事故工況下行人胸部與車輛碰撞的邊界條件特征分析

高文博 呂曉江 肖志 莫富灝 李桂兵

摘 要： 研究了行人胸部與車輛碰撞邊界條件特征。建立了基于中國道路事故工況的車輛與行人碰撞多體仿真矩陣，進行了仿真數據統計分析。結果表明：成年行人胸部繞轉距離（ WAD）范圍為0.957～1.808 m ； 6 歲兒童行人胸部繞轉距離（WAD）為0.760～0.910 m ；對于轎車、運動型多功能車（SUV）、多用途汽車（MPV）等3 種車型碰撞，成年行人胸部中值碰撞角度為17°、34°、32°，中值速度為12.5、19.8、17.3 km/h ； 6 歲兒童速度 為20.5、38.4、25.4 km/h，胸部碰撞角度49°、90°、81°。轎車碰撞中的行人胸部繞轉距離WAD 高于SUV 和MPV 碰撞工況，但行人胸部與車輛碰撞速度和碰撞角度明顯低于SUV 和MPV 碰撞工況。因而，本文作者建議：根據車輛WAD 區域，分別開展成年和兒童行人胸部防護測評，并在測試中根據車型合理設定胸部沖擊加載邊界條件。

關鍵詞： 汽車安全；車輛與行人的碰撞事故；胸部碰撞；碰撞防護的測評；測評加載的邊界條件

中圖分類號： U 461.91 文獻標識碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2023.05.004

行人是道路交通中的弱勢群體之一，其安全問題一直是車輛與交通安全研究的關注重點。與其他弱勢道路使用者相比，行人由于本身沒有防護措施而更易受傷。世界衛生組織2018 年發布的《全球道路安全現狀報告》顯示，行人占全球道路死亡總人數的23% [1]。而在汽車與行人碰撞交通事故中，胸部損傷是僅次于頭部損傷的致命傷害類型[2-5]。近年來，行人損傷中胸部損傷所占的比例不斷增加[6]，因此針對行人胸部損傷防護開展車輛安全性設計與測評研究對于保護行人出行安全具有重要意義。

行人胸部損傷和防護研究受到關注。韓勇等[7]基于數值人體模型仿真分析了不同前部結構車型對行人胸部損傷風險影響，并指出行人胸部損傷會受到車輛前部各部分尺寸的影響，K. Mizuno 和J Kajzer [8] 的研究中也有類似的發現。LI Guibing 等[9] 通過有限元人體模型再現真實事故中的行人胸部損傷指出平頭車型引起的胸部壓縮行人胸部損傷的主要機制。WANGFang 等[10] 通過研究不同沖擊速度下微型貨車與行人碰撞時人體胸部的反應和損傷風險，結果表明小型貨車前端設計和碰撞速度變化對胸部損傷風險具有顯著的影響，相對平直的小型貨車前端設計會導致較高的胸部損傷風險。

張道文等[11] 通過真實事故案例重建對行人應急姿態在車輛與行人正面碰撞時對其胸部損傷影響，結果表明行人側傾與跳躍是比較危險的姿態，會造成較為嚴重的胸部損傷；車輛有應急轉向時，行人下蹲、跳躍時胸部損傷較大。曹軍帥[12] 通過分析國內外行人安全保護研究的現狀以及最新技術，發現使用氣囊抬升發動機罩蓋的方法可顯著降低碰撞事故中行人胸部最大加速度，能夠很好的減輕行人損傷。

目前對于行人胸部損傷機制和影響因素的研究已經比較完善，但對于行人胸部損傷防護性能評價方面的研究還較少，因此提出新的行人胸部損傷預測方法及開發胸部損傷測評工具成為關注重點。武永強等[13]對160 起車輛與行人碰撞事故進行分析，搭建了車輛與行人的碰撞工況場景，并通過某轎車的碰撞試驗真實復現了道路交通中車輛- 行人的碰撞，結果表明行人胸部下端存在較大損傷風險，在后續研究中應對行人胸部損傷進行深入研究并制定法規對胸部損傷進行考量。呂曉江等[14] 通過對目前行人保護現狀進行總結提出在未來研究中要開發和應用胸部沖擊器，結合制定的標準法規，提高車輛對行人胸部損傷防護性能。

歐盟Horizon 2020 Seniors 項目開發出了一種測試工具TIPT（thorax injury prediction tool） [15]，用于預測行人和騎行者在與乘用車碰撞時的胸部損傷。TIPT 由ES2 側面碰撞假人的胸腔組成，該胸腔已解耦，并獨立用于胸腔損傷預測，在碰撞側將手臂添加到ES2 胸腔上，垂直于肋骨放置。Horizon 2020 Seniors 項目還開發了TIPT 發射器，并根據歐美人體身高及其在車輛碰撞下的響應為之定義了測試沖擊邊界條件。

