道路弱勢(shì)群體頭部碰撞特性研究

劉珍海 高坡 陳現(xiàn)嶺 陳晶晶

摘 要：為了解碰撞事故中道路弱勢(shì)群體（vulnerable road users，VRU）頭部撞擊車輛前端的運(yùn)動(dòng)特性，基于VRU實(shí)際交通事故數(shù)據(jù)，以VRU頭部碰撞位置、碰撞速度和碰撞角度為研究對(duì)象，利用虛擬仿真分析工具，開展車輛（SUV和Sedan）撞擊VRU（行人、自行車騎行人、摩托車騎行人）典型碰撞工況中頭部撞擊特性分析，結(jié)果表明：隨著VRU兩輪車參考高度增大，VRU騎行人頭部碰撞位置靠近車后方，頭部碰撞速度和碰撞角度逐漸降低;隨著汽車速度增大，VRU騎行人頭部碰撞位置靠近車后方，頭部碰撞速度逐漸增大。研究結(jié)論為行人保護(hù)法規(guī)及NCAP規(guī)程更新提供參考。

關(guān)鍵詞：道路弱勢(shì)群體;頭部碰撞特性;行人保護(hù);車輛前端;交通事故

Abstract： In order to understand the head impact characteristic of vulnerable road users who impact the vehicle front end in a traffic accident. Based on VRU actual traffic accident， the impact position， impact velocity and angle of head of VRU were studied. Using the virtual simulation analysis tool， the head impact characteristics which vehicles （SUV and Sedan） impact VRU （pedestrian， cyclist， and motorcycle rider） were analyzed. The results indicate： As the reference height of the VRU cyclist increasing， the head impact position of VRU cyclist is close to the rear of the vehicle， and the head impact velocity and angle decrease gradually. As the velocity of the vehicle increasing， the head impact position of VRU cyclist becomes more and more backward， and the head impact velocity increases gradually. The research conclusion provides reference for updating the pedestrian protection regulations and NCAP protocols.

前言

道路交通死亡是世界范圍內(nèi)一項(xiàng)重大的公共健康問題，世界衛(wèi)生組織2009年發(fā)布的報(bào)告中指出行人、兩輪車等道路弱勢(shì)群體死亡率占總死亡率的約46%[1]。作為世界第一大汽車消費(fèi)國和人口大國，中國存在大量人車混行道路，弱勢(shì)群體交通事故率較高[2]。

行人頭部與汽車前端（發(fā)動(dòng)機(jī)罩、通風(fēng)蓋板等）碰撞造成的頭部損傷是人車事故中最致命的傷害形式[3-4]。歐洲新車評(píng)估體系（European New Car Assessment Programme，E-NCAP）早在2003年就將行人保護(hù)作為新車星級(jí)評(píng)定的一項(xiàng)內(nèi)容;我國的新車評(píng)估體系（China New Car Assessment Programme， C-NCAP）從2018年開始，對(duì)新上市車型進(jìn)行行人保護(hù)測(cè)評(píng)。

目前所有的行人保護(hù)類法規(guī)都是為了保護(hù)行人設(shè)定的，而沒有考慮碰撞事故中的兩輪車騎行者[5-6]，汽車碰撞行人與汽車碰撞兩輪車騎行人等弱勢(shì)群體的事故特征較為相似，亦可將其結(jié)合研究[7]。E-NCAP和C-NCAP下一版規(guī)程中都會(huì)考慮行人保護(hù)評(píng)價(jià)中增加對(duì)兩輪車騎行人頭部的測(cè)評(píng)，引導(dǎo)車輛制造商開發(fā)車輛過程中考慮對(duì)兩輪車騎行人的保護(hù)。本文中采用經(jīng)對(duì)標(biāo)后的整車 CAE 模型和Thor假人模型，結(jié)合中國道路交通事故，深度研究（CIDAS）交通事故數(shù)據(jù)庫中交通事故特點(diǎn)，研究車輛（SUV和Sedan）撞擊VRU（行人、自行車騎行人、摩托車騎行人）典型碰撞工況中頭部撞擊特性。

1 VRU交通事故數(shù)據(jù)分析

依據(jù)CIDAS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2011年7月至2018年7月乘用車與VRU碰撞事故所占比例。乘用車與VRU碰撞事故中傷亡數(shù)據(jù)如圖2所示[8-9]。

