乘用車前端結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)行人頭部動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和損傷風(fēng)險(xiǎn)的影響*

聶 進(jìn),李桂兵，王薛超，楊濟(jì)匡,3

(1.湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082；2.婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院，婁底 417000；3.查爾摩斯理工大學(xué)應(yīng)用力學(xué)系，瑞典 41296)

前言

交通事故中由于缺少保護(hù)裝置，行人被認(rèn)為是最容易受傷害的道路使用者之一。交通事故中行人損傷是導(dǎo)致交通事故受害者死亡或殘疾的一個(gè)重要因素。2004-2010年我國(guó)行人交通事故中導(dǎo)致46萬(wàn)人受傷，16萬(wàn)人死亡，占總交通事故總死亡人數(shù)25%以上[1]。歷年來(lái)中國(guó)行人傷亡比例居高不下，行人安全已成為中國(guó)車輛交通安全的主要問(wèn)題之一。因此，基于深入調(diào)查的行人交通事故數(shù)據(jù)研究行人損傷風(fēng)險(xiǎn)在我國(guó)具有重要意義。

車輛碰撞速度是影響行人損傷嚴(yán)重程度的主要因素之一。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家早在30年前就已經(jīng)對(duì)乘用車碰撞速度與行人傷亡風(fēng)險(xiǎn)做過(guò)相關(guān)研究，并得到了不同碰撞速度下的傷亡風(fēng)險(xiǎn)值。在國(guó)內(nèi)，文獻(xiàn)[2]中以104例深入調(diào)查的行人事故數(shù)據(jù)為原始樣本，通過(guò)加權(quán)處理得到了乘用車碰撞速度與行人重傷(AIS 3+損傷)和死亡的回歸模型和風(fēng)險(xiǎn)曲線。

車輛前部結(jié)構(gòu)幾何形狀在車輛-行人碰撞過(guò)程中能產(chǎn)生不同的行人碰撞動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，也是影響行人損傷分布和嚴(yán)重程度的重要因素之一[3]。國(guó)外大量研究表明：微型廂式車、運(yùn)動(dòng)型多功能車(SUV)和轎車造成行人身體各部位損傷比例明顯不同[4-5]；輕型貨車、廂式車和SUV造成行人AIS 3+損傷和死亡的風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于轎車[6-8]。

乘用車是國(guó)內(nèi)車輛-行人交通事故中最常見(jiàn)的車輛類型[9]。近年來(lái)，隨著SUV和微型廂式車輛在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上銷售量的不斷增加，這兩類車型在乘用車中所占比例急劇上升，其對(duì)行人的安全問(wèn)題也變得越來(lái)越重要。由于我國(guó)深入的交通事故調(diào)查活動(dòng)開(kāi)展較晚，采集的行人事故案例相對(duì)較少，基于深入調(diào)查的不同類型乘用車-行人事故對(duì)行人損傷風(fēng)險(xiǎn)的研究相對(duì)較少。

本文中以長(zhǎng)沙地區(qū)深入的交通事故調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)(IVAC)中采集乘用車-行人事故案例為基礎(chǔ)，按照不同乘用車前部輪廓對(duì)行人事故進(jìn)行了歸類，對(duì)比了不同類型的乘用車對(duì)行人的損傷分布和損傷風(fēng)險(xiǎn)；分別建立了不同類型乘用車-行人碰撞的多體動(dòng)力學(xué)模型，并在不同碰撞速度下進(jìn)行仿真分析，對(duì)比了不同碰撞速度下不同車型對(duì)行人頭部碰撞的影響。

1 方法和材料

1.1 車型分類

從車輛的側(cè)視圖中提取了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上絕大部分乘用車縱向中垂面的外部輪廓線，按照真實(shí)車輛的長(zhǎng)度和高度尺寸，在CAD軟件中對(duì)所提取的輪廓線進(jìn)行長(zhǎng)度和高度方向的單軸縮放，以確保所提取輪廓線與真實(shí)車輛縱向中垂面的外部輪廓保持等比關(guān)系。按照IHRA對(duì)歐美日等主流乘用車類型的分類[10]，本文中根據(jù)等比例縮放后車輛前部結(jié)構(gòu)輪廓線的擬合程度，將乘用車分為以下3大類：轎車、SUV和微型廂式車。各類車型最大和最小前部結(jié)構(gòu)幾何輪廓如圖1所示。

車輛前部結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)參數(shù)定義如圖2所示，表1～表3列出了轎車、SUV和微型廂式車前部結(jié)構(gòu)各設(shè)計(jì)參數(shù)的最大值和最小值。

