车辆前端造型对行人胸部损伤影响研究

Study on effect of vehicle front-end styling on pedestrian thorax injury

摘要

为了研究行人胸部的损伤机理和车辆前端造型对行人胸部损伤的影响，建立了不同发动机罩前缘高度（BLEH）、发动机罩角度（BA）的车辆与不同姿态的THUMS行人人体模型碰撞的30个仿真案例，提取了行人胸部的碰撞速度，通过肋骨应变值计算出行人胸部的损伤风险.研究结果表明，不同BLEH的车辆与行人碰撞时，行人的运动模式和行人胸部的损伤部位不同.BLEH=950 mm是行人全身倾倒工况和全身推倒工况两种运动模式的切换点.随着BLEH的增加，行人胸部的碰撞速度和胸部的损伤风险先减小后增加；随着BA的增加，行人胸部的碰撞速度和胸部的损伤风险也增加.此外，分析了车辆前端造型对行人胸部损伤的影响规律，研究结果可为车辆安全性设计提供理论依据.

Abstract

To study the injury mechanisms of pedestrian thorax and the influence of vehicle front-end styling on such injuries， this paper sets up 30 simulation cases of vehicles with different bonnet leading edge heights （BLEH） and bonnet angles （BA） colliding with THUMS pedestrian models in various postures. It extracts the thorax impact velocity and calculates the thorax injury risk by rib strain. The results show that the pedestrian’s movement pattern and the injury site of the thorax are different when vehicles of different BLEH collide with the pedestrian. The BLEH of 950 mm is the switching point of the two motion modes of the pedestrian in the full-body toppling condition and the full-body pushing condition. With the increase of BLEH， the impact speed of the thorax and the injury risk of the thorax first decrease and then increase. Conversely， as BA increases， both the impact thorax speed and the injury risk increase. Additionally， this paper analyzes the impact of vehicle front-end styling on pedestrian thorax injuries， and the results can provide some reference for vehicle safety design.

Graphical abstract

关键词

行人碰撞 / 胸部损伤 / 车辆前端造型 / 有限元仿真

Key words

pedestrian collision / thorax injury / vehicle front-end styling / finite element simulation

行人是汽车交通事故中弱势道路使用者.根据世界卫生组织统计，2021年道路交通死亡人数为119万人，每年行人死亡的人数占交通事故死亡人数的23%^［1］.在汽车碰撞事故中，胸部损伤是行人的主要损伤类型之一，是仅次于头部损伤的第二大致命性损伤^［2-4］.通过对比德国和中国的深度事故数据库（GIDAS/CIDAS），发现中国行人AIS2+胸部损伤的比例比德国高出约12%^［5-6］.

在目前的行人保护测评与防护中，主要关注头部和腿部的损伤，对胸部的损伤机理研究不够深入，另外也没有针对行人胸部损伤的测评方法^［7-8］.在仿真分析中，韩勇^［9］使用THUMS行人有限元模型分析了行人与中型轿车、微型车、one-Box和SUV碰撞时的胸部动力学响应、胸部变形模式和肋骨压缩量.结果表明，车辆前部结构的形状对行人的运动学和运动学响应有显著影响，并且车辆前部结构的刚度分布是影响胸部压缩量和变形模式的主要因素.Zander等^［10］基于ES2假人胸部研发了胸部冲击器（thorax injury prediction tool， TIPT），并将车型分为轿车和SUV两类定义不同的冲击器发射参数.Chinmoy等^［11］采用人体模型和TIPT模型研究了车辆和行人不同参数对胸部损伤的影响.结果表明，车辆的发动机罩前缘高度越高，胸部对发动机罩的撞击速度越小. Jani等^［12］采用THUMS行人有限元模型，研究了行人胸部损伤的影响因素.结果表明，车辆类型对行人胸部肋骨骨折的位置影响较大.在行人事故数据方面， Tyndall^［13］基于美国国家公路交通管理局碰撞报告抽样系统（CRSS）和加拿大车辆规范档案文件（CVS）中的事故数据，分析了车辆尺寸对行人死亡概率的影响.结果表明，大型车辆导致行人死亡率较高，车辆前端高度增加10 cm，行人死亡风险增加22%，车辆前端高度对行人的死亡风险有显著的影响. Edwards等^［14］统计了2016年至2018年美国伊利诺伊州的车祸数据，分析了车辆类型对胸部损伤的影响.结果表明，大型机动车事故数量占比小，但是对行人以及骑行者胸部的损伤更严重.

