馬興會(huì) 馬國(guó)清 馮居輝 劉淑敏 王彥琨

（煙臺(tái)大學(xué)，煙臺(tái) 264005）

主題詞：汽車(chē)碰撞 自行車(chē) 電動(dòng)兩輪車(chē) 損傷對(duì)比 THUMS

1 前言

研究表明，非機(jī)動(dòng)車(chē)交通事故中，由電動(dòng)兩輪車(chē)造成的事故數(shù)量占比較大[1]。根據(jù)中國(guó)交通事故深入研究（China In-Depth Accident Study，CIDAS）數(shù)據(jù)庫(kù)提供的數(shù)據(jù)，汽車(chē)-電動(dòng)兩輪車(chē)事故致死率為9.6%，汽車(chē)-自行車(chē)事故致死率為23.4%。因此，研究不同碰撞工況對(duì)騎乘人員損傷的影響具有重要意義。

近年來(lái)，針對(duì)兩輪車(chē)交通安全的分析引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。Maki[2]等通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，自行車(chē)騎行者的頭部撞擊位置、腿部受傷類(lèi)型及其原因與行人均不相同；Elliott[3]利用多體行人模型，分析了車(chē)速、行人速度和步行步態(tài)對(duì)行人頭部運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響；Nie[4]選取24 個(gè)汽車(chē)-自行車(chē)事故案例，分析了頭部碰撞速度、頭部碰撞時(shí)間和碰撞角度對(duì)自行車(chē)騎行者頭部和下肢的影響；許駿[5]、李松慶[6]、蒲玲玲[7]、孫曉玲[8]等再現(xiàn)汽車(chē)-自行車(chē)碰撞事故，研究了不同的汽車(chē)車(chē)速、自行車(chē)車(chē)速對(duì)騎行者頭部損傷的影響；王興華[9]等利用多剛體人體模型對(duì)典型汽車(chē)-自行車(chē)和汽車(chē)-摩托車(chē)事故進(jìn)行仿真，比較了2類(lèi)事故中騎行者頭部及腿部動(dòng)態(tài)響應(yīng)的差異；錢(qián)宇彬[10]、尹均[11]等分析了碰撞速度、碰撞角度對(duì)電動(dòng)自行車(chē)騎行者動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響；Han[12]、徐夢(mèng)雪[13]、李東青[14]探討了車(chē)輛碰撞速度、汽車(chē)前端結(jié)構(gòu)與騎行者頭部損傷的關(guān)系；王薛超[15]、趙喜磊[16]討論了汽車(chē)類(lèi)型、汽車(chē)速度對(duì)騎車(chē)人碰撞響應(yīng)的影響。以上研究使用的模型多為多剛體人體模型，不能反映人體各器官內(nèi)在的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，亦無(wú)法深入研究人體組織層面的損傷機(jī)理。

本文建立了汽車(chē)-電動(dòng)兩輪車(chē)、汽車(chē)-自行車(chē)有限元碰撞模型，以調(diào)整姿勢(shì)后的THUMS 人體模型作為騎行者，研究汽車(chē)速度、兩輪車(chē)速度及碰撞位置對(duì)騎行者損傷程度的影響，從而為降低損傷程度提供依據(jù)。

2 有限元模型建立

本文使用的汽車(chē)模型為2012款豐田凱美瑞有限元模型，該模型通過(guò)了美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局的正面新車(chē)評(píng)估計(jì)劃（US-NCAP）測(cè)試，如圖1所示。

圖1 轎車(chē)有限元模型

本文采用的電動(dòng)兩輪車(chē)為國(guó)內(nèi)某知名品牌的豪華款電動(dòng)兩輪車(chē)，采用懸吊法對(duì)所建模型進(jìn)行質(zhì)心對(duì)標(biāo)驗(yàn)證，利用Hyperworks建模后得到電動(dòng)兩輪車(chē)有限元模型質(zhì)心位置為(-202,-685,232)，實(shí)車(chē)模型質(zhì)心坐標(biāo)為(-195,-680,225)，兩者位置坐標(biāo)誤差在允許范圍內(nèi)，從而證明了該模型的有效性。

本文采用的自行車(chē)為國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的一種自行車(chē)，通過(guò)實(shí)測(cè)獲得幾何尺寸與質(zhì)量，利用UG 軟件建模后導(dǎo)入HyperMesh對(duì)其進(jìn)行精密的網(wǎng)格劃分，并依據(jù)實(shí)際情況賦予材料、屬性，設(shè)置接觸與速度。

本研究使用的人體有限元模型為豐田公司開(kāi)發(fā)的THUMS AM50 Version 4.0版本，是當(dāng)前研究中應(yīng)用較多且成熟穩(wěn)定的版本。通過(guò)對(duì)THUMS原始模型進(jìn)行姿勢(shì)調(diào)整，得到騎行者人體有限元模型。