由于中國道路行人事故碰撞工況（車速、行人身高分布等）與歐美存在差異，需要基于中國車輛與行人碰撞工況實際，研究適合國情的行人胸部損傷測評沖擊器加載邊界條件。

本文通過中國行人事故數據分析獲得車輛碰撞速度與行人身高分布特征，依此在MADYMO 軟件中建立基于事故工況的車輛與行人碰撞仿真矩陣并求解，基于仿真數據分析涵蓋胸部環繞距離（wrap arounddistance，WAD）、碰撞角度和碰撞速度及其矢量角等參數分布的行人胸部與車輛碰撞邊界條件特征，以期為中國政府針對行人胸部防護的車輛安全性評價提供基礎參考。

1 材料與方法

1.1 事故數據分析

對來自湖南大學事故深度調查數據庫的93 例中國行人事故信息進行了統計分析，獲得車輛碰撞速度和行人身高分布如圖1 所示。從數據中可知，車輛速度主要集中在25～45 km/h，其均值為42.03 km/h（標準差，SD = 14.78 km/h）；行人身高主要集中在165～175 cm，平均身高為167.98 cm（SD = 9.56 cm）；該分布規律跟CIDAS 數據[16] 接近。

1.2 行人模型

本文采用了不同尺寸的MAYDMO 行人模型來模擬事故中155～185 cm 身高區間的行人，模型身高分別為153、160、165、170、175、180、185 cm。MAYDMO 行人模型由剛體和關節組成，其基礎模型的機械力學性能已通過尸體實驗數據進行了驗證，驗證載荷涉及各個加載方向以及針對各個身體部位的鈍性碰撞試驗和車輛- 整人碰撞試驗，驗證中模型都展示出了良好的運動學響應和損傷風險預測能力[17]。

1.3 車輛模型

根據中國乘用車市場信息聯席會發布的中國乘用車零售量[18]，選擇2022 年上半年中國大陸轎車、運動型多功能車（sports utility vehicle， SUV）和多用途汽車（multi-purpose vehicles， MPV）銷量排名前20 的車型，提取了車輛縱向中垂面的前部輪廓線并在計算機輔助設計（computer aided design， CAD）軟件進行縮放得到前部輪廓的真實尺寸。根據提取的車輛前部輪廓線，建立汽車多剛體模型。為了保證建立的模型具有較好的代表性，使模型額前部輪廓線位于曲線比較密集的位置如圖2 所示，圖中藍色曲線所選車輛最大、最小輪廓，紅色曲線表示模型前部輪廓線。車輛前部結構機械特性曲線參考歐洲新車評價規程（European NewCar Assessment Programme， Euro-NCAP）試驗得到的剛度曲線 [19]，如圖3 所示 。

1.4 仿真矩陣

根據2.1 中真實事故中的車輛碰撞速度和行人身高分布特征（見與圖1），定義100 種車輛與行人碰撞仿真工況，具體工況參數和仿真次數如表1 所示。

表1 中，行人身高小于155 cm 的群體采用高度為153 cm 的5 百分位女性行人模型模擬， 身高大于180 cm 的群體采用185 cm 的行人模型模擬，其余身高段用中位身高行人模型模擬；車輛碰撞速度則在對應區間根據仿真次數均布設置。例如，根據圖1 可知行人身高<155 cm （占12.5%）且車輛碰撞速度為26～35 km/h （25%）的事故碰撞工況所占比例為12.5%×25%=3.2％， 因此對該工況定義3 個仿真，行人模型為5 百分位女性模型，碰撞速度分別為 在速度區間內均勻取得的27.5、30.0、32.5 km/h。

圖4 為車輛與行人碰撞仿真模型示例。考慮事故中行人大都在行走中被車輛從側面撞擊[20]，仿真工況設置為車輛碰撞行人側面，行人速度定為1 m/s [21]。此外，為避免手臂支撐汽車發罩而導致假人胸部與汽車不接觸而無法測量相關邊界條件參數，參考以往行人尸體碰撞試驗中的手臂約束方法[22]，仿真中將假人手臂位置調節至胸前鎖定肘關節和肩關節，以減少手臂對仿真結果的不確定影響。針對圖2 所示轎車、SUV 和MPV 模型，按上述方法定義的100 個碰撞仿真工況中分別開展仿真計算。

1.5 行人胸部與車輛碰撞邊界條件定義

本文參考歐盟HORIZON 2020 SENIORS 項目[23-24]，定義行人胸部與車輛碰撞邊界條件，具體參數包括：上肋骨WAD（ 記WAD-Ur）、下肋骨WAD（ 記WAD-Lr），行人胸部與車輛碰撞速度v（行人胸部與車輛接觸瞬間相對車輛的速度）及此時速度矢量角度β（速度方向的水平夾角），行人胸部與車輛接觸時其軀干頭盆向軸線的水平夾角α，如圖5 所示。

