曹军帅，任传波，孙志钏，许震，张永国，马克辉

(山东理工大学 交通与车辆工程学院, 山东 淄博 255049)

近年来，机动车保有量呈现持续增长的态势，交通事故发生率居高不下[1]。行人是弱势道路使用者，行人保护的目的是尽量地降低行人的碰撞伤害，而影响碰撞伤害的因素主要有车速、碰撞角度和车身结构[2]。Elliott等[3]研究发现，车速、行人步速和行人步态对行人撞击后运动学具有重要影响；李丹等[4]研究发现，行人运动状态对行人的损伤有重要影响；韩勇等[5]研究发现,汽车前端结构对行人损伤有重要影响。这些学者主要研究车辆碰撞速度、行人步态、行人步速、车身结构等因素对行人损伤的影响，但对于行人与车辆不同碰撞角度下行人损伤方面的研究较少。因此，本文利用LS-DYNA仿真软件建立人车碰撞模型，并进行碰撞仿真分析，研究人车碰撞角为0°、45°、90°、135°、180°条件下，行人头部、胸部及腿部损伤情况，以期为人车碰撞事故中行人保护提供参考。

1 行人与汽车碰撞模型

1.1 假人模型

在碰撞实验中，假人碰撞模型的建立是仿真研究的基础，具有较高人体生物相似度的假人模型对仿真实验的精准性有很大的影响[6]。

目前，全球应用最广泛的汽车碰撞假人是混III 50百分位男性假人[7]。该假人已普遍应用于汽车碰撞实验中，但该假人是基于欧美人体尺寸而设计，与我国人体尺寸存在一定的差异[8-9]。因此,本仿真参照全体段缩放方法[10]，根据中国人体尺寸对混III 50百分位整体假人有限元模型进行缩放得到中国50百分位假人有限元模型(1.63 m)。根据人车碰撞事故中碰撞前行人状态统计情况： 74%的成年行人处于行走或奔跑状态，且事故中行人与车身前部接触比例最高约占67.1%[11]，因此将假人调整为行走姿势，左腿在前，左脚完全落地，右腿在后且右脚脚尖着地，脚跟抬起。

1.2 汽车模型

参照某款国产轿车的结构尺寸创建汽车模型。由于人车碰撞时行人主要与汽车前端发生碰撞，为了节省计算时间，在确保车身主要结构完整的前提下，对汽车前端主要部件进行建模，包括前保险杠、前防撞梁、发动机、发动机罩盖、前挡风玻璃等，其余部件作简化建模处理。

1.3 人车耦合模型

通过LS-Prepost进行前处理，将假人模型放置在汽车模型前端，然后旋转假人，与汽车前端分别形成夹角θ=0°、45°、90°、135°、180°。将碰撞角度不同的人车模型分别在LS-Prepost中设置相同的环境变量：人体各部分与车身碰撞时的接触摩擦系数为0.4、车轮与地面摩擦系数为0.55、地面与人体摩擦系数为0.5[12]、碰撞车速为40 km/h[13]、仿真时间600 ms，然后导入LS-DYNA求解器中进行求解。汽车与假人耦合模型如图1所示。

图1 人车耦合模型示意图Fig.1 The schematic diagram of human-vehicle coupling model

2 碰撞仿真分析

由于在人车碰撞事故中，行人的头部是最易受到重度损伤的部位(80%)，其次为胸部(7%)，而受到中度损伤比例较高的部位为下肢(37%)，其次为头部(35%)[14]。因此，本文对5种不同碰撞角度下假人头部、胸部及腿部损伤值进行分析比较。

2.1 仿真过程

多角度人车碰撞仿真动画示意图如图2所示。从图2可以看出，人车碰撞中不同的碰撞角度会造成人车碰触部位的不同，进而造成假人不同的运动状态。

图2 多角度人车碰撞仿真动画示意图Fig.2 The multi-angle collision simulation animation

人车碰撞角度θ=0°时，假人腿部膝盖首先与前保险杠发生碰触，由于人体与汽车碰触的部位处于人体重心下方，使得假人绕过重心的水平轴转动，假人上身向发动机罩倾斜，胸部正面与发动机罩发生碰触，随后假人颚骨与前风窗玻璃下端部位发生碰触。假人身体由于碰撞力的作用向上弹起，随后向下坠落，胸部再次与发动机罩发生碰触，假人被汽车顶着向前运动。

与θ=0°碰撞情况不同：θ=45°时，假人胸部正面右侧与发动机罩发生碰触，头面部与前风窗玻璃下端碰触，随后身体向汽车后部翻转；θ=90°时，假人以右臂为支撑，胸部右侧与发动机罩碰触，头部颞骨与前风窗玻璃下端碰触，随后假人身体向上弹起，并向汽车后部翻转；θ=135°时，假人胸部没有与发动机罩发生碰触，而是右侧背部与其碰触造成胸部损伤，随后假人枕骨右侧部位与前风窗玻璃发生碰触；θ=180°时，假人上身后仰在发动机罩上，背部与发动机罩碰触，随后头部枕骨与前挡风玻璃碰触，身体沿着发动机罩下滑，并向汽车后部翻转。

2.2 头部损伤对比分析

对于混III 50百分位碰撞假人，头部损伤程度通常用HIC值和3 ms合成加速度来进行评价，其计算公式为

(1)

