頭盔對電動自行車駕駛人的保護效果評價

史秋辰 王玉良

摘 要：通過交通事故再現分析軟件PC-Crash進行汽車-電動自行車事故仿真模擬，分別計算出佩戴頭盔和不佩戴頭盔下的電動自行車駕駛人頭部損傷程度，分析數據，用科學建模的方式驗證出頭盔對電動自行車駕駛人具有一定的保護效果。

關鍵詞：PC-Crash仿真模擬;電動自行車;頭盔;交通事故

1 研究現狀和目的

在中國經濟新常態下，人民整體生活水平不斷改善，生活質量有了大幅提高。隨著居民可支配收入的不斷上漲，人們更加追求生活的舒適性、便捷性和安全感，對于消費品價格的承受能力也不斷加強。電動自行車作為一種短途代步工具，因其操作簡易、方便快捷、省時省力、性價比高等特點，成為人們改善出行條件的重要選擇。隨著國家的“新國標”、以及地方政府的管理政策不斷出臺，長期以來被認為是“野蠻生長”的電動自行車行業，有望得到進一步規范。

據江蘇交警近期發布，涉及電動車的交通事故起數在全省交通事故總數中占比超過一半，為51.9%。涉及電動車交通事故死亡人員的致死原因中占比最高的是顱腦損傷，占比高達69%。而戴頭盔，是最簡單而又最有效的保命措施。

本篇文章通過使用PC-Crash軟件，通過重建交通事故現場模型，分析不同碰撞類型、碰撞角度和碰撞速度對電動自行車騎車人頭部的動力學響應及損傷，來驗證頭盔對電動自行車騎車人頭部的保護作用。

2 PC-Crash軟件汽車-電動自行車碰撞仿真模型

2.1 汽車-電動自行車碰撞方式

汽車與電動自行車碰撞可以概括為四種碰撞方式，第一種是汽車車頭正面碰撞電動自行車側面，這種碰撞事故最多，常見于電動自行車突然沖出橫穿馬路，導致汽車躲避不及;第二種是汽車車頭右（左）前角碰撞電動自行車中部碰撞;第三種是汽車側面刮蹭電動自行車;第四種是汽車追尾電動自行車。

2.2 事故模型建立

在第一種汽車正面碰撞電動自行車側面的過程中，汽車在城市道路最高時速為70 km/h，電動自行車新國標最大車速為25 km/h，汽車以10 km/h為間隔進行模擬碰撞測試，一共有7種情形，電動自行車以5 km/h為間隔進行模擬碰撞測試，一共有6種情形，并且制作相同條件下電動自行車駕駛人佩戴頭盔的模擬碰撞，整個實驗仿真過程有84種情況，輸出84個模擬文件和7個圖表。

在第二種汽車車頭右（左）前角碰撞電動自行車中部的過程中，汽車車速選擇城市道路車輛平均車速40 km/h，汽車與電動自行車夾角范圍為0°～90°，間隔10°作為仿真步長進行模擬碰撞測試。當汽車與電動自行車夾角為0°時，和第一種汽車正面碰撞電動自行車側面相同省略，一共有9種情形，當汽車與電動自行車夾角為90°時，即為汽車追尾電動自行車，電動自行車以5 km/h為間隔進行模擬碰撞測試，并且制作相同條件下電動自行車駕駛人佩戴頭盔的模擬碰撞，一共有6種情形，整個實驗仿真過程有108種情況，輸出108個模擬文件和6個圖表。

2.3 模型選取

PC-Crash軟件是一款道路交通事故再現分析軟件，利用其內含的多剛體模型，可以使一些復雜的事故形態。

在道路交通事故模型建立過程中，在PC-Crash軟件車型數據庫中調取事故車輛和電動自行車的多剛體模型，車輛在這里選擇Passat 2.0 TSI，在車輛模型上套dxf文件，讓實驗結果更加準確，多剛體模型選擇電動自行車和駕駛人模型，對上述碰撞過程進行仿真求解。車輛定義為單剛體模型，在多剛體接觸力、空氣阻力、重力、地面摩擦力等外力作用下運動，騎車人模型由20個代表身體各個部位的剛體組成一個多體系統，每個剛體都可以對其幾何尺寸、質量、接觸剛度及摩擦系數進行定義，騎車人姿態、身高和體重均采用預設默認值。模擬仿真完成后，可以調取身體各個部位的速度、拋距、加速度、接觸力等各種運動學和動力學響應曲線。

2.4 數據分析

為了檢驗頭盔對電動自行車駕駛人的保護效果，模擬仿真中影響頭部損傷程度的因素為載荷大小以及加速度的持續時間，所以頭部損傷采用頭部損傷標準（Head Injury Criterion）進行評估，公式為：

公式中：t1，t2為使HIC達到最大值的時間段的起始和結束時間;T0，TE為碰撞起始時刻和碰撞結束時刻;a為頭部合成加速度。

在PC-Crash軟件中模擬完成后，導出騎車人頭部加速度，計算出對應的HIC值。

2.5 仿真模擬結果分析

（1）汽車車速超過50 km/h時，碰撞會對騎車人的頭部造成嚴重損傷（人體頭部耐受極限HIC值為1 000，超過人體頭部的耐受極限，會對人體頭部造成嚴重損傷），汽車車速為50 km/h時，頭盔防護作用可以使頭部損傷下降到耐受極限以下，體現出頭盔對電動自行車駕駛人的保護效果顯著。

（2）汽車正面碰撞電動自行車側面情況下，碰撞車速是影響騎車人頭部損傷的主要因素，無論是汽車車速還是電動自行車車速，車速越快，HIC值越大損傷越嚴重，不戴頭盔和戴頭盔的HIC差值越大，顯示出的頭盔保護效果越好。

（3）汽車車頭右（左）前角碰撞電動自行車中部情況下，碰撞角度對騎車人頭部損傷的影響不大，汽車與電動自行車夾角為30°時，對頭部損傷最大。

（4）不論汽車和電動自行車是哪一種碰撞方式，佩戴頭盔的情況下，都能減小電動自行車駕駛人頭部損傷HIC值，顯示出頭盔對電動自行車駕駛人有一定的保護效果。

3 結論

（1）利用PC-Crash軟件可以將汽車與電動自行車碰撞的事故完整準確的模擬出來，導出運動軌跡的二維圖片和三維視頻，導出騎車人頭部加速度得出HIC值，判斷頭部損傷程度。

（2）通過科學模擬的方法，證明了頭盔對電動自行車駕駛人的頭部有一定的保護效果，使得頭盔對電動自行車駕駛人的保護效果數值化、具像化，使得騎行電動自行車佩戴頭盔有一定的科學依據，加強了宣傳說服力。

（3）由于為了簡化模型和PC-Crash軟件的工程量，文章沒有考慮電動自行車和汽車側面碰撞的情況，對汽車和電動自行車碰撞事故其它因素的影響也沒有考慮周全，在汽車和電動自行車碰撞事故中騎車人動力學響應和損傷還有待進一步研究。

參考文獻：

[1]王鑫.電動自行車騎車人與汽車碰撞的動力學響應研究[J].中國安全科學學報，2016（6）：152-156.

[2]朱路生.基于PC-Crash車人碰撞事故再現研究[J].重慶交通大學學報，2014（2）：113-117.