2 虛擬分析方法簡(jiǎn)述

2.1 分析矩陣設(shè)定

基于不同國家和地區(qū)的VRU碰撞事故分析數(shù)據(jù)，從損傷程度、碰撞位置以及碰撞速度三方面為出發(fā)點(diǎn)，著重參考國內(nèi)VRU事故形態(tài)以及NCAP未來發(fā)展方向，制定如表1所示的分析矩陣，開展虛擬分析研究工作。

2.2 分析方法及術(shù)語定義說明

2.2.1 分析方法說明

本文研究中設(shè)定乘用車撞擊行人和乘用車撞擊兩輪車相同的邊界條件（碰撞位置、速度），進(jìn)行碰撞仿真分析，對(duì)比行人和兩輪車騎行人頭部碰撞速度、角度和位置的差異;針對(duì)二輪車碰撞工況設(shè)定位置、角度和速度變量，針對(duì)每一個(gè)變量進(jìn)行分析（固定另外兩個(gè)變量），識(shí)別頭部碰撞速度、角度和位置的差異。

基于二輪車參考高度和質(zhì)量?jī)蓚€(gè)維度考慮，電動(dòng)自行車處于自行車和摩托車之間，因此基礎(chǔ)仿真工況只進(jìn)行自行車和摩托車虛擬分析，詳細(xì)分析過程中考慮質(zhì)量和參考高度差異進(jìn)行魯棒性規(guī)律分析。

2.2.2 術(shù)語定義說明

（1）頭部碰撞速度v：按照行人與車輛碰撞后三位空間運(yùn)動(dòng)過程，頭部碰撞速度v定義為VRU頭部碰撞到汽車前端結(jié)構(gòu)的第一接觸點(diǎn)時(shí)刻時(shí)的矢量合速度;

（2）頭部碰撞角度α為VRU頭部碰撞到汽車前端結(jié)構(gòu)第一接觸點(diǎn)時(shí)頭部和速度矢量方向與水平切線的夾角中所示。

（3）頭部碰撞位置：VRU頭部碰撞到汽車前端結(jié)構(gòu)的第一接觸點(diǎn)的位置。

3 VRU運(yùn)動(dòng)特性分析

依據(jù)表1中的碰撞矩陣搭建碰撞仿真模型，開展乘用車撞擊VRU的碰撞仿真分析，提取典型工況進(jìn)行VRU運(yùn)動(dòng)特性對(duì)比分析。

以SUV車型撞擊行人、VRU自行車和VRU摩托車為例進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性分析，工況邊界條件為：碰撞位置L0，碰撞速度乘用車40km/h，行人0km/h，自行車15km/h，摩托車30km/h和碰撞角度相同0度，行人、自行車騎行者和摩托車騎行者不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)如圖3、4、5所示。

虛擬仿真分析動(dòng)畫表明：在乘用車撞擊行人、自行車騎行人和摩托車騎行人碰撞工況中，車輛與騎行人第一接觸點(diǎn)的位置、VRU的姿態(tài)以及車輛的參考高度等差異對(duì)VRU的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)影響較大，車輛撞擊自行車騎行人情況下假人運(yùn)動(dòng)行程更大。

4 VRU頭部碰撞特性研究

4.1 VRU頭部碰撞位置趨勢(shì)分析

基于VRU碰撞虛擬分析數(shù)據(jù)，以VRU頭部碰撞位置為研究對(duì)象進(jìn)行總結(jié)分析，碰撞位置不同的工況下，假人頭部碰撞位置：VRU自行車>行人>VRU摩托車;碰撞速度不同的工況下，汽車速度增大，騎行人頭部碰撞位置越來越靠后，需更關(guān)注實(shí)際交通事故中乘用車的速度;碰撞角度不同的工況下，頭部碰撞位置受VRU二輪車的質(zhì)量因素影響較大，質(zhì)量輕的VRU頭部碰撞位置靠近車后方。

