力。 另外，丹麦的研究表明，沿城市街道设立专用的自行车道可使骑车者的死亡 人数下降3 5 心5 1 。 被动安全方法与行人保护相同的主要有： ( 1 ) 低速碰撞下友好的汽车前部结构设计( 保险杠、发动机盖和挡风玻璃等) ； ( 2 ) 高速下可弹出的发动机盖设计； ( 3 ) 高速下a 柱气囊设计； ( 4 ) 高速下保险杠气囊设计。 目前，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，而在撞击事故中戴头盔的人 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心引。 1 3 课题来源 本文的研究课题来源于国家自然科学基金项目“交通事故中乘员头部损伤防 护技术与方法研究”，项目编号1 0 4 7 2 0 3 1 。该项目以损伤生物力学、多刚体与有 6 硕：卜学位论文 限元方法为基础，采用碰撞试验和计算机仿真技术，研究交通事故中乘员及行人， 骑车人的生物力学响应，确定导致头部损伤的原因及其与汽车安全相关的因素。 由此讨论汽车乘员、行人及骑车人在车辆交通事故中的头部损伤防护方法和途径。 本文的研究同时也属于湖南大学与美国通用汽车公司合作的“中国易受伤害 道路使用者事故调查研究( g m r d 2 0 9 ) ”项目的一部分。事故调查研究小组在湖 南大学成立，由湖南大学、医疗机构和交通管理部门的研究人员组成，在长沙地 区开展深入的车辆交通事故调查研究。该项目共分为三个工作任务( w p s ) ：w p l 按照拟定的采样标准采集易受伤害道路使用者的事故数据，包括现场事故调查和 数据采集；w p 2 车辆碰撞事故统计分析和深入的研究，包括利用采集的事故数据 进行事故重建分析；w p 3 一建立易受伤害道路使用者( v r u ) 事故数据库。 1 4 本文研究目的和主要工作 本论文工作目的是通过事故统计分析，探索长沙地区汽车一自行车碰撞事故 的规律、人一车一环境的特点以及交通损伤的分布特点。进而对自行车交通事故 进行深入的分析研究，为更好地改进车辆的安全性设计及骑车人损伤防护系统的 设计提供依据。通过建立一系列汽车骑车人碰撞多刚体模型，结合损伤生物力学 原理，分析碰撞过程中骑车人颅脑动力学响应，讨论基于被动安全的骑车人颅脑 损伤防护技术。 本论文中提到的骑车人是指骑自行车人。自行车事故是指一辆机动车与一个 或多个骑车人相撞的事故。 本论文研究是道路弱势群体损伤保护研究的一个具有重要意义的组成部分。 其主要工作列举如下： ( 1 ) 针对汽车一自行车碰撞中骑车人损伤防护进行一定量的文献研究工作， 以对国内外研究情况有清晰的认识，并叙述身体各部位损伤生物力学知识及损伤 评价指标； ( 2 ) 针对长沙地区2 0 0 1 2 0 0 6 年自行车事故进行事故数据采集、统计，研究 长沙地区汽车一自行车交通事故的规律、人车环境以及交通损伤的分布特点， 深入了解长沙地区自行车交通事故本质； ( 3 ) 研究深入事故调查的理论和方法，建立汽车。自行车碰撞仿真模型。针一 对一起典型汽车一自行车碰撞事故进行事故重建，再现汽车、自行车、骑车人碰 撞动力学响应过程。初步验证模型的准确性和仿真方法的可行性； ( 4 ) 利用汽车一自行车碰撞仿真多刚体模型，采用因子试验法，改变自行车 车速、碰撞位置、汽车车速及汽车前部结构设计参数，研究其对骑车人颅脑损伤 的影响； ( 5 ) 根据以上的工作，提出可行的骑自行车者头部碰撞损伤防护措施。 7 汽车自行车碰掩事故分析及骑车人头部损伤防护技术研究 最后对论文研究工作进行总结，展望了进一步的研究方向，对当前研究所遇 到的若干问题提出建议和解决方案。 