电动自行车与轿车碰撞中骑车人的伤害特征
高继东, 曾必强, 彭伟
中国汽车技术研究中心 汽车工程研究院,天津 300300
曾必强(1982-),男,高级工程师,博士.研究方向:车辆被动安全及人员保护.E-mail:zbiq82@126.com

作者简介:高继东(1976-),男,高级工程师,博士.研究方向:汽车性能集成技术.

摘要

根据电动自行车与轿车碰撞事故调查结果,对骑车人碰撞伤害特点和伤害原因进行了研究。在仿真计算中选用THUMS生物力学假人代表骑车人,并与真实交通事故数据进行对比,证实了本文方法的可靠性。通过对电动自行车与轿车碰撞中骑车人伤害情况的仿真分析可知,电动自行车与轿车碰撞中骑车人下肢发生严重伤害的概率远大于其他部位,在新车开发中优化发动机罩前缘的造型和结构设计能够降低骑车人下肢的伤害概率。本研究结果可为车辆安全法规制定和新车安全性能开发提供参考。

关键词: 车辆工程; 骑车人损伤; THUMS生物力学假人; 电动自行车-轿车碰撞
中图分类号:U461.91 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2016)06-1786-06
Cyclist injury in collision between car and electric bicycle
GAO Ji-dong, ZENG Bi-qiang, PENG Wei
Automotive Engineering Research Institute,China Automotive Technology & Research Center, Tianjin 300300, China
Abstract

Based on the data of collision accident between car and electric bicycle obtained by CIDAS, the cyclist injury mechanism and the causes are studied. The THUMS biomechanical dummy is used to represent the cyclist in the accident. Comparison of the simulation results with real accident data shows that the method is reliable. Analysis suggests that the probability of serious leg injury is higher than other body part injury in the collision accident. The structure of the frontier of the engine cabin is the key parts to reduce the leg injury. The simulation results can provide valuable reference for designing safety regulation and new car development.

Key words: vehicle engineering; cyclist injury; THUMS biomechanical dummy; car-electric bicycle accident
0 引 言

国内外针对自行车与汽车碰撞的交通事故研究较多, 典型的有Peng[1]、聂进等[2]根据有限个交通事故案例对其进行了事故重建研究, 得出了事故伤害分布; 韩勇等[3]对事故中较容易受伤的人体下肢进行了有限元建模研究, 获得了人体下肢受力的关键力学参数。

中国电动自行车在自行车中所占的比例越来越高, 且电动自行车质量大于普通自行车, 其碰撞造成的伤害更大。结合中国实际, 有必要对电动自行车与轿车碰撞事故伤害机理进行深入研究。

本文将我国自行车与汽车碰撞交通事故案例和自行车骑车碰撞有限元仿真技术相结合, 验证了公共生物力学假人模型对自行车碰撞事故仿真的可靠性, 同时研究了自行车汽车碰撞事故中骑车人的伤害特征和致伤原因。为继续深入骑车人碰撞事故研究和完善车辆碰撞安全法规、对轿车进行安全性能优化设计奠定了基础。

1 骑车人伤亡特征模型
1.1 仿真模型

为了深入研究事故中两轮车骑车人的伤亡特征, 选用50百分位THUMS生物力学人体有限元模型, 并根据轿车、电动自行车模型搭建车辆有限元模型(见图1)。其中电动自行车和轿车CAE模型按实车CAD数模搭建, 并赋予其真实的材料力学属性。

图1 有限元模型Fig.1 Finite element model

1.2 研究方案

由中国交通事故深度调查研究CIDAS事故调查结果可知, 在6个典型城市或路线调查所得的一千多起交通事故中, 轿车与两轮车碰撞事故占CIDAS轿车事故样本总数的58.8%, 事故造成89人死亡, 占死亡总数的35.0%; 602人受伤, 占受伤总数的57.1%。在轿车与两轮车碰撞事故中, 电动自行车和摩托车事故占89.3%, 其余10.7%是普通自行车事故。统计此类事故中轿车碰撞速度得出, [30, 40] km/h速度区间事故比例最高, 占22.2%; 其中超过半数的事故车辆碰撞速度在40 km/h以下。轿车速度为40 km/h正面垂直碰撞自行车侧面在电动自行车与汽车碰撞工况中有较强的代表性。

本文首先使用假人、自行车和轿车模型对某例典型事故进行仿真。将仿真结果中假人伤害情况与事故人员伤害情况进行对比, 以验证仿真模型和算法的有效性。然后根据速度为40 km/h轿车前端碰撞自行车侧面工况, 研究碰撞过程中骑车人各部位伤害情况, 得出电动自行车与轿车碰撞中骑车人伤害特征。最后根据仿真结果对导致骑车人伤害的轿车结构特征进行分析。

