摘要：行人—车相撞事故造成的人头部损伤研究的对于改进汽车车身设计，保护行人安全有重要的意义。介绍了国内外交通事故中行人头部损伤研究的进展情况，以及欧洲车辆安全促进会(EEVC)行人头部保护的法规有关内容和测试方法。回顾了近年来各国在研究行人头部损伤方面的实验、仿真研究。对出现的几种行人头部保护策略进行了简要介绍和分析。
关键词：行人保护 头部损伤 撞击
1 引 言
过去三十年中，各国的立法机构和汽车制造厂商在汽车乘员的保护方面已做了大量工作，使得交通事故中涉及乘员的伤害无论在数量上还是在严重性上都不断减小[1]。相比起来，行人的保护问题长期以来却一直没得到足够的关注。虽然20 世纪70 年代后期已出现对涉及行人的车辆事故的调查研究，但直到最近才在行人保护方面做了大量努力[2,3]。
调查结果表明：行人与车相撞的过程中50%以上是与轿车相撞[4]。大部分交通事故发生在行人横穿马路时。交通事故中头部碰撞伤害的发生率高达54%，因为头部撞击损伤的危害性极大，死亡率高，因此，研究人的头部不同形式碰撞的伤害机理、伤害极限，头部碰撞载荷下的机械响应特性就成了行人保护研究的重要内容之一。
2 EEVC 测试法中的头部损伤测试方法
1990 年，在EC(欧洲委员会)的委托下，成立了一系列欧洲汽车安全机构。在这些机构的努力下，开发了一套精确的、可重复的行人撞击试验程序。如图1 所示，来模拟典型的行人－车辆碰撞事故[5,6~8]。1996年欧洲委员会提出了一个名为III/5021/96EN 的草案[9,10]，建议将此草案用于2000 年后的新车，到2003 年在所有的车上使用。目前的法规提出了三种不同的测试方法：
图1 EEVC 第10 工作组的碰撞试验子过程
(1) 一自由度的行人腿部碰撞模型与汽车保险杠及车身前部的碰撞；
(2) 大腿碰撞模型与汽车发动机罩/散热器罩前端的碰撞；
(3) 头部（包含成人及儿童的）碰撞模型与汽车发动机罩板的碰撞。
法规中用两种不同尺寸的头部模型以不同的角度和位置撞击发动机罩板来分别模拟成人与儿童不同的撞击情况。成人头部撞击角度为65 度，儿童为50 度；
1998 年，EEVC 的第17 工作组对子撞击模型作了一些修正[11]。其中，头部部分主要有：
(1) 改变头部模型的材料以提高其耐久性，将头部模型的蒙皮厚度由7.5mm 加到了12.5mm，以避免结果过度振荡。
(2) 改进头部模型检验方法以更好的反映实际撞击过程。如图2 所示，1kg 的铝制冲击器以7m/s 的速度撞击头部模型，要求头模型的合成加速度峰值介于300 倍～330 倍的重力加速度之间。
(3) 重新定义了儿童头部的撞击区域，避免与大腿撞击实验的区域重叠。
(4) 重新定义了发动机盖板的后边界，避免与挡风玻璃的碰撞。
(5) 降低实验撞击速度容许误差，减小结果波动，实验速度仍为11.1 m/s，但容许误差降低为± 0.2m/s。
(6) 头部损伤指标以HPC（Head Performance Criterion）值代替HIC。HPC 值是在时间—加速度历程曲线上加15ms 的时间窗后得到的HIC 值。
图2 EEVC 第17 工作组头部模型检验试验过程
3 头部损伤的实验与仿真研究
调查显示：引起行人交通事故的车辆70%～80%是轿车[12]，其中70%的行人是与汽车的前面相撞的，伤害的主要部位是头部和腿，对头部的伤害主要是汽车发动机罩和前挡风玻璃。
从20 世纪70 年代末期开始，已做了大量关于人体损伤的试验[13~15]。许多的试验研究证明了福特和大众汽车对人体的伤害不同。汽车前部的形状会影响行人在受到撞击时的运动响应，因此会影响到人体的伤害[16]。
Susan.W[17]对模拟行人头部损伤的头部撞击试验程序作了总结和介绍，随后 Thomas.F[18]和Minoru.S[19]对行人头部和发动机罩中央部位的碰撞试验过程作了具体的介绍，从美国12 种样车的试验结果分析中，得到了发动机罩板对头部撞击的HIC 值。
日本学者Koji Mizuno[20~22]根据交通事故的统计资料，讨论了头部撞击位置和损伤之间的关系，并依据行人头部撞击试验的数据，得到头部与发动机罩、前挡风玻璃以及它们的边缘碰撞时的HIC 值，评价了头部伤害的危险程度。
Atsuhiro[12]和Yasuki[23]分别作了头部撞击发动机罩的有限元数值仿真，同时和试验结果进行了对比。而文献[24,25]中介绍了假人的开发以及汽车结构设计应采取的保护行人的措施。文献[26~28]中介绍了有限元方法建立头部的分析模型，得到脑的应力和压力分布。主要研究了人体各部位在不同形式碰撞中的伤害机理、人体各部位的伤害极限、人体各部位对碰撞载荷的机械响应特性，以及碰撞试验用人体替代物。文献[29]中介绍了建立行人2D 有限元模型研究车-人事故中头部撞击响应。然而，2D 模型不适合用来对碰撞情况下行人的动态响应进行仿真。从一个在复杂的空间运动中被撞击的行人中得出结论如下：①行人不同的初始状态；②行人和移动的汽车之间相关的运动中，对身体各部分的连续的撞击；③身体各部分重心的3D 分布都影响着撞击响应的结果，与3D 运动相关的一些伤害参数不能由2D 数学模型分析得出。采用行人3D 有限元模型分析汽车前端参数对行人伤害的影响，用生物机械数据来描述此模型，在模拟的车-人碰撞动态响应中，这些结果更能反映出真实的响应。