1.2 數(shù)據(jù)樣本

2006年湖南大學(xué)與當(dāng)?shù)亟痪块T和醫(yī)院合作，成立了車輛交通事故調(diào)查小組，在長(zhǎng)沙市開(kāi)展了深入的交通事故調(diào)查活動(dòng)。當(dāng)接到事故報(bào)警后，小組的研究人員與交警一起赴事故現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并采集數(shù)據(jù)，采集方式包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、拍照和詢問(wèn)事故當(dāng)事人和目擊者，并通過(guò)事故現(xiàn)場(chǎng)回勘和當(dāng)事人回訪進(jìn)一步采集詳細(xì)的事故信息。受害人的傷情數(shù)據(jù)通過(guò)急救醫(yī)院獲得。所有采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析整理歸檔存于深入事故調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)—IVAC(in-depth investigation of vehicle accident in Changsha of China)[2]。

表1 轎車前部結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 SUV前部結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 微型廂式車前部結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)參數(shù)

樣本1 按照上述車型分類，從IVAC數(shù)據(jù)庫(kù)中選取包含詳細(xì)車型和人員損傷信息的乘用車-行人碰撞事故528例(轎車389例，SUV 22例，微型廂式車117例)，取樣標(biāo)準(zhǔn)為：(1)事故時(shí)間為2004-2011年；(2)行人年齡大于14歲；(3)行人損傷為AIS1+；(4)車輛類型為乘用車?；诖藰颖?，用描述性統(tǒng)計(jì)方法統(tǒng)計(jì)分析了不同類型乘用車-行人事故中行人損傷部位和損傷嚴(yán)重性的分布比例。

樣本2 從樣本1中選取包含詳細(xì)事故發(fā)生過(guò)程記錄，車輛痕跡和行人損傷數(shù)據(jù)，且車輛碰撞速度可合理估算的186起案例(其中轎車117例，SUV 21例，微型廂式車48例)。通過(guò)此樣本建立各類乘用車碰撞速度與行人傷亡風(fēng)險(xiǎn)的邏輯回歸模型，比較不同類型的乘用車對(duì)行人造成的傷亡風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 邏輯回歸方法

采用邏輯回歸分析方法構(gòu)建了不同車型碰撞速度與行人AIS 3+損傷和死亡風(fēng)險(xiǎn)的邏輯回歸模型。比較分析了碰撞速度與行人損傷的關(guān)系和不同車型之間的區(qū)別。邏輯回歸模型中自變量和因變量之間的相關(guān)性通過(guò)Wald卡方檢驗(yàn)，首先建立零假設(shè)(假設(shè)自變量對(duì)事件發(fā)生可能性無(wú)影響作用)，然后計(jì)算出卡方值χ2和檢驗(yàn)值p。χ2值越大，p值越小，則自變量與反應(yīng)變量的相關(guān)性越顯著。一般當(dāng)p<0.05時(shí)認(rèn)為相關(guān)性非常顯著；當(dāng)p<0.1時(shí)，認(rèn)為相關(guān)性較為顯著；p≥0.1時(shí)，相關(guān)性不顯著。

基于logistic回歸分析建立碰撞速度與行人損傷風(fēng)險(xiǎn)的回歸模型，AIS 3+損傷風(fēng)險(xiǎn)或者死亡風(fēng)險(xiǎn)P(v)由以下公式得到

(1)

式中：v為車輛碰撞速度；α、β為參數(shù)，采用最大似然估計(jì)法求解[11]。

1.4 乘用車行人碰撞仿真

1.4.1 仿真模型

行人基本模型是由瑞典查爾摩斯理工大學(xué)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證的多體動(dòng)力學(xué)模型[12-13]。該模型已被廣泛用于行人事故重建[14-15]。仿真中使用的模型是根據(jù)GB 10000—88中國(guó)成年人人體尺寸[16]中50百分位男性行人身高和體質(zhì)量(身高1.68m，體質(zhì)量59kg)，通過(guò)調(diào)用MADYMO中的GEBOD模塊縮放得到。

按照上述車型分類，為增大所選車型在同類車中的代表性，分別在各類乘用車中選取各前部結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)參數(shù)適中的車型，根據(jù)車輛前部結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)參數(shù)的真實(shí)尺寸，建立了車輛的多體動(dòng)力學(xué)模型，車輛-行人碰撞模型如圖3所示。表4列出所選車型前部結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)參數(shù)。

表4 所選車型的前部結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)參數(shù)