2 典型事故仿真

在CIDAS事故数据库中选取碰撞条件和人员伤害情况较为清楚的某典型二轮车碰撞事故, 事故场景如图2所示。

图2 交通事故场景Fig.2 A traffic accident scene graph

图2中, 某电动自行车以约10 km/h速度由东向西行驶, 别克轿车车速约为60 km/h由北向南行驶。骑车人男性身高180 cm, 体重70 kg。在某道路十字路口电动自行车与轿车左前角发生了碰撞。事故后经医院检查结果(见图3)可知, 在碰撞中骑电动自行车行人主要受到伤害为脑震荡、小腿骨折、全身多发性软组织挫伤。

图3 事故现场及人员伤害病历Fig.3 Accident scene and injury aegrotat

所选用的50百分位THUMS假人身高为175 cm, 体重为77 kg, 其基本情况与该事故中骑车人类似。根据事故工况中的碰撞速度和碰撞角度设置仿真模型参数和加载边界。从仿真计算结果可得THUMS假人(骑车人)在碰撞中下肢应力云图如图4所示。

图4 下肢应力云图Fig.4 Stress distribution of lower extremities

图4可知在碰撞过程中骑车人下肢最大应力为214 MPa。根据Burstein等[4]于1976年对不同年龄段的人体股骨和胫骨标本的强度分析结果可知:股骨的屈服强度为104~120 MPa, 胫骨的屈服应力为120~140 MPa。通过图4可以判断:骑车人小腿的腓骨、胫骨受到较大的应力, 最大数值超出了耐受极限, 因此小腿发生骨折, 这与医院的诊断结果相符合。

从仿真结果还可得THUMS假人(骑车人)颅内应力云图, 如图5所示。

图5 颅内应力云图Fig.5 Stress distribution of encephalic

图5可见, 骑车人大脑所受最大应力为16.36 kPa。根据Willinger等[5]于2000年对碰撞事故中头部伤害情况与仿真计算的对比结果可知:当颅内等效应力达到15~20 kPa时, 会导致脑震荡; 当颅内等效应力达到38 kPa时, 会导致颅脑重伤。由图5可以推断骑车人头部受到脑震荡伤害, 这与医院对行人的诊断结果相符合。

3 骑车人伤害特征及伤害原因

根据CIDAS事故调查中两轮车与轿车碰撞交通事故统计结果, 选取轿车以40 km/h速度正面垂直碰撞电动自行车及骑车人事故工况进行仿真, 骑车人碰撞运动姿态如图6所示。

图6 电动自行车与轿车碰撞过程图Fig.6 Procedure chart of the accident simulation

图6表明, 在汽车与电动自行车碰撞过程中, 骑车人首先小腿与轿车保险杠接触, 紧接着大腿接触到汽车发动机罩, 骨盆随之坐到发动机罩前端表面, 随后身体上半身倾倒、转身并与车体接触, 接着被撞飞。

从骑车人运动过程可知, 其受力传递过程依次为小腿、大腿、骨盆、躯干。其中骨盆位置碰撞是人体倒向轿车与被撞飞的转折点。

3.1 腿部伤害

小腿由腓骨和胫骨组成。图7为在碰撞过程中小腿胫骨和腓骨的应力云图以及在前50 ms小腿受力云图的变化。

图7 小腿骨应力云图Fig.7 Stress distribution of hind shank bone

由小腿骨骼应力云图变化可以清楚发现:假人右侧腓骨首先受力, 随着骑车人继续倒向轿车, 骑车人右侧小腿骨应力不断增大, 约在碰撞后30 ms达到最大值。在碰撞的同时左侧小腿骨受力也逐渐增大, 约在碰撞发生40 ms时其应力值达到最大。左、右小腿骨骼最大应力出现的时间差与左、右小腿与轿车前端直接接触的时间差基本吻合。在碰撞过程中, 右侧小腿骨最大应力约为200 MPa, 左侧小腿骨最大应力约为180 MPa, 根据Burstein等[4]研究所得小腿骨折判定准则可知, 该骑车人左、右小腿均已经达到骨折条件。

股骨是大腿的长骨。靠近躯干一段与骨盆相连接, 远离躯干部分与膝盖连接。图8为股骨应力水平随时间变化云图。

图8 大腿股骨应力云图Fig.8 Stress distribution of femur

图8可以发现, 最大股骨应力主要集中在碰撞侧右腿股骨处。由于左大腿与轿车前端未发生直接碰撞, 所以侧股骨部分应力较小。碰撞过程中股骨的应力随着骑车人大腿被挤压程度的增大而增大, 在碰撞后约40 ms达到最大值。右腿股骨最大应力值(150 MPa)小于小腿的最大应力值(205.8 MPa), 表明右大腿股骨受到的伤害小于小腿。根据Burstein等[4]研究所得大腿骨折判定准则可知, 该骑车人碰撞侧股骨骨折概率也较高。

