面向碰撞再現驗證的車輛沖撞行人實驗平臺搭建

袁 泉，王 田，張金換，金益鋒，石 屹，王明直

（1. 清華大學，汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京100084；2. 公安部，物證鑒定中心，北京100038）

0 引 言

車輛沖撞行人案件作為駕駛人主動操控下實施的非正常駕駛行為，相比于普通碰撞案件，其呈現出事故危害性大、碰撞機理復雜、現場痕跡混亂等問題，而車輛沖撞行人案件目前缺少實用化、可重復驗證的研判方法。行人作為弱勢道路使用者，其生命安全需要有力的技術支持保障。根據2019 年交通事故統(tǒng)計數據顯示，我國行人因交通死亡人數和受傷人數分別為17 473人和45 495 人，約占交通事故傷亡人員總數的27.84%和17.76%，為占比最多的碰撞形態(tài)[1]。研究表明，在車輛沖撞行人案件中，前保險杠對腿部的沖擊和前風擋玻璃對頭部的沖擊是最顯著的嚴重特征傷害[2-3]。基于沖擊實驗平臺的研究方法對于行人安全性保護、傷害估計以及案情重建界定具有重要的研究意義。

目前車輛沖撞行人重建領域多停留于計算機仿真分析階段。Daisuke[4]等人研究汽車前部結構對行人整個下肢的負載影響，其中汽車通過有限元模型和行人采用多體模型進行汽車-行人碰撞仿真模擬，采用時間序列數據分析下肢負荷，得出行人多體模型的彎矩圖以用于調查各尺寸行人的下肢負荷。Peng Yong[5]等人通過驗證汽車-行人碰撞事故中人體頭部有限元模型，并預測人車碰撞時行人頭部受傷的風險，分析了三種類型的發(fā)動機罩對行人頭部的傷害。Shi 等人[6]通過建立行人多體模型，考察了不同車輛類型和碰撞速度下不同尺寸和不同步態(tài)的行人碰撞事故形態(tài)，仿真研究行人碰撞至落地的旋轉角度，主要分析地面碰撞對頭部損傷的危險，提出應盡可能避免地面撞擊行人頭部的次生危險發(fā)生。而對于沖擊試驗臺進行理論分析與傷害估計的研究相對較少。Tolea[7]等人通過行人多體系統(tǒng)虛擬仿真以及真實假人碰撞測試，使用不同類別、不同前部輪廓的車輛進行事故模擬，使用生物力學標準進行頭部損傷評估，得出頭部損傷程度與車輛前部正面輪廓設計參數之間的關系，并以此來優(yōu)化車輛前部輪廓設計。Yuan Quan 等人[8]利用計算機仿真研究不同碰撞速度下行人頭部與汽車擋風玻璃之間的接觸特征，為復雜碰撞案件再現提供了基礎依據。因此，結合仿真模擬試驗并利用沖擊試驗平臺進行理論模型驗證，有利于碰撞再現過程準確性的有效提升。

車輛碰撞行人實驗開展具有難度大、造價高、不易控制等特點，國內外利用實車碰撞實驗研究，均面臨實車不可重復使用和假人造價昂貴的難題與挑戰(zhàn)。現有的汽車碰撞實驗室已開展多年行人保護實驗與仿真研究[9]，本文搭建的實驗平臺為車輛碰撞行人安全性實驗研究提供了新的重要手段，同時，也為碰撞仿真模型的建立和驗證提供了有效的實驗驗證方法，并能替代實車重復開展碰撞實驗。因此，該實驗臺的搭建與應用在汽車與交通安全研究領域中具有一定的實用價值。

1 實驗平臺的搭建

車輛沖撞行人實驗平臺的組成包括車輛實驗臺架和行人發(fā)射臺兩大部分，具體組成結構如圖1 所示。面向車輛沖撞人體動力學再現模型的建立與實際驗證，實驗平臺基于已有國際水平的標準行人假人模型發(fā)射臺，建立與之相匹配的車輛實驗臺架，替代實車來綜合開展車輛沖撞人體模型的系列實驗，包括車輛風擋玻璃-行人頭部模塊和車輛保險杠-行人下肢模塊兩類碰撞實驗，從而驗證所構建的人車碰撞動力學仿真再現模型的可靠性[10]。

