汽车-自行车/摩托车碰撞事故中骑车人头腿部动力学响应对比研究

王兴华, 彭 勇,2

(1.中南大学 轨道交通安全教育部重点实验室 交通运输工程学院，长沙 410075；2.中南大学 高性能复合材料制造国家重点实验室，长沙 410006)

与行人一样，由于在交通事故中缺乏有效的保护，自行车骑行者和摩托车骑行者也是易受伤害的道路使用者。2013年，全世界道路交通死亡人数为125万人，其中自行车骑行者占4%，摩托车骑行者占23%[1]。在我国，自行车骑行者的死亡和受伤人数则仅次于行人，是第二大易受伤害的道路使用者群体。据研究，在交通事故中，头部和下肢是最容易受伤的身体部位[2]。其中，头部损伤是最主要的致命因素，占所有易受伤害的道路使用者的致命损伤的80%[3]。因此，研究自行车骑行者与摩托车骑行者在交通事故中的碰撞响应，尤其对于头部和下肢，对于减轻和减少交通事故中这两类易受伤害的道路使用者的损伤程度及死亡人数具有十分重要的现实意义。

目前，通过深度事故数据分析[4]，数学和统计模型[5]，数值仿真[6-8]以及假人碰撞试验[9]，行人在交通事故中的碰撞响应已经被深入地研究了。研究发现，车速，车型，行人尺寸，行人姿态，碰撞位置等对行人的碰撞响应有显著影响[10-12]。

近年来，由于自行车骑行者和摩托车骑行者的死亡人数日益增加，针对这两类易受伤害的道路使用者安全的研究已成为国内外的研究热点。Peng等[13]基于GIDAS数据库中的402例行人事故和940例自行车事故，通过逻辑回归模型获得了行人和自行车骑行者关于车速的头部损伤风险曲线，并以其中的22例行人事故和18例自行车事故为例，进一步对比分析了行人和自行车骑行者在交通事故中的动力学响应和头部损伤机理。Nie等[14]通过自行车事故重建，分析了自行车骑行者的头部碰撞条件，并得到了自行车骑行者关于车速的头部损伤风险曲线和下肢骨折风险曲线。Maki等[15]对比分析了日本的汽车-自行车和汽车-行人事故，发现自行车骑行者头部是否与汽车发生碰撞与自行车与汽车的初始碰撞位置，汽车前端的几何形状和自行车移动速度有关，并且由于自行车骑行者腿部为屈膝姿势，自行车骑行者和行人遭受的腿部损伤及其致伤原因存在差异。Guo等[16]通过重建两起典型且真实的汽车-摩托车事故，分析了碰撞过程中摩托车骑行者和摩托车搭乘人的运动状态以及受力情况。尽管交通事故中行人、自行车骑行者和摩托车骑行者的碰撞响应已被广泛地研究了，但是由于自行车骑行者与摩托车骑行者在碰撞前姿态不同，且自行车和摩托车在外形、重量上相差甚多，因此二者在事故中的头部及腿部动态响应的差异也需要进一步研究和讨论。然而，目前有关于该方面的研究十分稀少。

本文基于PC-Crash事故重建软件，利用多刚体人体、自行车模型、摩托车模型和汽车模型对典型汽车-自行车和汽车-摩托车事故进行仿真模拟。并进一步比较了交通事故中自行车骑行者和摩托车骑行者头部及腿部动态响应的差异。此研究结果可为制定合适的自行车骑行者和摩托车骑行者保护措施提供参考。

1 方法

1.1 事故重建模型

PC-Crash为奥地利DSD(Dr. Steffan Datentechnik GmbH)公司开发的专用于事故再现分析的软件，该软件包含两大部分：PC-Rect，PC-Crash，前者可将现场拍摄所得图片转换成分析系统所需的DXF文件；后者为事故再现分析系统，其中包含轨迹、拖车、多刚体模型及基于动量守恒的碰撞模型等，可实现对常见事故形态的模拟分析[17]。本文中，PC-Crash 8.0版被用于仿真研究。

