（车辆工程专业论文）汽车与行人碰撞模拟及行人保护研究.pdf

中文摘要 随着经济的发展和人们生活水平的不断提高，我国汽车拥有量和道路交通运 输量也在持续增长，交通事故死亡率也不断增加。中国道路交通事故死亡的绝对 数多年来已高居世界第一并以较高的比例增长，事故死亡人数1 9 9 9 年达8 4 万人， 2 0 0 0 年近9 2 万人，2 0 0 1 年为1 0 4 万人，2 0 0 2 年为1 0 。9 万人，2 0 0 3 年为1 0 5 万人， 占全世界的1 5 强，而同期中国机动车保有量只占全世界的2 左右! 在我国的 汽车交通事故中车辆与行人相撞的比例最高，共占汽车交通事故总数的2 7 。在这 些事故中头颈部和下肢的损伤又占损伤总数的7 0 以上。头颈部损伤是造成人员 死亡的主要原因，而下肢创伤往往是交通事故中人员致残的主要因素。有专家预 测，中国道路交通事故死亡率在未来十年期间仍将在此高位徘徊。混合交通是我 国目前交通管理工作的基本国情，预计这种情况在今后相当长的时间内都很难从 根本上得到改善。这个特点就决定了在我国开展行人安全性研究工作有着特别重 要的意义。 本研究以多刚体动力学为基础，通过使用a d a m s 动力学仿真，对汽车与行 人碰撞事故建模，通过模拟碰撞，得出行人数学模型的伤害指标。对比之前公开 发表的文章，验证本次模拟试验的可靠性。在可靠性得到保证的基础上，通过对 汽车前部设计参数进行灵敏度分析，然后通过修改敏感的设计参数，可以使汽车 对行人保护的性能得到改进。通过模拟装配引擎盖升起机构汽车与行人碰撞事 故，得到的伤害指标与原始汽车模型对行人的伤害指标做比较，发现引擎盖升起 机构对行人可以起到有效的保护，同时可以不破坏汽车前部的原始布置。 加入w t o 以后，我国的汽车工业面临着世界汽车工业的挑战。有关汽车安 全性的研究应该尽快与世界接轨，因此要求我们结合我国的道路交通状况的特点 和世界汽车安全技术研究的发展趋势，探讨符合我国国情的行人安全保护发展战 略，制定相应的安全保护法规，规范汽车设计方法，提高汽车试验水平，从而使 我国汽车技术的整体水平跟上世界汽车技术的发展。 关键词：汽车行人碰撞仿真 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ee c o n o m yd e v e l o p m e n ta n dt h es t a n d a r do fl i v i n gi m p r o v e m e n t ， t h ea u t o m o b i l ep o s s e s s i o nq u a n t i t yh a sb e e nr i s i n gc o n t i n u o u s l ya st h es a n l ea st h e r o a dt r a f f i cv o l u m e a sar e s u l t ，t h et r a f f i ca c c i d e n td e a t hr a t ei n c r e a s e sc o n s t a n t l yt o o t h ea b s o l u t en u m b e ro ft h ec h i n e s er o a dt r a f f i ca c c i d e n td e a t hh a sa l r e a d yo c c u p i e d t h ef i r s ti nt h ew o r l df o rm a n yy e a r s ，a st h es a m et i m e ，i ti sr i s i n ga tah i g l ls p e e d t h e r eh a v eb e e na b o u t8 4t b o u s a n dp e o p l ed y i n go ft r a f f i ca c c i d e n t si n1 9 9 9 ，9 2 t h o u s a n dp e o p l ei n2 0 0 0 ，1 0 4t h o u s a n dp e o p l ei n2 0 0 1 ，1 0 9t h o u s a n dp e o p l ei n2 0 0 2 ， 1 0 5t h o u s a n dp e o p l ei n2 0 0 3 a l t h o u 【g ht h ec h i n aa u t o m o b i l ep o s s e s s i o nq u a n t i t y o n l ya c c o u n t sf o ra b o u t2 o f t h ew h o l ew o r l 正t h ed e a t ha m o u n ta c c o u n t sf o r1 5 i n t h es a m ep e r i o d t h ep e d e s t r i a ni m p a c t e db yv e h i c l ea c c o u n t st h eh i g hr a t ei no u r c o u n t r yt r a f f i ca c c i d e n t ，a