式中：t1到t2是碰撞过程中HIC计算值最大的时间间隔；a(t)表示头部的质心加速度，以重力加速度g为单位[15]。通过分析计算，得出5种碰撞角度下假人头部质心的合成加速度对比结果，如图3所示。由图3可知，头部最大加速度随着人车碰撞角度的增加而增大。人车碰撞角度θ=180°时，行人头部的最大加速度最大，在116 ms时最大加速度为374.850g；θ=0°时，头部的最大加速度最小，在110 ms时最大加速度为194.976g；θ=45°、θ=90°与θ=135°时头部最大加速度分别为241.896g、248.135g和310.749g。通过计算得出各碰撞角度下假人头部HIC值，排序为5 876(180°)>4 127(135°)>2 587(45°)>2 542(0°)>2 165(90°)，HIC值均大于法规安全标准值1 000，表明40 km/h碰撞车速下，行人头部损伤严重。

图3 头部合成加速度曲线Fig.3 The curves of head synthesis acceleration

结合图2仿真动画分析可知，人车碰撞事故中，不同的碰撞角度会使得假人头部与汽车碰撞部位不同。θ=180°时，假人头部枕骨与前风窗玻璃发生碰触，与其他碰撞角度相比，此时头部受力面积最大，吸收的碰撞能量最大，由于头部受到的碰撞能量部分会转化成力进行释放，则此时头部受力最大。由牛顿第二定律可知，力与加速度成正比关系，则此时头部加速度最大；θ=0°时，假人下颚与前风窗下端发生碰触，与其他碰撞角度相比，头部受力面积最小，头部受到的碰撞力产生的能量也就最小，则头部加速度要小于另外几种碰撞角度下的加速度，头部损伤最小。

2.3 胸部损伤对比分析

有研究表明，胸部损伤对人的伤害严重程度仅次于头部，在人车碰撞事故中，行人胸部直接与发动机盖及前风窗玻璃接触，会造成胸骨断裂、内脏器官破损等伤害行为[16]。FMVSS208规定，胸部3 ms内合成加速度不得超过60g[17]。胸部加速度曲线如图4所示。由图4可以看出，人车碰撞角度θ=180°时，行人胸部最大加速度值最大，为41.003g；θ=90°时，行人胸部最大加速度值最小，为27.174g；θ=135°、45°、0°时，胸部最大加速度值分别为32.925g、29.648g、37.927g。5种碰撞角度下假人胸部加速度值均未超过安全标准60g，表明40 km/h车速下行人胸部损伤在安全标准范围之内。

图4 胸部加速度曲线Fig.4 The curves of chest acceleration

结合图2仿真动画分析可知，当人车碰撞角θ=180°时，假人背部完全与发动机罩碰触，受力碰撞面积较大，使得胸部承受的能量较大，因此加速度最大；当碰撞角θ=90°时，假人右臂先与发动机罩碰触，手臂承受了部分冲击，吸收了部分碰撞产生的能量，降低了胸部损伤，且从图2可以看出，此碰撞角度下胸部侧面碰撞面积最小，使得胸部最大加速度低于其他几种碰撞角度下的最大加速度。

2.4 腿部损伤对比分析

由于汽车模型前保险杠较低，碰撞时前凸的保险杠直接与假人膝盖发生碰触，对膝关节造成较大损伤，因此选取右膝加速度为腿部损伤评价指标。我国行人碰撞保护法规规定，人车碰撞中行人膝盖加速度不得超过170g[18]。

右腿膝盖加速度曲线如图5所示。由图5可知，人车碰撞角度θ=180°时，假人腿部损伤最大，右腿膝盖最大加速度为551.478g；θ=0°时，假人腿部损伤最小，右腿膝盖最大加速度为246.112g；θ=45°、90°、135°时,假人右腿膝盖最大加速度值分别为451.895g、363.572g、454.142g。5种碰撞角度下假人膝盖最大加速度均超过标准值170g，表明40 km/h碰撞车速下行人腿部损伤严重。

图5 右腿膝盖加速度曲线Fig.5 The curves of right knee acceleration

结合图2仿真动画从动态响应角度分析，当人车碰撞角θ=180°时，假人腿部朝汽车运动方向弹起距离最大，在相同的时间内腿部运动距离最大，说明此时腿部加速度最大，则膝盖加速度也最大，腿部损伤最严重。与θ=180°相比，其它碰撞角度碰撞造成的腿部运动范围较小，则膝盖加速度也比较小，其中θ=0°时，腿部未离开汽车前端，弹起距离最小，说明此时腿部加速度最小，则膝盖加速度最小，腿部损伤较轻。

3 结论

通过对人车碰撞角在0°、45°、90°、135°、180°条件下碰撞事故进行模拟仿真，得到以下结论：

(1) 40 km/h碰撞车速下,假人头部最大加速度均大于安全标准值220g，HIC值均大于安全法规标准值1 000，且头部最大加速度随着碰撞角度的增大而增大，各碰撞角度下头部HIC值排序为5 876(180°)>4 127(135°)>2 587(45°)>2 542(0°)>2 165(90°)。

(2) 40 km/h碰撞车速下,假人胸部最大加速度均在安全标准值60g范围内，胸部最大加速度排序为41.003g(180°)>37.927g(0°)>32.925g(135°)>39.648g(45°)>27.174g(90°)。

(3)40 km/h碰撞车速下,假人右腿膝盖最大加速度均超过安全标准值170g，右腿膝盖最大加速度排序为551.478g(180°)>454.102g(135°)>451.895g(45°)>363.572g(90°)>246.112g(0°)。