基于汽車(chē)-自行車(chē)碰撞事故重建的騎車(chē)人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和損傷研究*

聶 進(jìn)，楊濟(jì)匡

(1.湖南大學(xué)，汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082；2.婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院，婁底 417000；3.查爾摩斯理工大學(xué)應(yīng)用力學(xué)系,瑞典 41296)

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2015029

基于汽車(chē)-自行車(chē)碰撞事故重建的騎車(chē)人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和損傷研究*

聶 進(jìn)1,2，楊濟(jì)匡1,3

(1.湖南大學(xué)，汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082；2.婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院，婁底 417000；3.查爾摩斯理工大學(xué)應(yīng)用力學(xué)系,瑞典 41296)

首先從深入調(diào)查的交通事故數(shù)據(jù)庫(kù)中挑選出與轎車(chē)碰撞的自行車(chē)事故案例24例，運(yùn)用轎車(chē)-自行車(chē)/騎車(chē)人碰撞的多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了事故重建。然后在此基礎(chǔ)上分析了典型碰撞形態(tài)下自行車(chē)騎車(chē)人的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程和騎車(chē)人頭部碰撞條件(如頭部碰撞速度、碰撞時(shí)間和碰撞角度)與車(chē)輛碰撞速度的關(guān)系，并進(jìn)一步研究了騎車(chē)人身體各部位損傷分布和頭部損傷與下肢骨折風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明：自行車(chē)騎車(chē)人頭部繞轉(zhuǎn)距離(WAD)、碰撞速度、碰撞時(shí)間、碰撞角度和騎車(chē)人的拋出距離與車(chē)輛碰撞速度之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性；車(chē)輛碰撞速度和拋出距離對(duì)騎車(chē)人損傷有明顯影響；騎車(chē)人頭部AIS 2+、AIS 3+損傷風(fēng)險(xiǎn)和下肢骨折風(fēng)險(xiǎn)與車(chē)輛碰撞速度顯著相關(guān)。

事故重建；自行車(chē)騎車(chē)人；動(dòng)力學(xué)響應(yīng)；損傷

前言

我國(guó)擁有自行車(chē)數(shù)量超過(guò)4億，是世界上擁有自行車(chē)最多的國(guó)家，每天大約有600萬(wàn)人選擇自行車(chē)作為日常交通方式出行[1]。與行人一樣作為易受傷害的道路使用者，自行車(chē)騎車(chē)人在與車(chē)輛的碰撞中很容易遭受?chē)?yán)重?fù)p傷[2]。據(jù)我國(guó)公安部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：2004-2010年，我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)-自行車(chē)交通事故導(dǎo)致約5.7萬(wàn)自行車(chē)騎車(chē)人死亡，超過(guò)250萬(wàn)人受傷，分別占道路交通事故總死亡和受傷人數(shù)的9.8%和8.6%[3]。我國(guó)的自行車(chē)騎車(chē)人的死亡和受傷人數(shù)僅次于行人，成為第二大易受傷害的道路使用者群體。因此，基于深入事故調(diào)查的機(jī)動(dòng)車(chē)-自行車(chē)事故數(shù)據(jù)，研究自行車(chē)騎車(chē)人在碰撞中動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和損傷機(jī)理，以減少交通事故中自行車(chē)騎車(chē)人死亡人數(shù)和受傷程度在我國(guó)具有特別重要意義。

國(guó)外基于真實(shí)的機(jī)動(dòng)車(chē)-自行車(chē)事故，針對(duì)自行車(chē)騎車(chē)人的安全已做過(guò)大量的相關(guān)研究。文獻(xiàn)[4]中通過(guò)對(duì)德國(guó)深入事故研究(GIDAS)數(shù)據(jù)庫(kù)中機(jī)動(dòng)車(chē)-自行車(chē)事故分析得出發(fā)現(xiàn)車(chē)輛碰撞速度對(duì)自行車(chē)騎車(chē)人的損傷嚴(yán)重性有很大影響。文獻(xiàn)[5]中基于對(duì)瑞典哥德堡自行車(chē)事故的研究結(jié)果指出，斜碰撞是機(jī)動(dòng)車(chē)-自行車(chē)事故中最常見(jiàn)的碰撞類型。文獻(xiàn)[6]中的研究表明，頭部是自行車(chē)騎車(chē)人最容易受傷的部位。文獻(xiàn)[7]中的研究則著重于汽車(chē)-自行車(chē)事故和汽車(chē)-行人事故的對(duì)比分析。