8 硕士学位论文 第2 章汽车一自行车碰撞事故统计分析研究 2 1 国内外事故调查现状 交通事故统计分析就是通过对大量交通事故现象及其特点的具体分析，找出 其共性的方面，再经过分析与综合，找出规律性的倾向，进而从宏观上去认识、 把握交通事故的发展趋势，并可从具体的情况入手，逐个地采取有效的方法和措 施，去改善交通安全状况，预防和减少交通事故。交通事故统计分析还是深入理 解汽车交通事故的本质和规律，是提高道路使用者安全性的关键，为我国的汽车 安全、交通安全研究提供有价值的基础数据。交通事故统计分析具体应用方面有： 事故再现研究，事故原因分析，人体保护研究，交通安全措施，交通事故预防， 交通事故对策，道路交通建设，道路交通管理。 国外在交通事故统计方面已经有了相当成熟的研究。美国国家公路交通安全 管理局( n h t s a ) 建立了一个关于交通事故统计的数据库系统a u t o m o t i v e s a m p l i n gs y s t e m ( n a s s ) 。该系统对交通事故进行了比较详细的分类，可以根据 需要查询美国近年来各种类型的交通事故。美国迈阿密大学的威廉莱曼损伤研 究中心( w l i r c ) 一直致力于交通事故中人体损伤的研究，j a u g e n s t e i n 等人根 据n a s s 和w l i r c 的统计数据，提出了车一车侧面碰撞中的人体损伤模型，并 由统计分类比较了两个数据库数据的异同，得到了该类事故的人体损伤特征心”。 日本在1 9 9 2 年设立的交通事故综合分析中心( i t a r d a ) 综合了各部门如警察厅、 国土交通厅等关于交通事故的数据，构筑了交通事故综合数据库，提高了事故调 查的分析水平，实现了人一车一环境等综合事故分析体制。此外还有德国有汉诺 威医学院和柏林工业大学组织的深入交通事故调查研究小组，英国有国家交通研 究试验室的联合碰撞损伤研究( c c i s ) 事故深入调查小组，荷兰有v o r 、l m r s i g 和p o r s 三家交通事故调查机构，澳大利亚有m o n a s h 大学事故研究中心负责碰 撞事故调查研究小组心引。 国内目前随着我国汽车工业的发展和汽车保有量的增加，国外大型汽车公司 开始与我国合作开展交通事故调查研究，以了解和学习日益密集的中国交通环境 的情况和知识，保障自身产品适应中国的交通环境，发挥其出色的性能。例如， 2 0 0 5 年，大众汽车与上海同济大学在中国第一次开展交通事故研究项目。2 0 0 6 年，瑞典沃尔沃宣布，将与中国的大学共同设立交通事故研究中心，致力于减少 交通事故及事故死亡人数。 9 汽车自行车碰撞事故分析及骑车人头部损伤防护技术研，冗 2 0 0 6 年1 0 月，北美通用汽车公司与湖南大学汽车车身先进设计与制造国家 重点实验室汽车安全研究中心合作，针对易受伤害道路使用者事故进行深入的事 故调查研究。湖南大学成立了一个专门的工作组，由大学、医院和交通管理部门 的研究人员组成。项目任务包含以下三个工作包( w p s ) 的内容：w p l 按照某种 取样标准采集脆弱道路使用者的事故数据：w p 2 一利用事故重建进行事故分析； w p 3 建立脆弱道路使用者( v r u ) 事故数据库。 但是，同国外发达国家相比，我国的交通事故研究仍然处于起步阶段，虽然 已有2 0 余年的历史，可是事故研究的成果却很少，究其原因，缺乏国家或地方一 级的可靠资料是最严重的问题之一。 2 2 长沙地区交通事故数据的采集 长沙是湖南省省会，位于华中地区，辖芙蓉、天心、岳麓、开福、雨花五区， 长沙、望城、宁乡、浏阳三县一市。2 0 0 0 年人口普查常住人口为6 1 3 万人，机动 车2 5 5 ，5 9 9 辆。