硕士论文-汽车碰撞事故再现技术和计算机仿真分析.pdf

浙江大学航空航天学院 硕士学位论文 汽车碰撞事故再现技术和计算机仿真分析 姓名：郑玉卿 申请学位级别：硕士 专业：固体力学 指导教师：王振林 20070501 摘要 本文在文献检索和社会调研基础上，分析了国内外道路交通事故数逐年增长的原 因和严重危害性，论述了各国政府从政策法规、素质教育以及事故科学处理三个层面 采取的加强事故防治对策。引出了用新兴的“汽车事故工程”学科知识进行交通事故 分析鉴定的重要意义和国内外最新进展。 本文首先讨论了以碰撞力学为理论基础的汽车正面、追尾、直角侧面和斜碰撞工 况下的力学规律和求解方法，得到了在处理复杂事故问题中，如何通过模型简化，充 分利用原始勘查案卷信息，用理论分析测算法鉴定汽车肇事速度和碰撞角度等力学量 的若干技术途径。 结合论文期间作者直接参与的若干由交警、司法等部门委托的真实事故处理案 件，用理论测算法成功鉴定了发生于杭州盼轿车正面碰撞事故车速，以及苏嘉杭高速 公路上两车追尾碰撞事故的角度和瞬时速度规律。这既为相关的交通执法和司法裁定 提供了有力证据，也验证了事故再现技术的有效性。 论文的另一个重点是将有限元动力学仿真技术引入典型事故碰撞过程的再现分 析，期间作者着眼于非线性有限元仿真计算中整车建模、部件连接、接触处理和参数 设置等技术关键，对上述轿车正面碰撞实例进行了仿真计算，直观地揭示了碰撞过程 中汽车的运动状态、变形形貌和应力分布，且获得的车速计算值与理论测算法的结果 具有良好的规律吻合性。 最后，由经典力学测算法和有限元计算机仿真分析研究应用实践的对比分析，提 出了一套比较合理的汽车碰撞事故再现的鉴定方法和基本程序，同时讨论了两种方法 的优势和局限性及它们的适用范围，为进一步的应用拓展和技术完善提供了阶段性的 成果。 关键字；汽车碰撞，汽车事故工程，理论测算，仿真分析，车速鉴定，事故再现 A B S T R A C T B a s e do nt h er e f e r e n c es e a r c ha n ds o c i a lr e s e a r c hf o u n d a t i o n ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h e r e a s o n sa n ds e r i O U Sh a r mo ft h a tt h en u m b e ro fr o a dt r a f f i ca c c i d e n t sh a sb e e ni n c r e a s i n g y e a rb yy e a r , a n dd i s c u s s e st h a tt h en a t i o n a lg o v e r n m e n t sb e g i nt os t r e n g t h e na c c i d e n t c o n t r o lm e a s u r e so np o l i c i e sa n dr e g u l a t i o n s 、q u a l i t ye d u c a t i o na n ds c i e n t i f i ch a n d l i n g a c c i d e n tt h r e el e v e l S oi te d u c e st h es i g n i f i c a n c eo fa n a l y z i n gt r a f f i ca c c i d e n t sw i t han e w ”C a ra c c i d e n tp r o j e c t ”k n o w l e d g ea n dt h el a t e s td e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d r h i s p a p e rf i r s td i s c u s s e s t h el a w so fm e c h a n i c sa n dt h es o l u t i o no ft h ev e h i c l e S f r o n t a l ，r e a r - e n d 、v e r t i c a ls i d ea n do b l i q u ec o l l i s i o nb a s e do nt h ec o l l i s i o nt h e o r y W eg e ta n u m b e ro ft e c h n i c a lw a y si nh a n d l i n gc o m p l e xa c c i d e n tp r o b l e m s ，s u c ha s ：h o wt Os i m p l i f y t h em o d e l 、h o wt om a k ef u l lu s eo ft h eo r i g i n a li n v e s t i g a t i o nf i l ei n f o r m a t i o n ，a n dh o wt O g a i nt h e v e h i c l es p e e da n dt