基于SUV車輛頭部外形尺寸的行人傷害仿真分析

韓廣德，楊成，范艷輝，趙長利

(1.山東交通學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250357；2.北京中機(jī)車輛司法鑒定中心，北京 100070)

在汽車與行人的交通事故中，因行人橫穿道路造成的事故占比最高。目前對行人的傷害研究，通常以行人的拋距作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[1]，或者僅以行人落地時(shí)的頭部、胸部傷害等作為分析依據(jù)[2-3]。由于行人行走或奔跑的姿態(tài)，會(huì)在一定程度上影響行人在拋落過程中的落地姿態(tài)，造成頭部或者胸部著地部位的不確定，為分析碰撞對頭部和胸部的傷害帶來干擾[4]?？紤]試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文分析車輛與行人接觸時(shí)的頭部和胸部傷害情況，并結(jié)合行人拋距綜合評(píng)價(jià)行人的損傷。近年來由于SUV車輛特有的外形尺寸等,逐漸成為車市新寵，SUV車輛與行人的交通事故呈上升趨勢。A、B、C級(jí)家用轎車的外形尺寸多體現(xiàn)在軸距、車寬方面，而小、中、大型SUV車輛發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣、后緣離地高度相差懸殊，對行人的拋距及損傷影響較大。故本文以SUV車輛為研究對象，分析車輛與行人碰撞時(shí)車輛頭部外形尺寸參數(shù)對行人傷害的影響。

1 因素選取

依據(jù)文獻(xiàn)[5]，使用認(rèn)可度較高的PC-CRASH作為事故再現(xiàn)仿真試驗(yàn)軟件。為方便選取參數(shù)及考慮參數(shù)的準(zhǔn)確性，主要以車輛前保險(xiǎn)杠下端離地間隙s、發(fā)動(dòng)機(jī)罩長度L、發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣離地高度h′、發(fā)動(dòng)機(jī)罩后緣離地高度h″四個(gè)參數(shù)作為SUV車頭外形的主要因素進(jìn)行分析，對行人拋距及損傷影響較小的車輛的其他數(shù)據(jù)，如前保險(xiǎn)杠突出長度、保險(xiǎn)杠上緣的離地高度等參數(shù)選用原車型默認(rèn)值。

表1 正交試驗(yàn)中的因素及對應(yīng)水平

在保證試驗(yàn)結(jié)論準(zhǔn)確性的前提下，縮減試驗(yàn)次數(shù)，選用正交試驗(yàn)法進(jìn)行研究。即外形尺寸的每個(gè)因素選取3個(gè)水平，SUV車型以大眾途觀車輛為參考原型，車輛頭部外形3個(gè)水平的選取主要參考大、中、小型SUV車輛的相關(guān)尺寸，暫不考慮各參數(shù)的交互作用。其正交試驗(yàn)中的因素及對應(yīng)水平見表1。

2 正交試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)過程

以行人拋距、頭部和胸部的損傷作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，使用正交表L9(34)進(jìn)行試驗(yàn)，其中，行人頭部的損傷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)選擇使用較為廣泛的頭部損傷指標(biāo)HIC(head injury criterion，HIC)值[6-10]，由頭部碰撞加速度和持續(xù)時(shí)間共同決定，即:

(1)

式中：a(t)為頭部合成加速度，m/s2；t2-t1分別為頭部沖擊過程中，兩個(gè)時(shí)刻之間的某一段時(shí)間間隔，在該時(shí)間間隔內(nèi)HIC取最大值[11-14]，為限制作用于頭部的硬沖擊，本文取最大時(shí)間間隔≤15 ms，此時(shí)的頭部傷害指標(biāo)為HIC15。

參照國際和國內(nèi)慣例，本文選用胸部碰撞持續(xù)時(shí)間3 ms內(nèi)胸部合成的加速度60g(g為重力加速度，g=9.8 m/s2)作為行人胸部損傷評(píng)價(jià)的安全值[15-18]。當(dāng)HIC15超過1 000時(shí)，行人頭部受傷較嚴(yán)重，發(fā)生惡性頭骨骨折的概率約為33%，人的生存概率降低[19-23]；胸部加速度超過60g時(shí)，行人胸部受傷較嚴(yán)重，生存概率大大降低[24-25]。以行人橫穿道路與車輛發(fā)生交通事故為例，參照國人的平均身高、體重設(shè)定行人的相關(guān)參數(shù)，同時(shí)對事故相關(guān)因素加以限制。設(shè)定：車速40 km/h，行人身高、體重、行走速度分別為170 cm、65 kg、5.4 km/h，碰撞角度90°,路面附著系數(shù)為0.78，行人與道路附著系數(shù)為0.6。

因汽車與行人的碰撞事故70%發(fā)生在車速40 km/h以下，當(dāng)車速超過40 km/h時(shí)行人的死亡率開始逐步上升[26]，故本文試驗(yàn)車速選取40 km/h，且車輛碰撞行人后立刻采取制動(dòng)。

以大眾途觀汽車作為試驗(yàn)車輛，采用PC-CRASH軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，采用正交試驗(yàn)表L9(34)，即在不同的試驗(yàn)序列中，選取表1對應(yīng)車輛尺寸的水平參數(shù)，使用PC-CRASH軟件進(jìn)行仿真分析。

PC-CRASH軟件仿真得到每次試驗(yàn)的行人拋距以及行人頭部、胸部的合成加速度曲線，由式(1)計(jì)算HIC15值，仿真試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

將正交試驗(yàn)得到的行人拋距、HIC15值及胸部加速度，結(jié)合SPSS軟件進(jìn)行正交試驗(yàn)的極差分析，具體分析過程見表2。表2中k為第j列元素第i水平下相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的平均值(如k1=202.160為參數(shù)s列在水平1下的HIC15的平均值)，i為水平，i=1，2，3；r為第j列中k的極差，j為參數(shù)列，j=1，2，3，4。

