王興華, 彭 勇,2

(1.中南大學 軌道交通安全教育部重點實驗室 交通運輸工程學院，長沙 410075；2.中南大學 高性能復合材料制造國家重點實驗室，長沙 410006)

與行人一樣，由于在交通事故中缺乏有效的保護，自行車騎行者和摩托車騎行者也是易受傷害的道路使用者。2013年，全世界道路交通死亡人數為125萬人，其中自行車騎行者占4%，摩托車騎行者占23%[1]。在我國，自行車騎行者的死亡和受傷人數則僅次于行人，是第二大易受傷害的道路使用者群體。據研究，在交通事故中，頭部和下肢是最容易受傷的身體部位[2]。其中，頭部損傷是最主要的致命因素，占所有易受傷害的道路使用者的致命損傷的80%[3]。因此，研究自行車騎行者與摩托車騎行者在交通事故中的碰撞響應，尤其對于頭部和下肢，對于減輕和減少交通事故中這兩類易受傷害的道路使用者的損傷程度及死亡人數具有十分重要的現實意義。

目前，通過深度事故數據分析[4]，數學和統(tǒng)計模型[5]，數值仿真[6-8]以及假人碰撞試驗[9]，行人在交通事故中的碰撞響應已經被深入地研究了。研究發(fā)現，車速，車型，行人尺寸，行人姿態(tài)，碰撞位置等對行人的碰撞響應有顯著影響[10-12]。

近年來，由于自行車騎行者和摩托車騎行者的死亡人數日益增加，針對這兩類易受傷害的道路使用者安全的研究已成為國內外的研究熱點。Peng等[13]基于GIDAS數據庫中的402例行人事故和940例自行車事故，通過邏輯回歸模型獲得了行人和自行車騎行者關于車速的頭部損傷風險曲線，并以其中的22例行人事故和18例自行車事故為例，進一步對比分析了行人和自行車騎行者在交通事故中的動力學響應和頭部損傷機理。Nie等[14]通過自行車事故重建，分析了自行車騎行者的頭部碰撞條件，并得到了自行車騎行者關于車速的頭部損傷風險曲線和下肢骨折風險曲線。Maki等[15]對比分析了日本的汽車-自行車和汽車-行人事故，發(fā)現自行車騎行者頭部是否與汽車發(fā)生碰撞與自行車與汽車的初始碰撞位置，汽車前端的幾何形狀和自行車移動速度有關，并且由于自行車騎行者腿部為屈膝姿勢，自行車騎行者和行人遭受的腿部損傷及其致傷原因存在差異。Guo等[16]通過重建兩起典型且真實的汽車-摩托車事故，分析了碰撞過程中摩托車騎行者和摩托車搭乘人的運動狀態(tài)以及受力情況。盡管交通事故中行人、自行車騎行者和摩托車騎行者的碰撞響應已被廣泛地研究了，但是由于自行車騎行者與摩托車騎行者在碰撞前姿態(tài)不同，且自行車和摩托車在外形、重量上相差甚多，因此二者在事故中的頭部及腿部動態(tài)響應的差異也需要進一步研究和討論。然而，目前有關于該方面的研究十分稀少。

本文基于PC-Crash事故重建軟件，利用多剛體人體、自行車模型、摩托車模型和汽車模型對典型汽車-自行車和汽車-摩托車事故進行仿真模擬。并進一步比較了交通事故中自行車騎行者和摩托車騎行者頭部及腿部動態(tài)響應的差異。此研究結果可為制定合適的自行車騎行者和摩托車騎行者保護措施提供參考。

1 方法

1.1 事故重建模型

PC-Crash為奧地利DSD(Dr. Steffan Datentechnik GmbH)公司開發(fā)的專用于事故再現分析的軟件，該軟件包含兩大部分：PC-Rect，PC-Crash，前者可將現場拍攝所得圖片轉換成分析系統(tǒng)所需的DXF文件；后者為事故再現分析系統(tǒng)，其中包含軌跡、拖車、多剛體模型及基于動量守恒的碰撞模型等，可實現對常見事故形態(tài)的模擬分析[17]。本文中，PC-Crash 8.0版被用于仿真研究。