h ei n c i d e n tc o l l i s i o na n g l ew i t ht h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d d e d u c t i o n W i t ht h e d i r e c t p a r t i c i p a t i o n o ft h ea u t h o r C o m b i n i n gt h er e a la c c i d e n tc a s e s c o m m i s s i o n e db yan u m b e ro ft r a f f i cp o l i c eo rj u d i c i a ld e p a r t m e n t sd u r i n gw r i t i n gt h i s p a p e r ，w es u c c e s s f u l l yu s e dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n st oi d e n f i f yt h ec a rs p e e do ff r o n t a l c o l l i s i o n so c c u r r e di nH a n g z h o u ，a n dt h ec o l l i s i o na n g l ea n di n s t a n t a n e o u ss p e e dl a wo ft h e t w oc a r sr e a r e n dc r a s ho c c u r r e do nt h es u j i a h a n gh i g h w a y T h i sn o to n l yh a sp r o v i d e dt h e e v i d e n c ef o rt h er e l a t i v et r a f f i ce n f o r c e m e n ta n dj u d i c i a ld e c i s i o n s ，b u ta l s oh a sv e f i f i e dt h e v a l i d i t yo ft h ea c c i d e n t r e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e s A n o t h e re m p h a s i so ft h i sp a p e ri st oi n t r o d u c et h ef i n i t ee l e m e n td y n a m i c ss i m u l a t i o n t e c h n o l o g yi n t ot h et y p i c a lc o l l i s i o na c c i d e n ta n a l y s i so ft h ep r o c e s sr e p r o d u c t i o n ，d u r i n g w h i c ht h ea u t h o rf o c u s e so ns o m ek e yt e c h n o l o g i e so ft h en o n l i n e a rF E Mc a l c u l a t i o n s u c ha se n t i r ec a tm o d e l i n g 、p a r tc o n n e c t i n g 、c o n t a c tm a n a g e m e n t 、p a r a m e t e rs e t t i n ga n d S Oo n I ts i m u l a t e sa n dr e p r o d u c e st h ee n t i r ep r o c e s sf o r t h ea b o v ee x a m p l e so ft h e v e h i c l e Sf r o n t a lc o l l i s i o n I tn o to n l yr e v e a l sd i r e c t l yt h em o v e m e n tc o n d i t i o n 、s h a p e d e f o r m a t i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h ee n t i r e c o l l i s i o n p r o c e s s ，b u t m a k e st h e c a l c u l a t e ds p e e dh a v eag o o dl a wc o i n c i d e n c ew i t ht h a tb yt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s F i n a l l y , f r o mt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ea p p l i c a