刘卓异,覃 勇,宋晓雯,杨 苓,许倩源

(1.雅安职业技术学院，雅安625000；2.成都工贸职业技术学院,成都611731；3.四川职业技术学院，遂宁629099)

据世界卫生组织(WHO)统计，全球每年因交通事故死亡约有130万人、受伤5 000万人[1].行人作为道路交通的弱势参与方，在碰撞事故中最容易受伤害.2015～2020年我国交通事故死亡人数373 125人，行人死亡率居高不下，行人死亡人数约占交通事故死亡总数的25%[2].

在此背景下，行人保护的研究受到了国内外学者及专家的广泛关注，并对人车碰撞事故进行了大量研究.Elliott[3]研究发现：车速、行人速度和运动姿态对行人被撞后的运动学有显著的影响；GIANMARCO C等[4]利用MADYMO仿真软件分析不同姿态下行人与不同车型发生碰撞后的损伤情况，并得出了厢式客车前端越高，行人大腿损伤越大；HUIJBER S等[5]研究发现车的碰撞速度对行人的损伤影响很大；张诗波等[6]对不同速度厢式客车碰撞行人后的运动规律进行研究；王岩等[7]发现不同车辆类型对行人动力学响应和各部位损伤影响不同;陈奇等[8]发现厢式客车碰撞角度对行人碰撞后的运动姿态有较大影响；聂冰冰等[9]分析了行人与车辆发动机罩碰撞后，发动机罩盖的碰撞变形过程结合能量守恒原理，创作了具有夹板结构的发动机罩盖的设计，此设计可以起到行人头部保护的作用；曹军帅等[10]分析人车碰撞角度对行人身体损伤程度的影响.

国内外学者及相关机构对人车碰撞事故中的研究主要集中在利用仿真软件对车辆前部结构、行人速度、车辆类型、汽车与人的碰撞角度，而对行人的应急姿态在人车碰撞事故中行人动力学响应及损伤方面研究较少.文中将根据国家深度调查的案例，基于仿真软件建立车-人的多刚体事故碰撞模型，研究厢式汽车与行人碰撞过程中，行人应急姿态对行人头部损伤的影响，为行人保护提供参考.

1 事故重建与模型验证

1.1 案例摘要

2018年12月27日，某地某路口，一辆五菱厢式客车与行人发生正面碰撞，人车碰撞时，汽车行驶速度58.6 km/h，事故导致：五菱厢式汽车前挡风玻璃破裂、发动机罩明显变形、前保险杠变形受损；行人在此次碰撞事故中采取了跨步前进和上半身身体转向等应急姿态，此次事故造成行人身体多处擦挫伤、右小腿骨折、重型颅脑损伤，其中，重型颅脑损伤是导致行人死亡的最根本原因.

1.2 模型建立

在数据比较详细的情况下，PC-Crash对行人损伤事故建模可以较好的还原案例的真实场景[6].车辆外形尺寸与行人信息是NAIS中记录的数据，数据真实可靠,其中行人身高159cm,深度调查车辆是某五菱箱式汽车.故用PC-Crash仿真软件建立事故碰撞模型.PC-Crash的人、车多刚体模型的有效性已通过实车碰撞试验得到了验证，具体见文献[11-12].人、车和路面相互接触的摩擦因数取值参考文献[13]，摩擦因数取值具体如下：人-车0.5、人-路面0.5、车-路面0.6.

1.3 人车碰撞模型验证

根据仿真过程，碰撞中行人右小腿先与发动机罩右前边缘发生碰撞，而后身体倒向汽车发动机罩，头部撞上挡风玻璃后被抛出.根据仿真结果，进一步分析行人头部线性加速度曲线见图1，由该曲线可知：行人头部出现2个加速度峰值，其中，第一个峰值出现在与汽车碰撞过程中，第2个峰值是与地面碰撞所致，整个过程中行人头部伤害指数(Head Injury Criterion，HIC) 值约为2 576.8，严重超过行人头部HIC阈值[14]，仿真结果与行人死亡原因能够较好地吻合；PC-CRASH仿真与视频信息反应的碰撞部位、碰撞过程、最终停止位置也能很好地吻合，故验证了该模型的有效性，碰撞对应关系见表1.

2 应急姿态对行人头部的损伤影响

通过对NAIS案例中的监控录像以及网络上的人车事故视频的观察，在厢式客车与行人碰撞的过程中，行人通常能意识到危险并作出一些自我保护的应急姿态.常见的应急姿态有前倾(下肢不动,躯干前倾,上肢作支撑状)、上半身转向(下肢不动，上半身转动)、下蹲(双脚并拢,作下蹲状)、跨步前进走(下肢走动,身体侧面对向车辆)等.利用验证后的仿真模型，设置车辆在40 km/h、50 km/h、60 km/h不同车速下，行人行走速度为0 km/h，选取仿真中已经验证的假人模型，在这4种姿态下进行仿真试验，在人车碰撞事故中，人与车的前倾角度记为α(上半身躯干垂直地面α角度定义为0°)，上半身转向角度记为β(行人身体侧面正对向厢式客车时，β角度定义为0°)，下蹲角度记为γ(行人大腿小腿垂直地面时，γ角度定义为0°)，跨步角度记为δ(行人双腿并拢时，δ为0°)，试验方案设计图见表2.人车事故中行人头部损伤是死亡的最主要原因，故本实验研究行人头部HIC值.