2 結 果

2.1 行人整體動態響應

根據表1 中車輛碰撞速度和行人身高在不同區間內的分布，選取車輛碰撞速度為40 km/h、行人身高為170 cm 的工況仿真結果為例，比較不同車型碰撞中的人體動態響應。當行人與轎車發生碰撞時，行人大腿發動機罩前沿碰撞后上半身向發動機罩方向繞轉，最終在90 ms 時胸部與發動機罩發生碰撞，如圖6a 所示；當行人與SUV 碰撞時，行人骨盆與發罩前沿發生碰撞，上半身繞骨盆向發動機罩方向繞轉，大約在60 ms 時胸部與車輛發動機罩碰撞，如圖6b所示；當行人與MPV 碰撞時，骨盆與車輛前部接觸，之后大約在70 ms 時胸部與發動機罩發生碰撞，如圖6c 所示。

2.2 行人胸部WAD 分布

不同車輛碰撞下行人胸部最低肋骨與最高肋骨WAD 分布特征如圖7 所示。

由圖7 可知：轎車、SUV 和MPV 碰撞中的行人最低肋骨WAD 的最小值分別為1.00、0.96、1.02 m，最高肋骨WAD 的最大值分別為1.81、1.57、1.69 m。整體而言轎車碰撞中的行人胸部WAD 高于SUV 和MPV 碰撞工況，SUV 碰撞中行人胸部WAD 為三者最低，且通過 Mann-Whitney U 檢驗發現不同車型相互之間的差異都具有統計學顯著性（p <0.05）。

2.3 行人胸部碰撞速度分布

不同車型碰撞中，行人胸部碰撞速度分布和累積規律如圖8 所示。

行人胸部與轎車碰撞的中位速度為12.5 km/h，80% 的碰撞速度小于16.5 km/h ；行人胸部與SUV 車型碰撞的中位速度為19.8 km/h，碰撞速度主要位于15～25 km/h 內，80% 的碰撞速度小于23.5 km/h ；行人胸部與MPV 車型碰撞的中位速度為17.3 km/h，碰撞速度大部分集中在10～20 km/h 區間內；80% 的碰撞速度小于23.5 km/h。由Mann-Whitney U 檢驗可知：SUV 和MPV 碰撞中行人胸部與車輛碰撞速度顯著（p <0.05）高于轎車碰撞。

圖9 所示為行人胸部與車輛碰撞損傷與車速相關性線性擬合。由圖9 可知：從斜率和R2 值來看MPV和SUV 碰撞中行人胸部與車輛碰撞速度跟車速的相關性和敏感度均明顯高于轎車碰撞。

2.4 行人胸部與車輛碰撞角度

行人胸部與車輛碰撞角度α 和速度矢量角度β 的分布規律如圖10 所示。由圖10 可知：轎車碰撞中α 中位數為17°，β 中位數為24°；行人胸部與SUV 碰撞的α 中位數為34°，β 中位數為25°；MPV 碰撞中行人胸部α 中位數為32°，β 中位數為29°。通過Mann-Whitney U 檢驗可知，轎車、SUV 和MPV 的α 具有顯著差異。

3 討 論

通過仿真矩陣分析， 結果顯示：轎車與行人發生碰撞時行人胸部WAD（ 1.0～1.81 m）大于SUV（0.96～1.57 m）和MPV（1.02～1.69 m）碰撞工況。主要原因在于不同車型與行人發生碰撞時行人身體繞轉半徑不同。同時行人臀部在轎車發罩有較大向上滑移運動（見圖6），使得行人胸部與車輛碰撞位置上移，從而導致WAD 距離較大。上述行人在轎車發罩上的向上滑移運動也降低了其胸部與車輛碰撞速度及其對車速的敏感度，從而有結果中觀測的SUV（19.8 km/h）和MPV（17.3 km/h）碰撞中行人胸部與車輛碰撞速度及其對車速的敏感度均明顯高于轎車（12.5 km/h）碰撞工況的現象（ 見圖8-圖9）。

對比分析還發現：轎車碰撞中行人胸部碰撞角度明顯低于SUV 和MPV 車型，這同樣是因為轎車發罩前沿高度低，行人上半身繞轉角度大，從而使得其胸部與車輛接觸時水平傾角變小（見圖6）。但是，SUV車型碰撞中行人胸部與車輛碰撞速度矢量角度與轎車、MPV 有顯著性差異， 而轎車與MPV 碰撞中行人胸部與車輛碰撞速度矢量角度未見明顯差異。由式（ 2）可知：碰撞速度矢量角度不受碰撞速度影響，由碰撞速度在x 和z 向分量vx 和vz 決定。