b o u t2 7 i nt h e s ea c c i d e n t ，t h eh e a di n j u r y , n e c ki n j u r ya n d c u r a r ei n j u r ya c c o u n t s7 0 o ft h es u md a n d i f i c a t i o n t h eh e a da n dn e c kd e p a r t m e n t d a m a g ei st h em a i nr e a s o nt h a tc a u s ep e r s o n n e l sd e a t h t h ee x p e r tp r e d i c t st h a t c h i n e s er o a dt r a f f i ca c c i d e n td e a t hr a t ew i l lw a n d e ru pa n dd o w ni ns u c hh i 吐 p o s i t i o nd u r i n gt h ef o l l o w i n gt e ny e a r s a tt h ep r e s e n t ，t h em i xt r a f f i ci st h er e a l i t i e s o fo u rc o u n t r y i tw i l lb ee x i s tf o ral o n gt i m e t h i sc h a r a c t e l i s t i cd e t e r m i n e st 0h a v e v e r yi m p o r t a n tm e a n i n g st ol a u n c hp e d e s t r i a n ss e c u r i t yr e s e a r c hw o r ki no u rc o u n t r y b a s e do nt h em u l t i - b o d ys y s t e r n ，t h ew o r kr e s e a r c ht h ei a j u r yi n d e xo ft h e m a t h e m a t i c sm o d e l so fp e d e s t r i a n b ys i m u l a t i n gt h em o t i o no ft h ep e d e s t r i a n i m p a c t e db yv e h i c l eu s i n ga d a m s c o m p a r e dw i t ht h ea r t i c l ep u b l i s h e d ，v e r i f yt h e d e p e n d a b i l i t yo ft h i ss i m u l a t e dt e s t b a s e do nt h ed e p e n d a b i l i t y , c a r r yo ns e n s i t i v i t y a n a l y s i st od e s i g np a r a m e t e ro ft h ea u t o m o b i l e r e s e a r c ho nt h ep e d e s t r i a np r o t e c t i o n b yt h ev e h i c l eb yr e v i s i n gt h es e n s i t i v ed e s i g np a r a m e t e r b ys i m u l a t i n gt h ep e d e s t r i a n i m p a c t e db yt h ev e h i c l ew h i c hi n s t a l l i n gt h eh o o dr a i s es t r u c t u r e ，s e a r c ho nt h ei n j u r y i n d e x c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a li n i u r yi n d e x ，w ec a nf i n dt h a tt h eh o o dr a i s e s t r u c t u r eb ep r o p i t i o u st ot h ep e d e s t r i a n a tt h es a m et i m e ，t h ed e s i g nd o e sn o td e s t r o y t h eo r i g i n a lv e h i c l ef r a m e a f t e rj o i n i n gw t o ，t h ea u t oi n d u s t r yo fo u rc o u n t r yf a c e st h ec h a l l e n g eo ft h e w o r l da u t oi n d u s t r y t h er e s e a r c ho nt h ev e h i c l es