t i o ns t u d yb e t w e e nt h ec l a s s i c a l m e c h a n i c sc a l c u l a t i o nm e t h o da n dt h ef i n i t ee l e m e n tc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，i tc o m e su pw i t h as e to ft h er e a s o n a b l ei d e n t i f i c a t i o nm e t h o d sa n db a s i cp r o c e d u r e so nv e h i c l e c r a s h a c c i d e n t r e c o n s t r u c t i o n ，d i s c u s s e st h ea d v a n t a g e sa n dl i m i t a t i o n sa n dt h e i rs c o p eo f a p p l i c a t i o n ，a n da l s op r o v i d e si n i t i a lp r o d u c t i o nf o rt h ef u r t h e ra p p l i c a t i o ne x p l o i t a t i o na n d t e c h n o l o g yi m p r o v e m e n t K e yW o r d s ：V e h i c l eC r a s h ，A c c i d e n tR e c o n s t r u c t i o n ，T h e o r e t i c a lC a l c u l a t i o n ，S i m u l a t i o n A n a l y s i s ，S p e e dI d e n t i f i c a t i o n ，V e h i c l ea c c i d e n tp r o j e c t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得堑、江盘茎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：狮西晰签字目期：、一7 年 6 月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘茎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：孙珏聊 签字日期：年月o 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：乏振秫 签字日期：7 年月驴日 电话 邮编 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 第一章绪论 第一节道路交通事故概述 1 8 8 6 年德国人卡尔一本茨发明了世界上第一辆汽车。1 0 0 多年来，汽车工业发展 很快，汽车的保有量迅速地增长，汽车的性能也越来越完善。现代汽车已经是相当 普及的交通运输工具，在社会生活和经济活动中占据着相当重要的地位。 ， ”汽车在给人类以舒适和便捷的同时，同时带来了一些负面效应，交通事故就是 其中最严重的、危害最大的负面效应之一。全世界的道路交通事故与战争、疾病、 自然灾害一样，不仅威胁着人们的生命安全，而且还造成了巨大的经济损失，可称 为人类生活中的一大“公害”。 据有关报导，从有机动车道路事故死亡记录以来，全世界死于道路交通事故的 人数已超过3 2 0 0 万。2 0 0 0 年，因道路交通事故受重伤而住院的人数高达5 0 0 万， 受伤人数达3 0 0 0 万人。人们已把道路交通事故称之为“无休止的战争”、“交通地狱”， 把导致交通事故的汽车称之为“飞奔的棺材”。 矩 图1 - 11 9 9 0 年以来我国驾驶员和汽车保有量增长趋势( 单位：人，辆) 嘲 特别是近几十年来，车辆急剧增加，交通流量增大，车辆与道路比例的严重失 调，加之交通管理不菩等原因，造成交通事故频繁，伤亡人数增多，已成为世界性 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 的一大公害。美国是世界汽车最为普及的国家，因道路交通事故造成的经济损失也 相当惊人，例如美国火灾经济损失只是道路交通事故经济损失的1 3 。日本因道路 交通事故造成的经济损失相当于年道路建设投资的一半。与世界各国相比，我国道 路交通事故就更为严重，是世界交通事故死亡人数最多的国家。据2 0 0 1 年统计u J ， 1 9 7 0 - 2 0 0 0 年的3 1 年间，共发生道路交通事故6 2 5 7 0 9 6 起。死亡1 2 8 9 9 3 0 入，受伤 4 0 9 4 1 1 7 人。 上世纪九十年代后，随着国家总体经济实力的增强，汽车工业和交通运输业 迅速发展，汽车等机动车辆保有量和拥有驾驶证的人数激增( 图1 - - I - 。交通事故死 亡人数急剧增长。 