汽车行人碰撞接触形态及其运动规律仿真

许洪国¹，范艳辉^1,2

（1.吉林大学交通学院，长春 130022；2.山东交通学院，济南 250023）

 

摘要：基于交通事故模拟与再现分析软件PC-Crash及其内嵌多体系统动力学分析软件MADYMO，对汽车与行人碰撞接触过程中行人运动学规律及特征进行建模和仿真分析。通过建立车辆模型和行人模型，选取对汽车与行人碰撞接触阶段具有较大影响的汽车前端外形与尺寸、碰撞过程中汽车运动状态(如等速、加速、制动减速等)以及行人身体尺寸和被碰撞前瞬间行人运动状态(如站立、行走、慢跑、奔跑等)等因素作为仿真试验的自变量，深入研究与探讨汽车与行人碰撞接触的形态特征及其运动学规律和对应特征车速阈值。仿真研究结果与汽车行人真实碰撞事故观察以及碰撞试验研究结果对比具有较好的规律吻合性和一致性。

关键词：汽车行人碰撞，运动学，多体系统动力学，建模，仿真

Simulation on the form and kinematics law of contacting

Process for car/pedestrian collision

Xu Hongguo¹, Fan Yanhui^1,2

(1.Transportation College of Jilin University, Changchun 130025;2.Shandong Transportation College, Jinan 250023 China)

Abstract:Based on the coupling of PC-Crash for simulation and reconstruction of road accident and MADYMO for multi-body system dynamics analysis, the kinematics law and characteristics of contacting process for car/pedestrian collision are analyzed by means of modelling and simulation. Under modelling vehicle and pedestrian, selecting main influencing factors on contacting phase for car/pedestrian collision(including car front shape and it’s dimensions, motion conditions in collision process(e.g. constant speed, braking, corresponding speed and direction), pedestrian stature and it’s initial motion conditions(e.g. running, walking, corresponding speed and direction), as well as the proportion of car front to pedestrian body in geometrical dimensions, etc.), the form characteristics and kinematics law of contacting process as well as threshold of corresponding vehicle velocity in car/pedestrian collision are in the depth researched. The results indicated that the laws obtained have been of perfect harmony and consistence comparing to those in the real world car/pedestrian accidents.

Key words: car-pedestrian collision，kinematics，multi-body system dynamics，modelling, simulation

0　引言

行人保护是目前交通安全及汽车碰撞安全性研究领域的重点目标，开展交通事故中行人保护研究已成为全世界汽车与交通安全科研工作者共同关注的一个重要课题。美国、欧盟、日本等发达国家纷纷投入大量资金，通过各种碰撞试验(包括利用尸体或行人碰撞假人进行实车试验、肢体模块试验)和计算机仿真技术，对汽车与行人碰撞安全性开展探索研究^[1-3]，取得了一些研究成果。目前，世界发达国家根据大量碰撞试验研究结果已制订并颁布实施了相应的试验方法和技术标准及法规^[4-5]，以此规范汽车设计方法，切实提高汽车行人碰撞安全性水平。

中国是世界上典型的以平面交叉混合型交通为主的国家，汽车对车外行人交通伤害远远多于世界发达国家。据国家统计资料，近几年中国每年道路交通事故中行人死亡人数已超过交通事故总死亡人数的20%^[6]。因此，行人交通安全问题在中国显得更为突出，开展行人碰撞安全保护研究具有重大的现实意义。

近年来，中国部分科研机构和高等院校的科研工作者主要围绕汽车与行人碰撞的运动学和动力学分析以及行人损伤评价方面，相继开展了一些探索性研究工作^[7-8]。目前的研究内容多限于理论探讨，尚未见有实效的研究成果投入应用和实施。因此，与从事该领域研究的世界发达国家相比，中国在此方面的研究相对进展缓慢，尚处于借鉴和学习的初级阶段，迫切要求相关科研院所能够尽快全面、深入地开展汽车行人碰撞安全性研究。

由于计算机仿真方法快速经济，可避免试验中的随机因素影响，且不受试验条件限制，易于模拟不同碰撞形态和便于对比分析，亦可获得一些采用碰撞试验难以获取的参数数据，因此在汽车行人碰撞安全性研究中具有极大的实用价值和优越性。

本文利用交通事故模拟分析PC-Crash软件及其内嵌多体系统动力学分析MADYMO软件，对不同碰撞环境下汽车与行人碰撞接触的形态特征及其运动学规律进行建模和仿真分析与研究。笔者期望本文研究结果能对不同碰撞形态下行人的运动学和动力学规律研究以及日益发展的交通事故技术鉴定实践具有一定的参考价值和指导意义，并促进中国研究人员全面、深入地开展汽车与行人碰撞安全性研究。

1　建模及验证

1.1　建模

PC-Crash是世界范围内应用广泛的交通事故模拟与再现分析软件。基于多刚体系统动力学理论的动力学分析MADYMO软件是当今汽车碰撞安全性研究领域应用非常广泛的软件。本研究拟采用MADYMO建立行人模型，应用PC-Crash建立车辆模型，并依托PC-Crash软件平台^[9]实现仿真。

