袁 泉，王 田，張金換，金益鋒，石 屹，王明直

（1. 清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084；2. 公安部，物證鑒定中心，北京100038）

0 引 言

車輛沖撞行人案件作為駕駛?cè)酥鲃?dòng)操控下實(shí)施的非正常駕駛行為，相比于普通碰撞案件，其呈現(xiàn)出事故危害性大、碰撞機(jī)理復(fù)雜、現(xiàn)場痕跡混亂等問題，而車輛沖撞行人案件目前缺少實(shí)用化、可重復(fù)驗(yàn)證的研判方法。行人作為弱勢道路使用者，其生命安全需要有力的技術(shù)支持保障。根據(jù)2019 年交通事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國行人因交通死亡人數(shù)和受傷人數(shù)分別為17 473人和45 495 人，約占交通事故傷亡人員總數(shù)的27.84%和17.76%，為占比最多的碰撞形態(tài)[1]。研究表明，在車輛沖撞行人案件中，前保險(xiǎn)杠對腿部的沖擊和前風(fēng)擋玻璃對頭部的沖擊是最顯著的嚴(yán)重特征傷害[2-3]?；跊_擊實(shí)驗(yàn)平臺的研究方法對于行人安全性保護(hù)、傷害估計(jì)以及案情重建界定具有重要的研究意義。

目前車輛沖撞行人重建領(lǐng)域多停留于計(jì)算機(jī)仿真分析階段。Daisuke[4]等人研究汽車前部結(jié)構(gòu)對行人整個(gè)下肢的負(fù)載影響，其中汽車通過有限元模型和行人采用多體模型進(jìn)行汽車-行人碰撞仿真模擬，采用時(shí)間序列數(shù)據(jù)分析下肢負(fù)荷，得出行人多體模型的彎矩圖以用于調(diào)查各尺寸行人的下肢負(fù)荷。Peng Yong[5]等人通過驗(yàn)證汽車-行人碰撞事故中人體頭部有限元模型，并預(yù)測人車碰撞時(shí)行人頭部受傷的風(fēng)險(xiǎn)，分析了三種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)罩對行人頭部的傷害。Shi 等人[6]通過建立行人多體模型，考察了不同車輛類型和碰撞速度下不同尺寸和不同步態(tài)的行人碰撞事故形態(tài)，仿真研究行人碰撞至落地的旋轉(zhuǎn)角度，主要分析地面碰撞對頭部損傷的危險(xiǎn)，提出應(yīng)盡可能避免地面撞擊行人頭部的次生危險(xiǎn)發(fā)生。而對于沖擊試驗(yàn)臺進(jìn)行理論分析與傷害估計(jì)的研究相對較少。Tolea[7]等人通過行人多體系統(tǒng)虛擬仿真以及真實(shí)假人碰撞測試，使用不同類別、不同前部輪廓的車輛進(jìn)行事故模擬，使用生物力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行頭部損傷評估，得出頭部損傷程度與車輛前部正面輪廓設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系，并以此來優(yōu)化車輛前部輪廓設(shè)計(jì)。Yuan Quan 等人[8]利用計(jì)算機(jī)仿真研究不同碰撞速度下行人頭部與汽車擋風(fēng)玻璃之間的接觸特征，為復(fù)雜碰撞案件再現(xiàn)提供了基礎(chǔ)依據(jù)。因此，結(jié)合仿真模擬試驗(yàn)并利用沖擊試驗(yàn)平臺進(jìn)行理論模型驗(yàn)證，有利于碰撞再現(xiàn)過程準(zhǔn)確性的有效提升。

車輛碰撞行人實(shí)驗(yàn)開展具有難度大、造價(jià)高、不易控制等特點(diǎn)，國內(nèi)外利用實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)研究，均面臨實(shí)車不可重復(fù)使用和假人造價(jià)昂貴的難題與挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的汽車碰撞實(shí)驗(yàn)室已開展多年行人保護(hù)實(shí)驗(yàn)與仿真研究[9]，本文搭建的實(shí)驗(yàn)平臺為車輛碰撞行人安全性實(shí)驗(yàn)研究提供了新的重要手段，同時(shí)，也為碰撞仿真模型的建立和驗(yàn)證提供了有效的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法，并能替代實(shí)車重復(fù)開展碰撞實(shí)驗(yàn)。因此，該實(shí)驗(yàn)臺的搭建與應(yīng)用在汽車與交通安全研究領(lǐng)域中具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)平臺的搭建