该研究中，从PC-Crash车辆数据库中调用车型“AUDI-A4 1.8-AUTOM”和“AUDI-Q7 3.0 TDI-AVANT”，分别用来代表小轿车和越野车。其中，小轿车重为1 340 kg，长为4 480 mm，宽为1 730 mm，高为1 420 mm；越野车重为2 370 kg，长为5 090 mm，宽为1 980 mm，高为1 730 mm。汽车前端形状和汽车前端元件刚度均采用PC-Crash默认值。选用多刚体模型“bicycle 1 + driver 010910”和“maxi + driver 010910”用来模拟自行车和自行车骑行者系统及摩托车和摩托车骑行者系统。其中，骑车人由27个刚体组成，包括头部、上肢、下肢、躯干和臀部等，刚体与刚体之间通过铰链连接。根据中国人的实际人体参数，仿真中骑车人质量设为60 kg，身高设为168.5 cm[18]。自行车由前轮、后轮、链轮、车座、车座支撑管、下管、车把和前叉8个刚体组成。基于我国最常见的26英寸自行车，仿真中自行车质量设为15 kg，高度设为85 cm。摩托车则由前轮、后轮、燃料箱、发动机、车座、车把和前叉7个刚体组成。质量和高度保持PC-Crash默认值，分别为47 kg和96 cm。参照《典型交通事故形态车辆行驶速度技术鉴定》[19]，汽车与路面摩擦系数为0.8，摩托车与路面摩擦系数为0.65，两轮车骑行者与路面摩擦系数为0.52，其余参数保持PC-Crash默认值。多刚体模型,如图1所示。小轿车和越野车的轮廓参数,如图2所示。多刚体模型参数,如表1所示。

(a)自行车及自行车骑行者模型(b)摩托车及摩托车骑行者模型(c)小轿车模型(d)越野车模型

图1 多刚体模型

Fig.1 Multibody body

1.2 实验方案

在汽车与两轮车的碰撞事故中，侧面碰撞场景是最为普遍的[20]，故本文只考虑汽车与两轮车侧面碰撞的情况。由于两轮车的长度相对于汽车的宽度是不能忽略的，并且骑车人头部是否与车辆发生碰撞与车辆和两轮车的初始碰撞位置有关，因此本文将针对汽车与两轮车的初始碰撞位置为两轮车的前部、中部和后部三种情况进行分析。如图3所示。

(a) 小轿车轮廓参数

(d) 越野车轮廓参数

高度/mm质量/kg与地面的摩擦因数与车辆的摩擦因数恢复系数自行车骑行者/摩托车骑行者1685600.520.200.1自行车850150.400.700.1摩托车960470.650.700.1

(a)两轮车前部(b)两轮车中部(c)两轮车后部(以小轿车-自行车碰撞为例)

图3 侧面碰撞时汽车与两轮车的接触部位

Fig.3 Contact position of vehicle and two-wheeler

由于城市道路交通拥堵比较严重，车辆行驶速度常常处于中低速范围，因此，仿真实验中车辆碰撞速度取30 km/h、35 km/h、40 km/h、45 km/h和50 km/h。据统计，汽车与自行车碰撞事故中，自行车速度一般为10～15 km/h，因此，仿真实验中两轮车移动速度设为10 km/h。为了模拟车辆在干燥路面上的刹车行为，车辆减速度设置为0.75g[21]，而两轮车无任何制动措施。根据车辆碰撞速度及车辆与两轮车的初始碰撞部位进行碰撞仿真实验，共需60次仿真实验。记录数据主要有碰撞过程中骑车人头部速度、加速度以及骑车人撞击侧小腿撞击力。