近年來(lái)，盡管我國(guó)針對(duì)自行車(chē)騎車(chē)人安全的研究也日益增多[1,8-9]，但很少有研究基于深入調(diào)查機(jī)動(dòng)車(chē)-自行車(chē)事故中對(duì)自行車(chē)騎車(chē)人的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)及損傷嚴(yán)重性分析。并且，由于我國(guó)混合交通的道路環(huán)境、自行車(chē)尺寸及機(jī)動(dòng)車(chē)前部結(jié)構(gòu)與其他國(guó)家的差異等因素，其他國(guó)家的研究成果并不完全適合我國(guó)的實(shí)際情況。

本文中根據(jù)長(zhǎng)沙地區(qū)通過(guò)深入調(diào)查采集的24例轎車(chē)-自行車(chē)事故，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行事故重建。基于重建結(jié)果，分析典型的碰撞形態(tài)下自行車(chē)騎車(chē)人的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，以及騎車(chē)人損傷與車(chē)輛碰撞速度的關(guān)系。

1 方法和材料

1.1 深入的事故調(diào)查

本文中所有自行車(chē)事故案例均選自長(zhǎng)沙深入調(diào)查交通事故數(shù)據(jù)庫(kù)(IVAC)。2006年，湖南大學(xué)與當(dāng)?shù)亟痪块T(mén)和醫(yī)院合作，成立了車(chē)輛交通事故調(diào)查小組，在長(zhǎng)沙市開(kāi)展了深入的交通事故調(diào)查活動(dòng)。當(dāng)接到事故報(bào)警，調(diào)查小組的研究人員便與交警一起赴事故現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，采集方式包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、拍照和詢問(wèn)事故當(dāng)事人與目擊者，并通過(guò)事故回勘和當(dāng)事人回訪進(jìn)一步采集詳細(xì)的事故信息。與事故重建相關(guān)的事故信息主要涉及事故發(fā)生的3個(gè)階段，如表1所示。IVAC數(shù)據(jù)庫(kù)中深入調(diào)查的行人事故數(shù)據(jù)，已被用于行人顱腦損傷和行人傷亡風(fēng)險(xiǎn)的研究中[10-11]。

表1 重建事故數(shù)據(jù)概括

本文中從IVAC數(shù)據(jù)庫(kù)中選取24起真實(shí)轎車(chē)-自行車(chē)事故案例進(jìn)行了事故重建，事故具體數(shù)據(jù)如表2所示。取樣標(biāo)準(zhǔn)：(1)事故時(shí)間為2004-2011年；(2)事故車(chē)輛為轎車(chē)；(3)自行車(chē)騎車(chē)人年齡大于14歲，身高大于150cm；(4)騎車(chē)人損傷類型為AIS 1+；(5)轎車(chē)碰撞速度大于20km/h；(6)騎車(chē)人沒(méi)有配戴頭盔。

1.2 事故重建

1.2.1 重建模型

本文中自行車(chē)騎車(chē)人模型采用由瑞典查爾摩斯大學(xué)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證的多體動(dòng)力學(xué)人體模型[12-13]。該模型已被廣泛用于在事故重建中模擬行人和自行車(chē)騎車(chē)人[8,10]。事故重建中的自行車(chē)騎車(chē)人模型是根據(jù)騎車(chē)人真實(shí)的身高和體質(zhì)量調(diào)用MADYMO中的GEBOD模塊縮放得到(圖1)。自行車(chē)騎車(chē)人真實(shí)身高和體質(zhì)量見(jiàn)表2。