大腿和小腿靠膝关节连接。在膝关节两侧分别有两韧带将腓骨、胫骨与股骨相连接。在该仿真碰撞中由于假人转身、小腿反向运动以及电动自行车对假人的干扰等原因, 在碰撞80 ms时刻假人膝关节部位变形如图9所示。

图9 下肢主应力云图Fig.9 Stress distribution of lower extremities

在80 ms时, 碰撞侧大腿股骨和小腿胫骨膝关节侧向变形约26° , 两侧韧带被严重拉伸和压缩, 韧带最大主应力达96.8 MPa。根据1997年Kajzer等[5]进行的尸体试验和2011年韩勇等[3]对该试验进行的相关有限元仿真分析结果可知:该韧带拉伸应力和膝盖侧向变形均满足韧带断裂条件, 所以在该碰撞中膝关节韧带发生断裂或严重伤害的概率较大。

由骑车人与碰撞车辆之间位置关系及碰撞响应分析可知, 由于骑车人下肢与车辆第一接触点碰撞位置较高, 在发生碰撞时, 小腿上方至膝关节位置受到来自车头前方发动机罩锁及其发动机舱前方横梁的冲击(见图10), 导致腿部的弯曲变形, 也导致了腓骨和股骨变形或骨折。如果在车辆设计中对这部分进行可变形设计则能起到较好的对骑车人的保护效果。

图10 骑车人与轿车第一接触位置示意图Fig.10 First contact position of cyclist and car

3.2 骨盆伤害

骨盆由两块髋骨、骶骨和尾骨组成的。骨盆连接着下肢和脊椎, 从力学角度看骨盆是把躯干重量传递到地面的唯一路径。

图11 盆骨主应力云图Fig.11 Stress distribution of pelvis

图11可知:从假人与轿车接触到脱离整个过程中接触骨盆都受力, 其持续时间相对较长。但从图11可以看到, 骨盆受到最大应力仅为4.057 MPa, 并且从云图颜色可以看出骨盆在大部分时间受到的应力都小于1 MPa, 可以认为在碰撞过程中盆骨受到伤害的可能较小。

3.3 胸部伤害

胸腹部的伤害往往伴随着肋骨和椎骨的骨折发生, 根据仿真结果可得胸部骨骼主应力云图如图12所示。

图12 胸部骨骼主应力云图Fig.12 Stress distribution of chest bone

图12可见, 在骑车人上半身与轿车发动机罩发生接触过程中胸部骨骼主应力较大, 最大值为43.73 MPa。由云图颜色的变化可以看到:在上半身尚未与车身发生接触之前, 主要是脊椎受上肢传递的力; 在上半身与车身发生接触后, 首先是人体右侧胸部受到挤压, 随着运动的继续, 肋骨前方受到内脏的挤压。对比文献[6]中应力云图可见, 骑车人上半身更多情况下将会受到软组织损伤, 而没有骨折的风险。

3.4 头部伤害

颅脑主要有3种损伤机理:集中压缩力(压缩应力)、颅内的粘性载荷(拉伸应力)、大脑惯性载荷(剪切应力)[7]。为了便于对头部伤害情况进行评价, 以上头部伤害机理评价指标被具体化为脑部von-Misses应力、颅内压力等[8]。根据仿真计算结果可得骑车人颅内主应力和压力分布如图13所示。

图13 颅内主应力和压力分布云图Fig.13 Stress and pressure distribution of encephalic

图13可以看出, 骑车人颅内最大等效应力为15.68 kPa, 根据Willinger等的研究结论[9]可知, 骑车人头部会受到轻度脑震荡。由图13还可以看出骑车人颅内受到最大压力为125 kPa, 根据Ward等的研究结论[10]可知, 该骑车人头部受轻伤。

4 结论

(1)使用THUMS假人可以较为真实地模拟电动自行车与轿车碰撞过程中骑车人的伤害情况。

(2)在电动自行车与轿车碰撞事故中, 骑车人下肢伤害较为严重。其中小腿骨折和膝关节韧带严重伤害较为常见, 在某些情况下大腿也有发生骨折的风险。

(3)电动自行车与轿车碰撞中造成骑车人下肢伤害的主要根源在于汽车发动机罩前缘及前端相关结构设计不利于保护骑车人, 如果能弱化发罩前端及车头前方上部结构能够有利于保护骑车人。

(4)在电动自行车与轿车碰撞事故中, 骑车人盆骨伤害风险较小, 上半身所受伤害也多为软组织伤害, 骨折风险较小。在碰撞事故中, 如果骑车人头部碰撞位置位于风挡玻璃, 则主要伤害为轻微脑震荡; 头部碰撞位置位于风挡玻璃边梁等较坚硬结构, 头部不排除发生重伤的可能。

(5)骑车人下肢是碰撞中最易受到重伤的部位。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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