將汽車(chē)有限元模型、調(diào)整后的THUMS 人體模型及電動(dòng)兩輪車(chē)、自行車(chē)組合在一起，構(gòu)成完整的碰撞模型，如圖2所示。

圖2 汽車(chē)-兩輪車(chē)碰撞模型

3 事故重建

3.1 事故信息

3.1.1 電動(dòng)兩輪車(chē)事故信息

事故發(fā)生時(shí)，一轎車(chē)由南向北直行，與同向直行左轉(zhuǎn)、斜穿公路的一電動(dòng)兩輪車(chē)發(fā)生碰撞，事故過(guò)程如圖3所示。電動(dòng)車(chē)騎行者為男性，54 歲，身高170 cm，體重63 kg。事故造成電動(dòng)兩輪車(chē)騎行者當(dāng)場(chǎng)死亡，轎車(chē)前風(fēng)窗玻璃和發(fā)動(dòng)機(jī)罩損壞，電動(dòng)兩輪車(chē)受損嚴(yán)重。

圖3 電動(dòng)兩輪車(chē)事故過(guò)程示意

3.1.2 自行車(chē)事故信息

事故發(fā)生時(shí)，轎車(chē)由西向東行駛，在路口碰撞到闖紅燈過(guò)馬路的自行車(chē)，事故過(guò)程如圖4所示。轎車(chē)駕駛員為男性，25歲，未受傷，自行車(chē)騎行者顱骨骨折、顱腦損傷，當(dāng)場(chǎng)死亡。

圖4 自行車(chē)事故過(guò)程示意

3.2 事故重建結(jié)果

3.2.1 電動(dòng)兩輪車(chē)事故

仿真過(guò)程中，THUMS 模型的左小腿先與汽車(chē)的前保險(xiǎn)杠接觸，接著左側(cè)大腿開(kāi)始與汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩接觸，隨后左側(cè)胸腹部與發(fā)動(dòng)機(jī)罩產(chǎn)生擠壓性接觸，然后左肘和左肩相繼與前風(fēng)窗玻璃撞擊接觸，造成風(fēng)窗玻璃局部塌陷，最后THUMS 模型的頭部與前風(fēng)窗玻璃撞擊接觸，并在撞擊位置出現(xiàn)蜘蛛網(wǎng)狀裂痕。這與實(shí)際事故的結(jié)果基本相符，如圖5所示。仿真模型可用作進(jìn)一步分析。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)痕跡與事故重建對(duì)比

3.2.2 自行車(chē)事故

仿真中汽車(chē)前風(fēng)窗玻璃與發(fā)動(dòng)機(jī)罩變形情況與真實(shí)案例基本符合，如圖6 所示，仿真模型可用作進(jìn)一步分析。

圖6 轎車(chē)現(xiàn)場(chǎng)痕跡與事故重建結(jié)果對(duì)比

3.3 仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)

基于CIDAS 數(shù)據(jù)庫(kù)提供的數(shù)據(jù)可知，汽車(chē)與兩輪車(chē)發(fā)生碰撞事故時(shí)，汽車(chē)速度大多在(30,50]km/h 范圍內(nèi)，電動(dòng)兩輪車(chē)的速度多在(15,20]km/h范圍內(nèi)，自行車(chē)的速度在(5,10]km/h 范圍內(nèi)最多見(jiàn)。本文以轎車(chē)車(chē)速（30 km/h、40 km/h、50 km/h）、兩輪車(chē)車(chē)速（5 km/h、15 km/h）為速度變量，以碰撞位置（兩輪車(chē)前部、兩輪車(chē)中部、兩輪車(chē)后部）為位置變量，利用有限元分析軟件Hyperworks和LS-DYNA，對(duì)THUMS人體模型進(jìn)行了16組碰撞仿真，比較不同碰撞條件下騎行人員的碰撞響應(yīng)及損傷情況。

當(dāng)碰撞位置為兩輪車(chē)中部時(shí)，以速度為變量，設(shè)計(jì)了12 組驗(yàn)證，如表1 所示；又以汽車(chē)車(chē)速40 km/h、兩輪車(chē)車(chē)速5 km/h為定量，以碰撞位置為變量設(shè)計(jì)了4組驗(yàn)證，如表2所示。

表1 以速度為變量驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案

表2 以位置為變量驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 汽車(chē)車(chē)速和兩輪車(chē)車(chē)速對(duì)騎行者損傷特性的影響

選取顱內(nèi)壓力、顱骨等效應(yīng)力、肋骨塑性應(yīng)變、頭部皮膚應(yīng)變、心臟壓力、碰撞側(cè)下肢脛骨等效應(yīng)力6 個(gè)具有代表性的評(píng)價(jià)指標(biāo)為主要研究對(duì)象，分析碰撞位置一定時(shí)，汽車(chē)車(chē)速、兩輪車(chē)車(chē)速對(duì)騎行人員損傷特性的影響。以E40-5、B40-5 兩組驗(yàn)證為例，各部位的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D如圖7、圖8所示。