表2 SUV車輛與行人碰撞正交試驗(yàn)與極差分析

表2(續(xù))

2.2 試驗(yàn)分析

表3 3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合平衡分析

以上3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)單獨(dú)分析得出的車輛頭部外形尺寸的最佳組合方案不一致，可通過綜合平衡法確定最優(yōu)組合，根據(jù)因素的影響主次，綜合考慮并確定最佳組合方案，3個(gè)指標(biāo)的綜合平衡分析見表3。

由表3可知：

1)對3個(gè)指標(biāo)而言，s相對于HIC15、行人拋距指標(biāo)的極差最小，是影響最小的因素；s對于胸部損傷指標(biāo)的影響相對顯著。綜合考慮，取s1為好。

2)L相對于胸部加速度而言是最大影響因素，取L1；L對于 HIC15、行人拋距非最大影響因素，也非最小影響因素，取L2。綜合考慮，取L2為好。

3 行人橫穿道路事故分析

上述正交試驗(yàn)中，行人運(yùn)動(dòng)方向與車輛行駛方向的夾角(即車輛與行人的碰撞角度)為90°，但行人在實(shí)際事故發(fā)生過程中因驚恐、揮動(dòng)上肢、轉(zhuǎn)身躲避等行為容易改變碰撞瞬間的角度，導(dǎo)致實(shí)際碰撞角度無法準(zhǔn)確確定，根據(jù)上述SUV車輛最佳尺寸方案以及車輛與行人的相關(guān)參數(shù)設(shè)置，運(yùn)用PC-CRASH軟件定量分析碰撞角度(0°～180°)與3個(gè)指標(biāo)的關(guān)系。車輛及行人的相關(guān)參數(shù)如圖1所示，碰撞角度與3個(gè)指標(biāo)的關(guān)系如圖2～4所示。

a)車輛外形參數(shù)設(shè)置 b)行人相關(guān)參數(shù)設(shè)置圖1 車輛與行人的相關(guān)參數(shù)設(shè)置

圖2 碰撞角度與行人拋距的關(guān)系 圖3 碰撞角度與胸部加速度的關(guān)系

圖4 碰撞角度與HIC15的關(guān)系

由圖2～4可知，碰撞角度對3種評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響各不相同。其中碰撞角度對行人拋距影響較小，隨著碰撞角度的變化，行人拋距的變化范圍為12.54～16.53 m。碰撞角度與行人拋距呈非線性關(guān)系，當(dāng)碰撞角度為75°時(shí)，行人拋距最小，碰撞角度為180°時(shí)，行人拋距達(dá)最大值。

碰撞角度對胸部傷害的影響較小，隨著碰撞角度的增加，行人胸部損傷呈遞增趨勢，但胸部加速度都低于60g，行人不會(huì)出現(xiàn)胸部致命傷，碰撞角度與行人胸部損傷的線性關(guān)系方程y=0.121x+16.35，調(diào)整前擬合系數(shù)R2=0.821，調(diào)整后R2=0.805。

碰撞角度對HIC15的影響較為明顯，隨著碰撞角度的增加，HIC15的變化范圍為69.196～1 937.206，波動(dòng)范圍較大。碰撞角度為75°～90°時(shí)，HIC15值最小，碰撞角度為150°時(shí)，HIC15值最大。且碰撞角度分別為15°～30°、135°～180°時(shí)，HIC15值均超過1 000，此時(shí)行人頭部受傷嚴(yán)重，有生命危險(xiǎn)。

表4 兩種碰撞角度下的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)

以碰撞角度15°、105°為例，對3個(gè)指標(biāo)的結(jié)果綜合分析，如表4所示。

由表4可知，兩種碰撞角度下，行人拋距相差0.76 m，HIC15相差901.55，胸部的加速度相差11.83g。造成3組指標(biāo)結(jié)果差距不同的主要原因是行人與車輛接觸時(shí)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)不同，碰撞角度分別為15°、105°時(shí)行人與車輛的運(yùn)行方向分別為相同及相向。由于試驗(yàn)條件中行人身高與發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣最佳離地高度的比值、發(fā)動(dòng)機(jī)罩的長度為定值，所以行人與車輛的碰撞高度基本不變，產(chǎn)生的拋距相差不大，因人體彎曲方向的原因，相應(yīng)角度的車輛碰撞行人背面拋距略低于碰撞行人正面拋距，且汽車碰撞行人正面的胸部傷害大于碰撞行人背面。不同的碰撞角度HIC15相差較大，原因是不同碰撞角度使行人的頭部與車輛產(chǎn)生不同的接觸形態(tài)，導(dǎo)致行人頭部與車輛前部接觸的碰撞力大小及位移不同。

4 結(jié)論

1)在行人橫穿道路事故中，SUV車頭部外形尺寸中，發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣離地高度是影響行人拋距、行人頭部損傷最主要的因素，發(fā)動(dòng)機(jī)罩長度是影響行人胸部傷害最主要的因素。針對評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合考慮，該SUV車輛外形尺寸最優(yōu)方案為：s=0.26 m,L=0.9 m,h′=0.9 m,h″=1.1 m。

2)車輛與行人的碰撞角度對行人拋距、胸部損傷的影響不大，碰撞角度與行人拋距、行人頭部損傷不構(gòu)成明顯的線性關(guān)系。碰撞角度對行人頭部損傷影響較為明顯，碰撞角度為15°～30°及135°～180°時(shí)，行人易出現(xiàn)生命危險(xiǎn)。