馬興會 馬國清 馮居輝 劉淑敏 王彥琨

（煙臺大學(xué)，煙臺 264005）

主題詞：汽車碰撞 自行車 電動兩輪車 損傷對比 THUMS

1 前言

研究表明，非機(jī)動車交通事故中，由電動兩輪車造成的事故數(shù)量占比較大[1]。根據(jù)中國交通事故深入研究（China In-Depth Accident Study，CIDAS）數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)，汽車-電動兩輪車事故致死率為9.6%，汽車-自行車事故致死率為23.4%。因此，研究不同碰撞工況對騎乘人員損傷的影響具有重要意義。

近年來，針對兩輪車交通安全的分析引起了國內(nèi)外學(xué)者的重視。Maki[2]等通過對比發(fā)現(xiàn)，自行車騎行者的頭部撞擊位置、腿部受傷類型及其原因與行人均不相同；Elliott[3]利用多體行人模型，分析了車速、行人速度和步行步態(tài)對行人頭部運(yùn)動響應(yīng)的影響；Nie[4]選取24 個汽車-自行車事故案例，分析了頭部碰撞速度、頭部碰撞時間和碰撞角度對自行車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-自行車碰撞事故，研究了不同的汽車車速、自行車車速對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典型汽車-自行車和汽車-摩托車事故進(jìn)行仿真，比較了2類事故中騎行者頭部及腿部動態(tài)響應(yīng)的差異；錢宇彬[10]、尹均[11]等分析了碰撞速度、碰撞角度對電動自行車騎行者動力學(xué)響應(yīng)的影響；Han[12]、徐夢雪[13]、李東青[14]探討了車輛碰撞速度、汽車前端結(jié)構(gòu)與騎行者頭部損傷的關(guān)系；王薛超[15]、趙喜磊[16]討論了汽車類型、汽車速度對騎車人碰撞響應(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，亦無法深入研究人體組織層面的損傷機(jī)理。

本文建立了汽車-電動兩輪車、汽車-自行車有限元碰撞模型，以調(diào)整姿勢后的THUMS 人體模型作為騎行者，研究汽車速度、兩輪車速度及碰撞位置對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

本文使用的汽車模型為2012款豐田凱美瑞有限元模型，該模型通過了美國國家公路交通安全管理局的正面新車評估計(jì)劃（US-NCAP）測試，如圖1所示。

圖1 轎車有限元模型

本文采用的電動兩輪車為國內(nèi)某知名品牌的豪華款電動兩輪車，采用懸吊法對所建模型進(jìn)行質(zhì)心對標(biāo)驗(yàn)證，利用Hyperworks建模后得到電動兩輪車有限元模型質(zhì)心位置為(-202,-685,232)，實(shí)車模型質(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。

本文采用的自行車為國內(nèi)常見的一種自行車，通過實(shí)測獲得幾何尺寸與質(zhì)量，利用UG 軟件建模后導(dǎo)入HyperMesh對其進(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。通過對THUMS原始模型進(jìn)行姿勢調(diào)整，得到騎行者人體有限元模型。

將汽車有限元模型、調(diào)整后的THUMS 人體模型及電動兩輪車、自行車組合在一起，構(gòu)成完整的碰撞模型，如圖2所示。

圖2 汽車-兩輪車碰撞模型

3 事故重建

3.1 事故信息

3.1.1 電動兩輪車事故信息

事故發(fā)生時，一轎車由南向北直行，與同向直行左轉(zhuǎn)、斜穿公路的一電動兩輪車發(fā)生碰撞，事故過程如圖3所示。電動車騎行者為男性，54 歲，身高170 cm，體重63 kg。事故造成電動兩輪車騎行者當(dāng)場死亡，轎車前風(fēng)窗玻璃和發(fā)動機(jī)罩損壞，電動兩輪車受損嚴(yán)重。