匯總各組驗(yàn)證結(jié)果，繪制折線圖如圖9 所示，其中vb、ve分別為自行車(chē)和電動(dòng)兩輪車(chē)的車(chē)速。

由圖9可知：

a.對(duì)于頭部損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)：當(dāng)汽車(chē)車(chē)速≥40 km/h時(shí)，自行車(chē)騎行者顱內(nèi)壓力大于電動(dòng)兩輪車(chē)騎行者顱內(nèi)壓力，且騎行人員顱內(nèi)壓力均超過(guò)235 kPa，造成嚴(yán)重的顱腦損傷[17]；自行車(chē)騎行者的頭部皮膚塑性應(yīng)變均大于電動(dòng)兩輪車(chē)騎行者頭部皮膚塑性應(yīng)變；仿真中，顱骨等效應(yīng)力均未超過(guò)損傷極限10.09 MPa[18],且由于E30-5、E50-5組頭部碰撞點(diǎn)落在了窗風(fēng)玻璃邊緣處，導(dǎo)致騎行者顱骨等效應(yīng)力較大。

圖7 電動(dòng)兩輪車(chē)騎行人員傷害云圖

圖8 自行車(chē)騎行人員傷害云圖

b.對(duì)于胸部評(píng)價(jià)指標(biāo)：當(dāng)汽車(chē)車(chē)速達(dá)到50 km/h時(shí)，自行車(chē)騎行者肋骨塑性應(yīng)變較電動(dòng)兩輪車(chē)騎行者大，且兩者隨汽車(chē)車(chē)速增大均有增大的趨勢(shì)；當(dāng)兩輪車(chē)車(chē)速達(dá)到15 km/h 時(shí)，肋骨塑性應(yīng)變超過(guò)3%[19]，極可能造成肋骨骨折；當(dāng)汽車(chē)車(chē)速達(dá)到50 km/h時(shí)，心臟壓力均會(huì)超過(guò)170 MPa的損傷極限[20]。

c.對(duì)于下肢骨骼評(píng)價(jià)指標(biāo)：仿真中的脛骨等效應(yīng)力均大于120 MPa，均有骨折的風(fēng)險(xiǎn)[21]，且自行車(chē)騎行者碰撞側(cè)脛骨等效應(yīng)力均大于電動(dòng)兩輪車(chē)騎行者碰撞側(cè)脛骨等效應(yīng)力，這是由于汽車(chē)與電動(dòng)兩輪車(chē)碰撞時(shí)，汽車(chē)前保險(xiǎn)杠首先與電動(dòng)兩輪車(chē)發(fā)生碰撞，電動(dòng)兩輪車(chē)可起到緩沖作用。

4.2 碰撞位置對(duì)騎行者損傷特性的影響

以碰撞位置為變量，獲得的各部位傷害值匯總結(jié)果如表3所示。

圖9 汽車(chē)車(chē)速對(duì)騎行人員評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響

由表3可知，碰撞位置對(duì)自行車(chē)騎行人員的人體損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)影響不大。試驗(yàn)編號(hào)為E40-5-f的電動(dòng)兩輪車(chē)的顱內(nèi)壓力、顱骨等效應(yīng)力明顯比E40-5和E40-5-r數(shù)值高。原因在于：編號(hào)為E40-5-f的仿真中，騎行人員頭部與汽車(chē)A柱碰撞，造成應(yīng)力集中，顱腦損傷較嚴(yán)重。因此，可以考慮在A柱附近設(shè)置安全氣囊。

表3 位置變量引起的騎行人員損傷特性

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用有限元分析軟件Hyperworks 和LSDYNA，研究不同碰撞條件下電動(dòng)兩輪車(chē)和自行車(chē)的損傷差異，通過(guò)對(duì)THUMS 人體模型進(jìn)行16 組仿真分析，得到以下結(jié)論：

a.整體來(lái)看，碰撞位置一定時(shí)，汽車(chē)車(chē)速對(duì)騎行者的損傷影響較大；速度一定時(shí)，碰撞位置對(duì)騎行者造成的損傷影響較小。因此，在事故高發(fā)路段有必要對(duì)汽車(chē)車(chē)速進(jìn)行限制。

b.自行車(chē)碰撞時(shí)，其座椅相對(duì)位置更高，吸能能力較小，自行車(chē)騎行者傷害值較電動(dòng)兩輪車(chē)大。因此，在A 柱、發(fā)動(dòng)機(jī)罩邊緣等易造成應(yīng)力集中的部位，可考慮安裝安全氣囊以提高對(duì)騎行者的保護(hù)。

c.隨著汽車(chē)車(chē)速增加，騎行者頭部在汽車(chē)縱向上的碰撞位置逐漸提高；隨著兩輪車(chē)車(chē)速增加，騎行人員在汽車(chē)橫向上的偏移距離增大，且反映人體損傷特性的6項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均與車(chē)速呈明顯的正相關(guān)。