為消除車輛前部結(jié)構(gòu)機(jī)械特性對(duì)行人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響，所有車型前部各結(jié)構(gòu)的機(jī)械特性分別定義為相同的力-變形曲線。圖4為Euro-NCAP新車評(píng)估試驗(yàn)得到的車輛前部結(jié)構(gòu)機(jī)械特性曲線。

1.4.2 碰撞仿真參數(shù)定義

研究表明，72%的行人事故發(fā)生在行人橫穿直行馬路，63%的行人事故車輛碰撞行人側(cè)面(33%車輛碰撞行人左側(cè)；30%車輛碰撞行人右側(cè))[17]。因此，本文中仿真設(shè)定車輛從左側(cè)碰撞行人，行人正常行走，行走姿態(tài)如圖5所示，參數(shù)定義見(jiàn)表5。圖5中BA為后背角度；SA為肩關(guān)節(jié)角度；EA為肘關(guān)節(jié)角度；HA為髖關(guān)節(jié)角度；KA為膝關(guān)節(jié)角度；FA為踝關(guān)節(jié)角度。

表5 行人行走姿態(tài)參數(shù) (°)

行人步行速度設(shè)定為正常的行走速度：1.55m/s[17]。車輛碰撞速度定義為20～60km/h。車輛加速度設(shè)定為-6.8m/s2(70%的行人事故，駕駛員在碰撞前采取了緊急制動(dòng)[18])。行人腳與地面的摩擦因數(shù)定義為0.7，其他部位與地面的摩擦因數(shù)定義為0.6；行人身體各部位與轎車前部接觸的摩擦因數(shù)定義為0.5[19]。

1.4.3 頭部碰撞速度 、角度和位置定義

影響頭部碰撞動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的參數(shù)包括與汽車的相對(duì)速度、沖擊角度和碰撞位置(圖6)。

按照行人與車輛碰撞后三維空間運(yùn)動(dòng)過(guò)程，頭部碰撞速度vRR為

(2)

式中：vRX、vRY、vRZ分別為頭部相對(duì)車輛在水平、橫向和垂直方向的相對(duì)速度。

碰撞角度α定義為頭部的合速度矢量與水平切線的夾角，即

α=arctanvRZ/vRX

(3)

頭部碰撞位置一般可以根據(jù)風(fēng)窗玻璃和發(fā)動(dòng)機(jī)罩的損壞和變形痕跡確定，同時(shí)可以根據(jù)行人圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)距離WAD測(cè)定。

2 結(jié)果

2.1 行人損傷分布和嚴(yán)重性

圖7為不同類型乘用車-行人事故中行人身體各部位受傷的比例。從圖7看出，行人頭部和下肢是受傷比例最高的兩個(gè)部位。在不同類型乘用車與行人的碰撞事故中，超過(guò)60%的事故行人頭部受傷，3類車型中頭部受傷的比例相差不大。對(duì)下肢而言，有超過(guò)50%的轎車-行人事故和SUV-行人事故行人下肢受傷，然而只有35%的微型廂式車-行人事故行人下肢受到傷害。

圖8為不同類型乘用車-行人事故中行人身體各部位受AIS 3+損傷的比例。頭部、胸部和下肢在乘用車-行人事故中受AIS 3+損傷的比例最高。SUV造成行人頭部受AIS 3+損傷的比例最大，超過(guò)40%的SUV-行人事故行人頭部受到AIS 3+損傷；其次為微型廂式車(約為35%)，轎車最低，約為25%。SUV造成行人下肢受AIS 3+損傷比例也遠(yuǎn)高于轎車和微型廂式車。胸部在微型廂式車-行人碰撞事故中受AIS 3+損傷的比例(15%)要高于在轎車-行人事故和SUV-行人事故中行人胸部受AIS 3+損傷比例，后者分別有約7%和5%的事故胸部受AIS 3+損傷。同時(shí)，胸部在微型廂式車-行人事故受AIS 3+損傷的機(jī)率也超過(guò)了下肢(8%)，成為僅次于頭部易受AIS 3+損傷的部位。

圖9為不同類型的乘用車-行人事故中，行人AIS3+損傷在身體各部位之間的分布。如果行人同一部位同時(shí)受到幾處AIS 3+損傷，本文中只取AIS評(píng)分最高的損傷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。從圖9中可以看出，行人頭部是所有身體部位中最容易受到AIS3+損傷的部位，在這3類乘用車與行人的碰撞事故中，頭部AIS 3+損傷都超過(guò)了50%。在轎車-行人和SUV-行人事故中，下肢AIS 3+損傷僅次于頭部，所占比例分別為26%和29%；然而胸部AIS 3+損傷在微型廂式車-行人事故中所占比例約為21%，比下肢AIS 3+損傷比例(13%)高，僅次于頭部位居第2位。