圖1 實驗平臺的組成

為了驗證車輛沖撞行人特征損傷參數與碰撞速度之間的相關性仿真結果，搭建了行人沖撞車輛實驗臺架并設計相應實驗方法，由底座、支架、風擋玻璃平面輪廓架及夾持裝置、保險杠固定桿等裝置組成。如圖2 所示，搭建過程中的關鍵問題是對車輛風擋玻璃的特殊材料進行固定的方式及避免夾持部位應力集中，經過設計研究，成功解決了包括風擋玻璃與實驗臺架之間的固定連接、風擋玻璃碰撞點的計算定位等一系列技術難題。經多次測試驗證，該實驗臺架可用于代替實際車輛開展沖撞行人的實驗研究，并兼容利用已有的行人發(fā)射臺進行碰撞實驗。面向車輛沖撞行人案事件重建研究中的定量實驗需要，即行人的頭部沖撞車輛前風擋玻璃實驗及行人腿部沖擊車輛前保險杠實驗，針對具體車輛的保險杠和風擋玻璃部件，旨在提供綜合性的夾持裝置來對其進行固定，從而減小沖撞實驗的難度，降低實驗成本。由于前風擋玻璃形狀結構復雜、材料特殊，夾持難度較大，本研究也為前風擋玻璃的固定提供了一種新的思路。

實驗平臺采用鑄鐵材料為主進行加工制作，構件之間采用焊接等方式連接，風擋玻璃和保險杠的固定框架尺寸規(guī)格參照當前主流車型（大眾品牌）進行設計制作，方便后續(xù)更換調整。所搭建的實驗平臺具有如下特點：

圖2 車輛實驗臺架

（1）提供嵌入式車輛風擋玻璃輪廓架，方便安裝和更換；

（2）平臺集成汽車風擋玻璃和保險杠部件，可同步開展碰撞實驗；

（3）平臺與實際車輛采取了相似的固定設計，接近實車碰撞效果。

同時，在平臺搭建過程中克服了許多工程設計和技術難題，包括：

（1）風擋玻璃材料特殊不易夾持固定，且容易變形損壞；

（2）沖撞位置和速度等不易精準控制，需要提前估算好；

（3）風擋玻璃與保險杠集成難度較大，保持實車相似性。

2 車輛沖撞實驗設計

面向車輛沖撞動力學模型的再現模型建立與驗證需要，基于國際水平的行人發(fā)射臺，借助上述新開發(fā)的車輛沖撞行人實驗臺架，開展車輛沖撞人體模塊實驗，包括風擋玻璃-頭部和保險杠-下肢兩類碰撞試驗。本平臺已驗證了基于有限元-多體動力學仿真技術構建了車輛風擋玻璃-人體碰撞模型，并獲取了車輛沖撞速度與風擋玻璃裂紋半徑之間的關系模型，其具體實驗設計方法主要包括綜合性臺架設計、行人沖擊試驗以及試驗數據采集等主要步驟，具體如下所示：

（1）綜合性臺架設計。分析風擋玻璃及保險杠的實際結構和在實車上的固定方式，結合試驗情況得出臺架的工作需求及強度需求。

（2）行人沖擊試驗。結合臺架及已有行人模塊發(fā)射設備，設計整體試驗流程。確定行人發(fā)射臺發(fā)射頭部及腿部模塊的位置、角度和速度，確定發(fā)射后的測量、試樣保存，確定現場的設備布置及設備的保護措施。

（3）試驗數據采集。分析風擋玻璃最大環(huán)形裂紋半徑并與仿真結果對比，驗證模型仿真結果的準確度，具體沖撞實驗結果如圖3 所示。同時，分析誤差來源，對模型提出改進方向；觀察前保險杠損壞部位及特征，對后續(xù)沖撞案事件的現場勘測提供參考。