行人模型是一个由16个刚体通过15个铰链构成的多刚体系统，见图1。其中，刚体呈椭球状，分别代表人体不同部位(如头部、躯干、骨盆、大腿等)；铰链代表人体不同关节。每个刚体都分别定义几何参数、质量和转动惯量、刚度系数、阻尼系数和摩擦系数等属性；同时，定义刚体与刚体之间(即铰)的联结特性以及刚体与刚体、刚体与车体之间的接触特性。人体各部分的主要特征参数和机械特性等数据均来自人体实际统计值。程序中将行人作为一个整体，根据中国50%成年男子人体特征设定其身高和体重，同时对多体系统中相应部分刚体分别设定其初始位置、角度等属性，即可建立对应被碰撞前瞬间不同运动状态(如站立、行走和奔跑)的行人模型，见图2。

 

车辆模型同样是一个由一系列代表车辆不同部位的刚体(椭球体)构成的多刚体系统，其定义方法与行人模型类似。

车辆/行人碰撞仿真模型如图3所示。车型有代表性地选择VW Passat 1.8 CL和Toyota Hiace。

1.2　验证

由于建模过程中需对诸多输入参数进行设置(特别在建立行人多体模型时)，而且建立的车辆/行人模型本身存在一定的局限性，因此应验证车辆/行人模型的有效性。

国外学者基于不同车型和车辆外形的行人假人碰撞试验，对行人模型有效性的验证研究表明，实车碰撞试验数据和相应的模拟试验结果两者间具有较好的收敛性和一致性^[10]，从而确认了本研究采用的车辆/行人模型的有效性。

由于假人碰撞试验对假人模型和碰撞试验本身所作的诸多假设可能背离现实，因此假人碰撞试验不可能全面、真实地反映汽车与行人碰撞的整个过程。故应不断地利用真实车辆/行人事故数据对行人模型进行修正、完善和验证，以便能够更加全面、真实地模拟和再现汽车与行人碰撞过程。

2　试验方案

汽车与行人真实碰撞事故观察和实车碰撞试验结果研究表明，对汽车行人碰撞接触阶段的行人运动状态具有较大影响的因素包括汽车前端外形与尺寸、碰撞过程中汽车运动状态(如等速、加速、制动减速等)、行人身体尺寸与被碰撞前瞬间运动状态(如站立、行走、慢跑、奔跑等)、汽车与行人碰撞形态(包括碰撞部位和碰撞角度)，以及这些因素间的交互作用等诸多方面^[11]。因此，碰撞后行人运动过程及状态与车内乘员相比要复杂得多，具有更大的不确定性，从而极大地增加了研究难度。

鉴于汽车与行人碰撞接触阶段影响因素极其复杂，为便于仿真研究，从汽车与行人碰撞接触阶段的影响因素中选取5个参数作为仿真试验的自变量，即汽车前端与行人身体几何尺寸比(R)、典型碰撞形态(F)、汽车对行人的碰撞速度(V_V)及制动强度(Z)、行人的行进速度(V_P)。每个参数(自变量)的背景状况和取值水平各不相同。

1) 参数R。参数R包括行人身体质心与汽车前端碰撞接触点离地高度比h_v/h_p、行人身高与汽车前端上缘离地高度比s_v/s_p、行人膝盖/膝关节与汽车前端碰撞接触点离地高度比h_v/h_j3个分量，故参数R可表示为

R = {h_v/h_p, s_v/s_p, h_v/h_j}

式中各参数分量含义及其取值(范围)见图4。

车型根据当前汽车前端外形特征不同主要分为3类，即矮头型、高头型和钝头型；行人为中国50%成年立姿男性。另外，实际仿真试验时，将车型A和B合并，以车型B为例进行仿真试验。这能够满足本研究需要(相关研究表明^[1]，其它条件相同时，车型A和B与行人碰撞过程中行人的运动形式极其相似)。

2) 参数F。碰撞形态采用碰撞部位P和碰撞角度Θ两个参数描述。其中，碰撞部位描述碰撞前瞬间汽车与行人的相对位置；碰撞角度采用行人与汽车运动方向间的夹角(按汽车纵向轴线计，顺时针方向为正)描述碰撞前瞬间汽车与行人的相对运动方向。

根据国外有关学者对汽车行人碰撞事故的统计分析研究结果^[12]，仿真研究中汽车与行人首次碰撞接触部位选取汽车前部中间及其左右两侧各1/3车宽区域，从而参数P取值可表示为