综上所述，车辆的前端造型对行人胸部的运动和损伤响应有显著的影响.因此，通过车辆-行人碰撞的全矩阵仿真得出不同的车辆前端造型对行人胸部损伤风险的影响规律，对车辆开发中的行人防护安全性的提升有重要意义，同时也可以为行人胸部冲击器的试验评价与胸部损伤防护设计提供支撑.

1 研究方法

1.1 模型设置

为了减少车辆其他因素带来的干扰，采用参数化的简易车辆模型来研究车辆对行人胸部损伤的影响规律.模型仅包括前保险杠和发动机罩结构，车辆表面结构设置为刚性材料，在保险杠区域通过弹簧和阻尼单元与质量点连接模拟车辆保险杠沿横向的刚度，车辆总质量为1 433 kg.简易车辆模型中可调节的前端造型参数有发动机罩前缘高度（bonnet leading edge height， BLEH）、发动机罩角度（bonnet angle， BA），可以参数化地生成不同BLEH和BA的车辆模型，模型如图1所示.

行人模型采用THUMS V4.02 50百分位男性，站立姿态为TB024和SAE两种标准姿态^［15-16］，行人为静止站立姿态，如图2所示.每个简易的车辆模型以一定的速度与行人的右侧相撞.车辆与行人、行人与鞋、鞋与地面、车辆与地面的摩擦系数设置为0.2.

参考Decker等^［17］的方法来验证简易车辆-行人碰撞模型.车辆模型设定以50 km/h速度与行人模型发生碰撞，在行人头部（HC）、第12胸椎（T12）和髋关节处（AC）定义三个传感器.将三个传感器的运动轨迹与提供的参考通道（EuroNCAP 2018b）进行对比.如图3所示，简易车辆模型显示的运动响应数据均在可接受的公差范围内.简易车辆模型的准确性和可靠性得到验证.

1.2 输出设置

在每个碰撞案例中，输出碰撞过程中行人胸部与发动机罩碰撞时被撞侧每根肋骨皮质骨的最大第一主应变.图4为胸部第8胸椎位置.输出胸部第8胸椎的速度曲线^［18］，将行人分为头颈部、肩、肘及上臂、前臂、胸部、腹部、髋部、上腿、膝关节及以下共九个部分，分别定义与车辆的接触，输出行人不同部位与车辆的接触力曲线.

1.3 仿真矩阵设置

2022年中国汽车市场销量前十的轿车和SUV车辆前端造型参数的范围为^［18］： BLEH （650~1 250 mm）、BA（10°~20°），据此设置不同BLEH、BA参数进行仿真^［19］.在行人碰撞事故中，碰撞时车辆速度集中在30~60 km/h.并且基于中国保险汽车安全指数实施的对车外行人腿部和头部的保护规程^［8］，将车辆碰撞速度设定为40 km/h.构建30个案例的仿真矩阵，分析车辆前端造型对行人胸部损伤的影响，如表1所示.

2 研究结果

2.1 行人运动响应分析

图5展示了BA=10°时，不同BLEH的车辆与TB024姿态下行人的碰撞过程.

当BLEH≤950 mm时，行人下肢首先接触到发动机罩前缘，然后是腰部接触到发动机罩前端，接着手肘部接触到发动机罩，随后肩部和胸部绕着发动机罩向下旋转，行人发生倾倒撞击到发动机罩上.在BLEH=650 mm时，胸部与车辆接触的时间约为150 ms，上胸部和肩部先与车辆发生碰撞.随着BLEH的增加，胸部的接触时间提前，并且接触时行人腾空趋势减缓.在这种运动响应下，行人的运动为全身倾倒的工况，胸部通过吸收基于自身速度与车辆速度之间的相对速度的动能完成碰撞.

