龍永程 費(fèi)敬 李雪玲 譚普元 李凡

（1.汽車(chē)振動(dòng)噪聲和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401122；2.中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司，重慶 401122；3.清華大學(xué)，北京 100084；4.汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082）

主題詞：汽車(chē)安全 頭部碰撞 事故重建 兩輪車(chē)

1 前言

根據(jù)公安部交通管理局2019 年統(tǒng)計(jì)年報(bào)，電動(dòng)兩輪車(chē)、摩托車(chē)和自行車(chē)騎車(chē)人在交通事故中的死亡人數(shù)在2019 年所有交通事故死亡人數(shù)中的占比分別為13.76%、19.35%和4.42%[1]。我國(guó)兩輪車(chē)事故中，電動(dòng)兩輪車(chē)為主要參與對(duì)象[2-3]，而歐洲兩輪車(chē)事故中的主要參與對(duì)象為自行車(chē)[4]，存在明顯差異。

以往的行人保護(hù)測(cè)試評(píng)價(jià)規(guī)程中[5-6]，用頭型沖擊器以40 km/h 的速度和以50°或65°的碰撞角度撞擊車(chē)輛包絡(luò)線（Wrap Around Distance，WAD）1 000～2 100 mm的區(qū)域。一些學(xué)者參照行人頭部碰撞的測(cè)評(píng)方法建立了兩輪車(chē)騎車(chē)人頭部碰撞工況。Oliver Zander 等[7]對(duì)德國(guó)交通事故深入調(diào)查（German In-Depth Accident Study，GIDAS）項(xiàng)目的自行車(chē)事故場(chǎng)景進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從中篩選了3個(gè)主要碰撞場(chǎng)景進(jìn)行仿真分析，將目前行人保護(hù)體系中頭部區(qū)域擴(kuò)大至WAD 2 500 mm，前風(fēng)窗玻璃上的試驗(yàn)點(diǎn)采用70°的碰撞角度撞擊以覆蓋自行車(chē)騎車(chē)人的頭部保護(hù)區(qū)域。歐洲新車(chē)安全評(píng)價(jià)組織（European New Car Assessment Programme，Euro NCAP）根據(jù)其研究結(jié)果最終決定將頭部碰撞區(qū)域從WAD 2 100 mm 擴(kuò)大至WAD 2 500 mm，在所擴(kuò)大的區(qū)域中位于前風(fēng)窗玻璃上的碰撞點(diǎn)碰撞角度采用65°，位于車(chē)頂?shù)呐鲎颤c(diǎn)碰撞角度采用45°，速度均為40 km/h[8]。Wu[9]對(duì)中國(guó)交通事故深入調(diào)查（China In-Depth Accident Study，CIDAS）數(shù)據(jù)庫(kù)兩輪車(chē)與汽車(chē)的碰撞事故中騎車(chē)人頭部落點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，80%的電動(dòng)兩輪車(chē)、摩托車(chē)和自行車(chē)事故騎車(chē)人頭部落點(diǎn)分別在WAD 2 260 mm、WAD 2 200 mm 和WAD 2 370 mm以內(nèi)。Li等[10]通過(guò)對(duì)電動(dòng)兩輪車(chē)與轎車(chē)和SUV 的碰撞事故進(jìn)行仿真，得到與轎車(chē)碰撞事故中騎車(chē)人頭部的平均碰撞角度為65°，與SUV 碰撞事故中騎車(chē)人頭部的平均碰撞角度為75°，頭部碰撞速度為40 km/h。呂曉江等[11]開(kāi)展了汽車(chē)-兩輪車(chē)碰撞試驗(yàn)，對(duì)比了自行車(chē)碰撞與電動(dòng)兩輪車(chē)碰撞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，自行車(chē)騎車(chē)人頭部落點(diǎn)在WAD 1 555～2 386 mm 區(qū)間，電動(dòng)兩輪車(chē)騎車(chē)人頭部落點(diǎn)在WAD 809～2 155 mm區(qū)間，頭部碰撞角度隨頭部落點(diǎn)位置及車(chē)型的不同而不同。

