騎行姿態(tài)對自行車與乘用車碰撞事故中的騎車人股骨損傷的影響

摘 要：基于一例自行車與乘用車碰撞的交通事故，在MADYMO軟件中建立仿真模型，并在此基礎(chǔ)上研究碰撞車速、自行車曲柄長度和踏板相位對騎車人股骨損傷的影響。研究發(fā)現(xiàn)，車輛碰撞速度越大，騎車人股骨損傷越嚴(yán)重。曲柄長度和相位通過影響騎行人姿態(tài)影響股骨的損傷程度，曲柄越長、姿態(tài)越伸展，傷情越嚴(yán)重。

關(guān)鍵詞：自行車事故 騎行姿態(tài) 事故重建 股骨損傷 MADYMO

我國是全球最大的自行車生產(chǎn)和出口國，目前自行車社會保有量超過2億輛[1]。2020年我國自行車、電動自行車、租賃自行車、共享單車總計發(fā)生交通事故24890起，傷亡比例達(dá)到1.27人/起[2]。

汽車與自行車的碰撞事故已經(jīng)被學(xué)者廣泛關(guān)注。鄒鐵方[3]通過物理實驗和模擬仿真研究發(fā)現(xiàn)座高與騎車人頭部損傷顯著相關(guān)。吳良偉[4]對184例自行車事故視頻進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到了自行車事故特征。鄒鐵方[5]通過事故重建對比了自行車事故和行人事故的損傷風(fēng)險和損傷來源對比。胡林[6]通過PC-Crash軟件仿真研究發(fā)現(xiàn)騎車人頭部損傷風(fēng)險和下肢骨折風(fēng)險與自行車座高具有相關(guān)性。聶進(jìn)[7]基于事故重建研究了騎車人動力學(xué)響應(yīng)和騎車人身體各部位損傷分布和頭部損傷與下肢骨折風(fēng)險。

當(dāng)前已有的研究中暫未有考慮到自行車曲柄長度和曲柄相位導(dǎo)致的騎車人姿態(tài)在碰撞事故中的影響。本文基于一個真實的自行車與乘用車碰撞的交通事故案例，在多剛體動力學(xué)軟件MADYMO中建立自行車-汽車碰撞仿真試驗?zāi)Ｐ?，分析自行車曲柄長度和相位對騎車人股骨損傷的影響。

1 模型建立及驗證

1.1 事故案例描述

選取1例典型汽車-自行車碰撞事故，如圖1所示，一名56歲男性駕駛自行車闖紅燈經(jīng)過十字路口，其右側(cè)與右方行駛來的乘用車發(fā)生碰撞，導(dǎo)致車輛損壞和騎車人受傷。事發(fā)時路面是干燥的瀝青路面，汽車在碰撞前采取制動措施，而自行車未減速。

1.2 模型建立與驗證

建立該事故的車輛和自行車碰撞的MADYMO模型如圖2所示。

人-車-自行車-地面的摩擦系數(shù)參考胡林[6]的研究；車輛各接觸部位根據(jù) Martinez[8]和Rooij[9]等的試驗所得數(shù)據(jù)賦予力學(xué)特性。建立自行車的多剛體幾何模型，根據(jù)事故騎車人的參數(shù)，縮放經(jīng)驗證過的CPM模型，并將其調(diào)整到騎行姿態(tài)[10]。表1-表3展示了該事故中乘用車、自行車和騎車人的相關(guān)參數(shù)。

以事故視頻為參考對事故進(jìn)行重建。重建后得到的車輛速度為41.6km/h，自行車車速為16km/h，碰撞后的自行車和騎車人拋距對比如表4。碰撞中的運動學(xué)對比如圖3所示。對比圖表可知，重建仿真的騎車人和車輛運動學(xué)過程與真實事故中的運動過程具有良好的一致性。

騎車人的傷情報告顯示，以簡明損傷定級對頭部最大損傷程度評估為AIS 3級。仿真結(jié)果顯示頭部HIC15值為1072.4。重建仿真的騎車人頭部損傷與真實傷情吻合。

