Моделирование столкновения транспортного средства с велосипедом

В елосипед, несомненно, становится все более эффективным средством передвижения, оказывающим положительное влияние на окружающую среду, а также на загруженность уличной сети.

Однако из-за отсутствия надлежащей инфраструктуры, то есть соответствующих велосипедных дорожек, а также из-за пробок на дорогах в последние десятилетия регистрируется все большее число дорожно-транспортных происшествий с серьезными травмами (см. Рисунок 1). На долю велосипедистов приходится 9 % смертей в Российской Федерации. Число смертельных исходов среди велосипедистов сократилось всего на 3 % с 2010 по 2022 год, что значительно меньше, чем снижение общего числа смертельных исходов (на 18 %) за тот же период. Наибольшее число смертей зафиксировано в ориентированных на велосипед городах с хорошо развитой велосипедной инфраструктурой.

Дорожно-транспортные происшествия с уязвимыми участниками дорожного движения, а именно пешеходами или велосипедистами, были проанализированы нами в соответствии с использованием трех различных подходов: углубленного расследования дорожно-транспортных происшествий, численного моделирования с использованием модели с несколькими телами и экспериментального восстановления с объектом исследования, чтобы определить корреляцию между скоростью автомобиля и положением жертвы при столкновении.

Столкновения типа “транспортное средство-велосипед” имеют ряд особенностей, обусловленных следующими аспектами:

• •    в начальный момент столкновения велосипе дист является частью велосипеда, но во время столкновения (столкновений) он отделится от него;

• •    вес велосипеда и велосипедиста близок по

величине, что оказывает влияние на столкновение:

первоначально при столкновении участвует сумма масс, а затем, из-за отстраненности велосипедиста, удар выдерживается только массой велосипеда; следовательно, мы можем говорить о столкновении с телом, масса которого изменяется с течением времени;

• •    столкновение велосипеда с транспортным средством происходит на более высокой скорости транспортного средства в сравнение со скоростью велосипеда, следовательно, приводит к различным смещениям велосипеда по траектории, которая может сильно повлиять на тяжесть аварии.

Типы столкновений транспортного средства и велосипеда

Чтобы проанализировать кинематику столкновения транспортного средства с велосипедом, нам необходимоопределить несколько параметров, которые влияют как на траектории движения участников дорожного движения, так и на травмы, полученные в результате столкновения. Наиболее важными факторами являются: тип и масса транспортного средства, направление движения, характеристики дороги, на которой произошло столкновение и окружающая среда. На Рисунке 2 показаны различные типы столкновений транспортного средства с велосипедом:

• 1)    фронтальное транспортное средство – боковой велосипед;

• 2)    фронтальный велосипед – переднее транспортное средство;

• 3)    фронтальный велосипед – боковое транспортное средство;

• 4)    фронтальный велосипед – угол транспортного средства;

• 5)    фронтальный велосипед – заднее транспортное средство;

• 6)    фронтальное транспортное средство – задний велосипед;

• 7)    другие типы столкновений.

  
  
  

Рисунок 1. Процентное распределение жертв велосипедных аварий по возрастным группам

Рисунок 2. Классификация столкновений транспортного средства с велосипедом

Кинематические параметры столкновения велосипеда с транспортным средством

При лобовом столкновении велосипеда с транспортным средством (см. Рисунок 3) скорости должны определяться, исходя из расстояния, на которое велосипед или велосипедисты были отброшены после столкновения.

Считается, что узел велосипед-велосипедист имеет центр тяжести над точкой удара на высоте h (см. Рисунок 3) оси x ортогональной системы координат, при этом ось x расположена в плоскости дороги в направлении движения велосипеда; и поскольку ось y проходит через этот центр в положении, соответствующем моменту столкновения велосипеда с транспортным средством, то ее положение считается ориентиром временнóй шкалы для математической интерпретации соответствующего физического явления.

Значимость кинематических параметров, характеризующих столкновение велосипеда с транспортным средством, указана в Таблице.

