劉卓異,覃 勇,宋曉雯,楊 苓,許倩源

(1.雅安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，雅安625000；2.成都工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,成都611731；3.四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遂寧629099)

據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)統(tǒng)計(jì)，全球每年因交通事故死亡約有130萬人、受傷5 000萬人[1].行人作為道路交通的弱勢參與方，在碰撞事故中最容易受傷害.2015～2020年我國交通事故死亡人數(shù)373 125人，行人死亡率居高不下，行人死亡人數(shù)約占交通事故死亡總數(shù)的25%[2].

在此背景下，行人保護(hù)的研究受到了國內(nèi)外學(xué)者及專家的廣泛關(guān)注，并對人車碰撞事故進(jìn)行了大量研究.Elliott[3]研究發(fā)現(xiàn)：車速、行人速度和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對行人被撞后的運(yùn)動(dòng)學(xué)有顯著的影響；GIANMARCO C等[4]利用MADYMO仿真軟件分析不同姿態(tài)下行人與不同車型發(fā)生碰撞后的損傷情況，并得出了廂式客車前端越高，行人大腿損傷越大；HUIJBER S等[5]研究發(fā)現(xiàn)車的碰撞速度對行人的損傷影響很大；張?jiān)姴ǖ萚6]對不同速度廂式客車碰撞行人后的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究；王巖等[7]發(fā)現(xiàn)不同車輛類型對行人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和各部位損傷影響不同;陳奇等[8]發(fā)現(xiàn)廂式客車碰撞角度對行人碰撞后的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)有較大影響；聶冰冰等[9]分析了行人與車輛發(fā)動(dòng)機(jī)罩碰撞后，發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋的碰撞變形過程結(jié)合能量守恒原理，創(chuàng)作了具有夾板結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋的設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)可以起到行人頭部保護(hù)的作用；曹軍帥等[10]分析人車碰撞角度對行人身體損傷程度的影響.

國內(nèi)外學(xué)者及相關(guān)機(jī)構(gòu)對人車碰撞事故中的研究主要集中在利用仿真軟件對車輛前部結(jié)構(gòu)、行人速度、車輛類型、汽車與人的碰撞角度，而對行人的應(yīng)急姿態(tài)在人車碰撞事故中行人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)及損傷方面研究較少.文中將根據(jù)國家深度調(diào)查的案例，基于仿真軟件建立車-人的多剛體事故碰撞模型，研究廂式汽車與行人碰撞過程中，行人應(yīng)急姿態(tài)對行人頭部損傷的影響，為行人保護(hù)提供參考.

1 事故重建與模型驗(yàn)證

1.1 案例摘要

2018年12月27日，某地某路口，一輛五菱廂式客車與行人發(fā)生正面碰撞，人車碰撞時(shí)，汽車行駛速度58.6 km/h，事故導(dǎo)致：五菱廂式汽車前擋風(fēng)玻璃破裂、發(fā)動(dòng)機(jī)罩明顯變形、前保險(xiǎn)杠變形受損；行人在此次碰撞事故中采取了跨步前進(jìn)和上半身身體轉(zhuǎn)向等應(yīng)急姿態(tài)，此次事故造成行人身體多處擦挫傷、右小腿骨折、重型顱腦損傷，其中，重型顱腦損傷是導(dǎo)致行人死亡的最根本原因.

1.2 模型建立

在數(shù)據(jù)比較詳細(xì)的情況下，PC-Crash對行人損傷事故建?？梢暂^好的還原案例的真實(shí)場景[6].車輛外形尺寸與行人信息是NAIS中記錄的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠,其中行人身高159cm,深度調(diào)查車輛是某五菱箱式汽車.故用PC-Crash仿真軟件建立事故碰撞模型.PC-Crash的人、車多剛體模型的有效性已通過實(shí)車碰撞試驗(yàn)得到了驗(yàn)證，具體見文獻(xiàn)[11-12].人、車和路面相互接觸的摩擦因數(shù)取值參考文獻(xiàn)[13]，摩擦因數(shù)取值具體如下：人-車0.5、人-路面0.5、車-路面0.6.

1.3 人車碰撞模型驗(yàn)證

根據(jù)仿真過程，碰撞中行人右小腿先與發(fā)動(dòng)機(jī)罩右前邊緣發(fā)生碰撞，而后身體倒向汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩，頭部撞上擋風(fēng)玻璃后被拋出.根據(jù)仿真結(jié)果，進(jìn)一步分析行人頭部線性加速度曲線見圖1，由該曲線可知：行人頭部出現(xiàn)2個(gè)加速度峰值，其中，第一個(gè)峰值出現(xiàn)在與汽車碰撞過程中，第2個(gè)峰值是與地面碰撞所致，整個(gè)過程中行人頭部傷害指數(shù)(Head Injury Criterion，HIC) 值約為2 576.8，嚴(yán)重超過行人頭部HIC閾值[14]，仿真結(jié)果與行人死亡原因能夠較好地吻合；PC-CRASH仿真與視頻信息反應(yīng)的碰撞部位、碰撞過程、最終停止位置也能很好地吻合，故驗(yàn)證了該模型的有效性，碰撞對應(yīng)關(guān)系見表1.

