王興華, 彭 勇,2

(1.中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075；2.中南大學(xué) 高性能復(fù)合材料制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410006)

與行人一樣，由于在交通事故中缺乏有效的保護(hù)，自行車騎行者和摩托車騎行者也是易受傷害的道路使用者。2013年，全世界道路交通死亡人數(shù)為125萬(wàn)人，其中自行車騎行者占4%，摩托車騎行者占23%[1]。在我國(guó)，自行車騎行者的死亡和受傷人數(shù)則僅次于行人，是第二大易受傷害的道路使用者群體。據(jù)研究，在交通事故中，頭部和下肢是最容易受傷的身體部位[2]。其中，頭部損傷是最主要的致命因素，占所有易受傷害的道路使用者的致命損傷的80%[3]。因此，研究自行車騎行者與摩托車騎行者在交通事故中的碰撞響應(yīng)，尤其對(duì)于頭部和下肢，對(duì)于減輕和減少交通事故中這兩類易受傷害的道路使用者的損傷程度及死亡人數(shù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，通過(guò)深度事故數(shù)據(jù)分析[4]，數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)模型[5]，數(shù)值仿真[6-8]以及假人碰撞試驗(yàn)[9]，行人在交通事故中的碰撞響應(yīng)已經(jīng)被深入地研究了。研究發(fā)現(xiàn)，車速，車型，行人尺寸，行人姿態(tài)，碰撞位置等對(duì)行人的碰撞響應(yīng)有顯著影響[10-12]。

近年來(lái)，由于自行車騎行者和摩托車騎行者的死亡人數(shù)日益增加，針對(duì)這兩類易受傷害的道路使用者安全的研究已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。Peng等[13]基于GIDAS數(shù)據(jù)庫(kù)中的402例行人事故和940例自行車事故，通過(guò)邏輯回歸模型獲得了行人和自行車騎行者關(guān)于車速的頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)曲線，并以其中的22例行人事故和18例自行車事故為例，進(jìn)一步對(duì)比分析了行人和自行車騎行者在交通事故中的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和頭部損傷機(jī)理。Nie等[14]通過(guò)自行車事故重建，分析了自行車騎行者的頭部碰撞條件，并得到了自行車騎行者關(guān)于車速的頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)曲線和下肢骨折風(fēng)險(xiǎn)曲線。Maki等[15]對(duì)比分析了日本的汽車-自行車和汽車-行人事故，發(fā)現(xiàn)自行車騎行者頭部是否與汽車發(fā)生碰撞與自行車與汽車的初始碰撞位置，汽車前端的幾何形狀和自行車移動(dòng)速度有關(guān)，并且由于自行車騎行者腿部為屈膝姿勢(shì)，自行車騎行者和行人遭受的腿部損傷及其致傷原因存在差異。Guo等[16]通過(guò)重建兩起典型且真實(shí)的汽車-摩托車事故，分析了碰撞過(guò)程中摩托車騎行者和摩托車搭乘人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及受力情況。盡管交通事故中行人、自行車騎行者和摩托車騎行者的碰撞響應(yīng)已被廣泛地研究了，但是由于自行車騎行者與摩托車騎行者在碰撞前姿態(tài)不同，且自行車和摩托車在外形、重量上相差甚多，因此二者在事故中的頭部及腿部動(dòng)態(tài)響應(yīng)的差異也需要進(jìn)一步研究和討論。然而，目前有關(guān)于該方面的研究十分稀少。

本文基于PC-Crash事故重建軟件，利用多剛體人體、自行車模型、摩托車模型和汽車模型對(duì)典型汽車-自行車和汽車-摩托車事故進(jìn)行仿真模擬。并進(jìn)一步比較了交通事故中自行車騎行者和摩托車騎行者頭部及腿部動(dòng)態(tài)響應(yīng)的差異。此研究結(jié)果可為制定合適的自行車騎行者和摩托車騎行者保護(hù)措施提供參考。