自行車(chē)和車(chē)輛模型根據(jù)事故中車(chē)輛的具體結(jié)構(gòu)和幾何尺寸在MADYMO中用橢球模擬建立。車(chē)輛前部結(jié)構(gòu)各部分的機(jī)械特性分別根據(jù)Euro-NCAP相似車(chē)型的碰撞試驗(yàn)結(jié)果定義[14]。自行車(chē)各個(gè)部件的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)由轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈模擬，各部件機(jī)械特性從碰撞測(cè)試得到[15-16]。圖2為一起轎車(chē)-自行車(chē)騎車(chē)人事故的碰撞模型。

表2 事故數(shù)據(jù)

注：WAD為頭部繞轉(zhuǎn)距離；Hcyclist為騎車(chē)人坐高。

1.2.2 重建方法和參數(shù)定義

采用因子設(shè)計(jì)方法，對(duì)汽車(chē)和自行車(chē)速度以及兩者碰撞前的相對(duì)位置等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將仿真與真實(shí)事故的WAD、行人拋出距離或車(chē)輛、行人最終位置的誤差作為優(yōu)化函數(shù)，通過(guò)一組全因子試驗(yàn)獲得最優(yōu)的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果與真實(shí)事故數(shù)據(jù)誤差在20%范圍之內(nèi)，認(rèn)為仿真結(jié)果可以接受。

汽車(chē)和自行車(chē)的碰撞速度、兩者的相對(duì)位置和騎車(chē)人姿態(tài)是根據(jù)深入的事故調(diào)查記錄相關(guān)事故信息進(jìn)行估算，并在各自估算值的基礎(chǔ)上確定輸入?yún)?shù)的因子范圍。如車(chē)輛碰撞速度的輸入基值可根據(jù)記錄的制動(dòng)距離，按照式(1)進(jìn)行估算[17]，因子范圍為估算值±5km/h。

(1)

式中：μ為路面摩擦因數(shù)；L為制動(dòng)距離；θ為路面坡度角；計(jì)算速度的單位為km/h。

不同接觸面的摩擦因數(shù)的定義如表3所示。具體數(shù)值根據(jù)接觸面的實(shí)際情況(干燥、濕滑等)而定[18]。

表3 不同接觸面摩擦因數(shù)

1.3 統(tǒng)計(jì)方法

車(chē)輛碰撞速度與騎車(chē)人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)參數(shù)之間的相關(guān)性利用非線性回歸方法描述。參數(shù)之間的關(guān)系采用二次多項(xiàng)式函數(shù)和冪函數(shù)回歸模型表達(dá)。函數(shù)表達(dá)式為

y=ax2+bx+c

(2)

y=axb

(3)

式(2)和式(3)的系數(shù)通過(guò)最小二乘法確定，變量x與y之間的相關(guān)性由決定系數(shù)R2確定，一般認(rèn)為R2>0.9時(shí)，兩參數(shù)顯著相關(guān)；0.9>R2>0.6時(shí)，兩者相關(guān)性較強(qiáng)。

基于邏輯回歸分析方法分析了騎車(chē)人頭部和下肢損傷風(fēng)險(xiǎn)與車(chē)輛碰撞速度的關(guān)系。風(fēng)險(xiǎn)模型P(v)由以下公式得到：

(4)

式中：v為車(chē)輛碰撞速度；α和β分別為通過(guò)最大似然估計(jì)法計(jì)算得到的系數(shù)[19]。

回歸模型中，死亡風(fēng)險(xiǎn)和車(chē)輛碰撞速度的相關(guān)性通過(guò)卡方檢驗(yàn)確定。本文中設(shè)定檢驗(yàn)值p的顯著水平為0.05。通過(guò)計(jì)算得到卡方值和與之相對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)值p。當(dāng)p<0.05時(shí)，認(rèn)為車(chē)輛碰撞速度與損傷風(fēng)險(xiǎn)顯著相關(guān)；反之，則相關(guān)性不顯著。