现在，有许多商用有限元软件广泛应用于行人保护方面的研究工作，如PAM-CRASH，DYNA3D，MADYMO 等[30]。MADYMO 所采用的头部冲击器可表示儿童或成人的头部。如图3 所示，他们是半刚性材料组成的球状物体，外包一层橡胶。橡胶皮由有限元建模，橡胶皮与内钢球之间，皮与板之间的摩擦由MADYMO 内部的标准接触算法描述。模型检验标使用的是WG10 标准，即头部模型从376mm 高处自由下落，要求加速度峰值介于225G 与275G 之间，如图4 所示。 
图3 头部冲击器模型 图4 头部冲击模型测试[48]
我国在2001 年刚刚出台了行人保护试验法规，对行人保护的研究尚处于起步阶段。清华大学陆秋明和黄世霖[31]应用多体系统动力学方法开发了交通事故三维模拟计算软件系统MUL3D，并运用该软件系统对发生在北京的一次真实的车辆撞行人的交通事故进行了模拟计算，得出的结果与真实事故中的被撞行人的运动姿态接近。但是该研究关注点与行人保护的要求不同，不能评价车身结构对行人损伤的影响和损伤程度。哈尔滨工业大学赵桂范[32～36]等用数学方法和计算机仿真等方法对行人保护问题，特别是头部撞击响应问题进行了大量系统的研究。
因为行人保护的复杂性和重要性，对其研究已连续进行了许多年。对损伤机理的理解并发现引起损伤的相关因素是很重要的。因此，应着重于车体结构的设计以减轻事故中损伤程度。
过去对汽车的行人保护功能的研究一般是：
(1) 行人事故数据的细节研究。这些研究在比较现有的汽车设计以及提供伤害数据方面有用，但是不能为将来的汽车设计提供帮助。
(2) 采用实验手段研究汽车与假人和尸体的碰撞。碰撞的计算机数值仿真。
(3) 计算机仿真相对比较便宜，但是现实性最差。
4 具有头部保护作用的车身结构研究进展
行人和车相撞，如何最大限度地保护行人安全，除了要求行人和车遵守交通法规之外，汽车结构具有保护行人功能的要求也是必要的。近年来，美国、日本、欧洲等各国一方面积极制定行人保护试验的法规4,5]，同时积极在近几年批量生产的汽车中采用具有行人保护功能的车体结构[37,38]，为行人的安全提供了保证。
Howard B.Pritz[1]通过对大量的车辆—行人的撞击结果的分析，对汽车的相关结构进行了重新的定义，以减小车辆-行人碰撞时的行人的加速度。但是这个结构对于头部落入罩板边缘的情况是很不利的。文献[2]中也介绍了二种示的发动机罩板的结构设想。图5 是在发动机罩板的铰链处加吸能结构。用于提高前挡玻璃下边缘和罩板铰链处的吸能，保护落入这个区域的头部免遭撞击损伤。图6 结构是罩板加衬板的方法，这种方法对于头部落入吸能区域外的情况，头部的撞击损伤不会得到改善。
图5 罩板铰链处的吸能结构 图6 罩板加衬板的结构
文献[6]中对比了相同的HIC 值三种波形的加速度(图7)所需要的发动机盖板的挠度，结果表明，在不提高HIC 值的前提下，要减小变形，则应该使头部的加速度波形尽量接近第一种波形。进而，推荐了一种发动机盖板结构：在发动机和盖板之间加入合适的内衬板，来控制头部的加速度波形，使之具有接近于第一种波形的加速度波形。如图8 所示。
图7 三种加速度波形 图8 加速度波形控制发动机盖板实例
另一种是一个“后沿自升式盖板”。当汽车与行人发生撞击时，汽车上的传感器将信号传递给相应的控制单元，而后驱动一定的动力系统，在头与发动机盖板接触前，将其后边沿升起一定的高度以提供足够的吸能空间。文献中还提供了头部与车身A 柱的撞击案例。并推荐在相应位置安装安全汽囊的方法。
5 结束语
行人保护的工作虽然在国内外已广泛开展，但到目前为止，尚无成熟的产品。还有许多工作。主要集中在下列方面：
(1) 进一步发展撞击生物力学，以提出更为合理的损伤标准和测试方法。
(2) 在不牺牲车辆空气动力性的基础上，进一步改进汽车前端形状，以合乎行人保护的需要。
(3) 更为合理的、实用的有保护行人头部的车身结构的研究和设计工作。
参考文献
1 顾力强, 林中钦. 国内外汽车碰撞计算机模拟研究的现状及趋势. 汽车工程,1999, (21):1～11
2 Hirotoshi Ishikawa, et al. Computer Simulation of Impact Response of the Human Body in Car-Pedestrian Accidents. SAE 933129
