【doc】人-车碰撞时行人头部撞击特点及其试验评价方法研究

【doc】人-车碰撞时行人头部撞击特点及其试验评价方法研究 人-车碰撞时行人头部撞击特点及其试验评 价方法研究 . 车碰撞时行人头部撞击特点及其 试验评价方法研究 曹立波廖洪波 (湖南大学) 摘要通过对行人交通事故数据的统计分析.说明了人一车事故中行人头部损伤防护的重要性.介绍了EEVC法规提出的头 部模块碰撞试验评价方法,并指出了其对平头微型车无法进行评价.通过建立行人与轿车及平头微型车的碰撞仿真模型,分 析了该两种车型在与行人碰撞时的运动特性差异.得到了行人与平头微型车碰撞时的头部撞击特点.根据行人头部碰撞安 全性评价需要.提出了结合事故统计分析及计算机仿真分析的行人头部安全性评价方法. 关键词:人一车碰撞事故头部损伤模块试验 Aresearchonpedestrianheadcrashcharacteristicsanditstestingandappraisalmethods Abstract:ByanalyzingstatistiCSinconnectionwith/raffleaccidentinvolvingpedestrianan dvehicle,this paperemphasizesimportanceofpedestrianSheadinjuryprotection,presentsEEVCtestinga ndappraisal methodsforheadmodulecrash,andpointsoutthatitisnotapplicabletocabin—over—enginemini— vehicle.Bysettingupcrashemulationmocks-upforpedestrian/carandpedestrian/cab—over-enginemini— vehicle,thepaperanalyzesdifferencesofmovingcharacteristicsbetweenthecarandcab— over—engine mini—vehicle,andobtainthecharacteristicsofamini-vehiclecrashingapedestrianShead.Inaccord ance withtheneedsofpedestrianheadcrashsafetyappraisal,thepaperputsfo~ardanappraisalmet hodby meansofaccidentstatisticanalysisandcomputer-emulatedanalysis. Keywords:man-carcrashaccident;headinjury;moduletest 1前言 随着汽车被动安全性研究工作的不断深人.更加 安全的车身结构以及诸如安全带,安全气囊等被动安 全装置已经被广泛采用.车身结构的改进和这些安全 装置的使用使得汽车在正碰和侧碰等车一车或车一物 碰撞的交通事故中对车内乘员起到了很好的保护作 用,进而有效地降低了事故中乘员的伤亡率. 尽管在过去的20年间.欧美日等主要汽车国家 交通事故中的行人死亡率已经有逐渐降低的趋势【n, 但总体来看.包括中国在内的许多国家其交通事故中 的行人伤亡人数仍然非常可观.在欧盟成员国中,每 年有超过7000的行人在交通事故中死亡(EEVC. 1998),在美国和日本这一数字分别为5500(NHTSA, 1998)和3000. 我国作为发展中国家.基础设施相对薄弱,众多 的人口以及混合交通为主的路面交通情况更加导致 了人一车碰撞交通事故中极高的行人伤亡率.由图1 可以看出在各种类型的交通事故中行人的死亡率占 到了总死亡率的26%.高于其他各类交通事故中的人 员死亡率【n.因此根据我国道路交通的特点.开展行人 安全性研究是非常必要的. 35 3O 25 2O N- 5 0 圈1事故中不同交通方式下人员的伤亡率 2007.3.KECHEJISHU《客车技术)囡 ,, 碱 在人一车碰撞的交通事故中行人身体的各个部位 都有可能受到损伤.但不同部位的损伤程度会根据其 生物力学特性以及碰撞中与车体接触位置的不同而 有所不同.