1.4 事故重建舉例

1.4.1 案例描述

一輛大眾桑塔納與一位58歲的男性自行車(chē)騎車(chē)人在直線道路上發(fā)生碰撞。事故發(fā)生前，轎車(chē)以大約40km/h的車(chē)速沿道路行駛，自行車(chē)在轎車(chē)前面沿相同方向行駛。自行車(chē)騎車(chē)人突然左轉(zhuǎn)彎試圖橫穿馬路，盡管轎車(chē)駕駛員緊急制動(dòng)，但轎車(chē)前部仍與自行車(chē)左側(cè)發(fā)生碰撞。整個(gè)過(guò)程轎車(chē)的制動(dòng)距離約8.2m，自行車(chē)騎車(chē)人與自行車(chē)的拋出距離(TOD)分別約為5.5和6.5m。騎車(chē)人WAD值為1 980mm。事故現(xiàn)場(chǎng)草圖見(jiàn)圖3。

轎車(chē)風(fēng)窗玻璃因與騎車(chē)人頭部碰撞有明顯破損痕跡(圖4)。騎車(chē)人損傷為腦震蕩(AIS 1)和全身多處軟組織挫傷(AIS 1)。

1.4.2 事故重建

根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和問(wèn)詢記錄得知，轎車(chē)制動(dòng)后碰撞。仿真中設(shè)定車(chē)輛速度為26.3km/h，自行車(chē)速度為5.6km/h。車(chē)輛碰撞騎車(chē)人左側(cè)。真實(shí)事故與仿真車(chē)輛碰撞痕跡的比較如圖4所示，騎車(chē)人WAD和拋出距離的比較見(jiàn)表4。

表4 真實(shí)事故和仿真的騎車(chē)人WAD和拋出距離對(duì)比

2 結(jié)果

2.1 騎車(chē)人動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程

在車(chē)輛-自行車(chē)碰撞事故中，車(chē)輛碰撞自行車(chē)騎車(chē)人側(cè)面是最常見(jiàn)的碰撞類型[1]。圖5為一例典型的轎車(chē)碰撞自行車(chē)左側(cè)事故重建中騎車(chē)人的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。仿真結(jié)果顯示：自行車(chē)騎車(chē)人小腿與轎車(chē)保險(xiǎn)杠首先接觸，緊接著大腿與發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿發(fā)生碰撞。在此過(guò)程中，騎車(chē)人上半身幾乎保持不動(dòng)。之后，騎車(chē)人下肢繼續(xù)被轎車(chē)推著向前運(yùn)動(dòng)，但上半身沿發(fā)動(dòng)機(jī)罩往后滑移直至骨盆與車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)罩發(fā)生接觸。然后，騎車(chē)人上半身開(kāi)始繞骨盆向風(fēng)窗玻璃繞轉(zhuǎn)，最后騎車(chē)人頭部與風(fēng)窗玻璃下端發(fā)生碰撞。

2.2 騎車(chē)人頭部碰撞條件

頭部繞轉(zhuǎn)距離(WAD)可以用來(lái)定義騎車(chē)人頭部在車(chē)上的碰撞位置。由表2可知，24例事故中有10例事故騎車(chē)人頭部繞轉(zhuǎn)距離超過(guò)2 100mm。騎車(chē)人繞轉(zhuǎn)距離和坐高比值與車(chē)輛碰撞速度的關(guān)系如圖6所示。

隨著車(chē)輛碰撞速度的增大，WAD與騎車(chē)人坐高的比值ω從1.08增加到1.69。兩者二次多項(xiàng)式函數(shù)回歸模型的決定系數(shù)R2=0.804。這表明繞轉(zhuǎn)距離與騎車(chē)人坐高和車(chē)輛碰撞速度有關(guān)，且車(chē)輛碰撞速度與繞轉(zhuǎn)距離和騎車(chē)人坐高的比值有較強(qiáng)相關(guān)性。

騎車(chē)人頭部碰撞時(shí)間與碰撞速度之間的關(guān)系如圖7所示。騎車(chē)人頭部碰撞時(shí)間在110～200ms之間，且隨著車(chē)輛碰撞速度的增大而減小。