当BLEH>950 mm时，行人腰部直接与发动机罩前端碰撞，然后手肘部首先接触到发动机罩前缘，同时胸部的下部接触到发动机罩前端，随后肩部绕着发动机罩向下旋转，并撞击到发动机罩上.在BLEH为1 100 mm时胸部的接触时间为50 ms左右，并且胸部的下部先与车辆发生碰撞.行人的运动为全身推倒工况，胸部速度达到车辆速度的时候完成碰撞.

在全身倾倒工况中，行人胸部发生碰撞后，头部发生摆动，腰椎受其影响，车辆与胸部的相对速度所产生的动能由人体胸部吸收，进而引发胸部损伤.在全身推倒工况中，行人整个胸部受到来自车辆对全身的力，包括在胸部速度达到车速的过程中整个胸部受到的伤害.随着BLEH的增加，行人的腰部运动受到影响，行人的运动模式发生改变.

如图6所示，BLEH=950 mm是行人全身倾倒工况和全身推倒工况两种运动模式的切换点.TB024和SAE两种姿态下，行人的运动模式一致.

2.2 胸部碰撞速度分析

图7和图8展示了BA=10°，行人为TB024姿态时，不同BLEH的车辆与行人碰撞时胸部T8相对于车辆的速度曲线.与车辆运动方向相反的水平方向为x正向，相对于车辆垂直向上运动的方向为z正向.

当车辆与行人接触，x向速度逐渐减小，然后基本保持不变或增大.当胸部的上部与车辆相撞时，x向速度再次有一个较大的减速.随着BLEH的增加，车辆与行人的接触面积增加，对行人的推向作用更加明显，导致x向的减速更大.

BLEH对胸部T8的z向速度曲线有显著的影响.当BLEH较大时，z向速度曲线相对平坦.当BLEH较小时，z向的加速过程更长，在手肘接触发动机罩后速度经历了先减小后增大的过程.

图9展示了BLEH=650 mm时，不同BA的车辆与行人碰撞时胸部T8相对于车辆的速度曲线.当BLEH≤950 mm，即全身倾倒工况下，在手肘接触发动机罩之前，BA的变化对胸部T8的x和z向的速度基本没有影响.随着BA的增大，手肘与发动机罩接触的时刻提前，胸部T8的x和z向的速度也提前减小.当BLEH>950 mm，即全身推倒工况下，BA角度的变化对胸部T8的速度没有影响.

提取30个仿真案例中行人被撞侧手肘处与发动机罩接触时刻胸部T8的速度，分析不同BLEH和BA的车辆对行人胸部碰撞速度的影响.图10展示了行人TB024和SAE姿态下，不同BLEH对胸部碰撞速度的影响.随着BLEH的增加，胸部的x向和z向的合成碰撞速度先减小后增大.BLEH=950 mm时，胸部的碰撞速度最小.在全身推倒工况中，BLEH达到最大 1 250 mm时，行人整个胸部受到来自车辆对全身的力，胸部的碰撞速度基本与车辆的初速度一致.当BLEH<950 mm时，车辆BLEH与胸部接触碰撞速度呈反比.Chinmoy等^［11］研究的通用车辆模型BLEH均在1 000 mm以下.所以这与Chinmoy研究的结果一致.

图11展示了行人TB024和SAE姿态下，不同BA对胸部碰撞速度的影响.随着BA的增加，胸部的x向和z向的合成碰撞速度呈现增加的趋势.当BLEH达到最大1 250 mm时，胸部的碰撞速度基本不受BA变化的影响.

2.3 胸部损伤机理分析

不同BLEH车辆撞击行人时，行人胸部的损伤部位不同，肋骨的皮质骨应变情况也不同.