1 方法

1.1 事故重建模型

PC-Crash為奧地利DSD(Dr. Steffan Datentechnik GmbH)公司開(kāi)發(fā)的專用于事故再現(xiàn)分析的軟件，該軟件包含兩大部分：PC-Rect，PC-Crash，前者可將現(xiàn)場(chǎng)拍攝所得圖片轉(zhuǎn)換成分析系統(tǒng)所需的DXF文件；后者為事故再現(xiàn)分析系統(tǒng)，其中包含軌跡、拖車、多剛體模型及基于動(dòng)量守恒的碰撞模型等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)常見(jiàn)事故形態(tài)的模擬分析[17]。本文中，PC-Crash 8.0版被用于仿真研究。

該研究中，從PC-Crash車輛數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用車型“AUDI-A4 1.8-AUTOM”和“AUDI-Q7 3.0 TDI-AVANT”，分別用來(lái)代表小轎車和越野車。其中，小轎車重為1 340 kg，長(zhǎng)為4 480 mm，寬為1 730 mm，高為1 420 mm；越野車重為2 370 kg，長(zhǎng)為5 090 mm，寬為1 980 mm，高為1 730 mm。汽車前端形狀和汽車前端元件剛度均采用PC-Crash默認(rèn)值。選用多剛體模型“bicycle 1 + driver 010910”和“maxi + driver 010910”用來(lái)模擬自行車和自行車騎行者系統(tǒng)及摩托車和摩托車騎行者系統(tǒng)。其中，騎車人由27個(gè)剛體組成，包括頭部、上肢、下肢、軀干和臀部等，剛體與剛體之間通過(guò)鉸鏈連接。根據(jù)中國(guó)人的實(shí)際人體參數(shù)，仿真中騎車人質(zhì)量設(shè)為60 kg，身高設(shè)為168.5 cm[18]。自行車由前輪、后輪、鏈輪、車座、車座支撐管、下管、車把和前叉8個(gè)剛體組成?；谖覈?guó)最常見(jiàn)的26英寸自行車，仿真中自行車質(zhì)量設(shè)為15 kg，高度設(shè)為85 cm。摩托車則由前輪、后輪、燃料箱、發(fā)動(dòng)機(jī)、車座、車把和前叉7個(gè)剛體組成。質(zhì)量和高度保持PC-Crash默認(rèn)值，分別為47 kg和96 cm。參照《典型交通事故形態(tài)車輛行駛速度技術(shù)鑒定》[19]，汽車與路面摩擦系數(shù)為0.8，摩托車與路面摩擦系數(shù)為0.65，兩輪車騎行者與路面摩擦系數(shù)為0.52，其余參數(shù)保持PC-Crash默認(rèn)值。多剛體模型,如圖1所示。小轎車和越野車的輪廓參數(shù),如圖2所示。多剛體模型參數(shù),如表1所示。

(a)自行車及自行車騎行者模型(b)摩托車及摩托車騎行者模型(c)小轎車模型(d)越野車模型

圖1 多剛體模型

Fig.1 Multibody body

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

在汽車與兩輪車的碰撞事故中，側(cè)面碰撞場(chǎng)景是最為普遍的[20]，故本文只考慮汽車與兩輪車側(cè)面碰撞的情況。由于兩輪車的長(zhǎng)度相對(duì)于汽車的寬度是不能忽略的，并且騎車人頭部是否與車輛發(fā)生碰撞與車輛和兩輪車的初始碰撞位置有關(guān)，因此本文將針對(duì)汽車與兩輪車的初始碰撞位置為兩輪車的前部、中部和后部三種情況進(jìn)行分析。如圖3所示。

(a) 小轎車輪廓參數(shù)

(d) 越野車輪廓參數(shù)

高度/mm質(zhì)量/kg與地面的摩擦因數(shù)與車輛的摩擦因數(shù)恢復(fù)系數(shù)自行車騎行者/摩托車騎行者1685600.520.200.1自行車850150.400.700.1摩托車960470.650.700.1