車輛沖撞行人實(shí)驗(yàn)平臺的組成包括車輛實(shí)驗(yàn)臺架和行人發(fā)射臺兩大部分，具體組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。面向車輛沖撞人體動(dòng)力學(xué)再現(xiàn)模型的建立與實(shí)際驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)平臺基于已有國際水平的標(biāo)準(zhǔn)行人假人模型發(fā)射臺，建立與之相匹配的車輛實(shí)驗(yàn)臺架，替代實(shí)車來綜合開展車輛沖撞人體模型的系列實(shí)驗(yàn)，包括車輛風(fēng)擋玻璃-行人頭部模塊和車輛保險(xiǎn)杠-行人下肢模塊兩類碰撞實(shí)驗(yàn)，從而驗(yàn)證所構(gòu)建的人車碰撞動(dòng)力學(xué)仿真再現(xiàn)模型的可靠性[10]。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺的組成

為了驗(yàn)證車輛沖撞行人特征損傷參數(shù)與碰撞速度之間的相關(guān)性仿真結(jié)果，搭建了行人沖撞車輛實(shí)驗(yàn)臺架并設(shè)計(jì)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法，由底座、支架、風(fēng)擋玻璃平面輪廓架及夾持裝置、保險(xiǎn)杠固定桿等裝置組成。如圖2 所示，搭建過程中的關(guān)鍵問題是對車輛風(fēng)擋玻璃的特殊材料進(jìn)行固定的方式及避免夾持部位應(yīng)力集中，經(jīng)過設(shè)計(jì)研究，成功解決了包括風(fēng)擋玻璃與實(shí)驗(yàn)臺架之間的固定連接、風(fēng)擋玻璃碰撞點(diǎn)的計(jì)算定位等一系列技術(shù)難題。經(jīng)多次測試驗(yàn)證，該實(shí)驗(yàn)臺架可用于代替實(shí)際車輛開展沖撞行人的實(shí)驗(yàn)研究，并兼容利用已有的行人發(fā)射臺進(jìn)行碰撞實(shí)驗(yàn)。面向車輛沖撞行人案事件重建研究中的定量實(shí)驗(yàn)需要，即行人的頭部沖撞車輛前風(fēng)擋玻璃實(shí)驗(yàn)及行人腿部沖擊車輛前保險(xiǎn)杠實(shí)驗(yàn)，針對具體車輛的保險(xiǎn)杠和風(fēng)擋玻璃部件，旨在提供綜合性的夾持裝置來對其進(jìn)行固定，從而減小沖撞實(shí)驗(yàn)的難度，降低實(shí)驗(yàn)成本。由于前風(fēng)擋玻璃形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料特殊，夾持難度較大，本研究也為前風(fēng)擋玻璃的固定提供了一種新的思路。

實(shí)驗(yàn)平臺采用鑄鐵材料為主進(jìn)行加工制作，構(gòu)件之間采用焊接等方式連接，風(fēng)擋玻璃和保險(xiǎn)杠的固定框架尺寸規(guī)格參照當(dāng)前主流車型（大眾品牌）進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，方便后續(xù)更換調(diào)整。所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺具有如下特點(diǎn)：