长沙交通便利，是全国4 5 个公路主枢纽城市之一，以长沙为中心 的全省高速公路网已经形成，1 0 7 、3 1 9 、京珠高速等公路均汇于市区。 湖南大学坐落于长沙市岳麓区，湖南大学机械与汽车工程学院从1 9 9 4 年开始 积极从事车辆交通安全问题的研究，曾经与长沙交警部门和医院合作进行过城市 道路车辆碰撞事故和行人事故调查研究。2 0 0 6 年，与美国通用汽车研究开发中心 合作的“中国城市交通中易受伤害道路使用者与车辆碰撞事故的深入调查研究 ( g m r d 2 0 9 ) 项目启动，本项目成立了专门的事故调查研究小组，开始全面开展长 沙市交通事故数据的收集工作。主要数据采集有：长沙市整体交通事故数据的采 集，交警详细事故案卷数据采集，长沙市医院交通伤数据采集，现场事故调查数 据采集。 2 2 1 长沙市整体交通事故数据的采集 数据来源是长沙市交警事故数据库( c h a n g s h at r a f f i cp o l i c e a c c i d e n t d a t a b a s e c t p a d ) 。该数据库由长沙市交警支队事故科负责管理和更新，汇总了 芙蓉、岳麓、天心、开福、雨花、绕城高速、长沙县、望城、宁乡、浏阳十个下 属交警大队的事故数据。首先，事故调查小组与湖南省交警总队和长沙市交警支 队等交通管理部门建立联系，在相关干警的协助下从长沙市交警数据库中全面收 集了2 0 0 1 年1 月1 同至2 0 0 6 年1 2 月3 1 日的道路交通事故总数共2 1 6 8 8 起，根 据机动车与道路使用者之间发生的人身伤亡事故定义为警察数据样本事故总数， 共1 6 2 9 2 起。来自长沙市交警事故数据库的数据主要包含辖区代码、事故编号、 事故时间、事故发生地点、直接损失折款、事故原因、天气、现场情况、事故形 态、路面情况、路面材料、道路横断面、路口路段类型、道路线形、道路类型、 1 0 硕士学位论文 交通控制方式、照明条件、姓名、性别、年龄、伤害程度( 轻伤、重伤、死亡) 、 驾龄、受伤部位、交通方式等信息。 2 2 2 交警详细事故案卷数据采集 交警详细事故案卷数据采集是根据整体交通事故数据采集得到的行人和自行 车事故的编号到岳麓区、芙蓉区等下属大队采集详细的事故档案信息。到目前为 止共采集到事故档案2 3 0 份，其中自行车事故数据2 8 份。取样标准是随机并尽可 能全面。来自事故档案的数据包含更详实的事故信息，包括事故过程的详细描述、 事故草图、现场照片、车辆损坏部位的照片和记录、部分人员损伤记录等。可用 于深入的分析和事故重建，缺失数据可通过回访和回勘的方式取回。 2 2 3 长沙市医院交通伤数据采集 长沙市医院交通伤数据按来源为湖南省武警总队医院、中南大学湘雅二医院 和长沙市第四人民医院的病案管理中心采集交通伤数据。这三所医院所在的岳麓 区和芙蓉区是本项目重点关注的辖区。三家医院均已实现病案数据库电脑化管理， 数据库中可查询病案的基本信息，包括病案编号、受伤时间、入院时间i 、出院时 间、姓名、性别、年龄、损伤情况、致伤原因等。 2 2 4 现场事故调查数据采集 出于警察的职责和工作范围决定了他们所收集的信息对事故损伤流行病学研 究来说是十分有限的，有很多最宝贵的数据会在现场丢失，因此，湖南大学成立 了事故现场进行调查专门小组进行道路弱势群体交通事故的“深入分析 ( i n d e p t h ) ”，用专门的仪器设备尽可能的详细记录事故现场情况，进行一些专项 或有代表性的事故数据的收集与分析。 目前湖南大学事故调查小组已经在长沙市岳麓区开展工作，下一步将继续在 芙蓉区、天心区开展事故调查。在岳麓区的工作方式是跟随出警式。