电动两轮车及自行车与汽车碰撞损伤对比分析

文章来源：烟台大学

1前言

研究表明，非机动车交通事故中，由电动两轮车造成的事故数量占比较大。根据中国交通事故深入研究（ChinaIn-DepthAccidentStudy，CIDAS）数据库提供的数据，汽车-电动两轮车事故致死率为9.6%，汽车-自行车事故致死率为23.4%。因此，研究不同碰撞工况对骑乘人员损伤的影响具有重要意义。
近年来，针对两轮车交通安全的分析引起了国内外学者的重视。Maki等通过对比发现，自行车骑行者的头部撞击位置、腿部受伤类型及其原因与行人均不相同；Elliott利用多体行人模型，分析了车速、行人速度和步行步态对行人头部运动响应的影响；Nie选取24个汽车-自行车事故案例，分析了头部碰撞速度、头部碰撞时间和碰撞角度对自行车骑行者头部和下肢的影响；许骏、李松庆、蒲玲玲、孙晓玲等再现汽车-自行车碰撞事故，研究了不同的汽车车速、自行车车速对骑行者头部损伤的影响；王兴华等利用多刚体人体模型对典型汽车-自行车和汽车-摩托车事故进行仿真，比较了2类事故中骑行者头部及腿部动态响应的差异；钱宇彬、尹均等分析了碰撞速度、碰撞角度对电动自行车骑行者动力学响应的影响；Han、徐梦雪、李东青探讨了车辆碰撞速度、汽车前端结构与骑行者头部损伤的关系；王薛超、赵喜磊讨论了汽车类型、汽车速度对骑车人碰撞响应的影响。以上研究使用的模型多为多刚体人体模型，不能反映人体各器官内在的应力-应变关系，亦无法深入研究人体组织层面的损伤机理。
本文建立了汽车-电动两轮车、汽车-自行车有限元碰撞模型，以调整姿势后的THUMS人体模型作为骑行者，研究汽车速度、两轮车速度及碰撞位置对骑行者损伤程度的影响，从而为降低损伤程度提供依据。

2有限元模型建立

本文使用的汽车模型为2012款丰田凯美瑞有限元模型，该模型通过了美国国家公路交通安全管理局的正面新车评估计划（US-NCAP）测试，如图1所示。

本文采用的电动两轮车为国内某知名品牌的豪华款电动两轮车，采用悬吊法对所建模型进行质心对标验证，利用Hyperworks建模后得到电动两轮车有限元模型质心位置为(-202,-685,232)，实车模型质心坐标为(-195,-680,225)，两者位置坐标误差在允许范围内，从而证明了该模型的有效性。

本文采用的自行车为国内常见的一种自行车，通过实测获得几何尺寸与质量，利用UG软件建模后导入HyperMesh对其进行精密的网格划分，并依据实际情况赋予材料、属性，设置接触与速度。
本研究使用的人体有限元模型为丰田公司开发的THUMSAM50Version4.0版本，是当前研究中应用较多且成熟稳定的版本。通过对THUMS原始模型进行姿势调整，得到骑行者人体有限元模型。
将汽车有限元模型、调整后的THUMS人体模型及电动两轮车、自行车组合在一起，构成完整的碰撞模型，如图2所示。

3事故重建

3.1事故信息
3.1.1电动两轮车事故信息
事故发生时，一轿车由南向北直行，与同向直行左转、斜穿公路的一电动两轮车发生碰撞，事故过程如图3所示。电动车骑行者为男性，54岁，身高170cm，体重63kg。事故造成电动两轮车骑行者当场死亡，轿车前风窗玻璃和发动机罩损坏，电动两轮车受损严重。

3.1.2自行车事故信息
事故发生时，轿车由西向东行驶，在路口碰撞到闯红灯过马路的自行车，事故过程如图4所示。轿车驾驶员为男性，25岁，未受伤，自行车骑行者颅骨骨折、颅脑损伤，当场死亡。

3.2事故重建结果
3.2.1电动两轮车事故
仿真过程中，THUMS模型的左小腿先与汽车的前保险杠接触，接着左侧大腿开始与汽车的发动机罩接触，随后左侧胸腹部与发动机罩产生挤压性接触，然后左肘和左肩相继与前风窗玻璃撞击接触，造成风窗玻璃局部塌陷，最后THUMS模型的头部与前风窗玻璃撞击接触，并在撞击位置出现蜘蛛网状裂痕。这与实际事故的结果基本相符，如图5所示。仿真模型可用作进一步分析。