对行人TB024姿态的车辆-行人碰撞的仿真CASE进行分析，对于BLEH≤950 mm的车型，即全身倾倒工况下，行人腿部先与发动机罩前缘接触，随后是腰部，随着行人的旋转，其肩膀也与车辆碰撞，胸部被手臂挤压，肋骨右前位置显著变形，最大应变位于第2根肋骨~第4根肋骨的后右侧，如图12（a）所示.

对于BLEH=1 100 mm的车型，即全身推倒工况下，首先行人胸部的第9根、第10根肋骨与发动机罩前缘发生碰撞，导致肋骨的显著变形，最大应变位于第9根、第10根肋骨的右后方，如图12（b）所示.当胸部旋转时，行人肩部也会与车辆相碰撞，手臂会挤压胸部，导致第3根肋骨发生显著变形，此时最大应变位于第3根肋骨的右后侧，如图12（c）所示.

对于BLEH=1 250 mm的车型，刚开始行人胸部就与车辆发生碰撞，行人整个胸部从车辆受到全身的力的输入，因此胸部与车辆之间的碰撞速度更高，整个胸部主要与发动机罩的前缘发生碰撞，第4根肋骨到第10根肋骨产生明显变形和较大的应变，如图12（d）所示.

车辆BLEH的变化对行人的胸部损伤部位有显著的影响.这与Jani等^［12］的研究结果一致. Jani等的研究结果表明，轿车碰撞行人，行人胸部肋骨骨折主要集中在第2根肋骨；SUV碰撞行人，行人胸部肋骨骨折主要集中在第2、7、10根肋骨.

2.4 胸部损伤风险分析

参考Forman等^［20］在THUMS模型中提出的肋骨应变的损伤风险曲线和提取的每个仿真案例中12根肋骨的最大应变值，计算胸部3根以及上肋骨骨折的概率值（number of fractured ribs 3+， NFR3+）^［21-22］，以此来研究车辆不同的BLEH、BA对行人胸部整体损伤风险的影响.具体方法如下：

1） 根据皮质骨应变损伤风险函数和肋骨最大应变值，计算每根肋骨的骨折风险；年龄取65岁.

\mathrm{W}\mathrm{e}\mathrm{i}\mathrm{b}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{l}\_\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{k}(\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{n},\mathrm{A}\mathrm{G}\mathrm{E})=

\mathrm{1}-\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left(-{\left(\frac{\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{n}}{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left({\beta }_{\mathrm{0}}+{\beta }_{\mathrm{1}}\cdot \mathrm{A}\mathrm{G}\mathrm{E}\right)}\right)}^{\alpha }\right)（1）

式中：α=3.356 2； β₀=-3.066 5；β₁=-0.017 9；strain为肋骨应变值；AGE为年龄.

2） 使用泊松二项模型（也称为广义二项模型），结合单根肋骨骨折概率来计算选定数量肋骨骨折的概率.

P_{\mathrm{r}}\left(X\right)={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^{\left(\begin{array}{l}N\\ X\end{array}\right)}}\left(\prod _{j\in C_i}{p}_j\right)\left(\prod _{k\in {\overline{C}}_i}\left(\mathrm{1}-p_k\right)\right)（2）

式中：P_r（X）是指胸部有X根肋骨骨折的概率值；p_j，p_k 为第j，k根肋骨发生骨折的概率；N=12为人体胸部肋骨的总数量；C_i 为“恰好有X根骨折”的第i种肋骨集合（集合中为X根骨折肋骨的编号）；{\overline{C}}_i为C_i 在肋骨全集［1，2，3，4，…，N］中的补集，即全集中未被C_i 选中的肋骨集合.

其中\left(\begin{array}{l}N\\ X\end{array}\right)表示从N根肋骨中选取X根肋骨骨折的所有方案数：

\left(\frac{N}{X}\right)=\frac{N!}{X!\left(N-X\right)!}（3）

则胸部≥Y根肋骨骨折的概率可用式（4）表示.

P\left(\ge Y\right)=\mathrm{1}-{\displaystyle \sum _{X=\mathrm{1}}^{Y-\mathrm{1}}}{P}_{\mathrm{r}}\left(X\right)（4）

式中：P（≥Y）是胸部≥Y根肋骨骨折的概率.