3 J.Wismans, R.Happee, Pedestrian protection full-body simulations, dummy validation, VDA Technical Congress, Sindefingen, Germany, 1999, pp.21～29
4 佐佐木 彰. 步行者保護試驗に關する規格作成及び規制の動向. 自動車技術. 1999，(53)11:54～59
5 European Experimental Vehicles Committee. Proposals for Methods to Evaluate Pedestrian Protection for Passenger Cars. EEVC Working Group 10 Report. 1994
6 Jerry J. Eubanks W.R. Height Pedestrian Involved Traffic Collision Reconstruction Methodology. SAE 921591:1393～1406
7 Annette L. Irwin and Harold J. Mertz Biomechanical Bases for the CRABI and Hybrid Ⅲ Child Dummies. SAE 973317:1～12
8 西本 哲也.村上 成之.コンピュータバイオメカニクスによゐ頭部傷害の預測. 1998, 52(4)
9 Mike Dickise. Development of Passenger Car to Minimizes Pedestrian Injuries. SAE 960091
10 Tetsuo Maki, Toshiyuki Asai, Development of pedestrian protection technologies for ASV, JSAE Review 23 (2002) 353～356
11 European Experimental Vehicles Committee. Improved test methods to Evaluate Pedestrian Protection Afforded by Passenger Cars. EEVC Working Group
17 Report. 1998
12 Atsuhiro S，Hirotoshi I and Robert K. Computer Simulation of Impact Test for Pedestrian Protection. Vehicle Technology. 1998, 52(4): 37～42
13 Tani. M, Emori R. L. A. Study on Automobile Crashworthiness. SAE 700175
14 S. J. Ashton, J. B. Pedder and G. M. Mackay. Pedestrian Injuries and the Car Exterior. SAE 770092
15 Howard B.Pritz. Experimental Investigation of Pedestrian Injury Minimization Through Vehicle Design. SAE 77095
16 David W. Twigg and James L. Touchier Optimal Design of Automobiles for Pedestrian Protection. SAE 770094
17 Susan W，Enouen. The Development of Experimental Head Impact Procedures for Simulating Pedestrian Head Injury. SAE 1988, 7888(6): 747～765
18 Thomas F, Macl A and Johu F. W. Pedestrian Head Impact Against the Central Hood of Motor Vehicles-Test Procedure and Results. SAE. 1990,2315(3)：1729～1737
19 Minoru S, Kzushige K and Hirotoshi I. Experimental Consideration on Head Form Impact Test for Pedestrian Protection. SAE, 1993,0095(1)：79～85
20 Koji M, Janusz K, Toshiki A. Influences of Vehicle Shape on Injuries in Vehicle-Pedestrian Impact. JSAE Convention Proceedings. 1999, 30（4）：55～60