根據(jù)國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究，電動(dòng)兩輪車(chē)騎車(chē)人的頭部落點(diǎn)位置和碰撞角度在不同的車(chē)型上存在差異，車(chē)型差異性在測(cè)評(píng)方法中的體現(xiàn)也是需要解決的問(wèn)題。本文首先通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研中國(guó)兩輪車(chē)事故情況，統(tǒng)計(jì)兩輪車(chē)事故的主要場(chǎng)景和邊界條件，從所收集的事故中選取2例較為典型的事故案例進(jìn)行重建，開(kāi)展兩輪車(chē)-汽車(chē)碰撞全矩陣仿真，研究騎車(chē)人的頭部運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律。

2 事故重建及模型驗(yàn)證

2.1 事故信息

根據(jù)文獻(xiàn)[10]、文獻(xiàn)[12]～文獻(xiàn)[14]的統(tǒng)計(jì)，設(shè)參與方A、B分別代表汽車(chē)和兩輪車(chē)，事故的主要場(chǎng)景如表1所示。其中場(chǎng)景1～場(chǎng)景4 的事故發(fā)生率較高。潘威凱[3]通過(guò)國(guó)家車(chē)輛事故深度調(diào)查體系（National Automobile Accident In-Depth Investigation System，NAIS）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，汽車(chē)前部與兩輪車(chē)側(cè)面碰撞是最常見(jiàn)的沖突場(chǎng)景。

表1 文獻(xiàn)中的主要事故場(chǎng)景

本文在中國(guó)汽研采集的兩輪車(chē)事故數(shù)據(jù)中，選擇2例符合前文事故場(chǎng)景的較為典型的事故，建立仿真模型并進(jìn)行驗(yàn)證。選擇的原則為：兩輪車(chē)與車(chē)輛前部發(fā)生碰撞，車(chē)輛前端有明顯的碰撞位置；兩輪車(chē)騎車(chē)人未戴頭盔；視頻信息能反映騎車(chē)人在碰撞過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)。

2.2 車(chē)輛和人體模型

事故中的兩輪車(chē)和汽車(chē)模型均采用多剛體建模，如圖1 所示。基礎(chǔ)模型來(lái)源于文獻(xiàn)[15]，并基于事故重建進(jìn)行了驗(yàn)證。根據(jù)車(chē)輛基礎(chǔ)模型，按照本文中2例實(shí)際事故中車(chē)輛的外廓尺寸，對(duì)汽車(chē)模型進(jìn)行調(diào)整。

圖1 兩輪車(chē)和汽車(chē)模型

騎車(chē)人模型采用MADYMO 軟件自帶的人體模型，模型已進(jìn)行尸體、事故重建和物理假人的對(duì)標(biāo)驗(yàn)證[16-17]。根據(jù)兩輪車(chē)座墊、踏板和把手高度調(diào)節(jié)假人乘坐姿態(tài)，如圖2所示。

圖2 騎車(chē)人模型

2.3 事故重建

圖3所示為重建的轎車(chē)-兩輪車(chē)事故中騎車(chē)人運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)與事故視頻的對(duì)比。碰撞后，騎車(chē)人上半身側(cè)向倒向發(fā)動(dòng)機(jī)罩，腿部遠(yuǎn)離車(chē)輛前部，右肩及胸部右側(cè)撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)罩，頭部發(fā)生繞頸部的旋轉(zhuǎn)，但未撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)罩，隨后身體側(cè)向遠(yuǎn)離車(chē)輛。

圖3 轎車(chē)事故重建對(duì)比

圖4所示為重建的SUV-兩輪車(chē)事故中騎車(chē)人運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)與事故視頻的對(duì)比。碰撞后，騎車(chē)人上半身轉(zhuǎn)為面對(duì)車(chē)輛方向，頭部撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣（面部接觸），頭部與軀干充分撞擊車(chē)身后，騎車(chē)人身體遠(yuǎn)離車(chē)輛。