2.2 頭部碰撞點(diǎn)分布

圖10為行人與轎車、SUV和微型廂式車碰撞時(shí)，頭部碰撞點(diǎn)在汽車上的分布示意圖。

行人與轎車碰撞時(shí)，頭部碰撞點(diǎn)分布在發(fā)動(dòng)機(jī)罩后端、風(fēng)窗玻璃和A柱下端及下邊框，且越靠近A柱和下邊框區(qū)域，頭部受AIS 3+損傷的機(jī)率越大。當(dāng)行人與SUV碰撞時(shí)，絕大部分頭部碰撞點(diǎn)分布在發(fā)動(dòng)機(jī)罩后端，且頭部受AIS 3+損傷比例很高。與微型廂式車碰撞時(shí)，行人頭部碰撞點(diǎn)基本都分布在風(fēng)窗玻璃區(qū)域，碰撞點(diǎn)靠近A柱的比例較高。

2.3 行人損傷風(fēng)險(xiǎn)

2.3.1 碰撞速度分布

樣本2中車輛碰撞速度分別如圖11所示。大約90%的乘用車-行人碰撞事故車輛碰撞速度小于或等于60km/h。

2.3.2 邏輯回歸分析

基于本文中對(duì)乘用車的分類，采用Logistic回歸分析方法對(duì)原始樣本分別構(gòu)建不同類型車輛的碰撞速度與行人AIS 3+損傷，置信度95%?；貧w方程為

轎車：

(4)

SUV：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著加入NaCl含量的增加和p H值的降低，亦即CaSO4的溶解度升高，TSR反應(yīng)生成的H 2 S體積分?jǐn)?shù)增大。TSR反應(yīng)受到硫酸鹽溶解度的影響，溶解度越高，反應(yīng)速率越快。然而，雖然Na2 SO 4溶解度比CaSO 4大得多，但Na2 SO4實(shí)驗(yàn)組無(wú)H 2 S生成，也就是說(shuō)未發(fā)生TSR反應(yīng)。這說(shuō)明雖然TSR反應(yīng)受到硫酸鹽溶解度的影響，但溶解度不是決定TSR反應(yīng)是否發(fā)生的唯一條件，TSR反應(yīng)的啟動(dòng)還受到硫酸鹽種類(金屬陽(yáng)離子)的影響。

(5)

微型廂式車：

(6)

回歸模型卡方檢驗(yàn)結(jié)果如表6所示。所有回歸模型的相關(guān)系數(shù)p都小于0.05，即轎車、SUV和微型廂式車碰撞速度都與行人發(fā)生AIS 3+損傷的比例顯著相關(guān)。風(fēng)險(xiǎn)曲線見(jiàn)圖12。

從圖12可以看出，SUV與微型廂式車造成行人AIS 3+損傷的風(fēng)險(xiǎn)基本相同，但遠(yuǎn)高于轎車造成的風(fēng)險(xiǎn)。行人50%死亡風(fēng)險(xiǎn)對(duì)應(yīng)的轎車、SUV和微型廂式車的碰撞速度分別為40、31.1和29.2km/h。

同理，基于各類乘用車-行人碰撞事故構(gòu)建的置信度為95%的車輛碰撞速度與行人死亡風(fēng)險(xiǎn)的回歸模型方程為

轎車：

(7)

SUV：

(8)

微型廂式車：

(9)

邏輯回歸方程的卡方檢驗(yàn)結(jié)果如表7所示。所有回歸模型的相關(guān)系數(shù)p同樣都小于0.05，即轎車、SUV和微型廂式車碰撞速度與行人死亡的比例同樣都顯著相關(guān)。風(fēng)險(xiǎn)曲線見(jiàn)圖13。

表7 行人死亡風(fēng)險(xiǎn)邏輯回歸分析結(jié)果

圖13顯示，SUV造成行人死亡的風(fēng)險(xiǎn)最大，其次為微型廂式車，轎車造成行人死亡的風(fēng)險(xiǎn)最低，行人50%死亡風(fēng)險(xiǎn)對(duì)應(yīng)的轎車、微型廂式車和SUV的碰撞速度分別為64.9、58.7和48.7km/h。