該研究中，從PC-Crash車輛數據庫中調用車型“AUDI-A4 1.8-AUTOM”和“AUDI-Q7 3.0 TDI-AVANT”，分別用來代表小轎車和越野車。其中，小轎車重為1 340 kg，長為4 480 mm，寬為1 730 mm，高為1 420 mm；越野車重為2 370 kg，長為5 090 mm，寬為1 980 mm，高為1 730 mm。汽車前端形狀和汽車前端元件剛度均采用PC-Crash默認值。選用多剛體模型“bicycle 1 + driver 010910”和“maxi + driver 010910”用來模擬自行車和自行車騎行者系統(tǒng)及摩托車和摩托車騎行者系統(tǒng)。其中，騎車人由27個剛體組成，包括頭部、上肢、下肢、軀干和臀部等，剛體與剛體之間通過鉸鏈連接。根據中國人的實際人體參數，仿真中騎車人質量設為60 kg，身高設為168.5 cm[18]。自行車由前輪、后輪、鏈輪、車座、車座支撐管、下管、車把和前叉8個剛體組成?；谖覈畛Ｒ姷?6英寸自行車，仿真中自行車質量設為15 kg，高度設為85 cm。摩托車則由前輪、后輪、燃料箱、發(fā)動機、車座、車把和前叉7個剛體組成。質量和高度保持PC-Crash默認值，分別為47 kg和96 cm。參照《典型交通事故形態(tài)車輛行駛速度技術鑒定》[19]，汽車與路面摩擦系數為0.8，摩托車與路面摩擦系數為0.65，兩輪車騎行者與路面摩擦系數為0.52，其余參數保持PC-Crash默認值。多剛體模型,如圖1所示。小轎車和越野車的輪廓參數,如圖2所示。多剛體模型參數,如表1所示。

(a)自行車及自行車騎行者模型(b)摩托車及摩托車騎行者模型(c)小轎車模型(d)越野車模型

圖1 多剛體模型

Fig.1 Multibody body

1.2 實驗方案

在汽車與兩輪車的碰撞事故中，側面碰撞場景是最為普遍的[20]，故本文只考慮汽車與兩輪車側面碰撞的情況。由于兩輪車的長度相對于汽車的寬度是不能忽略的，并且騎車人頭部是否與車輛發(fā)生碰撞與車輛和兩輪車的初始碰撞位置有關，因此本文將針對汽車與兩輪車的初始碰撞位置為兩輪車的前部、中部和后部三種情況進行分析。如圖3所示。

(a) 小轎車輪廓參數

(d) 越野車輪廓參數

高度/mm質量/kg與地面的摩擦因數與車輛的摩擦因數恢復系數自行車騎行者/摩托車騎行者1685600.520.200.1自行車850150.400.700.1摩托車960470.650.700.1

(a)兩輪車前部(b)兩輪車中部(c)兩輪車后部(以小轎車-自行車碰撞為例)

圖3 側面碰撞時汽車與兩輪車的接觸部位

Fig.3 Contact position of vehicle and two-wheeler

由于城市道路交通擁堵比較嚴重，車輛行駛速度常常處于中低速范圍，因此，仿真實驗中車輛碰撞速度取30 km/h、35 km/h、40 km/h、45 km/h和50 km/h。據統(tǒng)計，汽車與自行車碰撞事故中，自行車速度一般為10～15 km/h，因此，仿真實驗中兩輪車移動速度設為10 km/h。為了模擬車輛在干燥路面上的剎車行為，車輛減速度設置為0.75g[21]，而兩輪車無任何制動措施。根據車輛碰撞速度及車輛與兩輪車的初始碰撞部位進行碰撞仿真實驗，共需60次仿真實驗。記錄數據主要有碰撞過程中騎車人頭部速度、加速度以及騎車人撞擊側小腿撞擊力。

2 結 果

以碰撞速度為40 km/h，汽車與兩輪車的初始碰撞部位為兩輪車中部的碰撞仿真為例，本文對兩輪車騎行者的動態(tài)響應過程、頭部合成加速度、頭部合成速度、HIC15[22-23]以及撞擊側小腿撞擊力進行了對比分析。