圖4 SUV事故重建對(duì)比

通過(guò)對(duì)真實(shí)事故記錄的視頻分析和碰撞還原，驗(yàn)證了模型具有一定的描述兩輪車(chē)騎車(chē)人在碰撞過(guò)程中運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的能力。受限于車(chē)輛前端結(jié)構(gòu)剛度的差異、兩輪車(chē)騎車(chē)人主動(dòng)肌肉響應(yīng)無(wú)法在模型中體現(xiàn)，以及實(shí)際事故的復(fù)雜性，模型不能描述碰撞過(guò)程中四肢的主動(dòng)應(yīng)激反應(yīng)，但仿真模型的兩輪車(chē)駕駛員整體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)與真實(shí)事故一致，可以用于后續(xù)研究。

3 參數(shù)分析

張立存[2]統(tǒng)計(jì)了事故中自行車(chē)、電動(dòng)兩輪車(chē)、摩托車(chē)與汽車(chē)碰撞前的平均速度分別在10～15 km/h、20～25 km/h 和30～35 km/h 范圍內(nèi)。羅俊任[18]基于NAIS 數(shù)據(jù)庫(kù)，調(diào)研了280起汽車(chē)與兩輪車(chē)的碰撞事故，90%的事故中汽車(chē)速度都在60 km/h 以下，電動(dòng)兩輪車(chē)和摩托車(chē)速度均在50 km/h以下。

根據(jù)前文對(duì)國(guó)內(nèi)兩輪車(chē)事故文獻(xiàn)的分析，選取5個(gè)變量進(jìn)行仿真矩陣設(shè)置，各參數(shù)范圍如表2 所示，共進(jìn)行1 800 次仿真。參數(shù)定義如圖5 所示，碰撞角度以兩輪車(chē)垂直車(chē)輛前進(jìn)方向?yàn)?°，逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?。偏置距離定義為假人H 點(diǎn)與車(chē)輛中線的距離，向下為正向。計(jì)算后輸出每個(gè)頭部碰撞點(diǎn)的位置、速度和相對(duì)地面水平面的角度。

表2 仿真矩陣參數(shù)設(shè)置

圖5 變量定義

4 驗(yàn)證結(jié)果與分析

4.1 頭部碰撞位置

圖6和圖7展示了不同體型騎車(chē)人頭部碰撞點(diǎn)在轎車(chē)和SUV車(chē)型上的分布情況。

圖6 騎車(chē)人頭部碰撞點(diǎn)在轎車(chē)車(chē)型上的分布情況

在轎車(chē)-兩輪車(chē)碰撞事故中，第5 百分位騎車(chē)人頭部碰撞點(diǎn)集中在發(fā)動(dòng)機(jī)罩區(qū)域，第50 百分位騎車(chē)人頭部碰撞點(diǎn)集中在發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前風(fēng)窗玻璃交界區(qū)域，第95百分位騎車(chē)人頭部碰撞點(diǎn)集中在發(fā)動(dòng)機(jī)罩末端及前風(fēng)窗玻璃區(qū)域，極少數(shù)碰撞點(diǎn)在車(chē)頂區(qū)域。頭部碰撞點(diǎn)在車(chē)輛上的包絡(luò)距離統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：頭部碰撞點(diǎn)在WAD 1 400～2 000 mm 區(qū)間有一定集中趨勢(shì)，可覆蓋75%的碰撞點(diǎn)；WAD 2 300 mm 以下可涵蓋90%以上的碰撞點(diǎn)。

在SUV-兩輪車(chē)碰撞事故中，頭部碰撞點(diǎn)基本位于發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣及中部區(qū)域。頭部碰撞點(diǎn)在車(chē)輛上的包絡(luò)距離統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，超過(guò)90%的頭部碰撞點(diǎn)均在WAD 1 700 mm范圍內(nèi)。