a f e t ys h o u l di n t e g r a t ew i t ht h e w o r l d c o m b i n i n g 也er o a dt r a f f i cs i t u a t i o no fo u rc o u n t r ya n dd e v e l o pt r e n do ft h e v e h i c l es a f e t yr e s e a r c hi nt h ew o r l d ，p r o b ei n t ot h ep e d e s t r i a ns a f e p r o t e c t i o n d e v e l o p m e n ts t r a t e g yw h i c ha c e o r d sw i t ht h en a t i o n a lc o n d i t i o n so fo u rc o u n t r y ； m a k et h ec o r r e s p o n d i n gs a f ep r o t e c t i o nr e g u l a t i o n ；s t a n d a r d i z et h ed e s i g nm e t h o do f t h ea u t o m o b i l e ；i m p r o v et h et e s tl e v e lo ft h ea n t o m o b i l e 砀u sm a k et h ei n t e g r a ll e v e l o ft h ea u t o m o b i l et e c h n o l o g yo fo u rc o u n t r yk e e pu pw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e a u t o m o b i l et e c h n o l o g yi nt h ew o r l d k e yw o r d ：a u t o m o b i l ep e d e s t r i a n c o l l i s i o ns i m u l a t i o n 武汉理工大学硕士论文 第一章引言 1 。1 研究的背景和意义 随着经济的发展和人们生活水平的不断提高，我国汽车拥有量和道路交通运 输量也在持续增长，交通事故死亡率也不断增加。中冒道路交通事故死亡的绝对 数多年来已高居世界第一并以较高的比例增长，事故死亡人数1 9 9 9 年达8 4 万 人，2 0 0 0 年近9 2 万人，2 0 0 1 年为1 0 4 万人，2 0 0 2 年为1 0 9 万人，2 0 0 3 年为 1 0 5 万人，占全世界的1 5 强，而同期中国机动车保有量只占全世界的2 左右! 在我国的汽车交通事故中车辆与行人相撞的比例最高，共占汽车交通事故总数的 2 7 。在这些事故中头颈部和下肢的损伤又占损伤总数的7 0 以上。头颈部损伤 是造成人员死亡的主要原因，而下肢创伤往往是交通事故中人员致残的主要因 素。有专家预测，中国道路交通事故死亡率在未来十年期间仍将在此高位徘徊。 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。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 2 0 世纪7 0 年代后期己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。欧洲汽车工业界在行人碰撞安全性的自我行动方 案实施不久，由于欧洲联盟的另一个权力机关一欧洲议会仍决定坚持要对行人保 护立法，制定专门的技术指令，为此欧洲联盟于2 0 0 3 年1 1 月1 7 日制定并发布 “欧洲议会及理事会指令2 0 0 3 1 0 2 e c - - 关于在与机动车辆发生碰撞前和发生碰 撞时对行人和其它易受伤害的道路使用者的保护，以及修订理事会指令 7 0 1 5 6 e e c ”。在法规的制约下，以及为了提高产品的竞争力，各大汽车制造商 和一些研究机构纷纷投入专门的技术人员和最先进的计算机设备从事行人保护 的实验分析工作。计算机技术的高速发展，在汽车碰撞安全研究中，数学模拟能 预测实验结果，且具有较大的灵活性，可以给汽车碰撞研究提供快速经济的手段， 免去一部分耗资巨大、过程危险而复杂的汽车碰撞实验。在这个信息时代，抓住 国外的行人保护研究起步不久，开展对行人保护的研究对我国汽车工业的发展， 有深远的意义l 1 2 汽车与行人碰撞模拟及行人保护的研究内容 通过建立汽车以及行人的数学模型，来模拟汽车与行人的碰撞。产生碰撞后， 在不同的碰撞速度下，观察行人的运动轨迹，以及得出行人数学模型的头部加速 度、胸部加速度以及腿部加速度。对比之前公开发表的文章，验证汽车与行人碰 撞的可靠性。 在可靠性得到保证的基础上，对汽车前部进行优化设计，目的是减轻对人体 武汉理工大学硕士论文 的伤害。 具体步骤： g s t i f f , 三种积分程 序数值计算效率关系为：g s t i f f d s t i f f b d f 。在模型的求解计算过程中， 应对求解器作合理的选择。