1、碰撞形态对两轮车及骑车人运动响应的影响研究 刘娜 周华 张道文 尹均 唐灿 西华大学汽车与交通学院 四川西华机动车司法鉴定所 摘 要： 为研究轿车与两轮车碰撞时碰撞速度和碰撞部位对其碰撞后运动响应的影响, 对 171 例汽车两轮车碰撞事故案例进行统计分析, 并利用控制变量法, 运用多刚体动力学仿真软件 PC-Crash 进行仿真试验。仿真中, 轿车分别以 2 种不同的车速与两轮车发生侧面碰撞, 碰撞发生时两轮车分别以 3 种不同的初始速度从轿车左侧横穿至右侧, 且参与双方以 9 种不同的接触部位发生碰撞。结果表明, 两轮车及骑车人抛距、骑车人下肢最大加速度随轿车车速增大而增大;两轮车碰撞速度的
2、改变对骑车人头部与轿车撞击点的纵向位移影响较大;当参与双方相对碰撞速度较高时, 碰撞后骑车人与两轮车分别从轿车左右两侧抛出, 此轨迹下骑车人头部加速度更大, 损伤风险更高。研究结果可为事故再现及鉴定提供参考, 也可为汽车主动安全产品研发等提供数据支持。关键词： 运动响应; 运动轨; 碰撞形态; PC-Crash 仿真; 两轮车事故; 作者简介：周华 (1968) , 男, 重庆人, 西华大学副研究员;E-mail:。收稿日期：2017-05-10基金：国家车辆事故深度调查 NAIS 项目 (16203269) A study on effect of collision form on mot
3、ion response of two-wheelers vehicles and ridersLIU Na ZHOU Hua ZHANG Dao-wen YIN Jun TANG Can School of Transportation Abstract： In order to study whether different collision speeds and collision sites in car and twowheeler crash had effect on the movement response after collision, the data statist
4、ics of 171 cases of car and two-wheeler crash accidents were analyzed and simulation experiment was conducted by the control variable method and PC-Crash of multibody dynamics simulation software. In the simulation, the car collided with the two-wheeler on the side at two different velocities respec
5、tively, and the twowheeler crossed the car from the left to the right at 3 different initial velocities. Moreover, both participants collided with 9 different contact parts. Conclusions show that the throwing distance of two-wheeler and cyclist and the maximum acceleration of the lower limbs of the
6、cyclist increase as the car velocity increases. The change of two-wheelers collision velocity has a huge influence on thelongitudinal displacement of the impact point where cyclists head hits on the car. When the relative speed of the participants is high, cyclist and the two-wheeler will be thrown
7、out from the left and right sides of the car respectively after collision. Cyclists head acceleration is higher in this track, and the risk of injury is also higher. The conclusion of this study can provide reference value for accident reconstruction and identification, and provide data support for
