高速公路汽车追尾碰撞乘员安全性研究

第２５卷第８期２００８年８月

公路交通科技

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文章编号：１００２—０２６８（２００８）嘴＿０１４６－０４

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速公路汽车追尾碰撞乘员安全性研究

周

炜１’２，张天侠１，崔海涛２，赵

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（１．东北大学，辽宁沈阳１１０００４；２．交通部公路科学研究院，北京１０００８８）

摘要：研究高速公路汽车追尾交通事故中前车乘员颈部运动及其损伤形态，即挥鞭效应。采用有限元动态仿真技术模拟汽车追尾碰撞过程，仿真与试验结果进行对比验证，对应的特征参数基本一致。利用仿真结果分析汽车追尾事故中前车假人颈部的运动损伤特性，并进行安全性评价。结果表明，前车假人颈部的最大前屈和后屈转矩都在评价标准的安全范围之内，但已经接近临界值。研究的结果主要应用于汽车的安全性设计、道路的安全设施配置和交通安全管理等领域。

关键词：汽车工程；乘员安全性；追尾碰撞；有限元仿真；挥鞭效应中图分类号：Ｕ４７１．１

文献标识码：Ａ

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根据统计，汽车追尾在交通事故中占３０％．４０％，追尾事故所造成的人员伤亡占总损伤的６０％。

汽车在高速公路上单向、高速行驶以及同向超车，追尾碰撞是交通事故的主要形态之一。经常发生

人的头颈部相对脆弱，头颈部位的损伤在汽车追尾事故中发生频繁，而且产生严重的伤害结果。交通管理

的连环追尾事故，尤其是轿车、货车、客车混合连环追尾，将普通的道路交通事故演变为恶性的重、特大交通事故，经济损失大，伤亡率高…。

收稿日期：２００ｒ７钾一ｌＯ

基金项目：交通部西部交通建设科技资助项目（２００５０３１８２２３笼）

部门调查数据显示，３０％以上的追尾事故中驾驶员有

颈部损伤的报告ｂＪ。

为了减少追尾事故以及降低事故对乘员伤害程

作者简介：周炜（１９６７一），男，内蒙古巴彦淖尔盟五原县人，博士．副教授，研究方向为汽车安全．（ｗ．出ｍ＠ｒｉ０ＩＩ．ｍ）

万方数据　

第８期

周炜，等：高速公路汽车追尾碰撞乘员安全性研究

１４７

度，汽车实车试验是追尾道路交通事故最直观的模

拟，具有其他研究方式不可替代的作用。但是，这种方法成本高、风险大、采集的数据量有限、碰撞过程的深层次分析以及对汽车产品的改进理论依据不足。

汽车追尾事故的有限元仿真具有方便、快捷和成本低

的优势。随着计算机技术的发展，仿真建模的日臻完

善，仿真结果与实际碰撞结果更加接近，在汽车碰撞

安全性研究领域占有重要的地位ｂｊ。１追尾碰撞对乘员的伤害１．１乘员伤害的主要形式

被追尾的前车受到向前的加速度，座椅推动乘员

的躯干向前，头部却因为惯性而滞后，这种滞后将持

续到颈部被拉伸到极限为止，然后头部就像鞭梢一样

被颈部加速甩向前方，这就是挥鞭效应导致的乘员颈

部不同程度的“挥鞭损伤”（矾ｉｐｌａＳｈ

Ｉｎｊｕｒ）ｒ）。颈部

损伤会出现颈部、肩部等部位的不良反应，包括头昏、头痛、失去知觉等，严重的冲击则可能致残，甚

至致命ＨＪ。

在高速公路汽车追尾事故中，在前车和后车发生

碰撞的时间段内，前车乘员颈部典型运动姿态序列，

如图ｌ所示。

（ａ）开始时刻（ｂ）变形中期（ｃ）变形后期（ｄ）挥鞭时刻

图ｌ汽车追尾碰撞颈部的响应

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前车受到后车的追尾撞击，产生一个向前的加速

度场，前车乘员的颈部运动主要包括两个过程：挥鞭

过程使得颈部后仰直至达到极限、回弹过程使得颈部前曲直至达到极限；两个过程的结果，组成了人体颈部的挥鞭效应。颈部产生后仰和前曲运动，使得颈部

承受了较大的轴向力、剪切力以及转矩等，造成了颈部的永久性伤害【５Ｊ。

１．２乘员伤害的主要评价指标

研究追尾碰撞对车辆和乘员的损伤程度，需要进行汽车追尾试验，其中对乘员的伤害特性需要在试验

中安置试验用假人进行相应参数测量【６Ｊ。

目前，欧洲的ＥＣＥＲ３２《汽车追尾碰撞车辆结构

性能技术要求》是汽车追尾碰撞试验的主要参照法规，涉及到的其他相关法规有欧洲的ＥＣＥＲ３４《火灾

万　

方数据防止》、美国的礅ＶＳｓ

３０１《燃油系统完整性》以及

我国的《乘用车后碰撞燃油系统安全要求》（ＧＢ２０ｃｒ７２．２００６），其中关于乘员颈部伤害的主要评价指标，如

表１所示。

表１汽车追尾试验假人头颈部伤害的主要评价指标７Ｉ＇曲．１

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本文用汽车追尾试验采集的头部加速度值验证有

限元仿真的正确程度，用有限元仿真数据分析假人颈

部的参数，并评价乘员的安全性。

２汽车追尾仿真及验证２．１汽车追尾试验

汽车追尾的研发性试验中，前车挂一档静止放置于３００ｍ轨道的尾端，后车在电力牵引设备的拖动下，向静止的前车方向运动，设定后车（追尾车）速

度为５０州ｈ。试验使用的假人是美国ｎ＇Ｓｓ公司的

Ｈｖ晡ｄⅢ型５０百分位的成年男性假人。

试验车辆总成完整，行驶系统、转向系统完好，轮胎的气压符合厂家的技术要求。燃料箱的燃料用自来水代替，其质量为规定的燃料箱注满时的９０％，制动液和冷却液等不改变。放置假人位置的座椅和安