2 0 0 1 - - 2 0 0 4 年，每年道路交通事故死亡均超过l O 万人并逐年增长，但在2 0 0 8 年，全国共发生道路交通事故3 7 8 7 8 1 起，比2 0 0 5 年下降1 5 9 ；自2 0 0 0 年以来， 道路交通事故死亡人数首次回落到9 万人以下n ，见表I - - I 。 我国公路交通事故统计表卜1 年份事故次数死亡人数受伤人数 直接经济损失万车死1 0 万人口 ( 万元)亡率死亡率 1 9 7 0 5 5 4 3 79 6 5 43 7 1 2 82 2 7 6 31 1 6 1 1 9 7 3 7 1 1 9 21 3 2 1 55 3 8 2 72 2 9 1 91 3 3 1 9 7 61 0 1 8 7 81 9 4 4 18 1 9 0 85 5 6 7 3 41 5 6 6 22 0 7 1 9 7 9i 1 7 8 4 82 1 8 5 68 0 8 5 55 3 7 4 2 8 1 1 9 6 22 2 4 1 9 8 21 0 3 7 7 72 2 1 6 4 7 1 3 8 54 8 5 9 4 88 5 3 22 8 l 1 9 8 5 2 0 2 3 9 44 0 9 0 61 3 6 8 2 91 5 8 6 7 6 46 2 3 93 8 9 1 9 8 8 2 7 6 0 7 15 4 8 1 41 7 0 5 9 83 0 8 6 1 3 74 6 0 55 0 0 1 9 9 12 6 4 8 1 7 5 3 2 9 2 1 6 2 0 1 9 4 2 8 3 5 9 73 2 1 54 6 0 1 9 9 42 5 3 5 3 7 6 6 3 6 21 4 8 8 1 71 3 3 3 8 2 7 22 4 2 65 5 4 1 9 9 73 0 4 2 1 77 3 8 6 11 9 0 1 2 8 1 8 4 6 1 6 0 01 7 5 05 9 7 2 0 0 06 1 6 9 7 49 3 4 9 34 1 8 7 2 1 2 6 6 9 0 0 ，0 01 5 6 07 2 7 2 0 0 12 5 4 9 1 9 1 0 5 9 3 05 4 6 4 8 53 0 8 7 8 7 2 61 5 4 68 5 1 2 0 0 27 7 3 1 3 71 0 9 3 8 1 6 5 2 0 7 43 3 2 4 3 8 1 I1 3 7 l8 ，7 9 2 0 0 3 6 6 7 5 0 71 0 4 3 7 24 9 4 1 7 43 3 7 0 0 0 0 01 0 8 0 2 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 2 0 0 4 5 1 7 8 8 91 0 7 0 7 7 4 8 0 8 6 42 3 9 0 0 0 0 09 ，9 2 0 0 54 5 0 2 5 49 8 7 3 84 6 9 9 1 11 8 8 0 0 0 0 07 6 2 0 0 63 7 8 7 8 18 9 4 5 54 3 1 1 3 91 4 9 0 0 0 0 06 2 世界上些经济发达国家在2 0 世纪7 0 年代初期，随着汽车保有量的增加，交 通事故也相应增多，到1 9 9 0 年交通事故数达到最高蜂。包括对人的安全教育、驾驶 员和行人行为的改善、公路和车辆设计的优化以及交通法规的完善，使交通事故死 亡人数一直呈下降趋势( 表卜2 ) 。交通事故数的这种下降趋势还将持续保持下去。 。如日本，1 9 7 0 年死于车祸的人数达到了1 6 7 6 5 人伤于车祸的人数选到了9 8 1 0 9 6 人， 死、伤人数总和达到全国人口的1 。此事引起了日本当局的高度重视，采取了有效 的交通治理、减少交通事故的措施，从1 9 7 0 1 9 8 0 年的1 0 年内，尽管汽车保有量 由1 8 5 8 6 5 0 3 辆增加到3 8 9 3 8 9 9 6 辆，提高了一倍，按车辆统计的交通事故死亡率却 由每万辆车9 人下降为每万辆车2 2 人【2 】。 工业化国家交通事故死亡人数( 1 9 9 0 年情况及其预测数据)表卜2 年代1 9 9 0 短2 0 0 0 龟2 0 1 0 笠2 0 2 0 色 欧盟1 5 国5 5 0 0 05 0 0 0 04 0 0 0 03 5 0 0 0 美国 4 3 0 0 04 0 0 0 03 6 0 0 03 3 0 0 0 发展中国家由于机动化的迅速发展，道路、车辆安全的不完善、以及交通参与 人行为等因素，交通事故上升较快，从而导致全球交通事故死亡总人数将持续增加， 见表卜3 。 全球交通事故死亡人数( 1 9 9 0 年情况及其预测数据)表卜3 年代1 9 9 0 矩2 0 0 0 焦2 0 1 0 焦2 0 2 0 芷 工业化国家 1 5 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 发展中国家 5 0 0 0 0 0 1 2 6 0 0 0 0 1 5 5 0 0 0 0 2 1 5 0 0 0 0 当前交通事故严重的国家都在亚洲，如果亚洲多数国家如中国、印度、巴基斯 坦、泰国等国家提高交通安全水平，世界的道路交通安全问题就解决了一大部分。 因此，无论是发展中国家进行的汽车化过程中，还是在发达国家面临的汽车化 发展中，保证汽车行驶安全性一直是人们追求的根本目的。