一旦事故发 生，接到报警电话后，调查小组跟随岳麓区交警队事故科值班交警一起从1 2 2 出 警中心出发，1 5 分钟内赶赴现场。调查组分成是4 小组，每小组两人，每组每周 去一次交警队1 2 2 出警中心跟随交警值班。调查小组赶赴现场后，立即对事故现 场进行摄像、勘测、画图；对事故相关人员进行事故陈述记录并记录联系方式； 对环境信息进行表格登录；由于现场情况复杂性和紧迫性，对事故车辆碰撞点信 息需要现场调查结束后到事故车辆停车场进行仔细测量，由于伤者抢救的紧急性， 当事故调查小组赶到现场时，一般伤者都被送往附近医院抢救治疗，故对伤者信 息的采集，也需要在现场调查结束后赶往其救治医院对其基本信息如身高、体重、 医疗诊断记录及事故经过进行采集。 1 1 汽车自行车碰撞事故分析及骑车人头部损伤防护技术研究 2 3 自行车事故统计分析 本章自行车事故统计分析数据来源于长沙市整体交通事故数据。根据长沙市 交警支队提供的2 0 0 1 2 0 0 6 年道路交通事故数据，对交通事故进行分类，筛选出 自行车事故，对长沙市的自行车事故进行了分析和讨论，得出长沙市2 0 0 1 2 0 0 6 年自行车事故情况特点和规律，从而为控制和预防长沙市自行车事故和更好地改 进车辆的安全性设计及骑车人损伤防护技术提供依据。 长沙市2 0 0 1 2 0 0 6 年自行车事故共1 5 7 0 起，占警察数据样本事故总数的 9 6 3 ，伤亡人数1 5 9 4 人。自行车事故样本的分析包括对事故基本情况、车辆类 型、道路环境、人员情况四个方面的信息进行的统计分析。事故基本信息包含自 行车事故的区域分布、事故形态、现场情况和事故时间信息。人、车、环境信息 是指骑车人的性别、年龄、损伤情况、肇事车辆类型、天气、道路环境、交通控 制方式等。 2 3 1 事故基本信息统计分析 2 3 1 1 事故区域分布 表2 1 长沙市各辖区自行车事故分布情况 2 0 0 1 。2 0 0 6 年长沙总共1 5 7 0 起自行车事故，共有1 5 9 4 个骑车人伤亡。这些 事故分布在长沙的十个地区。具体分布情况见表2 1 。由表可知，自行车事故主 要发生在市区( 芙蓉区、天心区、岳麓区、开福区、雨花区) ，占6 7 2 ，郊县( 长 沙、望城、浏阳、宁乡) 的自行车事故占3 0 9 ，绕城高速路上的骑车人事故率 硕+ 学位论文 最低，0 1 。市区自行车流量大，交通拥挤，因此事故率高，其中又属开福区自 行车事故率最高，占2 4 1 ，岳麓区最低，仅占2 5 。 2 3 1 2 事故类型 自行车事故类型按机动车撞伤人数的数量分类，如表2 2 所示。一车撞一人 的事故1 5 4 7 起，占9 8 5 ，一车撞两人的事故数2 2 起，占1 4 ，一车撞3 人的 事故数1 起，占0 1 。由此可见，一车撞一人是自行车事故的主要类型。 表2 2 自行车事故类型分布情况 2 3 1 3 事故形态 自行车事故形态中，侧、前、后碰撞是指按机动车撞自行车方位分类。从表 2 3 可看出，自行车事故中侧碰撞占总事故形态数将近一半，为主要碰撞形态。 侧面碰碰在自行车事故中发生率最高也表明了骑车人在过马路时是最危险的，后 面仿真工作研究重点碰撞形态可为侧面碰撞。刮擦包括同向刮擦和对向刮擦，其 中同向刮擦1 4 8 起，对向刮擦3 1 起。碾压在自行车事故种所占比列不大，仅占 1 1 。 表2 3 自行车事故形态分布情况 种主要自行车事故形态与骑车人损伤程度的关系见表2 4 。由表可看出碾压 在事故总数中虽然所占比例不大，但它的致死率是几种事故形态种最高的，达到 2 7 8 。在1 8 个碾压事故中，货车和大中型客车有1 5 个。死亡人数中侧碰撞和 前碰撞人数最多