图2为人一车碰撞事故中行人身体主要部 位受到中度损伤(AIS2—4)和重度损伤(AIS5—6)的分 布情况i1】 瓣 鞋 头部胸部上肢脊柱腹部下肢 图2事故中行人身体主要部位损伤分布 由图2可以看出.在人一车碰撞事故中行人的头 部是最易受到重度损伤的部位(80%),其次为胸部 (7%),脊柱(6%)和腹部(6%).而受到中度损伤比例 最高的部位为下肢(37%),其次为头部(35%).由此可 见,行人头部是在事故中最易受到严重伤害的部位. 开展行人头部伤害机理及其保护的研究是非常 重要 2人一车碰撞交通事故的特点 图3显示了人一车碰撞事故中行人与车体各主要 部位发生接触的分布情况i1】.可以看出其中接触比例 最高的部位为车身前部(67.1%),其次为车身的两侧 (22.8%).这一数据与图4中所示的人一车事故中行 人与汽车相对位置的分布情况也基本一致【"由图4 可知.人一车事故中有68%的情况是在行人横穿马路 时.汽车从行人一侧以约90~角撞击行人. 一前部两侧尾部其他 图3事故中行人与车体接触部位分布 《客车技术》KECHEJISHU2007.3.圃 侧向面向背向其他 图4事故中行人与车体相对位置分布 人一车碰撞事故发生时行人的运动状态具有很大 的不确定性.这种不确定性为研究碰撞中行人身体各 部位的损伤机理带来了一定的难度.但总体来看.行 人在事故中的运动状态仍可以大致归纳为如下的几 类,即滞留车体,撞击地面,抛向空中,推向一侧以及 翻过车体图5为事故发生后行人各种运动状态的分 布情况【"从图中可以看出分别有41%和4%的行人 在碰撞后会滞留及翻过车体.这两种情况下行人的头 部均会与车体发生碰撞.碰撞速度与车速以及车体前 部结构形状有关.碰撞位置和碰撞角度则具体受行人 身高及车体前部结构形状的影响 45 40 35 l0 5 0 ' 图5事故发生后行人运动状态分布 在人一车碰撞的交通事故中行人头部与车体发生 碰撞的位置主要取决于包绕距离(WrapAround Distance).图6显示了头部接触点包绕距离的分布情 况.由图中可以看出.包绕距离小于2m的情况约占 总数的22%.对于大多数车型来讲.此时的碰撞点位 于风窗玻璃或A柱区域. 二一图6头部接触点包绕距离分布情况 舳??加?加m0 .哥 ?加????m0 ???加?m0 .哥 3汽车与行人头部碰撞安全性的试验评价 方法 汽车与行人碰撞安全性的试验评价方法通常有 两种.一种是利用实车与试验用行人假人进行碰撞试 验.另一种是利用模拟假人的部件对实车或相关汽车 部件进行冲击试验. 利用实车与碰撞试验用行人假人所进行的碰撞 试验中仅将事故中的行人替换为碰撞假人.因此整个 过程较为接近于真实的人一车碰撞事故.但在以往的 试验中,由于没有专门的行人假人,通常是采用车内 正面碰撞假人来替代.导致试验中假人的运动特性与 真实事故中行人所表现出来的特性差别较大.因此, 目前欧洲和日本正在开发生物拟合性较好的专门行 人假人.如本田公司开发的POLARII—DUMMY等. 利用实车与试验用行人假人进行碰撞的试验成本较 高,测试过程复杂,试验结果的重复性较低,且假人的 姿势及碰撞前假人相对于实车的位置等对碰撞结果 影响较大.因此,该方法目前多用于与计算机仿真进 行对比分析研究.不适用于对汽车与行人的碰撞安全 性进行全面评价. 1987年.欧共体所属的欧洲车辆安全委员会 EEVC(EuropeanEnhancedVehicle—safetyCommittee) 成立了工作组WG10.专门负责行人安全保护的研究 工作.该工作组于1994年提出了汽车与行人碰撞安 全性的部件冲击试验评价方法.该试验方法将行人划 分为头部(成人与儿童),大腿及骨盆,下肢等3个主 要部分.分别用其对整车或汽车前部与行人碰撞有关 的部件进行冲击试验.获取相应的性能参数并进行评 价,随后EEVC又成立了行人安全工作组WG17,继 续对WG10工作组所提出的部件冲击试验方法进行 分析研究.并于1998年12月提出了改进后的试验方 法.'目前该试验方法已经被世界许多国家所认可和采 用.其主要由如下三项试验组成.?腿部模块对保险 杠的冲击试验;?大腿模块对发动机罩前缘的冲击试 验;?