轎車(chē)-兩輪車(chē)碰撞事故和SUV-兩輪車(chē)碰撞事故中，兩輪車(chē)騎車(chē)人頭部碰撞點(diǎn)分布范圍差別較大。

4.2 碰撞速度

在目前的行人保護(hù)評(píng)價(jià)體系中，頭部沖擊器的碰撞速度為40 km/h，在該速度下能覆蓋轎車(chē)-兩輪車(chē)碰撞事故中約80%的碰撞點(diǎn)，如圖8 所示。由于仿真矩陣中車(chē)輛的初始速度范圍為20～60 km/h，有部分速度偏高（>40 km/h），導(dǎo)致部分頭部碰撞速度偏高。車(chē)輛上不同包絡(luò)線區(qū)域的頭部碰撞速度無(wú)明顯規(guī)律。

圖8 轎車(chē)-兩輪車(chē)碰撞事故中騎車(chē)人頭部碰撞速度分布

如圖9所示，40 km/h頭部碰撞速度可以覆蓋SUV-兩輪車(chē)碰撞事故中約70%的碰撞點(diǎn)。車(chē)輛上不同的包絡(luò)線區(qū)域與頭部碰撞速度無(wú)明顯規(guī)律，除WAD 小于1 300 mm 的區(qū)域外，其余包絡(luò)線區(qū)域基本能包含40 km/h 頭部碰撞點(diǎn)范圍。在WAD 小于1 300 mm 的區(qū)域，頭部碰撞速度明顯比其他區(qū)域小，約為20 km/h。結(jié)合2 個(gè)車(chē)型來(lái)看，除SUV 發(fā)動(dòng)機(jī)罩前端（WAD 小于1 300 mm）的區(qū)域外，目前行人保護(hù)測(cè)評(píng)中40 km/h能代表兩輪車(chē)騎車(chē)人的頭部碰撞速度。

圖9 SUV-兩輪車(chē)碰撞事故中騎車(chē)人頭部碰撞速度分布

4.3 碰撞角度

圖10 所示為轎車(chē)-兩輪車(chē)碰撞事故中騎車(chē)人頭部碰撞角度分布情況。頭部碰撞角度在40°～70°區(qū)間內(nèi)較為集中，目前行人保護(hù)測(cè)評(píng)中頭部沖擊器的碰撞角度為50°（兒童頭型）和65°（成人頭型），能夠覆蓋大多數(shù)工況。發(fā)動(dòng)機(jī)罩和前風(fēng)窗玻璃交界區(qū)域大致位于WAD 1 700 mm的區(qū)域，根據(jù)頭部碰撞角度與WAD之間的關(guān)系：在WAD 不大于1 700 mm 的區(qū)域，騎車(chē)人頭部碰撞角度基本保持一致；在WAD 大于1 700 mm 的區(qū)域，頭部碰撞角度開(kāi)始減??；在WAD 大于2 100 mm 的區(qū)域，頭部碰撞角度達(dá)到最小值。這是由于兩輪車(chē)騎車(chē)人在與轎車(chē)的碰撞中會(huì)發(fā)生身體的側(cè)傾與騰空：騎車(chē)人側(cè)傾運(yùn)動(dòng)占據(jù)主導(dǎo)時(shí)，頭部以較大的碰撞角度撞擊到WAD較小的區(qū)域；騎車(chē)人騰空運(yùn)動(dòng)占據(jù)主導(dǎo)時(shí)，頭部以較小的碰撞角度撞擊到WAD 較大的區(qū)域。在車(chē)輛WAD 2 100～2 300 mm的區(qū)域，頭部碰撞角度約為45°。