在发展中国家开展交通 事故研究更具有相当的重要性和紧迫性近年世界部分国家交通事故统计，见表 l 一4 。 3 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 2 0 0 0 年部分国家交通事故情况统计表卜4 每十万人死亡人数受伤人数每l O 亿车k m 国别 总数 年龄每1 0 每百万 所有市区外高速 O 1 41 5 2 42 5 6 46 5万人 生k m道路道路公路 澳大利亚 9 52 91 8 O9 11 2 51 0 1 奥地利 1 2 02 02 5 21 1 41 5 15 1 90 5 71 3 2 1 3 1 8 1 比利时 1 4 42 93 0 81 4 31 3 94 7 90 5 41 6 37 6 捷克1 4 5 3 2 1 9 0 1 5 81 7 12 4 80 6 53 7 ，81 L3 法国 1 3 63 32 7 01 3 41 4 22 0 50 2 31 5 15 5 德国 9 11 92 2 68 39 84 6 60 6 11 2 04 5 日本8 2 1 3 1 1 2 6 61 7 O7 3 41 21 3 44 1 荷兰 6 81 91 4 95 7l O 92 3 90 3 48 99 53 2 新西兰 1 2 14 72 1 21 1 81 6 92 0 40 2 11 2 41 8 5 波兰1 6 33 71 9 41 8 72 1 2 1 4 8 西班牙 1 4 63 12 3 11 5 41 2 72 5 8 瑞士 8 32 31 4 27 11 4 73 3 lO 4 31 0 69 92 2 英国6 01 51 1 ，3 6 0 7 3 4 0 5 O 5 2 7 57 92 1 美国 1 5 2 4 0 2 7 21 5 41 9 17 6 6O 4 89 51 0 95 2 目前，各国正在不同程度地从道路、交通工程和安全教育上采取对策。 美国1 9 6 6 年颁布“公路安全法”、“汽车安全措施法”，还成立了“国家汽车安全 咨询委员会”和“国家公路安全咨询文员会”，负责就交通安全问题向运输部长提供 建议和报告，参与制定有关标准和措施，该会人员由总统任命。教育上美国尤为重 视向申领驾照者灌输安全和礼让意识。如果司机从一开始就养成正确和良好的开车 习惯，交通事故自然会相应减少。 1 9 6 9 年法国总理责成国务秘书组织“公路交通安全圆桌会议”，由与交通安全 有关的政府部门、国营和私营企业及与道路交通有关的各方人士参加，负责制定全 国公路安全的总政策和措施。 在丹麦，当孩子两岁半时，即开始接受交通安全教育，并被邀请加入儿童交通 俱乐部；六岁时，开始在学校接受交通安全教育；八岁时开始知道为实现交通安全 4 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 目标所应该采取的行动、预防和减少交通事故的手段和措施。 ” 日本有关汽车与道路的交通行政法规比较完善，最基本的有“道路运输车辆法”， “道路交通法”、“道路运输法”和“道路法”等。日本重视对全民进行交通安全教 育，注重提高全民的交通守法意识。注意醒目的交通安全标语和口号提示人们重视 交通安全。 中国也采取了集中统一领导，实行综合治理的方针，以及健全交通法规，依法 治理交通的方针。事在人为，只要科学地、有效地采取交通安全措施，交通事故是 可以得到控制和预防的。我国目前采取多种措施，从基础抓超，认真开展道路交通 安全教育，强化干部群众的交通安全理念，提高交通安全防范意识。充分利用展板、 挂图、专题片向广大干部群众宣传有关道路交通安全知识，观看全国交通事故警 示教育片，让更多群众认识交通事故的危害，进一步增强安全意识。还把交通安 全教育的重点放在学校，开展“学校交通安全教育”活动，组织学生认真学习交通 安全知识，并在可预见的范围内采取措施，保证安全。 另外，对道路交通事故的发生原因和发生过程进行客观、科学地分析和再现， 不仅是科学处理交通事故、正确认定当事人的交通事故责任，依法公正处理交通事 故的基石，同时也是对驾驶人员进行安全教育的重要素材。早期的交通事故分析再 现主要依赖于实验分析、理论测算和分析推断，而目前的交通事故分析再现则已发 展到了利用计算机技术对事故原因及事故过程进行自动分析运算和动态三维模拟的 高级阶段。 第二节汽车事故工程 汽车事故工程【3 】，是指根据交通事故调查取证所获得的有关事故信息、资料和 数据，综合运用运动学、力学、材料学、人体损伤学等科学原理和方法，综合分析 确定发生交通事故的原因再现交通事故的发生过程。目前，主要研究方法的有汽车 碰撞试验、理论测算和分析推断以及计算机有限元三维仿真模拟。 一汽车碰撞试验一， 碰撞试验要求能够真实地反映实际的撞车事故，而且要求可重复性好并且成本 尽量低。实际的撞车事故是各种各样的，即使是相同类型的事故，由于乘员的位置 和汽车状况的不同，车辆各个部分的损伤和成员的受伤情况也不样。因此，为了 5 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 对各种撞车事故进行研究，需要进行多种类型的试验。