文章來源：煙臺(tái)大學(xué)

1前言

研究表明，非機(jī)動(dòng)車交通事故中，由電動(dòng)兩輪車造成的事故數(shù)量占比較大。根據(jù)中國交通事故深入研究（ChinaIn-DepthAccidentStudy，CIDAS）數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)，汽車-電動(dòng)兩輪車事故致死率為9.6%，汽車-自行車事故致死率為23.4%。因此，研究不同碰撞工況對(duì)騎乘人員損傷的影響具有重要意義。
近年來，針對(duì)兩輪車交通安全的分析引起了國內(nèi)外學(xué)者的重視。Maki等通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，自行車騎行者的頭部撞擊位置、腿部受傷類型及其原因與行人均不相同；Elliott利用多體行人模型，分析了車速、行人速度和步行步態(tài)對(duì)行人頭部運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響；Nie選取24個(gè)汽車-自行車事故案例，分析了頭部碰撞速度、頭部碰撞時(shí)間和碰撞角度對(duì)自行車騎行者頭部和下肢的影響；許駿、李松慶、蒲玲玲、孫曉玲等再現(xiàn)汽車-自行車碰撞事故，研究了不同的汽車車速、自行車車速對(duì)騎行者頭部損傷的影響；王興華等利用多剛體人體模型對(duì)典型汽車-自行車和汽車-摩托車事故進(jìn)行仿真，比較了2類事故中騎行者頭部及腿部動(dòng)態(tài)響應(yīng)的差異；錢宇彬、尹均等分析了碰撞速度、碰撞角度對(duì)電動(dòng)自行車騎行者動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響；Han、徐夢(mèng)雪、李東青探討了車輛碰撞速度、汽車前端結(jié)構(gòu)與騎行者頭部損傷的關(guān)系；王薛超、趙喜磊討論了汽車類型、汽車速度對(duì)騎車人碰撞響應(yīng)的影響。以上研究使用的模型多為多剛體人體模型，不能反映人體各器官內(nèi)在的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，亦無法深入研究人體組織層面的損傷機(jī)理。
本文建立了汽車-電動(dòng)兩輪車、汽車-自行車有限元碰撞模型，以調(diào)整姿勢(shì)后的THUMS人體模型作為騎行者，研究汽車速度、兩輪車速度及碰撞位置對(duì)騎行者損傷程度的影響，從而為降低損傷程度提供依據(jù)。

2有限元模型建立

本文使用的汽車模型為2012款豐田凱美瑞有限元模型，該模型通過了美國國家公路交通安全管理局的正面新車評(píng)估計(jì)劃（US-NCAP）測(cè)試，如圖1所示。

本文采用的電動(dòng)兩輪車為國內(nèi)某知名品牌的豪華款電動(dòng)兩輪車，采用懸吊法對(duì)所建模型進(jìn)行質(zhì)心對(duì)標(biāo)驗(yàn)證，利用Hyperworks建模后得到電動(dòng)兩輪車有限元模型質(zhì)心位置為(-202,-685,232)，實(shí)車模型質(zhì)心坐標(biāo)為(-195,-680,225)，兩者位置坐標(biāo)誤差在允許范圍內(nèi)，從而證明了該模型的有效性。

本文采用的自行車為國內(nèi)常見的一種自行車，通過實(shí)測(cè)獲得幾何尺寸與質(zhì)量，利用UG軟件建模后導(dǎo)入HyperMesh對(duì)其進(jìn)行精密的網(wǎng)格劃分，并依據(jù)實(shí)際情況賦予材料、屬性，設(shè)置接觸與速度。
本研究使用的人體有限元模型為豐田公司開發(fā)的THUMSAM50Version4.0版本，是當(dāng)前研究中應(yīng)用較多且成熟穩(wěn)定的版本。通過對(duì)THUMS原始模型進(jìn)行姿勢(shì)調(diào)整，得到騎行者人體有限元模型。
將汽車有限元模型、調(diào)整后的THUMS人體模型及電動(dòng)兩輪車、自行車組合在一起，構(gòu)成完整的碰撞模型，如圖2所示。