3.2.2自行车事故
仿真中汽车前风窗玻璃与发动机罩变形情况与真实案例基本符合，如图6所示，仿真模型可用作进一步分析。

3.3仿真试验设计
基于CIDAS数据库提供的数据可知，汽车与两轮车发生碰撞事故时，汽车速度大多在(30,50]km/h范围内，电动两轮车的速度多在(15,20]km/h范围内，自行车的速度在(5,10]km/h范围内最多见。本文以轿车车速（30km/h、40km/h、50km/h）、两轮车车速（5km/h、15km/h）为速度变量，以碰撞位置（两轮车前部、两轮车中部、两轮车后部）为位置变量，利用有限元分析软件Hyperworks和LS-DYNA，对THUMS人体模型进行了16组碰撞仿真，比较不同碰撞条件下骑行人员的碰撞响应及损伤情况。
当碰撞位置为两轮车中部时，以速度为变量，设计了12组试验，如表1所示；又以汽车车速40km/h、两轮车车速5km/h为定量，以碰撞位置为变量设计了4组试验，如表2所示。


4仿真结果及分析

4.1汽车车速和两轮车车速对骑行者损伤特性的影响
选取颅内压力、颅骨等效应力、肋骨塑性应变、头部皮肤应变、心脏压力、碰撞侧下肢胫骨等效应力6个具有代表性的评价指标为主要研究对象，分析碰撞位置一定时，汽车车速、两轮车车速对骑行人员损伤特性的影响。以E40-5、B40-5两组试验为例，各部位的应力应变云图如图7、图8所示。
汇总各组试验结果，绘制折线图如图9所示，其中vb、ve分别为自行车和电动两轮车的车速。由图9可知：
a.对于头部损伤评价指标：当汽车车速≥40km/h时，自行车骑行者颅内压力大于电动两轮车骑行者颅内压力，且骑行人员颅内压力均超过235kPa，造成严重的颅脑损伤[17]；自行车骑行者的头部皮肤塑性应变均大于电动两轮车骑行者头部皮肤塑性应变；仿真中，颅骨等效应力均未超过损伤极限10.09MPa,且由于E30-5、E50-5组头部碰撞点落在了窗风玻璃边缘处，导致骑行者颅骨等效应力较大。





b.对于胸部评价指标：当汽车车速达到50km/h时，自行车骑行者肋骨塑性应变较电动两轮车骑行者大，且两者随汽车车速增大均有增大的趋势；当两轮车车速达到15km/h时，肋骨塑性应变超过3%，极可能造成肋骨骨折；当汽车车速达到50km/h时，心脏压力均会超过170MPa的损伤极限。
c.对于下肢骨骼评价指标：仿真中的胫骨等效应力均大于120MPa，均有骨折的风险，且自行车骑行者碰撞侧胫骨等效应力均大于电动两轮车骑行者碰撞侧
胫骨等效应力，这是由于汽车与电动两轮车碰撞时，汽车前保险杠首先与电动两轮车发生碰撞，电动两轮车可起到缓冲作用。
4.2碰撞位置对骑行者损伤特性的影响
以碰撞位置为变量，获得的各部位伤害值汇总结果如表3所示。



由表3可知，碰撞位置对自行车骑行人员的人体损伤评价指标影响不大。试验编号为E40-5-f的电动两轮车的颅内压力、颅骨等效应力明显比E40-5和E40-5-r数值高。原因在于：编号为E40-5-f的仿真中，骑行人员头部与汽车A柱碰撞，造成应力集中，颅脑损伤较严重。因此，可以考虑在A柱附近设置安全气囊。

5结束语

本文利用有限元分析软件Hyperworks和LS-DYNA，研究不同碰撞条件下电动两轮车和自行车的损伤差异，通过对THUMS人体模型进行16组仿真分析，得到以下结论：
a.整体来看，碰撞位置一定时，汽车车速对骑行者的损伤影响较大；速度一定时，碰撞位置对骑行者造成的损伤影响较小。因此，在事故高发路段有必要对汽车车速进行限制。
b.自行车碰撞时，其座椅相对位置更高，吸能能力较小，自行车骑行者伤害值较电动两轮车大。因此，在A柱、发动机罩边缘等易造成应力集中的部位，可考虑安装安全气囊以提高对骑行者的保护。
c.随着汽车车速增加，骑行者头部在汽车纵向上的碰撞位置逐渐提高；随着两轮车车速增加，骑行人员在汽车横向上的偏移距离增大，且反映人体损伤特性的6项评价指标均与车速呈明显的正相关。