2.4 仿真結(jié)果

2.4.1 行人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)比較

由上述車輛碰撞速度的分布統(tǒng)計(jì)可知，車輛碰撞速度處在31～40km/h范圍內(nèi)的比例最高。因此，本文中選取40km/h的車輛碰撞速度來(lái)比較各類乘用車-行人碰撞中行人的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。當(dāng)行人與轎車發(fā)生碰撞時(shí)，行人小腿和大腿首先與車輛保險(xiǎn)杠和發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿碰撞，行人上半身開(kāi)始繞大腿與發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿接觸位置向發(fā)動(dòng)機(jī)罩繞轉(zhuǎn)，最終行人頭部在大約120ms時(shí)與風(fēng)窗玻璃下端發(fā)生碰撞；當(dāng)行人與SUV發(fā)生碰撞時(shí)，行人大腿和骨盆分別與車輛保險(xiǎn)杠和發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿發(fā)生碰撞，行人上半身繞骨盆向發(fā)動(dòng)機(jī)罩旋轉(zhuǎn)，頭部在大約100ms時(shí)與車輛發(fā)動(dòng)機(jī)罩碰撞；當(dāng)行人與微型廂式車發(fā)生碰撞時(shí)，行人下肢和骨盆在短時(shí)間內(nèi)分別與車輛保險(xiǎn)杠和前面板接觸，之后胸部與車輛前面板和風(fēng)窗玻璃下邊框交接處碰撞，頭部在大約70ms時(shí)與風(fēng)窗玻璃下端發(fā)生碰撞，如圖14所示。

身體各部位質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡如圖15所示。行人頭部和骨盆的水平位移與轎車碰撞時(shí)最大，其次為SUV，與微型廂式車碰撞最??；與轎車和SUV碰撞時(shí)，行人上半身繞轉(zhuǎn)程度也明顯大于微型廂式車。

2.4.2 頭部碰撞條件

由上述的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，頭部是行人容易受致命傷的身體部位。通過(guò)轎車、SUV和微型廂式車與行人的碰撞仿真，比較不同車型和不同車速下對(duì)行人頭部的碰撞情況。不同碰撞條件下，行人頭部碰撞時(shí)間、碰撞速度和碰撞角度見(jiàn)表8。

表8 行人頭部碰撞條件和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)參數(shù)

注：*v為車輛碰撞速度，*T為頭部碰撞時(shí)間，*vhead為頭部碰撞速度，*θ為頭部碰撞角。

不同車輛碰撞速度下WAD與行人身高的比值ω的關(guān)系如圖16所示。當(dāng)行人與SUV或微型廂式車發(fā)生碰撞時(shí)，ω值保持在1左右；與轎車發(fā)生碰撞時(shí)，ω值要明顯大于1，且隨著車輛碰撞速度的增大，比值增大的幅度明顯大于SUV和微型廂式車。

不同車輛碰撞速度下，行人頭部碰撞速度與車輛碰撞速度的比值δ如圖17所示。δ隨車輛碰撞速度的增大而增大，3類不同車型比值的變化區(qū)間分別為：0.92～1.25(轎車)、0.64～0.95(SUV)和0.81～0.88(微型廂式車)。相同的車輛碰撞速度，行人與SUV和微型廂式車碰撞時(shí)頭部碰撞速度相差較小，但兩者都小于行人與轎車碰撞的頭部碰撞速度。3類不同車型之間行人頭部平均碰撞速度分別為：轎車47.6km/h、SUV 34.1km/h和微型廂式車34km/h。

行人頭部碰撞角度受車輛前部輪廓的影響相對(duì)較大。不同車輛碰撞速度下，轎車和SUV導(dǎo)致的行人頭部碰撞角度遠(yuǎn)大于微型廂式車。在與轎車和微型廂式車的碰撞中，隨著車輛碰撞速度的增大，行人頭部碰撞角度不斷減小。然而在與SUV的碰撞中，行人頭部碰撞角度隨著車輛碰撞速度的增大變化不大，頭部碰撞角度保持在77°左右。行人與轎車、SUV和微型廂式車在不同速度碰撞下頭部碰撞角度的平均值分別為64.4°、77.1°和44.7°。

3 討論

SUV碰撞速度與行人傷亡風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系是通過(guò)對(duì)樣本2中包括的21例SUV-行人事故數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯回歸分析得到。樣本較少，SUV碰撞速度與行人傷亡風(fēng)險(xiǎn)的定量關(guān)系還需要更多相關(guān)的深入調(diào)查的行人事故數(shù)據(jù)更加精確地確定。