圖8描述了事故中車(chē)輛碰撞速度與騎車(chē)人頭部碰撞速度的關(guān)系。從圖中可以看出，騎車(chē)人頭部碰撞速度隨著車(chē)輛碰撞速度的增大而增大，且兩者具有較強(qiáng)的相關(guān)性(R2=0.863)。自行車(chē)騎車(chē)人頭部碰撞速度與車(chē)輛碰撞速度的比值處于0.6～1.1之間，兩者平均值分別為：車(chē)輛碰撞速度43.5km/h、頭部碰撞速度33.9km/h。

自行車(chē)騎車(chē)人頭部碰撞角度分布如圖9所示。隨著車(chē)輛碰撞速度的增大，騎車(chē)人頭部碰撞角度從83.5°減少至10.9°，平均角度為45.7°。

2.3 拋出距離與車(chē)輛碰撞速度的關(guān)系

拋出距離可用來(lái)估算車(chē)輛碰撞速度，特別是對(duì)于事故現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有留下制動(dòng)痕跡的案例，騎車(chē)人和自行車(chē)的拋出距離對(duì)估算碰撞速度尤為重要[20]。

基于事故重建結(jié)果，利用冪函數(shù)回歸模型分別描述騎車(chē)人和自行車(chē)拋出距離與車(chē)輛碰撞速度的關(guān)系(圖10)。騎車(chē)人和自行車(chē)拋出距離都隨著碰撞速度的增大而增大，且回歸模型的決定系數(shù)分別為0.86和0.704，這說(shuō)明兩者拋出距離與車(chē)輛碰撞速度都有較強(qiáng)的相關(guān)性。從圖10中還可以看出，在相同的碰撞情況下，自行車(chē)的拋出距離大于騎車(chē)人的拋出距離。

2.4 騎車(chē)人損傷分析

基于重建的24例車(chē)輛-自行車(chē)事故，分析騎車(chē)人各身體部位損傷的分布和損傷嚴(yán)重性與車(chē)輛碰撞速度和騎車(chē)人拋出距離等因素的關(guān)系。

騎車(chē)人身體各部位損傷分布如圖11所示。頭部和下肢是自行車(chē)騎車(chē)人在交通事故中最易受傷部位，其次為上肢和胸部。

圖12為自行車(chē)騎車(chē)人受MAIS 1-2和MAIS 3+損傷時(shí)車(chē)輛碰撞速度的累積分布圖。從圖中可以看出，騎車(chē)人MAIS 1-2損傷大多發(fā)生在車(chē)輛碰撞速度低于40km/h時(shí)，當(dāng)車(chē)輛碰撞速度超過(guò)50km/h時(shí)，騎車(chē)人MAIS 3+損傷的頻率迅速增大。騎車(chē)人MAIS 1-2和MAIS 3+損傷所對(duì)應(yīng)累積頻率為50%時(shí)的車(chē)輛碰撞速度分別約為38和55km/h。

頭部是自行車(chē)騎車(chē)人最容易受傷的部位。圖13為自行車(chē)騎車(chē)人頭部碰撞點(diǎn)在車(chē)輛上分布的示意圖。24例事故中，有75%的自行車(chē)騎車(chē)人頭部與車(chē)輛的碰撞點(diǎn)處于車(chē)輛風(fēng)窗玻璃或其邊框上，只有4例事故騎車(chē)人頭部與車(chē)頂發(fā)生碰撞，2例事故騎車(chē)人頭部與發(fā)動(dòng)機(jī)罩后端接觸。并且，在頭部受到AIS 3+損傷的4例事故中，騎車(chē)人頭部碰撞點(diǎn)全都處于風(fēng)窗玻璃靠近A柱區(qū)域或車(chē)頂靠近風(fēng)窗玻璃上邊框區(qū)域內(nèi)。

目前基于線性合成加速度積分得到的頭部損傷指標(biāo)HIC值被廣泛采用于行人和自行車(chē)騎車(chē)人頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)計(jì)分析發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)與風(fēng)窗玻璃的安全防護(hù)性能[8-10,20]。圖14顯示了自行車(chē)騎車(chē)人HIC值與車(chē)輛碰撞速度的關(guān)系。盡管騎車(chē)人HIC值在不同的車(chē)輛碰撞速度下有較為明顯的波動(dòng)，但其整體趨勢(shì)是隨著車(chē)輛碰撞速度的增大而增大。當(dāng)車(chē)輛碰撞速度低于45km/h時(shí)，絕大部分騎車(chē)人HIC值低于1 000。