头部模块(成人与儿童)对发动机罩上表面的冲 击试验. 按照EEVCWG17所制定的试验方法.在进行头 憔 部模块对发动机罩上表面的冲击试验时.须根据 包绕距离将发动机罩上表面划分为儿童头部测试 区f1000mm?WAD?1500mm1和成人头部测试区 f1500mm?WAD?2100mm)并分别采用一个 4.8?0.1kg和一个2.5?0.05kg的头部冲击器模 拟成人和儿童头部,成人头部以65~2o,儿童头部 以50+2~的冲击角度以及11.1?0.2m/s的冲击速 度对上述区域分别进行冲击试验.要求测得的相 应的头部损伤评价指标HIC值均小于1000. 由EEVCWG17提出的模块冲击试验评价方法 是目前较为成熟的试验方法之一.它在一定程度上能 够反映汽车与行人碰撞的安全性特点.但该试验方法 也存在一些缺陷.其中,头部模块试验法规采用固定 的冲击速度和冲击角度对各种车型前部的相关测试 区域进行试验.不能反映不同车型的前部结构特点对 行人产生的运动特性的影响.实际事故中,当行人与 不同外形结构的汽车发生碰撞时.行人头部对汽车发 动机罩或风窗玻璃的冲击速度,冲击位置和冲击角度 等受汽车前部结构影响很大.尤其是在我国等发展中 国家,平头微型车在市场上占有很大的比例,采用 EEVC提出的评价方法对其无法进行评价.因此,有 必要研究新的汽车与行人碰撞的试验评价方法,尤其 是对头部的损伤评价. 4仿真分析与讨论 由统计数据可知.人一车碰撞事故中有68%为汽 车与行人侧面发生碰撞.所以,这里的仿真讨论主要 针对这种情况.仿真中选取了具有代表性的一款普通 轿车和平头微型车作为原型在MADYMO中建立这 两种车型简化的多刚体模型.人一车模型中的行人则 采用瑞典查尔摩斯大学Yanget:al开发的多刚体行人 模型.该模型按欧洲50百分位人体尺寸建立,高 1.75m,重78,共由24个椭球组成.行人模型左臂 向前自然弯曲.右臂向后自然弯曲.右腿在前,左腿在 后.成自然行走状态.汽车由行人的右侧撞击行人,行 人与汽车的接触位置位于汽车纵向中心平面.图7和 图8分别为轿车和平头微型车的人一车碰撞模型. 2007.3.KECHEJISHU《客车技术》回 碱 图7轿车与行人碰撞模型 图8平头微型车与行人碰撞模型 根据美国国家高速公路安全管理局(NHTSA)的 一 项数据显示.76.2%的人一车碰撞事故发生在45km/h 的车速以下.因此.仿真中采用的碰撞车速为40km/h. 图9为MADYM0中行人与两种车型碰撞时的 运动特性仿真对比可以看出由于车体前部结构的显 着不同.行人在与两种车型碰撞时的运动特性也明显 具有不同特点 《客车技术》KECHEJISHU2007.3.回 图9行人与轿车及平头微型车碰撞时的运动特性对比 4.1行人头部与车体的碰撞速度 图10为行人模型在与两种不同车型碰撞时.头 部相当于汽车的时间一速度历程曲线可以看出碰撞 过程中行人模型的头部相对速度除了与碰撞时的车 速有关外.很大程度上还受到与之碰撞的车型的影 响.在与平头微型车碰撞时.当行人下肢与车体初始 碰撞后.头部相对速度逐渐增大.在31.5ms时刻便 达到峰值12.4s.并在58ms时刻以7.8m/s的速度 与前风窗发生碰撞.这一速度明显小于EEVC法规中 所规定的11.1nds的头部冲击器冲击速度而在与轿 车碰撞时.行人头部相对速度达到峰值14.5nds的时 刻为95Ins.并最终在124Ins时刻以10.2nds的速度 与前风窗发生碰撞.这一速度基本接近符合法规中所 规定的冲击器冲击速度.由于平头微型车的前部没有 发动机罩.其前围几乎与地面垂直.这就导致行人在 与之碰撞时.行人的身体并不像与轿车碰撞时那样会 向车体有较大的转动.所以行人头部的碰撞速度要比 其与平头微型车碰撞时高. ^ 靛 骀 J一可微型车 J,,l ^,, 二一,,帮;主,, 1 I -I ,I Il -l l?一 Ll, ,-一一一1,r ——一, 一 一 时间.ms 图10行人头部相对速度一时间历程曲线 4.2行人头部与车体的碰撞位置 根据如图9所示的行人与两种车型碰撞时的运 动特性来看.在事故过程中行人头部均与前风窗中上 部发生碰撞.而并非发动机罩.