圖2 車輛實(shí)驗(yàn)臺架

（1）提供嵌入式車輛風(fēng)擋玻璃輪廓架，方便安裝和更換；

（2）平臺集成汽車風(fēng)擋玻璃和保險(xiǎn)杠部件，可同步開展碰撞實(shí)驗(yàn)；

（3）平臺與實(shí)際車輛采取了相似的固定設(shè)計(jì)，接近實(shí)車碰撞效果。

同時(shí)，在平臺搭建過程中克服了許多工程設(shè)計(jì)和技術(shù)難題，包括：

（1）風(fēng)擋玻璃材料特殊不易夾持固定，且容易變形損壞；

（2）沖撞位置和速度等不易精準(zhǔn)控制，需要提前估算好；

（3）風(fēng)擋玻璃與保險(xiǎn)杠集成難度較大，保持實(shí)車相似性。

2 車輛沖撞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

面向車輛沖撞動(dòng)力學(xué)模型的再現(xiàn)模型建立與驗(yàn)證需要，基于國際水平的行人發(fā)射臺，借助上述新開發(fā)的車輛沖撞行人實(shí)驗(yàn)臺架，開展車輛沖撞人體模塊實(shí)驗(yàn)，包括風(fēng)擋玻璃-頭部和保險(xiǎn)杠-下肢兩類碰撞試驗(yàn)。本平臺已驗(yàn)證了基于有限元-多體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)構(gòu)建了車輛風(fēng)擋玻璃-人體碰撞模型，并獲取了車輛沖撞速度與風(fēng)擋玻璃裂紋半徑之間的關(guān)系模型，其具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法主要包括綜合性臺架設(shè)計(jì)、行人沖擊試驗(yàn)以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集等主要步驟，具體如下所示：

（1）綜合性臺架設(shè)計(jì)。分析風(fēng)擋玻璃及保險(xiǎn)杠的實(shí)際結(jié)構(gòu)和在實(shí)車上的固定方式，結(jié)合試驗(yàn)情況得出臺架的工作需求及強(qiáng)度需求。

（2）行人沖擊試驗(yàn)。結(jié)合臺架及已有行人模塊發(fā)射設(shè)備，設(shè)計(jì)整體試驗(yàn)流程。確定行人發(fā)射臺發(fā)射頭部及腿部模塊的位置、角度和速度，確定發(fā)射后的測量、試樣保存，確定現(xiàn)場的設(shè)備布置及設(shè)備的保護(hù)措施。

（3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。分析風(fēng)擋玻璃最大環(huán)形裂紋半徑并與仿真結(jié)果對比，驗(yàn)證模型仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度，具體沖撞實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。同時(shí)，分析誤差來源，對模型提出改進(jìn)方向；觀察前保險(xiǎn)杠損壞部位及特征，對后續(xù)沖撞案事件的現(xiàn)場勘測提供參考。

圖3 行人頭部模塊沖撞汽車風(fēng)擋玻璃的典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)獲取了對行人頭部模塊沖擊風(fēng)擋玻璃的12 組不同速度實(shí)驗(yàn)，如表1 所示，其中進(jìn)行三次試驗(yàn)測量碰撞點(diǎn)與預(yù)定點(diǎn)的偏差距離。結(jié)果表明，車輛風(fēng)擋玻璃的主要損壞特征包括裂紋形狀規(guī)則與環(huán)繞裂紋最大半徑兩個(gè)方面。裂紋形狀規(guī)則的成因推測為風(fēng)擋玻璃不規(guī)則形狀以及頭部模型的切向速度對于環(huán)繞裂紋上下發(fā)散速度的影響。環(huán)繞裂紋中，取其最大近圓裂紋半徑與模擬場景中的碰撞初速度建立數(shù)值關(guān)系，可得到二者之間關(guān)聯(lián)的經(jīng)驗(yàn)公式，如公式1 所示，這一經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)過典型事故案例的測試驗(yàn)證后，可用于進(jìn)行碰撞案件的重建分析：

表1 行人頭部模塊沖擊風(fēng)擋玻璃試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

結(jié)合試驗(yàn)可得，行人頭部碰撞后玻璃產(chǎn)生的裂紋可分為包圍碰撞中心的環(huán)繞裂紋、以碰撞中心為起始向外發(fā)散的輻射裂紋以及后續(xù)發(fā)散的不規(guī)則裂紋。如圖4 所示，其中，越是接近碰撞中心的環(huán)繞裂紋，其形狀越接近規(guī)則圓形，在向外拓展時(shí)，向上發(fā)散速度明顯低于向下發(fā)散速度。