8、the research and development of active safety products.Keyword： motion response; motion trajectory; collision form; pc-crash simulation; two-wheeler accident; Received： 2017-05-100 引言根据我国道路交通事故统计年报, 2014 年我国两轮车事故发生总数为 41 578起, 约占总交通事故发生起数的 21%, 事故导致 10 700 人死亡, 约占总交通事故死亡人数的 18%1。作为交通弱势参与方, 两轮车骑车人在与车
9、辆碰撞过程中容易受到严重损伤2。当前针对保护两轮车骑车人的有效措施仍处于研究阶段, 然而这些技术的开发不是凭空想象, 而是基于对大量事故的研究分析3。目前, 国外学者针对汽车与两轮车事故做了相关研究。例如, Alexandro 等4通过对英国 205 例汽车与行人、两轮车事故的分析研究, 发现骑车人主要受损部位为头部;对与碰撞事故相关的变量参数深入分析筛选, 发现汽车与两轮车的碰撞形态对骑车人的运动响应和伤亡情况影响较大。基于德国 GIDAS 数据库, Yong 等5挑选了 18 例自行车事故, 并对这些事故做了再现分析和骑车人损伤风险研究, 发现骑车人头部遭受 AIS 2+和 AIS 3+损
10、伤风险时, 碰撞速度分别为53.66 km/h 和 58.89 km/h 的概率为 50%。Tetsuo 等6基于日本国家事故数据, 对汽车与自行车碰撞事故做了研究分析, 结果表明, 第一碰撞点、汽车前端几何形状和自行车行驶速度对骑车人头部是否与汽车碰撞有很大影响。在国内, 前人基于深入调查的汽车与行人、自行车交通事故数据进行事故重建, 发现自行车骑车人头部碰撞点主要分布在前风窗玻璃上, 且车辆的碰撞速度与行人和自行车骑车人的死亡风险显著相关7-13。以上研究主要是针对汽车与自行车碰撞事故的定性分析, 对在不同碰撞形态下的汽车与两轮车事故的深入研究较少。因此, 本文在对真实案例统计分析的基础上
11、, 采用控制变量法, 通过仿真试验来研究碰撞形态对两轮车及骑车人运动响应的影响, 旨在为轿车两轮车事故再现仿真及鉴定提供参考, 为主动安全产品研发及骑车人保护等提供数据支持。1 统计与仿真1.1 数据来源及统计分析从中国 NAIS (National Automobile Accident In-Depth Investigation System) 体系中选取了 171 例真实的两轮车事故案例做统计分析, 发现参与事故的两轮车中电动两轮车所占比例最大, 为 55%, 其次为摩托车和自行车。参与事故的汽车中绝大多数为轿车, 占 71%。同时, 对碰撞对应关系统计发现, 事故形态为汽车头部与两轮
12、车侧面碰撞的事故最多, 占 64%。从这些两轮车事故中, 挑选出 77 例轿车头部与两轮车侧面碰撞的事故, 并对其碰撞部位及速度做进一步统计分析。如图 1 所示, 以第一碰撞点的位置来间接表示参与双方的碰撞部位。根据警方提供的驾驶员笔录、现场痕迹照片、监控录像等事故相关信息, 利用公式法、视频法、软件再现仿真等方法计算出轿车与两轮车发生碰撞时双方的车速, 并对车速进行统计分析14。统计结果表明: (1) 两轮车第一碰撞点主要分布在车身的前半部分的左右两侧, 轿车第一碰撞点主要均匀分布在头部前端左右两侧。轿车与两轮车第一碰撞点等距等比划分情况如图 1 所示。其中, r 1L1、r 2L2、r 2
13、L1、r 3L2、l 1R1、l 2R1这 6种碰撞部位发生次数相对较多。 (2) 对碰撞速度统计发现, 两轮车碰撞速度有62%在 025 km/h 内, 轿车碰撞速度有 24%在 3050 km/h 内, 28%在 5070 km/h内。 (3) 统计发现, 77 例事故案例中, 轿车碰撞车速普遍较高, 其中, 77 名两轮车骑车人, 有 64 人死亡, 3 人受伤, 导致骑车人死亡的原因主要是骑车人头部与轿车前风窗玻璃碰撞, 同时造成轿车前风窗玻璃碎裂, 比例为 68%。图 1 汽车与两轮车第一碰撞点 Fig.1 First collision point of car and two-w