統(tǒng)計(jì)分析顯示：行人與SUV的碰撞中，頭部受AIS 3+損傷的比例最高，其次為微型廂式車，轎車導(dǎo)致行人頭部AIS 3+損傷的比例最低。而行人與微型廂式車碰撞中，胸部受AIS 3+損傷的比例遠(yuǎn)高于轎車和SUV。這主要是因?yàn)檐囕v前部結(jié)構(gòu)形狀的差異，致使行人頭部和胸部與車輛不同區(qū)域碰撞所導(dǎo)致。行人與SUV碰撞時(shí)，由于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿高度和發(fā)動(dòng)機(jī)罩長(zhǎng)度等參數(shù)的影響，行人頭部與車輛的碰撞點(diǎn)大多處于發(fā)動(dòng)機(jī)罩后端。而SUV發(fā)動(dòng)機(jī)罩后端整體剛度較大，行人頭部受AIS 3+損傷的概率較高。當(dāng)行人與微型廂式車碰撞時(shí)，由于風(fēng)窗玻璃寬度較小，行人頭部與A柱碰撞的概率增大，從而導(dǎo)致較高的頭部AIS 3+損傷比例。當(dāng)行人與轎車碰撞時(shí)，盡管頭部碰撞點(diǎn)也會(huì)出現(xiàn)在轎車發(fā)動(dòng)機(jī)罩后端或A柱以及風(fēng)窗玻璃下邊框上，但碰撞點(diǎn)主要集中在剛度較低的風(fēng)窗玻璃上，頭部AIS 3+損傷的概率要低于SUV和微型廂式車。行人胸部在與微型廂式車的碰撞中受AIS 3+損傷比例最高，主要是因?yàn)槲⑿蛶杰嚢l(fā)動(dòng)機(jī)罩和風(fēng)窗玻璃角度相對(duì)較大，行人胸部與剛度較大的風(fēng)窗玻璃下邊框直接發(fā)生碰撞，并且由于風(fēng)窗玻璃和下邊框剛度的差異，使胸部受力較為集中，進(jìn)一步加大了風(fēng)窗玻璃下邊框?qū)π腥诵夭康那秩肓?。因此，在微型廂式車的碰撞中，行人胸部AIS 3+的損傷比例較高。行人與轎車和SUV的碰撞時(shí)，行人胸部與車輛發(fā)動(dòng)機(jī)罩接觸，受力較均勻，且導(dǎo)致胸部變形的主要受力由行人繞轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的垂直方向的分速度產(chǎn)生，相對(duì)較小；在行人與轎車的碰撞中，行人頭部和骨盆與車輛的碰撞更為胸部起到了減少載荷的作用。因此，行人胸部在與轎車和SUV的碰撞中受AIS 3+損傷的比例較低。

邏輯回歸分析結(jié)果表明：行人損傷風(fēng)險(xiǎn)與轎車、SUV和微型廂式車三者的碰撞速度顯著相關(guān)，這與文獻(xiàn)[2]中的研究結(jié)果相似；SUV和微型廂式車造成行人AIS 3+傷亡的風(fēng)險(xiǎn)高于轎車，這與國(guó)外的研究結(jié)果相似[6-8]，也與本文中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。統(tǒng)計(jì)顯示：行人頭部AIS 3+損傷比例在與SUV碰撞時(shí)最高，其次為微型廂式車，與轎車碰撞時(shí)最低；胸部AIS 3+損傷比例在與微型廂式車碰撞時(shí)最高。而頭部損傷和胸部損傷是導(dǎo)致行人死亡的主要傷害，特別是頭部損傷。因此，邏輯回歸分析結(jié)果中SUV和微型廂式車造成行人AIS 3+傷亡的風(fēng)險(xiǎn)高于轎車的結(jié)論合理。

仿真結(jié)果表明，車輛前部幾何形狀對(duì)行人動(dòng)力學(xué)相應(yīng)影響顯著(圖14)。從行人身體各部位的運(yùn)動(dòng)軌跡可以看出，行人在與車輛的碰撞過(guò)程中以繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主。當(dāng)行人與轎車碰撞時(shí)，由于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿高度較低和長(zhǎng)度較長(zhǎng)，行人骨盆及以上部位能獲得充分的繞轉(zhuǎn)空間，行人的繞轉(zhuǎn)程度明顯大于SUV和微型廂式車。在SUV-行人的碰撞中，相對(duì)較高SUV發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿大大減少了行人骨盆以上部位的繞轉(zhuǎn)半徑。因此，行人繞轉(zhuǎn)程度明顯低于轎車。當(dāng)行人與微型廂式車發(fā)生碰撞時(shí)，由于前面板縱向長(zhǎng)度短和風(fēng)窗玻璃傾斜角大的緣故，使行人身體各部位在短時(shí)間內(nèi)全部與車輛發(fā)生接觸，行人的繞轉(zhuǎn)程度在3類車型中最低，這與文獻(xiàn)[4]中的研究結(jié)果基本一致。