圖3 電動兩輪車事故過程示意

3.1.2 自行車事故信息

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

圖4 自行車事故過程示意

3.2 事故重建結(jié)果

3.2.1 電動兩輪車事故

仿真過程中，THUMS 模型的左小腿先與汽車的前保險(xiǎn)杠接觸，接著左側(cè)大腿開始與汽車的發(fā)動機(jī)罩接觸，隨后左側(cè)胸腹部與發(fā)動機(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)場痕跡與事故重建對比

3.2.2 自行車事故

仿真中汽車前風(fēng)窗玻璃與發(fā)動機(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 轎車現(xiàn)場痕跡與事故重建結(jié)果對比

3.3 仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)

基于CIDAS 數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)可知，汽車與兩輪車發(fā)生碰撞事故時，汽車速度大多在(30,50]km/h 范圍內(nèi)，電動兩輪車的速度多在(15,20]km/h范圍內(nèi)，自行車的速度在(5,10]km/h 范圍內(nèi)最多見。本文以轎車車速（30 km/h、40 km/h、50 km/h）、兩輪車車速（5 km/h、15 km/h）為速度變量，以碰撞位置（兩輪車前部、兩輪車中部、兩輪車后部）為位置變量，利用有限元分析軟件Hyperworks和LS-DYNA，對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)碰撞位置為兩輪車中部時，以速度為變量，設(shè)計(jì)了12 組驗(yàn)證，如表1 所示；又以汽車車速40 km/h、兩輪車車速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 汽車車速和兩輪車車速對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 個具有代表性的評價(jià)指標(biāo)為主要研究對象，分析碰撞位置一定時，汽車車速、兩輪車車速對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)變云圖如圖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分別為自行車和電動兩輪車的車速。

由圖9可知：

a.對于頭部損傷評價(jià)指標(biāo)：當(dāng)汽車車速≥40 km/h時，自行車騎行者顱內(nèi)壓力大于電動兩輪車騎行者顱內(nèi)壓力，且騎行人員顱內(nèi)壓力均超過235 kPa，造成嚴(yán)重的顱腦損傷[17]；自行車騎行者的頭部皮膚塑性應(yīng)變均大于電動兩輪車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 電動兩輪車騎行人員傷害云圖

圖8 自行車騎行人員傷害云圖

b.對于胸部評價(jià)指標(biāo)：當(dāng)汽車車速達(dá)到50 km/h時，自行車騎行者肋骨塑性應(yīng)變較電動兩輪車騎行者大，且兩者隨汽車車速增大均有增大的趨勢；當(dāng)兩輪車車速達(dá)到15 km/h 時，肋骨塑性應(yīng)變超過3%[19]，極可能造成肋骨骨折；當(dāng)汽車車速達(dá)到50 km/h時，心臟壓力均會超過170 MPa的損傷極限[20]。

c.對于下肢骨骼評價(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]，且自行車騎行者碰撞側(cè)脛骨等效應(yīng)力均大于電動兩輪車騎行者碰撞側(cè)脛骨等效應(yīng)力，這是由于汽車與電動兩輪車碰撞時，汽車前保險(xiǎn)杠首先與電動兩輪車發(fā)生碰撞，電動兩輪車可起到緩沖作用。

4.2 碰撞位置對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 汽車車速對騎行人員評價(jià)指標(biāo)的影響

由表3可知，碰撞位置對自行車騎行人員的人體損傷評價(jià)指標(biāo)影響不大。試驗(yàn)編號為E40-5-f的電動兩輪車的顱內(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：編號為E40-5-f的仿真中，騎行人員頭部與汽車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

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兩輪車和自行車的損傷差異，通過對THUMS 人體模型進(jìn)行16 組仿真分析，得到以下結(jié)論：

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

b.自行車碰撞時，其座椅相對位置更高，吸能能力較小，自行車騎行者傷害值較電動兩輪車大。因此，在A 柱、發(fā)動機(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騎行者的保護(hù)。

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