图13为不同BLEH的车辆对行人胸部损伤风险NFR3+值的影响，随着BLEH的增加，NFR3+风险基本呈现先减小后增加的趋势，这与行人胸部T8位置的碰撞速度趋势基本一致.当BLEH为950 mm时，行人的腰部先接触到发动机罩前缘，行人绕腰椎旋转，胸部几乎不与发动机罩接触，胸部的碰撞速度最小，因此行人胸部的损伤最低.

图14为不同BA的车辆对行人胸部损伤风险NFR3+值的影响，随着BA的增加，NFR3+值基本呈现增加的趋势，行人的胸部损伤逐渐增大.当BLEH达到一定高度时，NFR3+的风险达到100%，然后保持不变.

在TB024姿态下，BLEH=800 mm，BA=20°条件下的仿真案例，NFR3+值异常偏低，不符合这一变化趋势.主要原因是在BLEH=800 mm时，随着BA角度的增加，行人手臂提前和发动机罩接触，胸部与发动机罩的最大接触力变小，因此胸部的受力较小，导致胸部的损伤较小，NFR3+值较低.在SAE姿态下，行人胸部与发动机罩接触时，手臂的位置对行人胸部的损伤也有很大的影响.由于手臂的影响，相比于TB024姿态，SAE姿态的行人肩部与发动机罩的接触力较小，行人肘及上臂与发动机罩的接触力较大.

图15和图16分别为车辆BLEH=650 mm， BA=10°时，行人TB024与SAE姿态下，被撞侧肋骨出现最大应变时的应力云图和肩部与上臂的接触力曲线图.从图16可以看出，此时行人胸部主要受肩部的力的作用.TB024姿态下，出现肋骨最大应变的时刻为165 ms，此时肩部与车辆发动机罩的接触力为 2 122 N；SAE姿态下，出现肋骨最大应变的时刻为165 ms，此时肩部与车辆发动机罩的接触力为532 N.因此在BLEH=650时，BA=10°时，SAE姿态下的行人胸部的损伤较低.

3 结 论

本文通过一系列不同BLEH和BA的车辆-行人碰撞的仿真和对比，研究了车辆造型因素对行人胸部损伤的影响，得出以下结论：

1）不同BLEH的车辆与行人碰撞时，行人的运动模式不同.当BLEH≤950 mm时，行人的运动模式为全身倾倒工况；当BLEH>950 mm时，行人的运动模式为全身推倒工况.

2）不同BLEH和BA的车辆对行人胸部的碰撞速度不同.随着BLEH的增加，胸部碰撞速度先减小后增大.随着BA的增加，胸部的碰撞速度呈现增加的趋势.当BLEH达到最大1 250 mm时，胸部的碰撞速度基本不受BA变化的影响.

3）不同BLEH的车辆造成行人胸部的损伤部位不同.BLEH≤950 mm的车型，行人胸部的损伤主要集中在第2~第4根肋骨；BLEH=1 100 mm的车型，行人胸部的损伤主要集中在第3、9、10根肋骨；BLEH= 1 250 mm的车型，行人胸部的损伤主要集中在第4~第10根肋骨.不同的BA对行人胸部的损伤部位没有明显影响.

4）对于不同BLEH和BA的车辆，行人胸部的损伤风险明显不同.随着BLEH的增加，行人胸部的损伤呈现先减小后增大的趋势.随着BA的增加，行人胸部的损伤风险也增加.

实际碰撞事故中，车辆的参数和行人的姿态多种多样，都有可能影响到行人胸部的损伤位置和风险大小，这些结论还需要真实事故进行验证.由于中国人体模型AC-HUMS还没有开发出胸部的损伤风险曲线，所以本文采用THUMS模型进行研究.在后续的研究中，也将采用AC-HUMS模型进行对比研究，使行人损伤研究更具有工程价值.

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基金资助

国家重点研发计划项目(2022YFB4300101)

National Key Research and Development Program of China(2022YFB4300101)