14、heeler 下载原图1.2 仿真试验为了确保更加全面地再现两轮车事故, 仿真试验中以参与双方碰撞速度和碰撞部位为变量, 利用控制变量法进行 54 次仿真试验。其中, PC-Crash 是一款专门针对道路交通事故再现分析软件, 其有效性和实用性已经得到国内外专业人士的充分验证15。仿真试验具体内容如下。(1) 车辆模型。轿车模型选用三厢车 Audi-A3 的刚体模型, 两轮车模型选用PC-Crash 软件自带的多刚体模型。(2) 模型参数。对轿车模型参数进行调整以确保与实际车辆相一致。据统计结果可知, 事故中电动两轮车所占比例最大, 故仿真中两轮车模型以实际电动两轮车为参考, 设置其质量为 6
15、6 kg, 坐高为 70 cm, 骑车人的几何参数参考GB10000-88 中国成年人人体尺寸16, 设置两轮车骑车人质量、身高和坐高分别为 59 kg、168 cm 和 86 cm。(3) 碰撞速度。据统计结果可知, 轿车碰撞速度主要在 3070 km/h, 两轮车碰撞速度主要在 025 km/h, 83%的两轮车骑车人死亡是由于轿车碰撞速度较高导致, 此情况下无需研究骑车人损伤, 故不考虑高速情况, 并将仿真中轿车碰撞速度 V1设置为 20、40 km/h。文中两轮车主要为电动两轮车, 其次为摩托车和自行车, 故实际车速可能超出 025 km/h, 故以 10 km/h 为步长选择两轮车碰
16、撞速度, V 2分别设置为 10、20、30 km/h。(4) 碰撞接触部位。现实中存在两轮车从轿车左、右侧横穿的两种行驶方向, 但如图 1 所示的轿车车头和两轮车两侧均呈对称性且接触碰撞点的划分等距等比, 两轮车从轿车左、右两侧接触碰撞情况类似, 为避免重复计算, 仅对轿车头部前端与两轮车右侧碰撞的形态进行仿真试验, 同时选取碰撞发生可能性较大的 9 种碰撞部位 (如图 2 所示) 进行仿真, 这 9 种碰撞接触部位基本涵盖了轿车头部与两轮车侧面发生碰撞接触形态类型。图 2 轿车与两轮车 9 种碰撞部位 Fig.2 Nine kinds of collision parts of car a
17、nd two wheeler 下载原图2 结果与分析仿真结果分别详细记录了 9 种不同的碰撞接触部位 Xc下轿车与两轮车以不同的速度发生碰撞后骑车人的运动响应参数, 主要包括骑车人头部分别与轿车和地面碰撞后的最大加速度 amaxhv和 amaxhg、胸部和下肢最大加速度 amaxt和 amaxl、骑车人和两轮车抛距 Sp和 Sc、头部与轿车碰撞部位 Phv, 以及轿车先后与两轮车和骑车人碰撞的时间间隔 t12等信息, 同时也记录了每次碰撞后骑车人和两轮车的运动轨迹 Lp和 Lc。2.1 不同碰撞形态对两轮车及骑车人运动响应的影响通过对仿真结果的统计, 对比分析了轿车、两轮车在不同碰撞形态下发生
18、碰撞后各响应参数的变化规律, 同时研究了各响应参数之间的相互作用关系, 得出了以下规律:(1) 当 V1由 20 km/h 增加到 40 km/h 时, a maxl、S p及 Sc都有明显增加, 同时, Xc对 amaxt、a maxl、S p及 Sc的影响逐渐增大。(2) 当 V1=20 km/h 时, 随着 V2的增大, S p和 amaxt增大, 而 amaxl减小;当 V1不变时, 随着 V2的增大, X c对 amaxt、a maxl、S p及 Sc的影响逐渐减小。(3) 当 V1=40 km/h 且 Xc为 r1L1、r 4R1、r 5R2时, a maxl和 Sc要明显低于 X
19、c为其他类型。(4) 当 V1=20 km/h 时, V 2=10 km/h, 碰撞后骑车人头部没有与地面发生 2 次碰撞, 占比为 67%;而当 V2=20 或 30 km/h 时, 骑车人头部均会与地面发生碰撞;当 V2由 20 km/h 增至 30 km/h 时, a maxhg平均增大约 500 m/s, 如图 3 (a) 所示。(5) 当 V1=40 km/h 时:V 2=10 km/h, Xc对 amaxhg的影响较大, 其中 Xc为r3R2、r 2L2时 amaxhg较大, X c为 r3L2、r 5L1时 amaxhg较小;当 V2为 20、30 km/h 时, Xc对 ama
20、xhg的影响较小。(6) 当 V1=40 km/h 时:V 2=30 km/h, Xc对 amaxhv的影响较小, 而 V2为 10、20 km/h 时, X c对 amaxhv的影响较大。(7) 当 V1=40km/h, 随着 V2的增大, t 12逐渐增大, 其范围大致为 0.10.3 s, 且 Xc对 t12的影响较小。(8) 在 54 例仿真试验中, 骑车人头部与轿车发生碰撞的情况占 37%, 且均未与轿车前挡风玻璃接触, 而是与轿车发动机罩相撞, 故骑车人头部加速度小, 如图 3 (b) 所示。仿真中对应的 Xc分别为图 2 中的碰撞类型 (2) (7) , 图 4中圆形、三角形和正