而对于平头微型车.行 人头部与其的碰撞位置已经接近前风窗的上边缘.而 这一区域是EEVC头部模块试验法规中所不包括的. 仿真中所采用的轿车原型为一款小排量的经济型车 型.具有紧凑的车身结构.因此其发动机罩前伸的距 离较短.这就导致在与中等身高的成人发生碰撞时. 行人头部不可避免的会与前风挡玻璃发生碰撞.对于 平头微型车.由于其前部结构的特点.当与成人相碰 时其头部必然会与前风窗发生碰撞.而且碰撞位置往 往靠近风窗上缘 4.3行人头部与车体的碰撞角度 EEVC头部模块试验法规中将冲击器的冲击方 向与水平参考面之间的夹角定义为冲击角度.如图 11所示.并相应的规定成人头部冲击器以65o?2o,儿 童头部冲击器以5Oo?2o的冲击角度冲击汽车前部相 应的试验区域.但由仿真结果来看.行人在与轿车相 碰时其头部与前风挡的碰撞角度为60~.基本与 EEVC中所规定的冲击角度一致.在与平头微型车相 碰时.由于其前风窗倾角大于一般轿车.因此头部与 风窗的碰撞角度仅为40~.显然这与法规中所规定的 成人头部冲击器的冲击角度差异较大. 5结论 :行人头部相对速度水平方向分量 :行人头部相对速度垂直方向分量 m:行人头部相对速度 a:行人头部碰撞角度 图11行人头部碰撞角度定义 通过仿真结果可以看出EEVC法规中的头部模 块试验法规是能够较为准确的反映一般轿车在人一车 碰撞事故中与行人相互作用的特性.而对于仿真中的 平头微型车.行人头部在与其发生碰撞时的碰撞速 度,碰撞位置以及碰撞角度都与法规存在较大的差 异.针对这种情况,建议采取以下改进措施.以使头部 模块试验法规能够更加真实全面的评价包括平头微 型车在内的一些特殊车型在事故中对于行人头部的 碰撞安全性.?建立较为完备的行人与汽车碰撞事故 分析数据库.包括发生碰撞的行人特点(身高,性别, 年龄等),行人与汽车的碰撞部位,碰撞时行人的状 态,行人各部位的损伤程度等.利用上述统计数据为 计算机仿真和试验确定初始参数.?采用计算机仿真 与试验相结合.应用计算机仿真技术,建立不同车型 的结构模型.根据事故统计分析.对行人与汽车发生 碰撞时的运动学特性进行仿真分析.并以此来进一步 指导试验.确定试验中的冲击速度,冲击位置以及冲 击角度 参考文献 1公安部交通管理局.中华人民共和国道路交通事故统计资料 汇编[R】.群众出版社,1995-2001 2EuropeanEnhancedVehicle—safetyCommittee(EEVC) WorkingGroup10report,ProposalsforMethodstoEvaluate PedestrianProtectionaffordedbyPassengerCars.1994 3EuropeanEnhancedVehicle—safetyCommittee(EEVC) WorkingGroup18report,ProposalsforMethodstoEvaluate PedestrianProtectionaffordedbyPassengerCars.1998 4JikuangYang,XuejunLiu.SpeedLimitCityAreaAnd ImprovementofVehicleFrontDesignforPedestrianImpact Protection—AComputerSimulationStudy 5JasonA.Stammen,RogerA.Saul,BrianKo.PedestrianHead ImpactTes妇gandPCDSReconstructions 6YoshiyukiMizuno.SummaryofIHRAPedestrianSafetyWG Activities(2003) 7MADYM0ModelManual,Version6.2.1,2004.12 8MatthiasKuehn,RobertFroeming,VolkerSehindler.An AdvancedTestingProcedureforthePedestrian-CarCollision 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