После падения с велосипеда велосипедист перемещается по воздуху на определенное расстояние (проекционное расстояние), а затем падает на землю, одновременно скользя, чтобы остановиться. Энергия тела расходуется на преодоление трения, повреждение внутренних органов, переломы костей и разрывы одежды. Между Spc, проекционным расстоянием велосипедиста, и vbc, скоростью велосипедиста, со- ответственно между Spb – проекционным расстоянием велосипеда и vbb – скоростью велосипеда, после удара были установлены следующие эмпирические зависимости:

. km для велосипедиста: Vec = 8.5458 - SyJ—] (1) для велосипеда: vbb = 7,31211-S^^ (2)

В случае велосипедистов среднее замедление dc движения после удара увеличивается с увеличением расстояния проекции, в то время как для велосипедов замедление db демонстрирует обратное изменение. Скорость велосипедиста, vbc, и скорость велосипеда, vbb, могут быть определены на основе средних замедлений (dc, db) их движения во время их проекции на Spc и, в частности, расстояния Spb. Соответственно, мы рассматриваем следующие соотношения:

для велосипедиста: ^ = ^26'4-S^^] (3) для велосипеда: №= 7,31211 -S^^ (4)

Скорость велосипедиста с момента столкновения зависит как от его начальной скорости, так и от скорости транспортного средства.Приме-няя принцип сохранения импульса, можно установить скорость удара, принимая во внимание массы транспортного средства, велосипедиста и велосипеда наездника.

Рисунок 3. Схема лобового столкновения транспортного средства с велосипедом

Таблица

Кинематические параметры столкновения транспортного средства с велосипедом

Параметры	Обозначение
расстояние, пройденное телом велосипедиста при скольжении по земле	S
расстояние, пройденное велосипедистом до максимальной высоты	Sm
расстояние, пройденное велосипедистом с момента броска до приземления	Spa
расстояние, пройденное велосипедистом от начала его броска до остановки на земле	Sp
высота центра тяжести велосипедиста в начале броска	h
максимальная высота траектории движения велосипедиста	hbx
начальная скорость велосипедиста (скорость велосипеда в момент удара)	vb
угол между первоначальной траекторией движения велосипедиста и дорогой	α
угол между конечной траекторией движения велосипедиста и дорогой	β

Моделирование столкновения транспортного средства – велосипеда «в сборе» – велосипедиста

Для более точного анализа, а также при меньших затратах по сравнению с экспериментальным тестированием, было разработано несколько программных платформ. Такие платформы позволяют нам моделировать ряд сценариев дорожно-транспортных происшествий с учетом кинематики транспортного средства до и после столкновения, а также определять динамические параметры столкновения. Программное обеспечение VirtualCrash использует модель столкновения Кудлича-Слибара, предоставляя возможность вычислять параметры после столкновения с данными до столкновения на основе определенных входных данных (масса, положение и т. д.).

Эта модель основана, с одной стороны, на том факте, что столкновение происходит за очень короткий промежуток времени, следовательно, учитывается движение транспортных средств во время столкновения. С другой стороны, передача силы происходит в одной точке. Расчет столкновения основан на том факте, что силы, воздействующие на транспортное средство, пренебрежимо малы помимо реальной силы столкновения. Метод использует скорости до столкновения в качестве входного параметра и учитывает совместное движение точек столкновения, таким образом вычисляя их скорости.

В нашем исследовании мы провели сравнительный анализ столкновения транспортного средства с велосипедом с учетом проекционного расстояния велосипедиста после столкновения, изменения скорости транспортного средства, велосипеда и велосипедиста, а также изменения ускорения, зарегистрированного на транспортном средстве, велосипеде и голове велосипедиста.

Мы смоделировали столкновение транспортного средства с велосипедом для двух различных случаев: случай 1 – лобовое столкновение транспортного средства с велосипедом сзади (см. Рисунок 4) и случай 2 – лобовое столкновение транспортного средства с велосипедом спереди (см. Рисунок 5). В двух проанализированных случаях данные о транспортном средстве, велосипеде и велосипедисте до столкновения были идентичными. Единственное изменение связано с направлением движения велосипеда относительно положения транспортного средства. Значение скорости велосипеда было установлено для велосипедиста мужского пола в возрасте 3150 лет со средней скоростью 18 км/ч.

Велосипедные травмы в результате столкновения с транспортным средством наиболее часто встречаются среди мужчин среднего возраста, произошедшие в населенном пункте. Основываясь на данной статистике, мы посчитали, что дорожно-транспортное происшествие произошло в пределах населенного пункта, поэтому скорость транспортного средства составляла 50 км/ч. Кроме этого, мы рассмотрели динамическое состояние транспортного средства при торможении с ускорением 4 м/с2 (см. Рисунок 5).

Основной удар в случае 1 приходится на заднее колесо велосипеда, то есть на переднюю часть транспортного средства. А в случае 2 основной удар приходится на переднее колесо велосипеда и переднюю часть транспортного средства. В результате первичного столкновения транспортного средства с велосипедом велосипедист оказывается переброшенным через переднюю часть (капот) транспортного средства(см. Рисунок 6).