2.1 兩輪車騎行者動力學響應過程

在汽車-兩輪車交通事故中，側面碰撞是最常見的碰撞場景。表2展示了自行車騎行者和摩托車騎行者在與小轎車及越野車碰撞時的動態(tài)響應過程。該過程大致可以分為三個階段，即碰撞階段、爬升/旋轉階段和滑落階段。碰撞階段，兩輪車騎行者的撞擊側小腿與車輛保險杠首先接觸，緊接著兩輪車騎行者的臀部或大腿與發(fā)動機罩前沿發(fā)生碰撞。該階段，兩輪車騎行者的下肢被車輛推著向前運動，而上肢則幾乎靜止不動。爬升/旋轉階段，在小轎車-自行車碰撞仿真中，自行車騎行者上肢首先在發(fā)動機罩上滑動直至骨盆與發(fā)動機罩接觸。隨后，自行車騎行者上肢以骨盆與發(fā)動機罩的接觸點為旋轉中心向風擋玻璃旋轉，最后自行車騎行者頭部與風擋玻璃下端發(fā)生碰撞。在小轎車-摩托車碰撞仿真中，摩托車騎行者上肢直接以腿部與發(fā)動機罩前沿的接觸部位為旋轉中心，以更大的旋轉半徑向風擋玻璃旋轉，最后摩托車騎行者頭部與發(fā)動機罩和風擋玻璃的交界處發(fā)生碰撞。在與越野車的碰撞仿真中，由于越野車前端較高，自行車騎行者和摩托車騎行者上肢直接以骨盆與發(fā)動機罩前沿的接觸部位為旋轉中心向發(fā)動機罩后端旋轉，最后兩輪車騎行者頭部與發(fā)動機罩后端發(fā)生碰撞?；潆A段，兩輪車騎行者沿著發(fā)動機罩或風擋玻璃向下滑落，最終與地發(fā)生碰撞。

2.2 兩輪車騎行者頭部及腿部碰撞條件

圖4展示了側面碰撞過程中，兩輪車騎行者合成頭部速度曲線。與小轎車碰撞時，自行車騎行者頭部與車輛發(fā)生碰撞的時間更早。而摩托車騎行者的頭部碰撞速度高于自行車騎行者的頭部碰撞速度，分別為37.01 km/h和30.88 km/h。這可能是因為摩托車騎行者具有更大的旋轉半徑，摩托車騎行者頭部受到的外力矩更大。與越野車碰撞時，自行車騎行者和摩托車騎行者頭部與車輛發(fā)生碰撞的時間較為接近。而且自行車騎行者的頭部碰撞速度高于摩托車騎行者的頭部碰撞速度，分別為43.00 km/h和40.80 km/h。

表2 側面碰撞中兩輪車騎行者的動力學響應過稱

圖4 側面碰撞中兩輪車騎行者的合成頭部速度

圖5展示了側面碰撞過程中，兩輪車騎行者的合成頭部加速度曲線。由于兩輪車騎行者的翻滾運動，在峰值出現之前，合成頭部加速度曲線存在一些小幅的波動。與小轎車碰撞時，摩托車騎行者的合成頭部加速度具有更大的峰值，并且摩托車騎行者遭受的頭部損傷更為嚴重，其HIC15值為458.3。這可能是因為摩托車騎行者直接以腿部與發(fā)動機罩前沿的接觸部位為旋轉中心，具有更大的旋轉半徑，并且摩托車騎行者沒有在發(fā)動機罩上滑動而損失動能。與越野車碰撞時，自行車騎行者遭受了更嚴重的頭部損傷，其HIC15值為558.3。這可能是因為自行車座高較高，自行車騎行者繞骨盆旋轉的旋轉中心位于骨盆下部，具有更大的旋轉半徑。