(a)兩輪車前部(b)兩輪車中部(c)兩輪車后部(以小轎車-自行車碰撞為例)

圖3 側(cè)面碰撞時(shí)汽車與兩輪車的接觸部位

Fig.3 Contact position of vehicle and two-wheeler

由于城市道路交通擁堵比較嚴(yán)重，車輛行駛速度常常處于中低速范圍，因此，仿真實(shí)驗(yàn)中車輛碰撞速度取30 km/h、35 km/h、40 km/h、45 km/h和50 km/h。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車與自行車碰撞事故中，自行車速度一般為10～15 km/h，因此，仿真實(shí)驗(yàn)中兩輪車移動(dòng)速度設(shè)為10 km/h。為了模擬車輛在干燥路面上的剎車行為，車輛減速度設(shè)置為0.75g[21]，而兩輪車無(wú)任何制動(dòng)措施。根據(jù)車輛碰撞速度及車輛與兩輪車的初始碰撞部位進(jìn)行碰撞仿真實(shí)驗(yàn)，共需60次仿真實(shí)驗(yàn)。記錄數(shù)據(jù)主要有碰撞過(guò)程中騎車人頭部速度、加速度以及騎車人撞擊側(cè)小腿撞擊力。

2 結(jié) 果

以碰撞速度為40 km/h，汽車與兩輪車的初始碰撞部位為兩輪車中部的碰撞仿真為例，本文對(duì)兩輪車騎行者的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程、頭部合成加速度、頭部合成速度、HIC15[22-23]以及撞擊側(cè)小腿撞擊力進(jìn)行了對(duì)比分析。

2.1 兩輪車騎行者動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過(guò)程

在汽車-兩輪車交通事故中，側(cè)面碰撞是最常見(jiàn)的碰撞場(chǎng)景。表2展示了自行車騎行者和摩托車騎行者在與小轎車及越野車碰撞時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。該過(guò)程大致可以分為三個(gè)階段，即碰撞階段、爬升/旋轉(zhuǎn)階段和滑落階段。碰撞階段，兩輪車騎行者的撞擊側(cè)小腿與車輛保險(xiǎn)杠首先接觸，緊接著兩輪車騎行者的臀部或大腿與發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿發(fā)生碰撞。該階段，兩輪車騎行者的下肢被車輛推著向前運(yùn)動(dòng)，而上肢則幾乎靜止不動(dòng)。爬升/旋轉(zhuǎn)階段，在小轎車-自行車碰撞仿真中，自行車騎行者上肢首先在發(fā)動(dòng)機(jī)罩上滑動(dòng)直至骨盆與發(fā)動(dòng)機(jī)罩接觸。隨后，自行車騎行者上肢以骨盆與發(fā)動(dòng)機(jī)罩的接觸點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心向風(fēng)擋玻璃旋轉(zhuǎn)，最后自行車騎行者頭部與風(fēng)擋玻璃下端發(fā)生碰撞。在小轎車-摩托車碰撞仿真中，摩托車騎行者上肢直接以腿部與發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿的接觸部位為旋轉(zhuǎn)中心，以更大的旋轉(zhuǎn)半徑向風(fēng)擋玻璃旋轉(zhuǎn)，最后摩托車騎行者頭部與發(fā)動(dòng)機(jī)罩和風(fēng)擋玻璃的交界處發(fā)生碰撞。在與越野車的碰撞仿真中，由于越野車前端較高，自行車騎行者和摩托車騎行者上肢直接以骨盆與發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿的接觸部位為旋轉(zhuǎn)中心向發(fā)動(dòng)機(jī)罩后端旋轉(zhuǎn)，最后兩輪車騎行者頭部與發(fā)動(dòng)機(jī)罩后端發(fā)生碰撞?；潆A段，兩輪車騎行者沿著發(fā)動(dòng)機(jī)罩或風(fēng)擋玻璃向下滑落，最終與地發(fā)生碰撞。