表5列出車(chē)輛碰撞速度與自行車(chē)騎車(chē)人頭部AIS 2+和AIS 3+損傷風(fēng)險(xiǎn)的邏輯回歸分析結(jié)果。兩者的檢驗(yàn)值p全都小于0.05，因此，騎車(chē)人頭部AIS 2+和AIS 3+損傷風(fēng)險(xiǎn)與車(chē)輛碰撞速度顯著相關(guān)。風(fēng)險(xiǎn)曲線如圖15所示。頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)隨著車(chē)輛碰撞速度的增大而增大。車(chē)輛碰撞速度在50～70km/h時(shí)，頭部AIS 2+和AIS 3+風(fēng)險(xiǎn)增長(zhǎng)速度最快。頭部AIS 2+和AIS 3+風(fēng)險(xiǎn)為50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的車(chē)輛碰撞速度分別為53.8和58.9km/h，這與文獻(xiàn)[21]中基于德國(guó)GIDAS數(shù)據(jù)庫(kù)中自行車(chē)案例的分析結(jié)果非常接近。

表5 頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)邏輯回歸分析結(jié)果

下肢是除頭部外自行車(chē)騎車(chē)人最易受傷的部位，在騎車(chē)人下肢AIS 2+損傷中，股骨、脛骨、腓骨和踝關(guān)節(jié)處等骨頭骨折較為常見(jiàn)(表2)。表6列出車(chē)輛碰撞速度與自行車(chē)騎車(chē)人下肢骨折風(fēng)險(xiǎn)的邏輯回歸分析結(jié)果。檢驗(yàn)值p小于0.05，因此，騎車(chē)人下肢骨折風(fēng)險(xiǎn)與車(chē)輛碰撞速度同樣顯著相關(guān)。圖16為下肢骨折風(fēng)險(xiǎn)曲線圖。從圖16可以看出，騎車(chē)人下肢骨折風(fēng)險(xiǎn)隨著車(chē)輛碰撞速度的增大而增大。車(chē)輛碰撞速度在30～50km/h之間時(shí)，骨折風(fēng)險(xiǎn)增長(zhǎng)最快。50%下肢骨折風(fēng)險(xiǎn)所對(duì)應(yīng)的車(chē)輛碰撞速度為41.2km/h。

表6 下肢骨折風(fēng)險(xiǎn)邏輯回歸分析結(jié)果

3 討論

利用多剛體動(dòng)力學(xué)軟件MADYMO對(duì)IVAC數(shù)據(jù)庫(kù)中24例自行車(chē)碰撞事故進(jìn)行重建。仿真得到的自行車(chē)騎車(chē)人與車(chē)輛的碰撞位置、騎車(chē)人拋出距離和車(chē)輛與騎車(chē)人最終落地位置均與采集真實(shí)事故數(shù)據(jù)吻合很好，這保證了事故重建的可靠性。

圖6顯示，騎車(chē)人WAD與坐高的比值ω與車(chē)輛碰撞速度有較強(qiáng)的相關(guān)性，且比值隨著車(chē)輛碰撞速度的增大而增大。這主要與騎車(chē)人在轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩表面的滑行距離相關(guān)。車(chē)輛碰撞速度越大，騎車(chē)人在車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)罩上的滑行距離就會(huì)越大，從而導(dǎo)致騎車(chē)人的繞轉(zhuǎn)距離變大而增大比值。同時(shí)，24例自行車(chē)事故中有10例事故騎車(chē)人頭部繞轉(zhuǎn)距離超過(guò)我國(guó)現(xiàn)有推薦性行人保護(hù)法規(guī)中頭錘碰撞試驗(yàn)區(qū)間的最大極限2 100mm[22]。因此，若使用頭錘碰撞試驗(yàn)來(lái)評(píng)估車(chē)輛前部結(jié)構(gòu)對(duì)自行車(chē)騎車(chē)人頭部保護(hù)性能時(shí)，碰撞測(cè)試區(qū)域應(yīng)適當(dāng)擴(kuò)大。