2 结 果

以碰撞速度为40 km/h，汽车与两轮车的初始碰撞部位为两轮车中部的碰撞仿真为例，本文对两轮车骑行者的动态响应过程、头部合成加速度、头部合成速度、HIC15[22-23]以及撞击侧小腿撞击力进行了对比分析。

2.1 两轮车骑行者动力学响应过程

在汽车-两轮车交通事故中，侧面碰撞是最常见的碰撞场景。表2展示了自行车骑行者和摩托车骑行者在与小轿车及越野车碰撞时的动态响应过程。该过程大致可以分为三个阶段，即碰撞阶段、爬升/旋转阶段和滑落阶段。碰撞阶段，两轮车骑行者的撞击侧小腿与车辆保险杠首先接触，紧接着两轮车骑行者的臀部或大腿与发动机罩前沿发生碰撞。该阶段，两轮车骑行者的下肢被车辆推着向前运动，而上肢则几乎静止不动。爬升/旋转阶段，在小轿车-自行车碰撞仿真中，自行车骑行者上肢首先在发动机罩上滑动直至骨盆与发动机罩接触。随后，自行车骑行者上肢以骨盆与发动机罩的接触点为旋转中心向风挡玻璃旋转，最后自行车骑行者头部与风挡玻璃下端发生碰撞。在小轿车-摩托车碰撞仿真中，摩托车骑行者上肢直接以腿部与发动机罩前沿的接触部位为旋转中心，以更大的旋转半径向风挡玻璃旋转，最后摩托车骑行者头部与发动机罩和风挡玻璃的交界处发生碰撞。在与越野车的碰撞仿真中，由于越野车前端较高，自行车骑行者和摩托车骑行者上肢直接以骨盆与发动机罩前沿的接触部位为旋转中心向发动机罩后端旋转，最后两轮车骑行者头部与发动机罩后端发生碰撞。滑落阶段，两轮车骑行者沿着发动机罩或风挡玻璃向下滑落，最终与地发生碰撞。

2.2 两轮车骑行者头部及腿部碰撞条件

图4展示了侧面碰撞过程中，两轮车骑行者合成头部速度曲线。与小轿车碰撞时，自行车骑行者头部与车辆发生碰撞的时间更早。而摩托车骑行者的头部碰撞速度高于自行车骑行者的头部碰撞速度，分别为37.01 km/h和30.88 km/h。这可能是因为摩托车骑行者具有更大的旋转半径，摩托车骑行者头部受到的外力矩更大。与越野车碰撞时，自行车骑行者和摩托车骑行者头部与车辆发生碰撞的时间较为接近。而且自行车骑行者的头部碰撞速度高于摩托车骑行者的头部碰撞速度，分别为43.00 km/h和40.80 km/h。

表2 侧面碰撞中两轮车骑行者的动力学响应过称

图4 侧面碰撞中两轮车骑行者的合成头部速度

图5展示了侧面碰撞过程中，两轮车骑行者的合成头部加速度曲线。由于两轮车骑行者的翻滚运动，在峰值出现之前，合成头部加速度曲线存在一些小幅的波动。与小轿车碰撞时，摩托车骑行者的合成头部加速度具有更大的峰值，并且摩托车骑行者遭受的头部损伤更为严重，其HIC15值为458.3。这可能是因为摩托车骑行者直接以腿部与发动机罩前沿的接触部位为旋转中心，具有更大的旋转半径，并且摩托车骑行者没有在发动机罩上滑动而损失动能。与越野车碰撞时，自行车骑行者遭受了更严重的头部损伤，其HIC15值为558.3。这可能是因为自行车座高较高，自行车骑行者绕骨盆旋转的旋转中心位于骨盆下部，具有更大的旋转半径。

图5 侧面碰撞中两轮车骑行者的合成头部加速度

Fig.5 The resultant head acceleration of two-wheeler rider in side collision

图6展示了侧面碰撞过程中，两轮车骑行者撞击侧小腿撞击力曲线。与小轿车碰撞时，自行车骑行者撞击侧小腿承受的撞击力大且持续时间长，这表明该种情况下自行车骑行者更容易遭受严重的腿部损伤。与越野车碰撞时，摩托车骑行者撞击侧小腿承受的撞击力大于自行车骑行者撞击侧小腿承受的撞击力。