2 應(yīng)急姿態(tài)對行人頭部的損傷影響

通過對NAIS案例中的監(jiān)控錄像以及網(wǎng)絡(luò)上的人車事故視頻的觀察，在廂式客車與行人碰撞的過程中，行人通常能意識到危險(xiǎn)并作出一些自我保護(hù)的應(yīng)急姿態(tài).常見的應(yīng)急姿態(tài)有前傾(下肢不動(dòng),軀干前傾,上肢作支撐狀)、上半身轉(zhuǎn)向(下肢不動(dòng)，上半身轉(zhuǎn)動(dòng))、下蹲(雙腳并攏,作下蹲狀)、跨步前進(jìn)走(下肢走動(dòng),身體側(cè)面對向車輛)等.利用驗(yàn)證后的仿真模型，設(shè)置車輛在40 km/h、50 km/h、60 km/h不同車速下，行人行走速度為0 km/h，選取仿真中已經(jīng)驗(yàn)證的假人模型，在這4種姿態(tài)下進(jìn)行仿真試驗(yàn)，在人車碰撞事故中，人與車的前傾角度記為α(上半身軀干垂直地面α角度定義為0°)，上半身轉(zhuǎn)向角度記為β(行人身體側(cè)面正對向廂式客車時(shí)，β角度定義為0°)，下蹲角度記為γ(行人大腿小腿垂直地面時(shí)，γ角度定義為0°)，跨步角度記為δ(行人雙腿并攏時(shí)，δ為0°)，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)圖見表2.人車事故中行人頭部損傷是死亡的最主要原因，故本實(shí)驗(yàn)研究行人頭部HIC值.

表2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)圖

2.1 行人頭部損傷分析

2.1.1 上半身前傾姿態(tài)行人頭部HIC變化情況

上半身前傾姿態(tài)對行人頭部HIC值的影響如圖2所示.研究表明在人車碰撞事故中，行人上半身前傾的姿勢，有助于頭部的保護(hù)，具體情況如下：①行人上半身前傾角度越大，HIC值越小；②行人前傾角度為0～20°，HIC值的變化最明顯.③頭部HIC隨車速的增加而增加.分析認(rèn)為廂式客車碰撞行人時(shí)，行人上半身前傾應(yīng)急姿態(tài)手臂先與廂式客車車身接觸，而身體前傾的角度越大，行人上肢與車輛接觸時(shí)間縮短，導(dǎo)致頭部與車身的接觸延遲，由此行人頭部HIC值降低；行人前傾角度為0～20°，上肢與車身距離變化明顯，由此HIC值變化明顯.在車速為40 km/h時(shí)，此時(shí)車速相對較低，人車碰撞過程中，行人前傾角度為5°～10°時(shí)，行人手臂與汽車前部相對距離變化不大，行人在與汽車碰撞時(shí)，頭部與汽車碰撞位置變化不大，所以行人頭部損傷變化情況不明顯.

圖2 行人頭部損傷與行人前傾應(yīng)急姿態(tài)的關(guān)系

2.1.2 上半身轉(zhuǎn)向姿態(tài)行人頭部HIC變化情況

上半身轉(zhuǎn)向姿態(tài)對行人頭部HIC值的影響如圖3所示.研究表明行人上半身的轉(zhuǎn)向姿勢會增加頭部損傷的風(fēng)險(xiǎn)，具體分析如下：①行人頭部HIC隨行人上半身轉(zhuǎn)向角度的增加而增大；分析認(rèn)為，當(dāng)行人與廂式客車碰撞時(shí)，行人上半身轉(zhuǎn)向?qū)е滦腥说氖直垡矔S之轉(zhuǎn)向，手臂在行人身體轉(zhuǎn)向過程中，行人上肢與廂式客車接觸時(shí)間延后，頭部與車輛接觸時(shí)間提前，造成的頭部HIC值增大.②行人上半身轉(zhuǎn)向角度越大，HIC值增加的幅度越大，行人上半身轉(zhuǎn)向角度為0～15°時(shí)，HIC值的增幅明顯小于上半身轉(zhuǎn)向角度為15～30°的HIC值的增幅.

2.1.3 下蹲姿態(tài)行人頭部HIC變化情況

下蹲姿態(tài)對行人頭部HIC值的影響如圖4所示.由圖可以看出，在同一車速下，行人頭部HIC變化不大,在一定范圍內(nèi)發(fā)生波動(dòng)，且隨著下蹲角度的增加，頭部HIC值的變化范圍會縮小.原因在于行人在下蹲過程時(shí)，廂式客車前部先與小腿碰撞，身體倒向廂式客車發(fā)動(dòng)機(jī)罩，而后行人頭部碰撞廂式客車，在碰撞過程中，廂式客車與不同下蹲角度姿態(tài)的人體碰撞過程差異不大，由此造成HIC沒有明顯變化.