圖5 側面碰撞中兩輪車騎行者的合成頭部加速度

Fig.5 The resultant head acceleration of two-wheeler rider in side collision

圖6展示了側面碰撞過程中，兩輪車騎行者撞擊側小腿撞擊力曲線。與小轎車碰撞時，自行車騎行者撞擊側小腿承受的撞擊力大且持續(xù)時間長，這表明該種情況下自行車騎行者更容易遭受嚴重的腿部損傷。與越野車碰撞時，摩托車騎行者撞擊側小腿承受的撞擊力大于自行車騎行者撞擊側小腿承受的撞擊力。

圖6 側面碰撞中兩輪車騎行者撞擊側小腿撞擊力

Fig.6 The struck crus impact force of two-wheeler rider in side collision

3 討 論

圖7描述了側面碰撞過程中，車速與兩輪車騎行者平均頭部碰撞速度的關系。與小轎車碰撞時，自行車騎行者和摩托車騎行者的平均頭部碰撞速度都隨車速的增加而增加。但摩托車騎行者的平均頭部碰撞速度近似于車輛碰撞速度，而自行車騎行者的平均頭部碰撞速度相較于車輛碰撞速度則小很多。與越野車碰撞時，當車輛碰撞速度較高，自行車騎行者和摩托車騎行者的平均頭部碰撞速度都高于車輛碰撞速度，但摩托車騎行者的平均頭部碰撞速度隨車速增加的增幅大于自行車騎行者的平均頭部碰撞速度的增幅。并且當車輛碰撞速度增加至50 km/h時，摩托車騎行者的平均頭部碰撞速度將遠大于車輛碰撞速度，為58.31 km/h。

圖7 車速與平均頭部碰撞速度的關系

Fig.7 The relation between vehicle speed and average head impact speed

由于當初始碰撞部位為兩輪車后部時，兩輪車騎行者頭部往往不與車輛發(fā)生碰撞。因此，碰撞部位對兩輪車騎行者平均頭部平均碰撞速度的影響在本文中不予討論。

圖8描述了側面碰撞過程中，車速與兩輪車騎行者平均HIC15的關系。對于所有碰撞類型，平均HIC15都隨著車速的增加而增加。當車速增加至50 km/h時，平均HIC15將急劇增大，并且在與越野車的碰撞事故中，平均HIC15將遠遠超出頭部損傷耐受極限。與小轎車碰撞時，自行車騎行者的平均HIC15稍稍高于摩托車騎行者的平均HIC15，差異很小。與越野車碰撞時，自行車騎行者的平均HIC15顯著高于摩托車騎行者的平均HIC15，且兩輪車騎行者的平均HIC15受車速影響更加顯著。這表明與越野車碰撞時，自行車騎行者更容易遭受嚴重的頭部損傷。

圖8 車速與平均HIC15的關系

圖9描述了側面碰撞過程中，碰撞部位與平均HIC15的關系。與小轎車碰撞時，若初始碰撞部位為兩輪車后部，自行車騎行者和摩托車騎行者的平均HIC15極其小，這是因為該情況下自行車騎行者頭部和摩托車騎行者頭部不與車輛發(fā)生碰撞。初始碰撞部位為兩輪車中部或前部時，自行車騎行者的平均HIC15幾乎不變，而摩托車騎行者的平均HIC15則相差較大，這說明與小轎車碰撞時，碰撞部位對摩托車騎行者頭部損傷的影響更為顯著。與越野車碰撞時，若初始碰撞部位為兩輪車后部，自行車騎行者和摩托車騎行者的平均HIC15較小。這可能是因為該情況下自行車騎行者頭部和摩托車騎行者頭部與發(fā)動機罩側邊緣發(fā)生碰撞，接觸面積較小。然而，當初始碰撞部位為兩輪車中部或前部時，自行車騎行者的平均HIC15將明顯高于摩托車騎行者的平均HIC15，這進一步說明與越野車相撞時，自行車騎行者更有可能遭受嚴重的頭部損傷。