行人與轎車和SUV碰撞時(shí)，其頭部碰撞速度與車輛碰撞速度的比值在不同車輛碰撞速度下區(qū)別較大(圖17)。這主要與行人頭部繞轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的垂直方向的分速度有關(guān)。當(dāng)行人與轎車和SUV發(fā)生碰撞時(shí)，因車輛前部結(jié)構(gòu)形狀給予了行人很大的繞轉(zhuǎn)空間，行人繞轉(zhuǎn)較為充分。在低速碰撞下，行人下肢受到車輛向前的沖量相對(duì)較小，行人繞轉(zhuǎn)速度也會(huì)相對(duì)較小，頭部因繞轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的垂直方向的速度也會(huì)很小。隨著車輛碰撞速度的增大，行人因下肢受到向前的較大沖擊，會(huì)產(chǎn)生較大的旋轉(zhuǎn)速度，因此，行人在頭部因繞轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的垂直方向的分速度也會(huì)明顯大于車輛低速碰撞時(shí)，從而導(dǎo)致頭部碰撞速度迅速增大。當(dāng)行人與微型廂式車碰撞時(shí)，因繞轉(zhuǎn)程度較低，頭部垂直方向分速度的影響會(huì)很小，因而在不同車輛碰撞速度下的頭部碰撞速度與車輛碰撞速度的比值區(qū)別不會(huì)很大。圖17還顯示：在相同的車輛碰撞速度下，轎車的δ值要明顯高于SUV和微型廂式車。這主要與車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿高度有關(guān)。由于轎車發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿高度低于行人的質(zhì)心位置，在轎車保險(xiǎn)杠與行人下肢發(fā)生碰撞后，行人質(zhì)心及以上部位依然會(huì)保持一段時(shí)間的靜止，然后才開(kāi)始繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這就使行人頭部與車輛在水平方向保持較大的相對(duì)速度。而對(duì)于SUV和微型廂式車而言，行人下肢首先與車輛發(fā)生接觸后，質(zhì)心位置迅速與發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿發(fā)生碰撞，就導(dǎo)致整個(gè)行人在水平方向具有相對(duì)較大的速度，從而使頭部與車輛在水平方向的相對(duì)速度減小。因此，與轎車碰撞時(shí)，行人頭部碰撞速度與車輛碰撞速度的比值δ會(huì)高于SUV和微型廂式車。

仿真結(jié)果顯示：行人頭部碰撞角度在行人與不同類型車輛的碰撞中差別很大。行人與轎車和SUV碰撞時(shí)的頭部碰撞角度遠(yuǎn)大于微型廂式車。這是由行人與車輛碰撞過(guò)程中身體的繞轉(zhuǎn)程度所造成的。行人與轎車和SUV碰撞時(shí)身體繞轉(zhuǎn)程度遠(yuǎn)大于微型廂式車，行人頭部與轎車和SUV碰撞時(shí)在垂直方向已具有較大的分速度，因而碰撞角度要大于與微型廂式車碰撞時(shí)的碰撞角度。

4 結(jié)論

在乘用車-行人事故中，頭部和下肢是行人最常見(jiàn)的兩個(gè)受傷部位，且頭部受AIS 3+損傷的比例最高。因此，能降低行人頭部損傷程度的車型設(shè)計(jì)可大大減少行人傷亡機(jī)率，基于行人保護(hù)的乘用車前部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)著重考慮對(duì)行人頭部的保護(hù)。

乘用車碰撞速度與行人AIS 3+損傷和死亡風(fēng)險(xiǎn)都顯著正相關(guān)。SUV和微型廂式車造成行人AIS 3+損傷的風(fēng)險(xiǎn)高于轎車；SUV是導(dǎo)致行人死亡比例最高的車型，其次為微型廂式車，轎車最低。車輛碰撞速度30km/h時(shí)，SUV造成行人死亡風(fēng)險(xiǎn)約為微型廂式車的8倍，為轎車的6倍；50km/h時(shí)SUV造成行人死亡的風(fēng)險(xiǎn)約為微型廂式車的3倍，為轎車的4倍；當(dāng)碰撞速度達(dá)到80km/h時(shí)，行人幾乎不能在與SUV和微型廂式車的碰撞中幸免，轎車造成行人死亡的風(fēng)險(xiǎn)也高達(dá)86.3%。