3事故重建

3.1事故信息
3.1.1電動(dòng)兩輪車事故信息
事故發(fā)生時(shí)，一轎車由南向北直行，與同向直行左轉(zhuǎn)、斜穿公路的一電動(dòng)兩輪車發(fā)生碰撞，事故過程如圖3所示。電動(dòng)車騎行者為男性，54歲，身高170cm，體重63kg。事故造成電動(dòng)兩輪車騎行者當(dāng)場(chǎng)死亡，轎車前風(fēng)窗玻璃和發(fā)動(dòng)機(jī)罩損壞，電動(dòng)兩輪車受損嚴(yán)重。

3.1.2自行車事故信息
事故發(fā)生時(shí)，轎車由西向東行駛，在路口碰撞到闖紅燈過馬路的自行車，事故過程如圖4所示。轎車駕駛員為男性，25歲，未受傷，自行車騎行者顱骨骨折、顱腦損傷，當(dāng)場(chǎng)死亡。

3.2事故重建結(jié)果
3.2.1電動(dòng)兩輪車事故
仿真過程中，THUMS模型的左小腿先與汽車的前保險(xiǎn)杠接觸，接著左側(cè)大腿開始與汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)罩接觸，隨后左側(cè)胸腹部與發(fā)動(dòng)機(jī)罩產(chǎn)生擠壓性接觸，然后左肘和左肩相繼與前風(fēng)窗玻璃撞擊接觸，造成風(fēng)窗玻璃局部塌陷，最后THUMS模型的頭部與前風(fēng)窗玻璃撞擊接觸，并在撞擊位置出現(xiàn)蜘蛛網(wǎng)狀裂痕。這與實(shí)際事故的結(jié)果基本相符，如圖5所示。仿真模型可用作進(jìn)一步分析。

3.2.2自行車事故
仿真中汽車前風(fēng)窗玻璃與發(fā)動(dòng)機(jī)罩變形情況與真實(shí)案例基本符合，如圖6所示，仿真模型可用作進(jìn)一步分析。

3.3仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)
基于CIDAS數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)可知，汽車與兩輪車發(fā)生碰撞事故時(shí)，汽車速度大多在(30,50]km/h范圍內(nèi)，電動(dòng)兩輪車的速度多在(15,20]km/h范圍內(nèi)，自行車的速度在(5,10]km/h范圍內(nèi)最多見。本文以轎車車速（30km/h、40km/h、50km/h）、兩輪車車速（5km/h、15km/h）為速度變量，以碰撞位置（兩輪車前部、兩輪車中部、兩輪車后部）為位置變量，利用有限元分析軟件Hyperworks和LS-DYNA，對(duì)THUMS人體模型進(jìn)行了16組碰撞仿真，比較不同碰撞條件下騎行人員的碰撞響應(yīng)及損傷情況。
當(dāng)碰撞位置為兩輪車中部時(shí)，以速度為變量，設(shè)計(jì)了12組試驗(yàn)，如表1所示；又以汽車車速40km/h、兩輪車車速5km/h為定量，以碰撞位置為變量設(shè)計(jì)了4組試驗(yàn)，如表2所示。