2.2 兩輪車騎行者頭部及腿部碰撞條件

圖4展示了側(cè)面碰撞過(guò)程中，兩輪車騎行者合成頭部速度曲線。與小轎車碰撞時(shí)，自行車騎行者頭部與車輛發(fā)生碰撞的時(shí)間更早。而摩托車騎行者的頭部碰撞速度高于自行車騎行者的頭部碰撞速度，分別為37.01 km/h和30.88 km/h。這可能是因?yàn)槟ν熊囼T行者具有更大的旋轉(zhuǎn)半徑，摩托車騎行者頭部受到的外力矩更大。與越野車碰撞時(shí)，自行車騎行者和摩托車騎行者頭部與車輛發(fā)生碰撞的時(shí)間較為接近。而且自行車騎行者的頭部碰撞速度高于摩托車騎行者的頭部碰撞速度，分別為43.00 km/h和40.80 km/h。

表2 側(cè)面碰撞中兩輪車騎行者的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過(guò)稱

圖4 側(cè)面碰撞中兩輪車騎行者的合成頭部速度

圖5展示了側(cè)面碰撞過(guò)程中，兩輪車騎行者的合成頭部加速度曲線。由于兩輪車騎行者的翻滾運(yùn)動(dòng)，在峰值出現(xiàn)之前，合成頭部加速度曲線存在一些小幅的波動(dòng)。與小轎車碰撞時(shí)，摩托車騎行者的合成頭部加速度具有更大的峰值，并且摩托車騎行者遭受的頭部損傷更為嚴(yán)重，其HIC15值為458.3。這可能是因?yàn)槟ν熊囼T行者直接以腿部與發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿的接觸部位為旋轉(zhuǎn)中心，具有更大的旋轉(zhuǎn)半徑，并且摩托車騎行者沒(méi)有在發(fā)動(dòng)機(jī)罩上滑動(dòng)而損失動(dòng)能。與越野車碰撞時(shí)，自行車騎行者遭受了更嚴(yán)重的頭部損傷，其HIC15值為558.3。這可能是因?yàn)樽孕熊囎咻^高，自行車騎行者繞骨盆旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)中心位于骨盆下部，具有更大的旋轉(zhuǎn)半徑。

圖5 側(cè)面碰撞中兩輪車騎行者的合成頭部加速度

Fig.5 The resultant head acceleration of two-wheeler rider in side collision

圖6展示了側(cè)面碰撞過(guò)程中，兩輪車騎行者撞擊側(cè)小腿撞擊力曲線。與小轎車碰撞時(shí)，自行車騎行者撞擊側(cè)小腿承受的撞擊力大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，這表明該種情況下自行車騎行者更容易遭受嚴(yán)重的腿部損傷。與越野車碰撞時(shí)，摩托車騎行者撞擊側(cè)小腿承受的撞擊力大于自行車騎行者撞擊側(cè)小腿承受的撞擊力。

圖6 側(cè)面碰撞中兩輪車騎行者撞擊側(cè)小腿撞擊力

Fig.6 The struck crus impact force of two-wheeler rider in side collision

3 討 論

圖7描述了側(cè)面碰撞過(guò)程中，車速與兩輪車騎行者平均頭部碰撞速度的關(guān)系。與小轎車碰撞時(shí)，自行車騎行者和摩托車騎行者的平均頭部碰撞速度都隨車速的增加而增加。但摩托車騎行者的平均頭部碰撞速度近似于車輛碰撞速度，而自行車騎行者的平均頭部碰撞速度相較于車輛碰撞速度則小很多。與越野車碰撞時(shí)，當(dāng)車輛碰撞速度較高，自行車騎行者和摩托車騎行者的平均頭部碰撞速度都高于車輛碰撞速度，但摩托車騎行者的平均頭部碰撞速度隨車速增加的增幅大于自行車騎行者的平均頭部碰撞速度的增幅。并且當(dāng)車輛碰撞速度增加至50 km/h時(shí)，摩托車騎行者的平均頭部碰撞速度將遠(yuǎn)大于車輛碰撞速度，為58.31 km/h。