Велосипедист приподнимается на передней части транспортного средства (далее – ТС) к ветровому стеклу и переносится транспортным средством по направлению движения велосипеда. Как только включается тормозная система автомобиля, его скорость снижается, и велосипедист начинает скользить по передней части ТС. Велосипедист выбрасывается на проезжую часть перед транспортным средством в направлении его движения. После того, как велосипедиста выбрасывает на проезжую часть, он начинает катиться по дороге. Конечное положение транспортного средства и велосипедиста показано на Рисунке 7 для двух проанализированных ситуаций. Мы опреде-

Рисунок 4. Начальная скорость велосипеда

Рисунок 5. Динамическое состояние транспортного средства – торможение

Рисунок 6. Велосипедист переброшен через переднюю часть (капот) транспортного средства

лили общее проекционное расстояние велосипедиста, включая расстояние, когда велосипедиста перевозят на капоте транспортного средства, и расстояние, на которое велосипедист катится по проезжей части. Общее проекционное расстояние велосипедиста относительно места первичного столкновения в случае 1 составляет 21,4 м, а в случае 2 – 19 м.

Чтобы определить изменение скорости участников, намибылисгенерированыдиаграммызависимости времени от скорости. По данным на рисунках 8 и 9 мы можем заметить, что скорость транспортного средства в момент столкновения составляет 50 км/ч, а велосипеда – 18 км/ч в обоих проанализированных случаях. После удара скорость транспортного средства составляет 45 км/ч (в случае 1) и 42 км/ч (в случае 2).Для велосипеда мы зафиксировали скорость 50 км/ч (в случае 1) и 52 км/ч (в случае 2). Максимальная скорость, зарегистрированная в области головы велосипедиста, достигла 45 км/ч в первой ситуации и 53 км/ч в случае лобового столкновения транспортного средства с велосипедом.

В случае лобового столкновения транспортного средства с велосипедом сзади максимальное значение ускорения в области головы велосипедиста регистрируется на этапе захвата велосипедистом передней части транспортного средства – до уровня ветрового стекла и достигает 100 м/с2. В случае лобового столкновения транспортного средства с велосипедом максимальный уровень ускорения в области головы

велосипедиста регистрируется на этапе захвата велосипедистом передней части транспортного средства – до уровня ветрового стекла и достигает 250 м/с2.

Вывод

Чтобы изучить столкновение транспортного средства с велосипедом, мы провели сравнительный анализ проекционного расстояния велосипедиста после столкновения, изменения скорости транспортного средства, велосипеда и в области головы велосипедиста, а также изменения ускорения, зарегистрированного на транспортном средстве, велосипеде и в области головы велосипедиста.

Мы разработали моделирование столкновения типа транспортное средство – велосипед для двух различных случаев, а именно: лобовое столкновение транспортного средства с задним велосипедом и лобовое столкновение транспортного средства с передним велосипедом. В двух проанализированных случаях данные о транспортном средстве, велосипеде и велосипедисте до столкновения были идентич-ными.Единственное изменение связано с направлением движения велосипеда относительно положения транспортного средства.

Проведя сравнительный анализ двух проанализированных случаев, а именно лобового столкновения транспортного средства с задним велосипедом и лобового столкновениятранспортногосредства с передним велосипедом, мы смогли сделать следующие выводы:

пен —на hi ** w»                        ' ^—            "

0»Я1' • \*>№|У *ЧЧ№Х 4»иЭ*О* •* 11 "OW_____________ g#E' I

Йг1^

Рисунок 7. Общее проекционное расстояние велосипедиста

Рисунок 8. Изменение скорости с течением времени – пример 1

Рисунок 9. Изменение скорости с течением времени – пример 2

Рисунок 10. Ускорение в области головы велосипедиста: а – удар сзади, б – лобовой удар

При лобовом столкновении было зафиксировано максимальное ускорение в 250 м/с2, в то время как при заднем столкновении максимальное значение ускорения составило 100 м/с2.

Основываясь на результатах, полученных после моделирования столкновения транспортного средства с велосипедом, для двух различных случаев, а именно лобового столкновения транспортного средства с велосипедом сзади и лобового столкновения транспортного средства с велосипедом спереди, мы установили, что, хотя общее проекционное расстояние велосипедиста больше в случае 1, максимальная скорость и ускорение больше в случае 2.