图6 侧面碰撞中两轮车骑行者撞击侧小腿撞击力

Fig.6 The struck crus impact force of two-wheeler rider in side collision

3 讨 论

图7描述了侧面碰撞过程中，车速与两轮车骑行者平均头部碰撞速度的关系。与小轿车碰撞时，自行车骑行者和摩托车骑行者的平均头部碰撞速度都随车速的增加而增加。但摩托车骑行者的平均头部碰撞速度近似于车辆碰撞速度，而自行车骑行者的平均头部碰撞速度相较于车辆碰撞速度则小很多。与越野车碰撞时，当车辆碰撞速度较高，自行车骑行者和摩托车骑行者的平均头部碰撞速度都高于车辆碰撞速度，但摩托车骑行者的平均头部碰撞速度随车速增加的增幅大于自行车骑行者的平均头部碰撞速度的增幅。并且当车辆碰撞速度增加至50 km/h时，摩托车骑行者的平均头部碰撞速度将远大于车辆碰撞速度，为58.31 km/h。

图7 车速与平均头部碰撞速度的关系

Fig.7 The relation between vehicle speed and average head impact speed

由于当初始碰撞部位为两轮车后部时，两轮车骑行者头部往往不与车辆发生碰撞。因此，碰撞部位对两轮车骑行者平均头部平均碰撞速度的影响在本文中不予讨论。

图8描述了侧面碰撞过程中，车速与两轮车骑行者平均HIC15的关系。对于所有碰撞类型，平均HIC15都随着车速的增加而增加。当车速增加至50 km/h时，平均HIC15将急剧增大，并且在与越野车的碰撞事故中，平均HIC15将远远超出头部损伤耐受极限。与小轿车碰撞时，自行车骑行者的平均HIC15稍稍高于摩托车骑行者的平均HIC15，差异很小。与越野车碰撞时，自行车骑行者的平均HIC15显著高于摩托车骑行者的平均HIC15，且两轮车骑行者的平均HIC15受车速影响更加显著。这表明与越野车碰撞时，自行车骑行者更容易遭受严重的头部损伤。

图8 车速与平均HIC15的关系

图9描述了侧面碰撞过程中，碰撞部位与平均HIC15的关系。与小轿车碰撞时，若初始碰撞部位为两轮车后部，自行车骑行者和摩托车骑行者的平均HIC15极其小，这是因为该情况下自行车骑行者头部和摩托车骑行者头部不与车辆发生碰撞。初始碰撞部位为两轮车中部或前部时，自行车骑行者的平均HIC15几乎不变，而摩托车骑行者的平均HIC15则相差较大，这说明与小轿车碰撞时，碰撞部位对摩托车骑行者头部损伤的影响更为显著。与越野车碰撞时，若初始碰撞部位为两轮车后部，自行车骑行者和摩托车骑行者的平均HIC15较小。这可能是因为该情况下自行车骑行者头部和摩托车骑行者头部与发动机罩侧边缘发生碰撞，接触面积较小。然而，当初始碰撞部位为两轮车中部或前部时，自行车骑行者的平均HIC15将明显高于摩托车骑行者的平均HIC15，这进一步说明与越野车相撞时，自行车骑行者更有可能遭受严重的头部损伤。