碰撞试验主要分为两种，一 种是实车碰撞试验，它包括固定壁碰撞试验、移动壁碰撞试验、车对车碰撞试验、 翻车试验；另一种是模拟试验，它包括台车模拟试验、静态模拟试验。 在试验中，为了研究乘员的受伤情况，有时要在车辆上安装人体模型或则新鲜 死尸来测量人体各部分的减速度，伸缩量和弯曲变形，承受的载荷和外伤等；同时 为了研究与受伤相关的车辆方面因素，还要在车上安装各种传感器，以及检测车辆 备部分的位移，减速度，变形量和承受载荷等。这些测量应该在撞车开始到终了时 的很短时间内进行。 汽车碰撞试验进行事故再现的研究能比较全面真实地再现各种碰撞事故的原始 面目，能获得人体各部位的损伤机理和承受载荷等重要数据，但是由于实车碰撞试 验成本很高，一般主要用于碰撞安全性研究，对交通事故再现具有很大的参考和借 鉴价值。如何有效真实地试验模拟交通事故，降低成本还需要从事这方面研究工作 的科研人员不断探索。 二理论测算和分析推断” 速度是形成各种交通事故发生的必要条件，分析交通事故发生的原因，速度则 是关键性的因素，因为汽车超速行驶经常造成交通事故。理论估算和分析推断可以 根据现场遗留的车轮痕迹、人体被撞击的距离等现场资料，来推断交通事故车辆碰 撞前的瞬时速度，使分析交通事故原因和事故处理工作交得更为顺利。 由于交通事故发生过程十分短暂，而且变化又十分复杂，仅以现场的资料来计 算准确的速度值是很困难，有时甚至是不可能的。但是如果应用汽车运动学理论， 用分析和试验的方法推算出近似的速度，般可满足事故分析再现的需要。如以制 动拖印长度来推断和计算事故车速度、通过现场试验推断车速、利用侧滑印迹推算 车速，还可以利用汽车碰撞的变形薰来估算车速，并推断出事故发生的全过程。 三有限元仿真模拟 车辆碰撞事故的车速鉴定、交通事故防治和行人保护等方面是目前车辆安全技 术应用研究的重点，车速的鉴定对于车辆碰撞事故再现具有极其重要的意义。在汽 车安全领域，计算机仿真是经济而有效的分析方法，具有周期短、费用低、精度高 和可重复等优点，广泛应用于交通事故再现、汽车及其安全装置、道路设施的优化， 以及碰撞中人体生物力学的响应分析等研究方面。利用计算机仿真技术研究汽车碰 6 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 撞过程的运动变化和变形状况，交通事故过程再现研究是一个非常理想的途径【9 】。 由于计算机软、硬件的发展和汽车市场的竞争日益激烈，国际上近2 0 年，汽 车碰撞的计算机仿真技术迅速发展，进入8 0 年代，欧美等先进国家推出了用于汽车 碰撞仿真的商业化软件包，著名的有L S D Y N A 3 D 、A N S Y S L S D Y N A 、S 姒C 、P A M - C R A S H 和“l A D Y M O 等。这些功能强大的软件包在安全车身设计、事故鉴定分析、碰撞受害者 保护和人体生物力学等研究工作中发挥较大作用。 车辆碰撞计算机仿真技术的一个主要应用方面就是交通事故的再现，辅助事故 处理人员快速、高质量地进行现场勘察、参数计算和事故分析，进而研究事故发生 的原因，探求避免事故、减少损失的策略。 第三节碰撞规律研究的意义 交通事故已是世界性的严重社会问题。严峻的交通事故现实使人们不得不对交 通安全状况予以高度重视，并将不断进步的科学技术应用于交通安全研究工作中， 使汽车更好地造福于人类。现在国内重点高校和科研机构正启动开展“汽车事故工 程”的研究。尽管总体上与日本、欧美一些发达国家相比还有很大差距，但预计不 久的将来，汽车碰撞的计算机仿真技术【lo 】得以更为广泛的应用，因其周期短，成本 低，汽车安全性将会不断改善，同时对于降低道路交通事故也是非常有利的。值得 特别指出的是，它能够模拟事故发生的整个过程，可以根据相应的车子交形状况和 事故现场来逆向推断碰撞车速。这是人们认识交通事故事实的方法和途径，随着我 国交通法的颁布，科学地公正地办案也要求强大的科技支持，即正确认定当事人的 交通事故责任，依法公正、正确地处理交通事故。 第四节本文的研究目的和主要工作 一本文研究目的 本文针对社会进步过程中伴随的交通事故“公害”加剧的趋势和科学定案、合 法裁决的重要社会需求，通过在力学原理和试验、计算机技术基础上，研究分析道 路交通肇事“主角”汽车之间以及汽车与其他车辆设施、行人的典型碰撞状态和运 动规律，发展碰撞事故再现技术，科学再现事故真相，除了为责任裁定提供一个方 7 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 面的证据外，也为分析肇事原因，制订事故预防对策、措施提供了重要韵依据。本 文的重点在于理论测算和计算机仿真两个方面，结合“汽车事故工程”的应用平台 和典型案例，为探索完善我国这个方向的技术做出阶段性的研究。 二主要工作 1 在充分调研和文献检索基础上，论述了国内外交通事故的概况，引出在新兴 的“汽车事故工程”学科方向研究车辆碰撞规律的意义，理清了论文的工作重点和 主要工作思路。 。 2 。在学习、借鉴碰撞力学基础上，讨论了汽车正面，追尾、直角侧面和斜碰撞 典型工况下的力学规律。运用理论分析测算方法，鉴定出真实发生于杭州、江苏的 汽车正面碰撞和追尾事故中肇事汽车的速度。这既为交通执法和司法裁定提供了具 有说服力的证据；同时也对事故再现技术有所拓展。 