圖4 行人頭部模塊沖擊風(fēng)擋玻璃試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

3 實(shí)驗(yàn)平臺應(yīng)用研究

3.1 車輛沖撞弱勢道路使用者的實(shí)驗(yàn)研究

面向行人保護(hù)的沖擊實(shí)驗(yàn)包括頭部對前風(fēng)擋玻璃的沖擊實(shí)驗(yàn)和腿部對前保險(xiǎn)杠的沖擊實(shí)驗(yàn)。在這一過程中，通常由于風(fēng)擋玻璃幾何形狀的復(fù)雜性和多樣性，需要用到原車身來對風(fēng)擋玻璃進(jìn)行固定，使沖擊實(shí)驗(yàn)的成本較高。因此，使用能對風(fēng)擋玻璃和保險(xiǎn)杠同時(shí)進(jìn)行固定的實(shí)驗(yàn)臺架，將大幅簡化沖擊試驗(yàn)的程序，通過完全模擬車輛上的應(yīng)力狀況后，能開展相應(yīng)定量試驗(yàn)，對于汽車被動(dòng)安全性的產(chǎn)品開發(fā)和交通安全改善的相關(guān)研究起到積極的促進(jìn)作用。

3.2 與行人發(fā)射臺的匹配進(jìn)行碰撞試驗(yàn)

汽車碰撞實(shí)驗(yàn)室原有的行人發(fā)射裝置，需要和實(shí)車相匹配來開展碰撞實(shí)驗(yàn)。而單純進(jìn)行實(shí)車碰撞假人等實(shí)驗(yàn)，造價(jià)不菲，原有的行人發(fā)射臺利用率較低。本實(shí)驗(yàn)臺的建立，一方面為原有的行人發(fā)射裝置的利用提供了新的機(jī)遇，另一方面也在某種程度上取代了昂貴的實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，基于實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了“車輛沖撞案件動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建及研判技術(shù)”的創(chuàng)新研究，完成了再現(xiàn)模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證任務(wù)。

3.3 開展面向碰撞再現(xiàn)的相關(guān)科學(xué)研究

該實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建為汽車沖撞人體實(shí)驗(yàn)提供了重要的方法，可以部分替代實(shí)車實(shí)驗(yàn)。該平臺可實(shí)現(xiàn)對車輛沖撞過程的全方位模擬、車輛沖撞案件的研判分析等科學(xué)研究，所研發(fā)的試驗(yàn)平臺可直接用于車輛沖撞行人案事件的分析和重建，為提高辦案效率、提升案件處理水平和改善車輛碰撞安全性等方面提供重要的技術(shù)手段。

4 總 結(jié)

綜上所述，汽車碰撞假人實(shí)驗(yàn)造價(jià)高、周期長、難度大，為此，自主搭建的臺架實(shí)驗(yàn)平臺可以較為靈活地開展車輛風(fēng)擋玻璃、保險(xiǎn)杠等典型接觸部位與行人（假人）的主要模塊之間的碰撞實(shí)驗(yàn)。

（1）實(shí)驗(yàn)平臺的搭建為車輛沖撞行人案件動(dòng)力學(xué)模型的驗(yàn)證提供了重要的手段。通過平臺開展定量沖撞實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了車輛沖撞速度與風(fēng)擋玻璃裂紋半徑之間的關(guān)系模型，并可應(yīng)用于碰撞再現(xiàn)與車速分析。

（2）通過實(shí)驗(yàn)獲得了行人頭部模塊沖擊車輛風(fēng)擋玻璃的參數(shù)化特征結(jié)果。車輛風(fēng)擋玻璃的主要損壞特征規(guī)律集中體現(xiàn)在裂紋形狀規(guī)則與環(huán)繞裂紋最大半徑兩個(gè)方面。

實(shí)驗(yàn)平臺在國內(nèi)外汽車與交通安全、事故仿真重建等研究領(lǐng)域的同類技術(shù)中具有一定的實(shí)用和推廣價(jià)值，為行人碰撞安全研究提供了低成本、實(shí)用化的輔助手段。