圖10描述了側面碰撞過程中，車速與兩輪車騎行者撞擊側小腿平均撞擊峰值力的關系。兩輪車騎行者撞擊側小腿平均撞擊峰值力與車速并無顯著關系。與小轎車碰撞時，在車輛碰撞速度為40 km/h的碰撞場景中，自行車騎行者撞擊側小腿平均撞擊峰值力達到最大，而摩托車騎行者撞擊側小腿平均撞擊峰值力則最小。而在車輛碰撞速度為50 km/h的碰撞場景中，摩托車騎行者撞擊側小腿平均撞擊峰值力顯著高于自行車騎行者撞擊側小腿平均撞擊峰值力，分別為14 922.40 N和6 848.03 N。與越野車碰撞時，自行車騎行者和摩托車騎行者撞擊側小腿平均撞擊峰值力都有隨車速增加而增大的趨勢。但摩托車騎行者撞擊側小腿平均撞擊峰值力更高，這表明摩托車騎行者更容易遭受嚴重的腿部傷害。

圖9 碰撞位置與平均HIC15的關系

圖10 車速與撞擊側小腿平均撞擊峰值力的關系

Fig.10 The relation between vehicle speed and average struck crus peak impact force

圖11描述了側面碰撞過程中，碰撞部位與兩輪車騎行者撞擊側小腿平均撞擊峰值力的關系。與小轎車碰撞時，初始碰撞部位由兩輪車前部移至兩輪車后部的過程中，自行車騎行者撞擊側小腿平均撞擊峰值力變化不大，而摩托車騎行者撞擊側小腿平均撞擊峰值力則逐漸增大，并且摩托車騎行者撞擊側小腿平均撞擊峰值力始終高于自行車騎行者撞擊側小腿平均撞擊峰值力。與越野車碰撞時，摩托車騎行者撞擊側小腿平均撞擊峰值力仍然始終高于自行車騎行者撞擊側小腿平均撞擊峰值力。這說明摩托車騎行者更容易遭受嚴重的腿部損傷，這可能是因為摩托車質量大，當車輛保險杠撞擊騎行者小腿時，摩托車阻礙騎行者小腿向前運動的能力強。且相較于與小轎車碰撞的情況，與越野車碰撞時兩輪車騎行者撞擊側小腿平均撞擊峰值力顯著下降。這說明小轎車對兩輪車騎行者小腿有更強的侵略性。

圖11 碰撞部位與撞擊側小腿平均撞擊峰值力的關系

Fig.11 The relation between contact position and average struck crus peak impact force

4 結 論

本文利用PC-Crash事故重建軟件，對典型的汽車-自行車和汽車-摩托車事故進行了重建，比較了不同碰撞條件下自行車騎行者和摩托車騎行者頭部、腿部碰撞響應的差異。

結果表明，交通事故中自行車騎行者和摩托車騎行者的動態(tài)響應過程及頭部、腿部碰撞條件，如頭部碰撞速度，碰撞側小腿撞擊力等，存在顯著差異。與小轎車的側面碰撞事故中，自行車騎行者會在發(fā)動機罩上滑動，而摩托車騎行者將直接以骨盆與發(fā)動機罩邊緣的接觸部位為旋轉中心向著擋玻璃旋轉。自行車騎行者和摩托車騎行者的平均頭部碰撞速度都隨車速的增加而增加。與小轎車相撞時，摩托車騎行者的平均頭部碰撞速度顯著大于自行車騎行者的平均頭部碰撞速度，且接近于車輛碰撞速度。與越野車相撞時，摩托車騎行者的平均頭部碰撞速度隨車速的增加而急劇增加，甚至大于車輛碰撞速度。自行車騎行者和摩托車騎行者的平均HIC15與車速是正相關的。與小轎車相撞時，自行車騎行者和摩托車騎行者的平均HIC15較為接近；與越野車相撞時，自行車騎行者則更容易遭受嚴重的頭部損傷。交通事故中，相較于自行車騎行者，摩托車騎行者撞擊側小腿要承受更大的撞擊力。此結果可為制定合適的自行車騎行者和摩托車騎行者保護措施提供一定的理論依據。

當車輛碰撞速度增加至50 km/h時，自行車騎行者和摩托車騎行者的平均HIC15及撞擊側小腿的平均撞擊峰值力都會大幅增大，甚至超出損傷耐受極限。因此，在自行車事故或摩托車事故多發(fā)路段，限速50 km/h是有必要的。

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