該仿真重建在運動學(xué)和人員傷情對比中均表現(xiàn)出與真實事故的一致性，可以認(rèn)為該仿真試驗?zāi)Ｐ陀行А?/p>

2 碰撞仿真試驗

通過設(shè)置不同的車速、不同的自行車曲柄長度和曲柄相位，進(jìn)行仿真模擬，以騎車人股骨彎矩為觀測值探究其姿態(tài)對股骨損傷的影響。本研究消除了騎車人與地面的碰撞對結(jié)果造成影響。

2.1 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)自行車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T1885-93《自行車 鏈輪和曲柄》中規(guī)定的自行車曲柄長度規(guī)格（表5）建立不同長度曲柄的自行車模型。本研究中汽車車速選取為10km/h、20km/h、30km/h、40km/h，自行車車速為10km/h。

本研究借鑒儲開晴[11]對自行車運動的踏蹬動作區(qū)間分割法方法，將踏蹬動作分為相位0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°，如圖5所示。

建立的試驗仿真矩陣如表6所示。

2.2 損傷評價指標(biāo)

本文對騎車人股骨損傷進(jìn)行探究，選取評價指標(biāo)為股骨彎矩，股骨骨折的彎矩約為320 Nm[12]。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 汽車碰撞速度的影響

在探究汽車碰撞速度對騎車人股骨損傷的影響的時候，取各汽車速度下的仿真試驗結(jié)果的平均值作為觀測，即不考慮曲柄長度和相位。

圖5為股骨彎矩-車速變化趨勢圖，可以看出，隨著車輛速度的增加，騎車人碰撞側(cè)和非碰撞側(cè)的股骨彎矩均增大，速度對碰撞側(cè)的影響顯著程度高于非碰撞側(cè)；碰撞側(cè)的股骨損傷嚴(yán)重程度高于非碰撞側(cè)；在車速為約26km/h時碰撞側(cè)股骨達(dá)到骨折容限，車速約為32km/h時非碰撞側(cè)股骨達(dá)到骨折容限。

產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因是碰撞側(cè)的股骨受到來自車輛前部的直接碰撞沖擊載荷和自行車慣性限制下肢運動的綜合作用，而非碰撞側(cè)則只受到碰撞側(cè)下肢的沖擊，如圖6所示。

3.2 自行車曲柄長度的影響

在探究自行車曲柄長度對騎車人股骨損傷的影響的時候，取仿真試驗結(jié)果的平均值作為觀測，即不考慮曲柄相位。

圖7、圖8為股骨彎矩-曲柄長度變化趨勢圖。由圖可知，隨著曲柄長度的增加，兩側(cè)的股骨彎矩均呈現(xiàn)上升趨勢，原因推測是曲柄越長，碰撞點以下的下肢質(zhì)量就越大，改變其運動狀態(tài)所需彎矩越大。

3.3 自行車曲柄相位的影響

在探究自行車曲柄相位對騎車人股骨損傷的影響的時候，取仿真試驗結(jié)果的平均值作為觀測，即不考慮曲柄長度。

圖9、圖10為股骨彎矩-曲柄相位變化趨勢圖。由圖可知，碰撞側(cè)股骨彎矩在135°-225°相位階段明顯高于其他相位，原因是在此相位階段之前，碰撞側(cè)股骨逐漸伸展，在此相位階段之后碰撞側(cè)下肢逐漸卷曲；非碰撞側(cè)股骨彎矩在315°-45°相位階段明顯高于其他相位，原因是在此相位階段之前，碰撞側(cè)股骨逐漸伸展，在此相位階段之后碰撞側(cè)下肢逐漸卷曲。

4 結(jié)論

在自行車側(cè)面與汽車正面的碰撞的模擬中，車輛速度越大，騎車人股骨損傷越嚴(yán)重。曲柄長度和相位通過影響騎行人姿態(tài)影響股骨損傷嚴(yán)重程度，基本規(guī)律是騎車人在越長的曲柄、下肢越伸展的相位時，股骨損傷越嚴(yán)重。

本研究可以為自行車騎車人受到碰撞時提供騎行應(yīng)急姿態(tài)指導(dǎo)，也可以為未來基于真實車輛和假人的自行車騎車人碰撞試驗的騎車人姿態(tài)提供參考。

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