圖7 車速與平均頭部碰撞速度的關(guān)系

Fig.7 The relation between vehicle speed and average head impact speed

由于當(dāng)初始碰撞部位為兩輪車后部時(shí)，兩輪車騎行者頭部往往不與車輛發(fā)生碰撞。因此，碰撞部位對(duì)兩輪車騎行者平均頭部平均碰撞速度的影響在本文中不予討論。

圖8描述了側(cè)面碰撞過(guò)程中，車速與兩輪車騎行者平均HIC15的關(guān)系。對(duì)于所有碰撞類型，平均HIC15都隨著車速的增加而增加。當(dāng)車速增加至50 km/h時(shí)，平均HIC15將急劇增大，并且在與越野車的碰撞事故中，平均HIC15將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出頭部損傷耐受極限。與小轎車碰撞時(shí)，自行車騎行者的平均HIC15稍稍高于摩托車騎行者的平均HIC15，差異很小。與越野車碰撞時(shí)，自行車騎行者的平均HIC15顯著高于摩托車騎行者的平均HIC15，且兩輪車騎行者的平均HIC15受車速影響更加顯著。這表明與越野車碰撞時(shí)，自行車騎行者更容易遭受嚴(yán)重的頭部損傷。

圖8 車速與平均HIC15的關(guān)系

圖9描述了側(cè)面碰撞過(guò)程中，碰撞部位與平均HIC15的關(guān)系。與小轎車碰撞時(shí)，若初始碰撞部位為兩輪車后部，自行車騎行者和摩托車騎行者的平均HIC15極其小，這是因?yàn)樵撉闆r下自行車騎行者頭部和摩托車騎行者頭部不與車輛發(fā)生碰撞。初始碰撞部位為兩輪車中部或前部時(shí)，自行車騎行者的平均HIC15幾乎不變，而摩托車騎行者的平均HIC15則相差較大，這說(shuō)明與小轎車碰撞時(shí)，碰撞部位對(duì)摩托車騎行者頭部損傷的影響更為顯著。與越野車碰撞時(shí)，若初始碰撞部位為兩輪車后部，自行車騎行者和摩托車騎行者的平均HIC15較小。這可能是因?yàn)樵撉闆r下自行車騎行者頭部和摩托車騎行者頭部與發(fā)動(dòng)機(jī)罩側(cè)邊緣發(fā)生碰撞，接觸面積較小。然而，當(dāng)初始碰撞部位為兩輪車中部或前部時(shí)，自行車騎行者的平均HIC15將明顯高于摩托車騎行者的平均HIC15，這進(jìn)一步說(shuō)明與越野車相撞時(shí)，自行車騎行者更有可能遭受嚴(yán)重的頭部損傷。

圖10描述了側(cè)面碰撞過(guò)程中，車速與兩輪車騎行者撞擊側(cè)小腿平均撞擊峰值力的關(guān)系。兩輪車騎行者撞擊側(cè)小腿平均撞擊峰值力與車速并無(wú)顯著關(guān)系。與小轎車碰撞時(shí)，在車輛碰撞速度為40 km/h的碰撞場(chǎng)景中，自行車騎行者撞擊側(cè)小腿平均撞擊峰值力達(dá)到最大，而摩托車騎行者撞擊側(cè)小腿平均撞擊峰值力則最小。而在車輛碰撞速度為50 km/h的碰撞場(chǎng)景中，摩托車騎行者撞擊側(cè)小腿平均撞擊峰值力顯著高于自行車騎行者撞擊側(cè)小腿平均撞擊峰值力，分別為14 922.40 N和6 848.03 N。與越野車碰撞時(shí)，自行車騎行者和摩托車騎行者撞擊側(cè)小腿平均撞擊峰值力都有隨車速增加而增大的趨勢(shì)。但摩托車騎行者撞擊側(cè)小腿平均撞擊峰值力更高，這表明摩托車騎行者更容易遭受嚴(yán)重的腿部傷害。