表2 试验方案设计图

2.1 行人头部损伤分析

2.1.1 上半身前倾姿态行人头部HIC变化情况

上半身前倾姿态对行人头部HIC值的影响如图2所示.研究表明在人车碰撞事故中，行人上半身前倾的姿势，有助于头部的保护，具体情况如下：①行人上半身前倾角度越大，HIC值越小；②行人前倾角度为0～20°，HIC值的变化最明显.③头部HIC随车速的增加而增加.分析认为厢式客车碰撞行人时，行人上半身前倾应急姿态手臂先与厢式客车车身接触，而身体前倾的角度越大，行人上肢与车辆接触时间缩短，导致头部与车身的接触延迟，由此行人头部HIC值降低；行人前倾角度为0～20°，上肢与车身距离变化明显，由此HIC值变化明显.在车速为40 km/h时，此时车速相对较低，人车碰撞过程中，行人前倾角度为5°～10°时，行人手臂与汽车前部相对距离变化不大，行人在与汽车碰撞时，头部与汽车碰撞位置变化不大，所以行人头部损伤变化情况不明显.

图2 行人头部损伤与行人前倾应急姿态的关系

2.1.2 上半身转向姿态行人头部HIC变化情况

上半身转向姿态对行人头部HIC值的影响如图3所示.研究表明行人上半身的转向姿势会增加头部损伤的风险，具体分析如下：①行人头部HIC随行人上半身转向角度的增加而增大；分析认为，当行人与厢式客车碰撞时，行人上半身转向导致行人的手臂也会随之转向，手臂在行人身体转向过程中，行人上肢与厢式客车接触时间延后，头部与车辆接触时间提前，造成的头部HIC值增大.②行人上半身转向角度越大，HIC值增加的幅度越大，行人上半身转向角度为0～15°时，HIC值的增幅明显小于上半身转向角度为15～30°的HIC值的增幅.

2.1.3 下蹲姿态行人头部HIC变化情况

下蹲姿态对行人头部HIC值的影响如图4所示.由图可以看出，在同一车速下，行人头部HIC变化不大,在一定范围内发生波动，且随着下蹲角度的增加，头部HIC值的变化范围会缩小.原因在于行人在下蹲过程时，厢式客车前部先与小腿碰撞，身体倒向厢式客车发动机罩，而后行人头部碰撞厢式客车，在碰撞过程中，厢式客车与不同下蹲角度姿态的人体碰撞过程差异不大，由此造成HIC没有明显变化.

图3 行人头部损伤与行人转向应急姿态的关系

图4 行人头部损伤与行人下蹲应急姿态的关系

2.1.4 跨步前进姿态行人头部HIC变化情况

行人跨步前进时(右脚在后)，汽车从行人右边碰撞行人，行人头部损伤与行人跨步角度关系如图5所示.当行人左右两腿，未完全分开时，双脚并拢有助于保护行人头部；当两条腿完全分开时，行人跨步前进角度越大可以降低行人头部伤害.①行人角度跨步前进角度为0～10°时，HIC值随着跨步前进角度的增大而增大；②当跨步前进角度增加到10°以后，HIC值随着行人跨步前进角度的增大而减小；③行人跨步前进角度为0～10°时，HIC增长幅度较大；当跨步前进角度超过10°后，HIC减小幅度较小.分析认为，当跨步前进角度小于10°时，行人的两腿并拢没有完全分开，车先与行人右手接触，而后与右脚车接触，左脚受到右脚的撞击，行人两腿吸收消耗更多能量；当行人跨步前进角度超过10°以后，行人的两腿完全分开，行人重心降低，在碰撞过程中，行人身体髋部与车接触的面积增大，由此被抛出的高度增加，延长了行人头部碰撞厢式客车的时间，所以其头部HIC变小，行人跨步前进姿态时，身体与汽车碰撞时对应位置如图6所示.

图5 行人头部损伤与行人跨步前进应急姿态的关系

图6 同一碰撞时刻时，δ角度与厢式客车碰撞位置关系示意图

2.1.5 复合型姿态行人头部HIC变化情况

厢式客车车速一定(40 km/h)时，行人同时采取前倾和转向姿态，行人单一上半身前倾姿态头部损伤情况与复合型姿态头部损伤对比如表3所示.结果表明：①行人头部的HIC值，随着行人上半身转向角度的增大，头部HIC的减小幅度变小，也就是说行人保持上半身前倾姿态的同时，上半身转向角度越大，头部受到的伤害可能会更加严重.②在复合型姿态中，转向角度一定时，前倾角度为0～20°时,HIC值的变化幅度明显大于20～30°HIC值的变化幅度；③前倾角度对头部HIC值得影响大于转向角度对行人头部HIC的影响；④行人转向加前倾复合型应急姿态相比单一前倾应急姿态对行人头部损伤具有保护的作用.如图7分析认为：行人在上半身前倾姿态中转向时，行人在碰撞过程中，由最原本两手同时接触厢式客车前部，逐渐变成一手接触厢式客车前部一手逐渐离开厢式客车前部，后者相对于前者，一只手所承受的碰撞动能明显少于两只手所承受的碰撞动能，由此行人头部更容易受伤.

表3 人车碰撞时行人前倾+转向复合型应急姿态头部的HIC值

图7 同一碰撞时刻时，行人复合型姿态与厢式客车碰撞位置关系

3 结 论

1)行人上半身前倾角度越大，越有利于减轻行人头部损伤；行人身体转向角度的增加，会加重行人头部的损伤；行人下蹲角度的变化对行人头部损伤影响不大；对于行人跨步前进的姿态，HIC值受行人双腿步态的影响：①行人跨步前进角度为0～10°时，HIC值随着跨步前进角度的增大而增大，②当跨步前进角度增加到10°以后，HIC值随着行人跨步前进角度的增大而减小.

2)行人转向加前倾复合型应急姿态相比单一前倾应急姿态更有利于减轻行人头部损伤.

3)其他复合应急姿态，包括两种复合型及三种复合型应急姿态对行人损伤的影响有待进一步研究.