3 采用非线性有限元分析方法，在汽车碰撞事故再现的仿真求解中解决了整车 建模、部件连接、接触处理、参数设置等技术关键，成功求解了典型的轿车正面碰 撞中汽车的运动状态、变形形貌和肇事车速。 4 根据经典理论分析和计算机仿真技术运用的实践研究，提出了一套比较合理 的汽车碰撞事故再现技术鉴定方法和操作步骤，为进一步的应用和技术完善提供了 阶段性的工作成果。 8 浙江大学硕士学位论文C 2 0 0 7 ) 第二章汽车碰撞事故的力学分析和再现方法 第一节正面碰撞 一碰撞理论基础 1 恢复系数 碰撞有三种形式，即弹性碰撞、非弹性碰撞和塑性碰撞。碰撞形式可用恢复系 数e 表示，即 P ：蔓二蔓( 2 1 ) v l o 一 式中： P l o 、y 2 0 碰撞物体A 、B ，在碰撞前瞬间的速度( 正碰时，V 2 0 为负 值) ： V 1 、V 2 _ 碰撞物体A 、B ，在碰撞后瞬间的速度。 两橡皮球以3 m s 和3 m s 的速度正面碰撞，当变形到速度为零时后，又分另廿以 3 m s 的速度分开，则碰撞后的相对速度= 3 一( - - 3 ) = 6 m s ，故恢复系数为 P ：堡二蔓：6 ：1 U o V 2 0 o 如果同样的两粘土球，碰撞的能量全部由永久变形而吸收，则碰撞后的相对速 度为零，即e = 0 。故弹性碰撞e = 1 ，塑性碰撞已= 0 ，非弹性碰撞o e l 。 2 碰撞基本规律 虽然，汽车是具有一定尺寸的物体。但是如果在碰撞过程中，两个汽车的总体 形状对质量分布影响不大，就可将它们简化为两个只有质量大小的质点，从而使用 质点的动量原理和能量守恒定理求解。 由于恢复系数e 等于两个碰撞物体离去动量与接近动量之比，所以汽车正面碰 撞时若忽略其外力的影响，根据动量守恒的原理，有 ，l I v l o + n h v 2 0 = ，鸭+ m 2 P 2 秭M = U o m 2 v 2 + 鸭 9 ( 2 - 2 ) 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 由于P ：二 2 ，L ，所以有 V l O 一1 ，2 0 v j = U + P ( M o 一) 把式( 2 3 ) 代入式( 2 2 ) ，可得 ( 2 。3 ) v 1 2 旷纛( 1 + D “。一) ( 2 _ 4 ) 同理可得 V V 2 = 1 ：2 0 焘( 1 + 诋训 ( 2 - 5 ) 在非弹性碰撞中，碰撞前两车具有的总动能为 = 三，l l v l 0 2 十i 1 2 ( 2 6 ) 碰撞后的总能量为 且= 矿1V 。2 十丢v 2 2 ( 2 1 ) 碰撞中的能量损失衄，应是碰撞前后总能量之差为 衄= 呸1 u 。2 + 互1 。v z ) 一哇哪2 十丢V ：2 ) = 盟( 1 + e ) ( 一) 2 现十 一岌焉 2 i m a + m 2 = 羔( ” ( 1 + 力一扣铲1，托+ ， Z = 去上冬( I + e ) 2 ( v l 。飞) 2 ( 2 - 8 ) Z 巩十 二汽车正面碰撞的有效模型 设正面碰撞中的两车是同型车，即质量观= m 2 。若以6 0 k r n h 正面碰撞，与用 l O 一。：茄嘣删飙辄， 删瓣鬟篡三纛篡一 在冲突后，两车必然在某一时亥4 变为相同速度v c 弛崮“ 图2 。有效碰撞速度的概念 埘，删：守= 三砌。 巩v l o 十r 掣5 p ，l I 十玎| 2 。 v 。；蚓觋+ 盟r r t z 神 馘锻 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 式中：镌、，A 、B 两车的质量，k g ； h o 、V A 、B 两车的速度，m s ； v c A 、B 两车同速时的速度，m l s 因此，A 车的速度变为 K I = ( 一) ( 2 - 1 0 ) ，气1 ，7 匕 B 车的速度变为 。强r 十r 鸭( v 2 0 H 。) ( 2 - 1 1 ) 此时，可认为两车是以速度v c 移动的固定壁冲撞。v e l 和1 ，c 2 被称为有效碰撞速 度。 三正面碰撞前后速度 汽车正面碰撞时，相互作用的时间极短，而冲击力却极大。根据动量守恒定律， 可以求得碰撞后的速度为 v 1 = v l 。一( 1 + P ) ( V 1 。一v ：。) ，忆十r r 吃= 一粤( 1 + P ) ( v 1 。一v 2 0 ) ( 2 1 2 ) ，十，b 这说明碰撞后的速度取决于两碰撞车的相对速度V 2 0 v l o 和两车的质量比及恢 复系数e 。 当e = O 时，A 、县两车的速度变化量为： 卟犷畸2 纛( 驴) ( 2 - 1 3 ) 。 鹕砘一v 2 2 最( 旷) ( 2 - 1 4 ) 当m 4 m 2 = O 、1 2 、1 、2 时，A 车速度变化如图二3 所示。 摩托车、自行车和行人等与载货汽车碰撞时，由于载货汽车的质量相对很大， 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 即m l m 2 = o ，因此速度的变化为( U o v 2 0 ) 。 若两车为同型车，即矾= m 2 ，则速度变化为A v a = ( v l o 一1 ，2 0 ) ，2 。 图2 4 是轿车正面碰撞时，恢复系数e 与有效碰撞速度的实验结果。 