图10描述了侧面碰撞过程中，车速与两轮车骑行者撞击侧小腿平均撞击峰值力的关系。两轮车骑行者撞击侧小腿平均撞击峰值力与车速并无显著关系。与小轿车碰撞时，在车辆碰撞速度为40 km/h的碰撞场景中，自行车骑行者撞击侧小腿平均撞击峰值力达到最大，而摩托车骑行者撞击侧小腿平均撞击峰值力则最小。而在车辆碰撞速度为50 km/h的碰撞场景中，摩托车骑行者撞击侧小腿平均撞击峰值力显著高于自行车骑行者撞击侧小腿平均撞击峰值力，分别为14 922.40 N和6 848.03 N。与越野车碰撞时，自行车骑行者和摩托车骑行者撞击侧小腿平均撞击峰值力都有随车速增加而增大的趋势。但摩托车骑行者撞击侧小腿平均撞击峰值力更高，这表明摩托车骑行者更容易遭受严重的腿部伤害。

图9 碰撞位置与平均HIC15的关系

图10 车速与撞击侧小腿平均撞击峰值力的关系

Fig.10 The relation between vehicle speed and average struck crus peak impact force

图11描述了侧面碰撞过程中，碰撞部位与两轮车骑行者撞击侧小腿平均撞击峰值力的关系。与小轿车碰撞时，初始碰撞部位由两轮车前部移至两轮车后部的过程中，自行车骑行者撞击侧小腿平均撞击峰值力变化不大，而摩托车骑行者撞击侧小腿平均撞击峰值力则逐渐增大，并且摩托车骑行者撞击侧小腿平均撞击峰值力始终高于自行车骑行者撞击侧小腿平均撞击峰值力。与越野车碰撞时，摩托车骑行者撞击侧小腿平均撞击峰值力仍然始终高于自行车骑行者撞击侧小腿平均撞击峰值力。这说明摩托车骑行者更容易遭受严重的腿部损伤，这可能是因为摩托车质量大，当车辆保险杠撞击骑行者小腿时，摩托车阻碍骑行者小腿向前运动的能力强。且相较于与小轿车碰撞的情况，与越野车碰撞时两轮车骑行者撞击侧小腿平均撞击峰值力显著下降。这说明小轿车对两轮车骑行者小腿有更强的侵略性。

图11 碰撞部位与撞击侧小腿平均撞击峰值力的关系

Fig.11 The relation between contact position and average struck crus peak impact force

4 结 论

本文利用PC-Crash事故重建软件，对典型的汽车-自行车和汽车-摩托车事故进行了重建，比较了不同碰撞条件下自行车骑行者和摩托车骑行者头部、腿部碰撞响应的差异。

结果表明，交通事故中自行车骑行者和摩托车骑行者的动态响应过程及头部、腿部碰撞条件，如头部碰撞速度，碰撞侧小腿撞击力等，存在显著差异。与小轿车的侧面碰撞事故中，自行车骑行者会在发动机罩上滑动，而摩托车骑行者将直接以骨盆与发动机罩边缘的接触部位为旋转中心向着挡玻璃旋转。自行车骑行者和摩托车骑行者的平均头部碰撞速度都随车速的增加而增加。与小轿车相撞时，摩托车骑行者的平均头部碰撞速度显著大于自行车骑行者的平均头部碰撞速度，且接近于车辆碰撞速度。与越野车相撞时，摩托车骑行者的平均头部碰撞速度随车速的增加而急剧增加，甚至大于车辆碰撞速度。自行车骑行者和摩托车骑行者的平均HIC15与车速是正相关的。与小轿车相撞时，自行车骑行者和摩托车骑行者的平均HIC15较为接近；与越野车相撞时，自行车骑行者则更容易遭受严重的头部损伤。交通事故中，相较于自行车骑行者，摩托车骑行者撞击侧小腿要承受更大的撞击力。此结果可为制定合适的自行车骑行者和摩托车骑行者保护措施提供一定的理论依据。

当车辆碰撞速度增加至50 km/h时，自行车骑行者和摩托车骑行者的平均HIC15及撞击侧小腿的平均撞击峰值力都会大幅增大，甚至超出损伤耐受极限。因此，在自行车事故或摩托车事故多发路段，限速50 km/h是有必要的。

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