圖10 轎車(chē)-兩輪車(chē)碰撞事故中騎車(chē)人頭部碰撞角度分布

圖11 所示為SUV-兩輪車(chē)碰撞事故中騎車(chē)人頭部碰撞角度的分布情況。相比轎車(chē)-兩輪車(chē)碰撞事故，騎車(chē)人頭部碰撞相對(duì)分散，出現(xiàn)了較多大角度（>80°）的撞擊工況。這是由于SUV 發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣較高，直接撞擊電動(dòng)兩輪車(chē)騎車(chē)人腰部及下胸位置，導(dǎo)致頭部與發(fā)動(dòng)機(jī)罩接觸前，軀干側(cè)傾過(guò)程中，胸部與發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣充分接觸減速，使頭部碰撞時(shí)水平方向的相對(duì)速度較小，如圖12 所示。但在該工況下頭部的碰撞速度較小（圖9），與目前行人保護(hù)測(cè)評(píng)體系中的頭部工況（碰撞角度50°，碰撞速度40 km/h）的碰撞能量相比，其能量較低，不會(huì)造成更為嚴(yán)重的頭部損傷，但是其碰撞角度更大，可能對(duì)騎車(chē)人的頸部造成較大損傷。因此，對(duì)于SUV，目前行人頭部保護(hù)的測(cè)評(píng)工況基本能夠覆蓋對(duì)騎車(chē)人的頭部保護(hù)范圍，此外，SUV 發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣較高，可能會(huì)對(duì)騎車(chē)人的胸部造成較大的損傷。

圖12 SUV-兩輪車(chē)碰撞事故中騎車(chē)人頭部大角度碰撞過(guò)程

4.4 結(jié)果分析

根據(jù)前文的分析，對(duì)于轎車(chē)-兩輪車(chē)碰撞事故，騎車(chē)人頭部碰撞點(diǎn)明顯靠后，在覆蓋90%的碰撞點(diǎn)范圍條件下，轎車(chē)WAD 達(dá)到2 300 mm，而SUV 的WAD為1 700 mm，因此區(qū)分車(chē)型來(lái)擴(kuò)展兩輪車(chē)的頭部保護(hù)區(qū)域更符合實(shí)際騎車(chē)人的運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)。頭部碰撞范圍差異的主要原因是兩輪車(chē)騎車(chē)人與車(chē)輛之間的接觸特性不一致，導(dǎo)致碰撞發(fā)生后騎車(chē)人的軀干運(yùn)動(dòng)規(guī)律不一致，主要影響因素為車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣高度。

圖13 分析了不同前緣基準(zhǔn)線（Bonnet Leading Edge，BLE）[6-7]高度下騎車(chē)人碰撞后的軀干運(yùn)動(dòng)規(guī)律和頭部撞擊位置：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣高度大于850 mm 時(shí)，騎車(chē)人髖部所受橫向撞擊作用更加明顯，軀干騰空趨勢(shì)減弱，頭部撞擊位置前移；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣高度大于900 mm時(shí)，騎車(chē)人軀干不再具有騰空運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

圖13 不同BLE高度下騎車(chē)人的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

表3展示了文獻(xiàn)[19]、文獻(xiàn)[20]中的車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣基準(zhǔn)線高度。轎車(chē)的前緣高度通常小于800 mm，SUV前緣高度通常在840 mm以上，結(jié)合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析，建議以850 mm為界對(duì)被測(cè)車(chē)型進(jìn)行劃分。

表3 統(tǒng)計(jì)高度參考值 mm

綜上所述，對(duì)于兩輪車(chē)騎車(chē)人頭部保護(hù)測(cè)評(píng)工況，建議按車(chē)型的BLE高度850 mm進(jìn)行區(qū)分：對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣較低的車(chē)輛，頭部碰撞區(qū)域建議由WAD 2 100 mm擴(kuò)大至WAD 2 300 mm，碰撞角度為45°；對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣較高的車(chē)輛，無(wú)需擴(kuò)大頭部碰撞區(qū)域。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于事故重建的方法在仿真中研究了兩輪車(chē)騎車(chē)人頭部碰撞情況，結(jié)合行人保護(hù)頭部測(cè)評(píng)方法提出了測(cè)評(píng)建議。由于實(shí)際交通事故的復(fù)雜性，仿真模型亦不能完全準(zhǔn)確地反映完整碰撞過(guò)程。另外，在仿真中使用的是多剛體模型，騎車(chē)人的各部位傷害情況未進(jìn)行研究。但在仿真中發(fā)現(xiàn)，SUV車(chē)型雖不會(huì)造成頭部碰撞區(qū)域擴(kuò)大，但是發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣會(huì)對(duì)騎車(chē)人胸部造成明顯的損傷，而且發(fā)生頭部大角度碰撞時(shí)也可能對(duì)頸部造成損傷，上述問(wèn)題可在后續(xù)研究中完善。