全带完好有效ｎＪ。

追尾碰撞试验的前车为某款国产具有自主知识产

权的新型轿车，后车为１９９５年生产的广州标致５０５，

试验的主要技术参数如表２所示。

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表２汽车追尾碰撞主要试验参数

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温度，℃２４湿度，％７４标准混凝土路面行驶

车辆重心高度测量按照《汽车重心高度测定方法》（ＧＢ／Ｔ１２５８３—９０）测定。汽车追尾实车试验假人

安置及试验结果照片，如图２所示。

２．２汽车追尾的有限元仿真及验证

２．２．１有限元建模与仿真

１４８

公路交通科技

第２５卷

在汽车追尾碰撞过程中，汽车的前部和尾部有限

元划分完全相同，网格基准尺寸为１０咖，最小的单元特征长度控制在５一左右，在保证精度的前提下

使计算效率提高。

追尾碰撞相同模型共有约３２×２万个节点，３０×

图２汽车追尾碰撞试验实况图

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Ｖｅｌｌｉｃｋｓ

２万个单元。有限元假人模型是峪Ｉ’Ｃ公司５０百分位Ｈｙｂ耐Ⅲ型可变性假人，共包括９８个部件，６４３９个

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ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ

利用有限元仿真的方法研究汽车追尾碰撞事故对乘员的伤害，文章重点研究前车假人的颈部损伤。车

辆模型作为假人模型的载体，前车和后车采用相同的有限元某轿车模型，与试验具有一定的可比性。

含碰撞假人以及安全带的三维有限元汽车追尾碰撞系统模型以及仿真结果的动画演示截图，如图３所示。

节点，３９６３个单元，３８个局部坐标系以及１９０种材料与截面特性。

２．２．２有限元仿真结果及试验验证

试验采集了前车和后车的车身质心处、左右Ｂ

柱下端加速度信号以及假人头部、胸部、腿部信号，由于研究的核心问题是前车乘员颈部的伤害程度，所以选择前车假人头部加速度信号验证仿真结果正确程

度‘９，１０］。

汽车追尾碰撞实车试验与有限元仿真前车假人头部加速度信号曲线对比，如图４所示。

根据对比分析可以知道，实测曲线和仿真曲线的

线形和变化趋势基本一致，对应的数值也具有近似性。说明仿真模型、仿真算法以及仿真过程设置可

图３汽车追尾碰撞系统仿真结果置龟．３

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行，与实车试验具有相互印证关系，能够利用仿真结果对实车事故进行分析。

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图４前车假人头部加速度对比

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３乘员颈部伤害程度及评价

如前所述，在追尾事故过程中，前车乘员的颈部运动主要包括挥鞭过程和回弹过程，即颈部的后仰和前曲运动，由此产生了人体颈部的挥鞭效应。颈部主

要的评价指标是颈部的转矩，该矢量符合右手定

则㈨。

汽车追尾碰撞有限元仿真得到的前车驾驶员颈部转矩曲线，如图５所示。

由图５所示的曲线进行分析，可以得出以下结论：

万方数据　

第８期

周炜，等：高速公路汽车追尾碰撞乘员安全性研究

１４９

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图５前车假人颈部转矩

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追尾静止的前车不会对前车乘员颈部造成伤害，最大

（１）假人颈部在平行于ｙｚ平面的受力及运动范

前屈转矩已经接近临界值。在其他条件不变的情况

围很小，假人存在的左右摇摆姿态主要与假人的坐姿定位、座椅的定位、汽车的结构布置、整车重量分布

的均匀性有关。

下，继续增大追尾速度，乘员颈部受到损伤是必然

的。４结论

（２）假人颈部在ｙ方向转矩值很大，说明假人

主要是在平行于尥平面上受力及存在大范围的运

动，表现的姿态就是前后大幅度摇摆，这是汽车追尾碰撞的本质特征。

图５中可以看出，碰撞时颈部受到很大的转矩，

汽车追尾道路交通事故中，前车乘驾人员颈部损

伤相对严重，表现的主要特点是挥鞭效应。采用三维

有限元动态仿真技术研究汽车追尾碰撞的过程，并经过试验验证，在对应特征参数相近或者相似的情况

下，可以深入研究驾驶人员和乘坐人员的损伤程度，

表现为由于座椅靠背作用身体受力向前，头部受惯性力作用而后仰，受到很大的向后转矩（一ｌ，方向），

这一过程与碰撞同时发生，速度很快；然后头部开始

分析相应的影响因素，提出切实可行的改进措施。

本文用汽车追尾试验采集的头部加速度值验证对应部位有限元仿真数据的正确程度，用有限元仿真数

回弹，受到很大的向前转矩（＋ｙ方向）。之后，假人头颈部进行一系列前后摆动，这是假人自由运动过程，速度和频率逐渐降低，整个曲线类似于衰减振动过程，与实际情况相符合。

（３）假人颈部存在ｚ方向转矩，说明假人的姿

据分析假人颈部转矩，并评价乘员颈部的安全性，切实可信并对汽车设计、安全设施配置、交通安全管理

有一定的指导作用。

参考文献：

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态在平行于肼平面上存在摆动情况，从仿真动画内

可以看出假人的坐姿相对于汽车座椅发生了偏移。

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