上述結果表明：車輛類型對行人胸部與車輛碰撞邊界條件存在顯著影響，發罩前沿越高的車型其碰撞下的行人胸部- 車輛接觸時的WAD 越小、碰撞速度越大、碰撞角度越小，在采用胸部沖擊器對車輛安全性進行測評時應考慮車型差異而設置針對性的測試邊界條件。

根據中國真實交通事故數據建立仿真得到的行人胸部WAD、胸部碰撞速度、胸部水平傾角和碰撞速度矢量角等數據與歐盟仿真結果中的數據存在一定的差異。歐盟HORIZON 2020 SENIORS 項目中行人胸部WAD 范圍定義為0.77～1.54 m [23]，小于本文中仿真后統計結果0.96～1.81 m，這是因為前者是根據站立姿態下6 歲兒童的最低肋骨離地高度和95 百分位成年男性最高肋骨離地高度定義的，而本文是通過基于事故工況分布的行人與車輛碰撞仿真獲得。為便于對比，此處增設了6 歲兒童與不同車輛模型的碰撞仿真，碰撞速度參考歐盟項目設為40 km/h，仿真結果如表2 所示。

由表2 可見：兒童胸部最小WAD 分布在0.76～0.78 m之間，與歐盟項目定義值相似。但是，考慮車輛與行人發生碰撞時并非簡單的沿前部表面倒下，而是在倒下的同時會沿發罩滑動并伴隨繞轉。本文仿真結果中成年行人胸部WAD 明顯大于歐盟數據，這種差異也說明以行人肋骨離地高度來定義WAD 范圍的方式并不準確。而對于發罩參考線以上區域的胸部碰撞速度和角度的定義，歐盟數據僅采用THUMS 50 百分位行人模型（身高175 cm） 車速20～50 km/h 條件下進行的碰撞仿真結果，未考慮行人身高多樣性及其分布概率，與本文設置的仿真工況存在明顯差異。

對于發罩參考線以下區域的胸部沖擊器碰撞邊界條件，歐盟項目基于6 歲兒童工況定義為碰撞速度40 km/h（矢量角0°）和胸部角度90° [24]，這與本文研究中SUV 車型碰撞結果類似。但是對轎車而言兒童胸部碰撞區域在發罩參考線以上，其碰撞速度矢量角度幾乎平行于水平面（主要為刮擦而非沖擊），因而不必要考慮兒童胸部防護；而MPV 工況中兒童胸部碰撞速度明顯低于SUV 工況，從而需要區別對待。

此外， 仿真結果中胸部WAD 與目前中國新車評價規程（ C-NCAP） [24] 中行人頭部WAD 區域（1.00～2.30 m）有較多重合部分，主要重合部分集中在C-NCAP 兒童頭部測試區域（1.00～1.50 m），該區域一般為發動機罩；但與成人頭部測試區域重合部分（1.70～1.80 m）相對較少，該部分一般為發罩與擋風玻璃交接區域。考慮頭錘重量和體積較小，其沖擊測試區域安全剛度特性要求或無法反映胸部沖擊防護需求，而兒童胸部接觸區域胸部與車輛碰撞邊界條件明顯異于成人胸部接觸區。從而，本文作者建議：在不同區域內開展針對成兒童及成年行人胸部損傷防護的車輛安全性測評。

4 結 論

本文基于中國大陸交通事故中車速和行人身高分布及概率，構建仿真矩陣，仿真分析了行人胸部與車輛碰撞邊界條件特特征，以期為針對行人胸部防護的車輛安全性評價測評提供基礎參考。

結果表明：成年行人與轎車、SUV、MPV 碰撞中，行人胸部繞轉距離（WAD）范圍分別為1.00～1.81、0.96～1.57、1.02～1.69 m， 碰撞角度中位值分別為17°、34°、32°，碰撞速度中位值分別為12.5、19.8、17.3 km/h ；中值矢量角分別為24°、25°、29° ；轎車、SUV、MPV 碰撞中6 歲兒童胸部WAD 介于0.76～0.91 m 之間，胸部碰撞速度分別為幾乎沿水平方向的20.5、38.4、25.4 km/h，胸部碰撞角度分別為49°、90°、81° ；轎車碰撞中的行人胸部WAD 高于SUV 和MPV 碰撞工況，但行人胸部與車輛碰撞速度和碰撞角度明顯低于后者。上述數據可為胸部沖擊器測試工況提供基本參考。

同時，本文作者建議：在WAD 為0.95～1.80 m 的車輛區域內開展成年行人胸部防護測評，在SUV/MPV車型發罩參考線以下WAD>0.76 m 區域開展兒童胸部防護測評，并在測試中根據車型合理設定胸部沖擊加載邊界條件。

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