圖9 碰撞位置與平均HIC15的關(guān)系

圖10 車速與撞擊側(cè)小腿平均撞擊峰值力的關(guān)系

Fig.10 The relation between vehicle speed and average struck crus peak impact force

圖11描述了側(cè)面碰撞過(guò)程中，碰撞部位與兩輪車騎行者撞擊側(cè)小腿平均撞擊峰值力的關(guān)系。與小轎車碰撞時(shí)，初始碰撞部位由兩輪車前部移至兩輪車后部的過(guò)程中，自行車騎行者撞擊側(cè)小腿平均撞擊峰值力變化不大，而摩托車騎行者撞擊側(cè)小腿平均撞擊峰值力則逐漸增大，并且摩托車騎行者撞擊側(cè)小腿平均撞擊峰值力始終高于自行車騎行者撞擊側(cè)小腿平均撞擊峰值力。與越野車碰撞時(shí)，摩托車騎行者撞擊側(cè)小腿平均撞擊峰值力仍然始終高于自行車騎行者撞擊側(cè)小腿平均撞擊峰值力。這說(shuō)明摩托車騎行者更容易遭受嚴(yán)重的腿部損傷，這可能是因?yàn)槟ν熊囐|(zhì)量大，當(dāng)車輛保險(xiǎn)杠撞擊騎行者小腿時(shí)，摩托車阻礙騎行者小腿向前運(yùn)動(dòng)的能力強(qiáng)。且相較于與小轎車碰撞的情況，與越野車碰撞時(shí)兩輪車騎行者撞擊側(cè)小腿平均撞擊峰值力顯著下降。這說(shuō)明小轎車對(duì)兩輪車騎行者小腿有更強(qiáng)的侵略性。

圖11 碰撞部位與撞擊側(cè)小腿平均撞擊峰值力的關(guān)系

Fig.11 The relation between contact position and average struck crus peak impact force

4 結(jié) 論

本文利用PC-Crash事故重建軟件，對(duì)典型的汽車-自行車和汽車-摩托車事故進(jìn)行了重建，比較了不同碰撞條件下自行車騎行者和摩托車騎行者頭部、腿部碰撞響應(yīng)的差異。

結(jié)果表明，交通事故中自行車騎行者和摩托車騎行者的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程及頭部、腿部碰撞條件，如頭部碰撞速度，碰撞側(cè)小腿撞擊力等，存在顯著差異。與小轎車的側(cè)面碰撞事故中，自行車騎行者會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)罩上滑動(dòng)，而摩托車騎行者將直接以骨盆與發(fā)動(dòng)機(jī)罩邊緣的接觸部位為旋轉(zhuǎn)中心向著擋玻璃旋轉(zhuǎn)。自行車騎行者和摩托車騎行者的平均頭部碰撞速度都隨車速的增加而增加。與小轎車相撞時(shí)，摩托車騎行者的平均頭部碰撞速度顯著大于自行車騎行者的平均頭部碰撞速度，且接近于車輛碰撞速度。與越野車相撞時(shí)，摩托車騎行者的平均頭部碰撞速度隨車速的增加而急劇增加，甚至大于車輛碰撞速度。自行車騎行者和摩托車騎行者的平均HIC15與車速是正相關(guān)的。與小轎車相撞時(shí)，自行車騎行者和摩托車騎行者的平均HIC15較為接近；與越野車相撞時(shí)，自行車騎行者則更容易遭受嚴(yán)重的頭部損傷。交通事故中，相較于自行車騎行者，摩托車騎行者撞擊側(cè)小腿要承受更大的撞擊力。此結(jié)果可為制定合適的自行車騎行者和摩托車騎行者保護(hù)措施提供一定的理論依據(jù)。

當(dāng)車輛碰撞速度增加至50 km/h時(shí)，自行車騎行者和摩托車騎行者的平均HIC15及撞擊側(cè)小腿的平均撞擊峰值力都會(huì)大幅增大，甚至超出損傷耐受極限。因此，在自行車事故或摩托車事故多發(fā)路段，限速50 km/h是有必要的。

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