圖3 行人頭部損傷與行人轉(zhuǎn)向應(yīng)急姿態(tài)的關(guān)系

圖4 行人頭部損傷與行人下蹲應(yīng)急姿態(tài)的關(guān)系

2.1.4 跨步前進(jìn)姿態(tài)行人頭部HIC變化情況

行人跨步前進(jìn)時(shí)(右腳在后)，汽車從行人右邊碰撞行人，行人頭部損傷與行人跨步角度關(guān)系如圖5所示.當(dāng)行人左右兩腿，未完全分開時(shí)，雙腳并攏有助于保護(hù)行人頭部；當(dāng)兩條腿完全分開時(shí)，行人跨步前進(jìn)角度越大可以降低行人頭部傷害.①行人角度跨步前進(jìn)角度為0～10°時(shí)，HIC值隨著跨步前進(jìn)角度的增大而增大；②當(dāng)跨步前進(jìn)角度增加到10°以后，HIC值隨著行人跨步前進(jìn)角度的增大而減??；③行人跨步前進(jìn)角度為0～10°時(shí)，HIC增長幅度較大；當(dāng)跨步前進(jìn)角度超過10°后，HIC減小幅度較小.分析認(rèn)為，當(dāng)跨步前進(jìn)角度小于10°時(shí)，行人的兩腿并攏沒有完全分開，車先與行人右手接觸，而后與右腳車接觸，左腳受到右腳的撞擊，行人兩腿吸收消耗更多能量；當(dāng)行人跨步前進(jìn)角度超過10°以后，行人的兩腿完全分開，行人重心降低，在碰撞過程中，行人身體髖部與車接觸的面積增大，由此被拋出的高度增加，延長了行人頭部碰撞廂式客車的時(shí)間，所以其頭部HIC變小，行人跨步前進(jìn)姿態(tài)時(shí)，身體與汽車碰撞時(shí)對應(yīng)位置如圖6所示.

圖5 行人頭部損傷與行人跨步前進(jìn)應(yīng)急姿態(tài)的關(guān)系

圖6 同一碰撞時(shí)刻時(shí)，δ角度與廂式客車碰撞位置關(guān)系示意圖

2.1.5 復(fù)合型姿態(tài)行人頭部HIC變化情況

廂式客車車速一定(40 km/h)時(shí)，行人同時(shí)采取前傾和轉(zhuǎn)向姿態(tài)，行人單一上半身前傾姿態(tài)頭部損傷情況與復(fù)合型姿態(tài)頭部損傷對比如表3所示.結(jié)果表明：①行人頭部的HIC值，隨著行人上半身轉(zhuǎn)向角度的增大，頭部HIC的減小幅度變小，也就是說行人保持上半身前傾姿態(tài)的同時(shí)，上半身轉(zhuǎn)向角度越大，頭部受到的傷害可能會更加嚴(yán)重.②在復(fù)合型姿態(tài)中，轉(zhuǎn)向角度一定時(shí)，前傾角度為0～20°時(shí),HIC值的變化幅度明顯大于20～30°HIC值的變化幅度；③前傾角度對頭部HIC值得影響大于轉(zhuǎn)向角度對行人頭部HIC的影響；④行人轉(zhuǎn)向加前傾復(fù)合型應(yīng)急姿態(tài)相比單一前傾應(yīng)急姿態(tài)對行人頭部損傷具有保護(hù)的作用.如圖7分析認(rèn)為：行人在上半身前傾姿態(tài)中轉(zhuǎn)向時(shí)，行人在碰撞過程中，由最原本兩手同時(shí)接觸廂式客車前部，逐漸變成一手接觸廂式客車前部一手逐漸離開廂式客車前部，后者相對于前者，一只手所承受的碰撞動(dòng)能明顯少于兩只手所承受的碰撞動(dòng)能，由此行人頭部更容易受傷.

表3 人車碰撞時(shí)行人前傾+轉(zhuǎn)向復(fù)合型應(yīng)急姿態(tài)頭部的HIC值

圖7 同一碰撞時(shí)刻時(shí)，行人復(fù)合型姿態(tài)與廂式客車碰撞位置關(guān)系

3 結(jié) 論

1)行人上半身前傾角度越大，越有利于減輕行人頭部損傷；行人身體轉(zhuǎn)向角度的增加，會加重行人頭部的損傷；行人下蹲角度的變化對行人頭部損傷影響不大；對于行人跨步前進(jìn)的姿態(tài)，HIC值受行人雙腿步態(tài)的影響：①行人跨步前進(jìn)角度為0～10°時(shí)，HIC值隨著跨步前進(jìn)角度的增大而增大，②當(dāng)跨步前進(jìn)角度增加到10°以后，HIC值隨著行人跨步前進(jìn)角度的增大而減小.

2)行人轉(zhuǎn)向加前傾復(fù)合型應(yīng)急姿態(tài)相比單一前傾應(yīng)急姿態(tài)更有利于減輕行人頭部損傷.

3)其他復(fù)合應(yīng)急姿態(tài)，包括兩種復(fù)合型及三種復(fù)合型應(yīng)急姿態(tài)對行人損傷的影響有待進(jìn)一步研究.