圖3 行人頭部模塊沖撞汽車風擋玻璃的典型實驗結果

本實驗獲取了對行人頭部模塊沖擊風擋玻璃的12 組不同速度實驗，如表1 所示，其中進行三次試驗測量碰撞點與預定點的偏差距離。結果表明，車輛風擋玻璃的主要損壞特征包括裂紋形狀規(guī)則與環(huán)繞裂紋最大半徑兩個方面。裂紋形狀規(guī)則的成因推測為風擋玻璃不規(guī)則形狀以及頭部模型的切向速度對于環(huán)繞裂紋上下發(fā)散速度的影響。環(huán)繞裂紋中，取其最大近圓裂紋半徑與模擬場景中的碰撞初速度建立數值關系，可得到二者之間關聯(lián)的經驗公式，如公式1 所示，這一經驗公式經過典型事故案例的測試驗證后，可用于進行碰撞案件的重建分析：

表1 行人頭部模塊沖擊風擋玻璃試驗數據記錄表

結合試驗可得，行人頭部碰撞后玻璃產生的裂紋可分為包圍碰撞中心的環(huán)繞裂紋、以碰撞中心為起始向外發(fā)散的輻射裂紋以及后續(xù)發(fā)散的不規(guī)則裂紋。如圖4 所示，其中，越是接近碰撞中心的環(huán)繞裂紋，其形狀越接近規(guī)則圓形，在向外拓展時，向上發(fā)散速度明顯低于向下發(fā)散速度。

圖4 行人頭部模塊沖擊風擋玻璃試驗數據對比

3 實驗平臺應用研究

3.1 車輛沖撞弱勢道路使用者的實驗研究

面向行人保護的沖擊實驗包括頭部對前風擋玻璃的沖擊實驗和腿部對前保險杠的沖擊實驗。在這一過程中，通常由于風擋玻璃幾何形狀的復雜性和多樣性，需要用到原車身來對風擋玻璃進行固定，使沖擊實驗的成本較高。因此，使用能對風擋玻璃和保險杠同時進行固定的實驗臺架，將大幅簡化沖擊試驗的程序，通過完全模擬車輛上的應力狀況后，能開展相應定量試驗，對于汽車被動安全性的產品開發(fā)和交通安全改善的相關研究起到積極的促進作用。

3.2 與行人發(fā)射臺的匹配進行碰撞試驗

汽車碰撞實驗室原有的行人發(fā)射裝置，需要和實車相匹配來開展碰撞實驗。而單純進行實車碰撞假人等實驗，造價不菲，原有的行人發(fā)射臺利用率較低。本實驗臺的建立，一方面為原有的行人發(fā)射裝置的利用提供了新的機遇，另一方面也在某種程度上取代了昂貴的實車碰撞實驗。同時，基于實驗平臺進行了“車輛沖撞案件動力學模型構建及研判技術”的創(chuàng)新研究，完成了再現模型的實驗驗證任務。

3.3 開展面向碰撞再現的相關科學研究

該實驗平臺的構建為汽車沖撞人體實驗提供了重要的方法，可以部分替代實車實驗。該平臺可實現對車輛沖撞過程的全方位模擬、車輛沖撞案件的研判分析等科學研究，所研發(fā)的試驗平臺可直接用于車輛沖撞行人案事件的分析和重建，為提高辦案效率、提升案件處理水平和改善車輛碰撞安全性等方面提供重要的技術手段。

4 總 結

綜上所述，汽車碰撞假人實驗造價高、周期長、難度大，為此，自主搭建的臺架實驗平臺可以較為靈活地開展車輛風擋玻璃、保險杠等典型接觸部位與行人（假人）的主要模塊之間的碰撞實驗。

（1）實驗平臺的搭建為車輛沖撞行人案件動力學模型的驗證提供了重要的手段。通過平臺開展定量沖撞實驗，驗證了車輛沖撞速度與風擋玻璃裂紋半徑之間的關系模型，并可應用于碰撞再現與車速分析。

（2）通過實驗獲得了行人頭部模塊沖擊車輛風擋玻璃的參數化特征結果。車輛風擋玻璃的主要損壞特征規(guī)律集中體現在裂紋形狀規(guī)則與環(huán)繞裂紋最大半徑兩個方面。

實驗平臺在國內外汽車與交通安全、事故仿真重建等研究領域的同類技術中具有一定的實用和推廣價值，為行人碰撞安全研究提供了低成本、實用化的輔助手段。