21、方形分别代表两轮车碰撞速度为 10、20、30 km/h。(9) 当 V1=20 km/h 时, 骑车人头部均与发动机罩前部相撞, 占比为 11%;而当V1=40 km/h 时, 骑车人头部大部分与发动机罩中部相撞, 占比为 26%。(10) 当 V1保持不变时, 改变 V2的大小对骑车人头部与轿车撞击点 Phv的纵向位移影响较大, 横向位移影响较小。例如, 当 V1=40 km/h, V2=10、20 km/h 时, 骑车人头部均与发动机中部相撞;而当 V1不变, V 2=30 km/h 时, 骑车人头部均与发动机罩前部相撞。图 3 不同碰撞形态下的 amaxhg Fig.3 amaxhgu
22、nder different forms 下载原图图 4 不同碰撞形态下的 Phv 分布 Fig.4 Distribution of Phvunder different forms 下载原图2.2 不同碰撞形态对两轮车及骑车人运动轨迹的影响通过对 54 次仿真试验碰撞后两轮车及骑车人运动轨迹的对比分析, 区分出了 6种不同的运动轨迹, 如表 1 所示, 各种运动轨迹下骑车人头部与轿车和地面撞击后的加速度有明显的差异, 各种碰撞轨迹所占比例也各不相同, 如图 5 所示。轨迹 3 所占比例最大, 占比为 33%。各种运动轨迹与 V1、V 2的大小密切相关, Xc的改变对轨迹 14 的影响不大,
23、而轨迹 5、6 则受 Xc的影响较大。表 1 碰撞后两轮车与骑车人 6 种不同运动轨迹 Tab.1 Six different trajectories of two wheeler and rider after collision 下载原表 6 种运动轨迹中, 骑车人头部均与地面发生碰撞。如图 6 所示, 在轨迹1、2、3、5 下, 骑车人头部平均最大加速度 较大, 均超过 500 m/s。在轨迹 1、3 中, V 1速度较低, 碰撞后骑车人及两轮车向前抛出, 如图 7 所示, 骑车人头部从起初的最高点撞向地面, 导致 较大。图 5 碰撞后两轮车及骑车人运动轨迹分布 Fig.5 Distr
24、ibution of trajectories of two-wheeler and rider after collision 下载原图在轨迹 2、5 中, 轿车、两轮车碰撞时的相对速度较高, 且受 Xc的影响。在轨迹 2 中, 碰撞后骑车人向身体右侧翻转, 头部最先着地, 导致 较大, 如图 8 所示;而在轨迹 5 中, 由于 Xc接近轿车头部中间位置, 碰撞后骑车人头部先与发动机罩碰撞, 然后骑车人向前抛出其头部又与地面撞击, 导致也较大。图 7 轨迹 1、3 运动过程 Fig.7 Movement process of trajectory one and trajectory thr
25、ee 下载原图图 8 轨迹 2、5 运动过程 Fig.8 Movement process of trajectory two and trajectory five 下载原图3 结论基于对我国轿车与两轮车侧碰事故的统计分析结果, 利用 PC-Crash 事故再现软件进行大量仿真试验, 研究不同碰撞形态对轿车与两轮车侧碰后运动响应的影响, 得出以下结论:(1) 轿车碰撞速度 V1对两轮车抛距 Sc、骑车人抛距 Sp以及骑车人碰撞后下肢最大加速度 amaxl影响较大, 当 V1增大时, S c、S p和 amaxl随之增加, 而对骑车人碰撞后胸部最大加速度 amaxt影响不大。(2) 当两轮车碰
26、撞速度 V2不变, 轿车碰撞速度 V1增大时, 碰撞部位 Xc对各响应参数的影响增大;而当 V1不变, V 2增加时, X c对各响应参数的影响减小。当轿车碰撞速度 V1不变时, 两轮车碰撞速度 V2的改变对骑车人头部与轿车撞击点Phv的纵向位移影响较大, 而对横向位移影响较小。(3) 轿车、两轮车相对碰撞速度对碰撞后双方的运动轨迹影响较大, 尤其在相对碰撞速度较高时, 骑车人头部与轿车和地面分别接触碰撞, 造成骑车人头部碰撞加速度更大, 损伤更为严重。本研究数据采用人工统计方法, 对研究结果可能有所影响。下一步工作将研究汽车车型、碰撞类型及碰撞角度等因素对轿车两轮车事故运动响应的影响。参考文
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