21 Koji M, Hideli Y, Janusz K. Relation Between Head and Impact Location in Car-Pedestrian Impacts. JSAE Ed. Conference of Vehicle Technology. 1999, 67～72
22 Koji M, Hideki Y, Janusz K. The Study of Injury Risk to the Pedestrian Head Based on Head form Impact Test. In: JSAE Ed. spring Convention Proceedings. 1993, 9～12
23 Yasuki M, Tetsuo M, Toshiyuki A, Miaki T. Development of FEM Models of Imp actors for Pedestrian Impact Test. In: JSAE Ed. spring Convention Proceedings. 1999：9～12
24 Akihiko A. Development of Pedestrian Dummy and Body Structure for Reducing Pedestrian Injury. Vehicle Technology. 1999 ,53（11）：60～64
25 Suguru Y，Norio I , Akio T , Iwao I .Development of a Body Structure for Reducing Pedestrian Injury. In: JSAE Ed. spring Convention Proceedings. 1999, 1～4
26 J.S.Ruan ,T.Khalil，A. L. King. Human Head Dynamic Response to Side Impact by Finite Element Modeling. Journal of Biomechanical Engineering. 1991,113(2)：276～283.
27 Kazunari U, John W. Melvin. Finite Element Model Study of Head Impact Based on Hybrid III. Journal of Biomechanical Engineering. 1995,117（2）：319～328
28 J.S.Ruan, T.Khalil A. L. King. Dynamic Response of the Human Head to Impact by Three-Dimensional Finite Element Analysis. Journal of Biomechanical Engineering. 1994,116（3）：44～51
29 Atsuhiro Konosu, Hirotoshi Ishikawa, Robert Kant. Development of Computer Simulation Models for Pedestrian Subsystem Impact Tests. JSAE Review 2000, (21):109～115
30 王瑄, 李宏光, 赵航. 现代汽车安全. 北京：人民交通出版社, 1998: 5
31 陆秋明, 黄世霖. 汽车撞行人模拟计算研究. 汽车工程，1999,21(3): 129～133
32 Zhao Guifan,Tan HuiFeng,Du XingWen.Method of Model Analysis for Flexible Head Impact with Elastic Plane. Applied Mathematics and Mechanics.2003, 24 (3)
33 赵桂范，谭惠丰，杜星文. 头部撞击发动机罩板的损伤分析. 哈尔滨工业大学学报
34 赵桂范，谭惠丰，杜星文. 柔性头颅柔性撞击弹性板的动态响应分析. 应用数学和力学
35 赵桂范，宋宏伟，杜星文. 头颅撞击发动机罩板的危害性研究. 汽车技术
36 刘晓锋，赵桂范，杜星文. 行人在受到车辆撞击时的运动模拟. 哈尔滨工业大学学报
37 秋山 朗彥. 步行者保護を目的とした車體構造と步行者ダミーの開發. 自動車技術. 1999，53(11):60～64
38 Melvin J.W, Robbins D.H, Benson J.B. Experimental Application of Advanced Thoracic Instrumentation Techniques to Anthropomorphic Test Devices. Proc.7th ESV Conf, U.S. 1980(end)
|