從真實(shí)事故中頭部碰撞點(diǎn)的分布情況和車輛-行人碰撞仿真結(jié)果來(lái)看，行人頭部碰撞位置、頭部碰撞速度和碰撞角度在與轎車、SUV和微型廂式車的碰撞中差別明顯。

結(jié)果顯示：SUV發(fā)動(dòng)機(jī)罩后端應(yīng)為頭錘碰撞的主要測(cè)試區(qū)域，頭部碰撞速度和碰撞角度分別為34km/h和77°，比較符合真實(shí)事故中行人頭部的碰撞情況；對(duì)于微型廂式車而言，風(fēng)窗玻璃和A柱應(yīng)為頭錘碰撞的主要測(cè)試區(qū)域，頭部碰撞速度為34km/h、碰撞角度應(yīng)為45°，能較為合理地反映真實(shí)事故中行人的頭部碰撞情況。

[1] 公安部.中華人民共和國(guó)道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)(2010年度)[R].北京:公安部交通管理局,2011.

[2] Kong Chunyun,Yang Jikuang.Logistic Regression Analysis of Pedestrian Casualty Risk in Passenger Vehicle Collisions in China[J].Accid.Anal.Prev.,2010,42(4):987-993.

[3] Nagwanshi D,Mana D,Allen K,et al.Diagnosing Vehicle Aggressiveness for Pedestrian Leg Impact and Development of Efficient Front End Energy Management Systems[C].SAE Paper 2010-01-1168.

[4] Mizuno K,Kajzer J.Head Injuries in Vehicle-Pedestrian Impact[C].SAE Paper 2000-01-0157.

[5] Ballesteros M F,Dischinger P C,Langenberg P.Pedestrian Injuries and Vehicle Type in Maryland,1995-1999[J].Accid.Anal.Prev.,2004,36(1):73-81.

[6] Lefler D E,Gabler H C.The Fatality and Injury Risk of Light Truck Impacts with Pedestrians in the United Stated[J].Accid.Anal.Prev.,2004,36(2):295-304.

[7] Jarrett K L,Saul R A.Pedestrian Injury-analysis of the PCDS Field Collision Data[C].Proc.of the 16th ESV in Windsor,Canada,Paper NO.98-S6-O-04,1998.

[8] Mizuno K,Kajzer J.Compatibility Problems in Frontal,Side,Single Car Collisions and Car-to-pedestrian Accidents in Japan[J].Accid.Anal.Prev.,1999,31(4):381-391.

[9] Yang Jikuang,Otte D.A Comparison Study on Vehicle Traffic Accident and Injuries of Vulnerable Road Users in China and Germany[C].Proc.of the 20th ESV in Windsor,Lyon,France,Paper NO.07-0417,2007.

[10] Yang Jikuang.Effects of Vehicle Front Design Parameters on Pedestrian Head Brain Injury Protection[C].Proc.of the 18th ESV in Nagoya,Japan,Paper NO.289,2003.

[11] Dobson A J.An Introduction to Generalized Linear Models[M].[S.l.]: Chapman & Hall/CRC,2002.

[12] Yang Jikuang.Injury Biomechanics in Car-Pedestrian Collisions: Development,Validation and Application of Human Body Mathematical Models[D].Chalmers University of Technology.Gothenburg,Sweden,1997.

[13] Yang Jikuang,Lovsund P,Cavallero C,et al.A Human-body 3D Mathematical Model for Simulation of Car-pedestrian Impacts[J].Traffic Injury Prevention,2000,2(2):131-149.

[14] Li Fan,Yang Jikuang.A Study of Head-brain Injuries in Car-to-pedestrian Crashes with Reconstructions Using In-depth Accident Data in China[J].International Journal of Crashworthiness,2010,15(2):117-124.

[15] 楊濟(jì)匡,李凡,李莉.車輛-行人碰撞中顱腦傷及動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,34(7):30-34.

[16] 全國(guó)人類工效學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 10000—88中國(guó)成年人人體尺寸[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1989.

[17] Yang Jikuang.Review of Injury Biomechanics in Car-pedestrian Collisions[J].Int.J.of Vehicle Safety,2005,1:100-117.

[18] 孔春玉,楊濟(jì)匡,聶進(jìn).基于汽車碰撞行人事故形態(tài)分析的行人探測(cè)模型研究[J].汽車工程,2010,32(11):977-983.

[19] 陽(yáng)兆祥.交通事故力學(xué)鑒定教程[M].南寧:廣西科學(xué)技術(shù)出版社,2002.