4仿真結(jié)果及分析

4.1汽車車速和兩輪車車速對(duì)騎行者損傷特性的影響
選取顱內(nèi)壓力、顱骨等效應(yīng)力、肋骨塑性應(yīng)變、頭部皮膚應(yīng)變、心臟壓力、碰撞側(cè)下肢脛骨等效應(yīng)力6個(gè)具有代表性的評(píng)價(jià)指標(biāo)為主要研究對(duì)象，分析碰撞位置一定時(shí)，汽車車速、兩輪車車速對(duì)騎行人員損傷特性的影響。以E40-5、B40-5兩組試驗(yàn)為例，各部位的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D如圖7、圖8所示。
匯總各組試驗(yàn)結(jié)果，繪制折線圖如圖9所示，其中vb、ve分別為自行車和電動(dòng)兩輪車的車速。由圖9可知：
a.對(duì)于頭部損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)：當(dāng)汽車車速≥40km/h時(shí)，自行車騎行者顱內(nèi)壓力大于電動(dòng)兩輪車騎行者顱內(nèi)壓力，且騎行人員顱內(nèi)壓力均超過235kPa，造成嚴(yán)重的顱腦損傷[17]；自行車騎行者的頭部皮膚塑性應(yīng)變均大于電動(dòng)兩輪車騎行者頭部皮膚塑性應(yīng)變；仿真中，顱骨等效應(yīng)力均未超過損傷極限10.09MPa,且由于E30-5、E50-5組頭部碰撞點(diǎn)落在了窗風(fēng)玻璃邊緣處，導(dǎo)致騎行者顱骨等效應(yīng)力較大。





b.對(duì)于胸部評(píng)價(jià)指標(biāo)：當(dāng)汽車車速達(dá)到50km/h時(shí)，自行車騎行者肋骨塑性應(yīng)變較電動(dòng)兩輪車騎行者大，且兩者隨汽車車速增大均有增大的趨勢(shì)；當(dāng)兩輪車車速達(dá)到15km/h時(shí)，肋骨塑性應(yīng)變超過3%，極可能造成肋骨骨折；當(dāng)汽車車速達(dá)到50km/h時(shí)，心臟壓力均會(huì)超過170MPa的損傷極限。
c.對(duì)于下肢骨骼評(píng)價(jià)指標(biāo)：仿真中的脛骨等效應(yīng)力均大于120MPa，均有骨折的風(fēng)險(xiǎn)，且自行車騎行者碰撞側(cè)脛骨等效應(yīng)力均大于電動(dòng)兩輪車騎行者碰撞側(cè)
脛骨等效應(yīng)力，這是由于汽車與電動(dòng)兩輪車碰撞時(shí)，汽車前保險(xiǎn)杠首先與電動(dòng)兩輪車發(fā)生碰撞，電動(dòng)兩輪車可起到緩沖作用。
4.2碰撞位置對(duì)騎行者損傷特性的影響
以碰撞位置為變量，獲得的各部位傷害值匯總結(jié)果如表3所示。



由表3可知，碰撞位置對(duì)自行車騎行人員的人體損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)影響不大。試驗(yàn)編號(hào)為E40-5-f的電動(dòng)兩輪車的顱內(nèi)壓力、顱骨等效應(yīng)力明顯比E40-5和E40-5-r數(shù)值高。原因在于：編號(hào)為E40-5-f的仿真中，騎行人員頭部與汽車A柱碰撞，造成應(yīng)力集中，顱腦損傷較嚴(yán)重。因此，可以考慮在A柱附近設(shè)置安全氣囊。

5結(jié)束語

本文利用有限元分析軟件Hyperworks和LS-DYNA，研究不同碰撞條件下電動(dòng)兩輪車和自行車的損傷差異，通過對(duì)THUMS人體模型進(jìn)行16組仿真分析，得到以下結(jié)論：
a.整體來看，碰撞位置一定時(shí)，汽車車速對(duì)騎行者的損傷影響較大；速度一定時(shí)，碰撞位置對(duì)騎行者造成的損傷影響較小。因此，在事故高發(fā)路段有必要對(duì)汽車車速進(jìn)行限制。
b.自行車碰撞時(shí)，其座椅相對(duì)位置更高，吸能能力較小，自行車騎行者傷害值較電動(dòng)兩輪車大。因此，在A柱、發(fā)動(dòng)機(jī)罩邊緣等易造成應(yīng)力集中的部位，可考慮安裝安全氣囊以提高對(duì)騎行者的保護(hù)。
c.隨著汽車車速增加，騎行者頭部在汽車縱向上的碰撞位置逐漸提高；隨著兩輪車車速增加，騎行人員在汽車橫向上的偏移距離增大，且反映人體損傷特性的6項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均與車速呈明顯的正相關(guān)。