喜 莹 q 掣 杈 鲻 馏 雹 * 相对速度o l o - ”2 水m h ) 图2 - 3 塑性碰撞后速度的变化( A 车) 把实验结果用公式表示为 e = 0 5 7 4 e x p ( 一0 0 3 9 6 v , ) m 籁 垛 捌 坯 有效碰撞速度t , ( k m t h ) 图2 4 轿车有效碰撞速度与恢复系数的关系 ( 2 1 5 ) 式中：叱有效碰撞速度，k m h 。 有效碰撞速度越高，恢复系数越小，碰撞越激烈，越接近塑性变形。在有乘员 伤亡的事故中，一般可按塑性变形( e = O 1 ) 处理。 有效碰撞速度蚶鼬) 圈2 - 5 轿车有效碰撞速度与车体 塑性变形量的关系 而 图2 - 6 塑性变形量的计算方法 孚 几一蜥 ：I 蜘 、W，囝口 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 ) 在汽车正面的交通事故中，因伴随有人身的伤亡和车体的塑性变形，为此，必 须了解车身变形与碰撞速度的关系。根据轿车碰撞试验，车身塑性变形量x ( 凹损 部下陷的深度) 与有效碰撞速度的关系，如图2 5 所示。若用方程式表示，则 z = 0 0 0 9 5 v , U = 1 0 5 3 x ( 2 1 6 ) 式中：z 塑性变形量，n l ： ：v f 有效碰撞速度，h 池。 塑性变形量的确定方法，如图2 - 6 所示。 碰撞后汽车的剩余动能，要有轮胎和路面的摩擦做功来消耗， M v l 2 2 = 卿鸭g 厶畸 h = 2 仍g 厶毛 同理， = 2 仍如恕 其表达式为 ( 2 1 7 ) ( 2 一1 8 ) 式中：强、，1 2 A 车和B 车的质量，k g ； 仍、仍A 车和B 车滑移时的纵滑附着系数； 厶，厶A 车和口车碰撞后的滑移距离，1 1 1 ； 岛、如附着系数的修正值，全轮制动时七= 1 ；只有前轮和后轮制动 时，k 的取值视汽车形式而定；对于发动机前置前驱动的轿车在良好路面制动， 毛= o 6 - 0 7 ，岛= o 2 - - 0 3 由式( 2 - 1 7 ) 和式( 2 1 8 ) 可求得W 和匕，再由式( 2 - 1 6 ) 求出有效碰撞速度屹。 并把所得的结果代入式( 2 1 0 ) 、式( 2 I I ) 、式( 2 - 1 2 ) ，解联立方程，可求出碰撞 前的速度y 1 0 和。 图2 - 7 是推算正面碰撞前速度的流程图。 这样，在汽车正面碰撞的事故现场，只要能准确测量出汽车变形量和碰撞后汽 车滑移距离，即可迅速地计算出碰撞前A 车和曰车的速度。这种计算方法也基本适 用于计算前置式发动机的轻型载货汽车的碰撞速度。 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 幽2 - 7推算正回碰捶还厦的沉程 四碰撞中的能量损失” 在实际交通事故中，汽车质量越轻碰撞损坏就越严重，乘员的伤亡也越大。其 原因是碰撞能量的吸收与质量的平方成反比，如质量分别为、他的汽车，碰撞 时吸收的能量分别为互、岛，其变形量分别为五、恐，则 甍2 第 协 玉：浮) ( 2 - 2 0 ) 屯，M 上式说明碰撞时对方车重若是自车重的2 倍时，自车在碰撞时将吸收的能量为 对方车的4 倍，自车的变形量是对方车的2 倍。 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 图2 - 8 是自车对墙壁正面碰撞的力学模型，m 在模型中是汽车的质量，+ k 是 与质量无关的弹簧剐度系数。根据胡克定律，物体受弹簧弹性力，的作用和弹簧的 伸长或物体以平衡位置为起点位移X 的关系为 F=一缸(2-21) 图2 - 8 汽车对墙壁正面碰撞的力学模型 对静止状态的弹簧刚度系数k ，可同时测定加到弹簧上的外力F 和弹簧的变 形量工求得，式( 2 2 1 ) 中的负号表示力F 与位移x 的方向相反。根据牛顿第二定 律，其加速度a 为 a = 一矿工 ( 2 2 2 ) 式中：扩：k m 汽车与汽车正面碰撞，可以等价为对墙壁的碰撞，其力学模型如图2 - 9 所示。 A A 图2 - 9 汽车正面碰撞的力学模型 由此模型可知，2 个弹簧系数岛、 砭是串联的，故有效的弹簧刚度 系数为 七：生蔓( 2 2 3 ) 霸十如 因为，矿= k m ，岛= 吗2 、 乞= 鸭哆2 ，若令c = 扩，则 k ：c 当垒( 2 - 2 4 ) 砚+ m 2 式中：c 汽车每单位质量车体前部的弹簧刚度系数，它几乎是与车种无关 1 6 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 的固定值，约为4 1 0 m 。 故碰撞时由于塑性变形而损失的能量为 F d x = e 触_ 0 5 舻可焉， ( 2 - 2 5 ) 式中：J 弧和鸭的移动距离差，即两车变形量之代数和，s = 五一屯； 此外，在非弹性碰撞中，碰撞前两车具有的总动能为 最o = 寺( 哪0 2 + m 2 V 2 0 2 ) ( 2 2 6 ) 碰撞后的总动能为 乓= ：1 ( M h 2 + m 2 v 2 2 ) ( 2 - 2 7 ) 则碰撞中的能量损失A E 为 A E 哦一层_ 圭罴( 1 ) ( V I O - - V 2 0 ) 2 ( 2 - 2 8 ) 对于弹性碰撞e =