P={L_F,C_F,R_F}

其中，参数C_F、L_F和R_F分别表征汽车前部中间及其左右两侧各1/3车宽区域。

基于数学分析，若理论上将汽车行人碰撞过程中行人的运动轨迹视为关于被考察的任一影响因素(自变量)的广义连续函数曲线，则对于参数Θ，不加证明地选取

Θ={θ│θ=(n－1)45°,n∈N,n≤8}

能够满足分析的需要。式中，N代表自然数集。

综合以上分析，汽车与行人典型碰撞形态F取值可表述为

F={(L_F,Θ),(C_F,Θ),(R_F,Θ)}

3) 参数V_V。考虑到试验误差的影响，汽车对行人的碰撞速度V_V取值可表述为

V_V＝{v_v│v_v=10m,v_v ≤V_V^max,m ∈N}(km/h)

其中，N代表自然数集；V_V^max (km/h)为汽车最高设计车速。

4) 参数Z。仿真研究中仅讨论汽车行人碰撞前已实施完全制动和汽车行人碰撞接触过程中未实施制动两种状况，因此参数Z取值可表述为Z={0,φ}(φ为汽车轮胎与路面间纵向滑动附着系数)。

5) 参数V_P。由于行人的步行速度与行人的年龄、性别、体质、心境、出行目的、周围环境、交通流状况等诸多因素有关，而且在碰撞事故发生前瞬间，行人出于自我保护本能大多采取紧急避让措施，这使得被碰撞前瞬间行人的运动状态更加复杂多变(包括站立、行走、快走、慢跑、奔跑)。参照国内外学者对行人交通特性的相关研究结果^[13-16]，本项目选取行人在不同运动状态(站立、行走、慢跑、奔跑)下的平均速度进行仿真研究。行人对应不同运动状态的平均速度取值表述为V_P={0,5,13,20}(km/h)。

表1　单因素仿真试验方案 Tab.1　Simulation test scheme of single-factor
R, F, Z, VP = Const.
试验序号	VV / km/h	VP / km/h
1 2 ┆ n	10 20 ┆ VVmax	5 5 ┆ 5

综合上述分析与讨论，可知本项目仿真试验实际上是复杂的多因素试验。为便于考察单因素影响规律和实现对比分析，应将多因素变换为单因素进行仿真研究。本项目选取因素V_V为变量，反复设定因素R、F、Z、V_P水平为常量进行单因素仿真试验研究。单因素仿真试验方案(通用)见表1。

3　试验结果及分析

3.1　钝头型汽车与行人碰撞

钝头型汽车(如客车、平头货车等)前部与行人碰撞时，行人躯干甚至头部或整个身体直接与汽车前端接触，并沿着汽车运动方向瞬间被加速。由于汽车前端碰撞接触点高于行人质心，碰撞后行人将以极小的抛射角度呈拱形向汽车前方抛出，或近似沿着水平方向(抛射角为0°)被直接抛向前方(平抛运动)。在汽车与行人整个碰撞接触过程中，行人身体与汽车前部只发生一次接触，且行人质心相对汽车未产生后移，始终处于汽车碰撞点前方。

仿真试验研究表明，碰撞速度、制动强度、行人的行进速度以及碰撞形态各因素，对钝头型汽车与行人碰撞接触过程中行人运动状态及姿态的影响并不明显。高/矮头型汽车与儿童行人碰撞情形与此相同。

3.2　高/矮头型汽车与行人碰撞

高/矮头型汽车前部与成年行人碰撞时(汽车前端上缘/碰撞接触点小于或等于行人质心高度)，行人下肢相应部位(小腿/膝关节/大腿)首先与前保险杠向前凸起的对应部位接触。接触瞬间行人大腿/臀部与汽车前端相应部位(发动机罩前缘/翼子板前缘/散热器面罩等)接触。在汽车巨大的碰撞力作用下行人被加速向前，同时在汽车前端上缘附近作旋转运动(关于汽车横向轴线)。随着汽车继续前行，行人重心相对汽车后移(处于汽车碰撞点后方)，而相对地面则继续向前加速运动。如果此时行人未离开汽车前边缘，则将与汽车发生二次碰撞(典型碰撞包括头部/躯干与发动机罩/前风窗玻璃/A柱/顶盖接触)。随着汽车减速，行人在二次碰撞后开始与汽车分离，并以某一抛射角度呈拱形或近似沿着水平方向被抛向汽车前方。在空中翻转运动后，行人跌落撞击地面，然后滚动/滑行直至静止。

仿真试验研究表明，高/矮头型汽车与行人碰撞时，行人的运动学过程及特征与钝头型汽车碰撞时的情形相比则要复杂得多。行人运动状态及姿态受碰撞速度、制动强度、行人的行进速度以及碰撞形态等因素的影响程度及规律各不相同。

3.2.1　碰撞次数/车速阈值

高/矮头型汽车前部与行人碰撞时，行人身体与汽车至少发生1次碰撞，且碰撞次数及其接触部位与汽车制动强度、碰撞速度、行人行进速度以及碰撞形态等因素有关。显然，这与钝头型汽车前部碰撞行人时的情形不同(行人与汽车前部仅发生1次接触)。分2种情形进行分析。