SUV和Sedan分別撞擊VRU自行車、行人和摩托車工況中，如圖6、7所示假人頭部碰撞位置（+X）：VRU自行車>行人>VRU摩托車; SUV和Sedan撞擊VRU自行車和行人工況中，如圖8假人頭部碰撞位置：Sedan>SUV（受乘用車和VRU相對(duì)高度影響）;SUV和Sedan撞擊VRU摩托車工況中，假人頭部碰撞位置：SUV≈Sedan（摩托車質(zhì)量較大）。

4.2 VRU頭部碰撞速度趨勢(shì)分析

基于VRU碰撞虛擬分析數(shù)據(jù)，以VRU頭部碰撞速度為研究對(duì)象進(jìn)行總結(jié)分析，碰撞位置不同的工況下， SUV和Sedan碰撞VRU工況中騎車人與行人頭部的碰撞速度趨勢(shì)相反，具體原因需要詳細(xì)分析;碰撞速度不同的工況下，汽車速度增大，騎車人頭部碰撞速度逐漸增大，需更關(guān)注實(shí)際交通事故中乘用車的速度;碰撞角度不同的工況下，騎車人頭部碰撞速度無明顯規(guī)律，需要增加數(shù)據(jù)樣本后再進(jìn)行詳細(xì)研究分析。

針對(duì)SUV和Sedan碰撞VRU工況中騎車人與行人頭部的碰撞速度趨勢(shì)相反問題，以SUV撞擊VRU自行車為例，調(diào)整自行車參考高度開展魯棒性分析，具體分析結(jié)果如圖9所示。

隨著自行車參考高度增大，VRU頭部碰撞速度降低，當(dāng)自行車與乘用車的相對(duì)高度達(dá)到某一個(gè)臨界值時(shí)，VRU頭部碰撞速度等于行人的頭部碰撞速度。

4.3 VRU頭部碰撞角度趨勢(shì)分析

基于VRU碰撞虛擬分析數(shù)據(jù)，以VRU頭部碰撞角度為研究對(duì)象進(jìn)行總結(jié)分析碰撞位置不同的工況下， 乘用車碰撞VRU自行車騎車人比行人頭部的β角大;VRU摩托車撞擊工況中結(jié)論相反;碰撞速度不同的工況下，騎車人頭部碰撞角度無明顯規(guī)律，需要增加數(shù)據(jù)樣本后再進(jìn)行詳細(xì)研究分析;碰撞角度不同的工況下，騎車人頭部碰撞角度無明顯規(guī)律，需要增加數(shù)據(jù)樣本后再進(jìn)行詳細(xì)研究分析。

針對(duì)碰撞位置不同的工況下，VRU頭部β角規(guī)律相反現(xiàn)象，以SUV撞擊VRU自行車為例，調(diào)整自行車參考高度H開展魯棒性分析，具體分析結(jié)果如圖10所示：

隨著自行車參考高度增大，VRU頭部碰撞角度降低，當(dāng)自行車與乘用車的相對(duì)高度達(dá)到某臨界值時(shí)，VRU頭部角度等于于行人頭部碰撞角度。

5 結(jié)論

基于VRU實(shí)際交通事故數(shù)據(jù)，以VRU頭部碰撞位置、速度和角度為研究對(duì)象，開展VRU典型碰撞工況的虛擬仿真分析和趨勢(shì)研究分析，具體結(jié)論如下：

（1）VRU頭部碰撞位置：隨著VRU兩輪車參考高度增大，VRU騎車人頭部碰撞位置靠近車后方。頭部碰撞位置：VRU自行車>行人>VRU摩托車。汽車速度增大，騎車人頭部碰撞位置越來越靠后，需更關(guān)注實(shí)際交通事故中乘用車的速度。

（2）VRU頭部碰撞速度：隨著VRU兩輪車參考高度增大，VRU騎車人頭部碰撞速度降低，當(dāng)VRU兩輪車的參考高度達(dá)到1036mm時(shí)，VRU騎車人頭部碰撞速度等于標(biāo)準(zhǔn)行人的頭部碰撞速度。

（3）VRU頭部碰撞角度：隨著VRU兩輪車的參考高度增大，VRU騎車人頭部碰撞角度降低，當(dāng)VRU兩輪車的參考高度達(dá)到1005mm時(shí)，VRU頭部角度等于標(biāo)準(zhǔn)行人頭部碰撞角度。

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