事故重建結(jié)果顯示，騎車(chē)人頭部碰撞速度與車(chē)輛碰撞速度存在較強(qiáng)的相關(guān)性，這與Otte的研究結(jié)果一致[17]。從圖8可以看出，其比值分布在0.6～1.1之間。比值超過(guò)1的多為車(chē)輛碰撞速度較低的情況下，這主要是由于低速碰撞時(shí)，自行車(chē)速度對(duì)騎車(chē)人頭部碰撞速度的影響相對(duì)較大，當(dāng)車(chē)輛速度與自行車(chē)速度方向垂直時(shí)，自行車(chē)的行駛速度可以明顯增大頭部碰撞時(shí)刻的分速度，從而起到增大騎車(chē)人頭部與車(chē)輛碰撞速度的效果。隨著車(chē)輛碰撞速度的增大，自行車(chē)速度的影響減小，在碰撞后的滑行過(guò)程中，由于摩擦力的作用，騎車(chē)人頭部在與車(chē)輛碰撞前就會(huì)具有一定的與車(chē)輛同方向的速度，這在一定程度上會(huì)減小騎車(chē)人頭部的碰撞速度。因此，隨著車(chē)輛碰撞速度的增大，騎車(chē)人頭部碰撞速度與車(chē)輛碰撞速度的比值在多數(shù)情況下小于1。

4 結(jié)論

車(chē)輛-自行車(chē)碰撞事故中，騎車(chē)人頭部繞轉(zhuǎn)距離WAD與坐高的比值和頭部碰撞速度與車(chē)輛碰撞速度存在一定的相關(guān)性。WAD與坐高的比值隨著車(chē)輛碰撞速度的增大而增大，分布范圍為1.0～1.7。頭部碰撞速度與車(chē)輛碰撞速度比值分布在0.6～1.1之間。

騎車(chē)人和自行車(chē)的拋出距離與車(chē)輛碰撞速度相關(guān)，拋出距離與車(chē)輛碰撞速度的回歸模型可用于估算車(chē)輛碰撞速度。

頭部和下肢是自行車(chē)騎車(chē)人最易受傷的兩個(gè)身體部位。邏輯回歸模型分析表明：50%頭部AIS 2+和AIS 3+損傷風(fēng)險(xiǎn)所對(duì)應(yīng)的車(chē)輛碰撞速度分別為53.8和58.9km/h；50%下肢骨折風(fēng)險(xiǎn)所對(duì)應(yīng)的車(chē)輛碰撞速度為41.2km/h。

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A Study on the Dynamic Response and Injury of Cyclist Basedon Car-bicycle Accident Reconstruction

Nie Jin1,2& Yang Jikuang1,3

1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082;2.LoudiVocationalandTechnicalCollege,Loudi417000; 3.DepartmentofAppliedMechanics,ChalmersUniversityofTechnology,Sweden41296

Firstly 24 car-bicycle crash accident cases are chosen from traffic accident database built up by in-depth survey to conduct accident reconstruction based on multi-body dynamics model for car-bicycle crash.Then on this base the correlations of the dynamic response process and head impact conditions (speed, duration and angle of head impact) of cyclist with car impact speed under typical crash pattern are analyzed, and the injury distribution of different parts of cyclist body and the risks of head injury and lower limb fracture are further studied.The results indicate that the head wrap around distance, the speed, duration and angle of impact of cyclist have a rather strong correlation with car impact speed.Car impact speed and throw out distance of cyclists has a great effect on cyclist's injury.The risks of head AIS 2+, head AIS 3+ injury and lower limb fracture of cyclist have a significant correlation with car impact speed.

accident reconstruction; cyclist; dynamics responses; injury

*湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014SK3213)、國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2006AA110101)、國(guó)家自然科學(xué)基金(51205119)和湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題(61075004)資助。

原稿收到日期為2013年3月24日。