a d a m s 缺省的积分程序是g s t i f f , 它的计算 效率高，可以减少c p u 的运算时间。但在计算发生数值发散的情况下， 就应该调整积分程序，改变为d s t i f f 积分程序或b d f 积分程序，并选择 合适的控制参数，将有助于提高求解的稳定性，解决数值发散的问题。 3 4 本章小结 本章简要地介绍了a d a m s 软件的一些特点以及运用软件时的一些技巧， a d a m s 软件能使汽车系统分析人员和设计人员可以远在物理样机生产之前预 估出它们的工作性能；分析了应用a d a m s 软件进行机械系统仿真分析过程中 可能出现数值发散问题的原因，并提出了相应的解决技巧及办法，从而能够充分 发挥a d a m s 软件的求解功能。 1 8 武汉理工大学硕士论文 第四章汽车与人体模型的建立 应用a d a m s 软件进行建模，首先需要知道整车及有关总成的一些参数， 才能进行仿真计算，但最后仿真结果是否准确，关键还在于：获得的模型参数是 否准确；模型的抽象与建立是否合理。模型参数的获得与测量对整个仿真过程极 为重要，如果在参数测取阶段就存在误差，则意味着整个过程的出发点就存在误 差，后续阶段的工作即使再准确，整个仿真过程的结果都将变得不够准确，因此 必须精确地测量建模所需的各种参数。 在模拟汽车与行人碰撞中，由于汽车的质量和速度与行人之间相差很大，所 以，可相对的简化汽车模型，但其主要特性要表现出来。因为a d a m s 软件没有 直接形成标准的数学模型，所以要严格把人体模型的几何形状、质量分布、惯性 力矩和人体各部分的尺寸大小和关节位置准确的表达出来。才可能确保最终的仿 真结果具有一定的可靠性。 4 1 汽车模型的建立 为了保证计算结果准确，本文采用某国产新型轿车的实车模型，所分析的 图4 - 1 某国产新型轿车的实车模型 1 9 武汉理工大学硕士论文 模型并且对实车模型作了如下简化：忽略车身外部突起物如后视镜、刮雨器等部 分；没有考虑车轮的影响；对车身底部做了简化，没有考虑小尺度的凹凸；没有 模拟车底真实的几何形状。其主要特征参数如图4 一l 。 该车身结果有关参数如下表4 1 所示。 表4 _ 1车身结构基本技术参数 项目车身结构空载载荷分配长度宽度高度 前 后 ，m m，m m，m m 数据或承载式整体全 说明钢车身结构 6 0 23 9 84 4 8 81 7 3 31 4 1 5 项目轴距轮距，m m前悬后悬整备质量 ，m m 前后 ，m m，m m k g 数据 2 6 1 71 4 9 81 4 7 98 2 51 0 7 01 2 0 0 4 1 1 汽车原始模型 建立原始汽车数学模型，来模拟汽车与行人的碰撞，和文献资料中的数据对 比，才能验证模拟的准确性，所以，建立汽车原始的数学模型有绝对的必要性。 并且所取得的数据具有一定的可靠性。 建模方法： 采用刚性长方体做底盘以及前保险杠；采用4 个椭圆体做轮子：四周用刚性 薄壁做车身体；引擎盖用厚度为5 c m 的钢板，并于前脸成l o 度倾角，与挡风玻 璃间建立旋转副；前围固定在底盘上，与引擎盖之间建立固定副。汽车主体，如 底盘，车轮，车身体用波尔运算进行连接，而将前围和引擎盖单独的用约束副进 行连接。 同时，忽略掉车门以及车窗等对行人碰撞模拟无任何意义的的元素。还需要 注意改变汽车模型数学模型的质量以及质心的位置。汽车原始数学模型如图4 3 。 4 。1 。2 优化设计的汽车模型 为从模拟结果中分析出人体损伤的主要原因，需对汽车原始模型进行改进。 将汽车前部主要参数进行优化。 在原始汽车模型的基础上，将引擎盖绕引擎盖及前围的交线上翻6 0 ，约将引 擎盖后端升起| o c m 。在前轮后垂直固定一个直径为6 c m 圆柱体；将因引擎盖与 连接的圆柱体之间施加旋转副。并对保险杠进行了圆滑的边界处理。图4 4 显示 引擎盖升起的汽车模型。 武汉理工大学硕士论文 图4 3 汽车原始数学模型 图4 4 引擎盖升起的汽车模型 2 l 武汉理工大学硕士论文 在此基础上，通过变通，保险杠的碰撞阻尼、碰撞指数及密度，来实现保险杠的 外围充满泡沫材料。 4 1 3 智能性引擎盖升起的汽车模型 在原始汽车模型的基础上，在前轮后垂直固定一个直径为6 c m 圆柱体，在 同轴线方向建立半径为4 c m 的圆柱体，两者之间旌加移动副；引擎盖与连接的 圆柱体之间施加旋转副：底盘和与小圆柱体之间增加一个剐度为5 0 0 0 r d m 、阻尼 为1 0 0 0 n - s m 的弹簧。来模拟在当接汽车受到碰撞传感器的信号后，由液压装置 将引擎盖自动升起1 0 c m 。图4 5 显示智能性引擎盖升起的汽车模型。 图4 - 5 智能性引擎盖升起的汽车模型 2 2 武汉理工大学硕士论文 4 2 人体模型的建立 在汽车与行人碰撞模拟中，相对与汽车而言，人体的质量、各生理力学参数 都是小数量级的。轻微的变化，对仿真结构将产生很大的影响。所以各生物力学 参数需要严格的选取，才能保证模拟的可靠性。 4 2 1 人体参数的量取 4 2 1 1 人体参数量取的基本理论 人体测量数据是人体模型设计的重要基础资料。根据设计目的和和使用的 对象的不同，需要选用相应的人体测量数据。 静止形态参数的测量 静止形态参数是指人在静止状态下，对人体形态进行的各种测量得到的 参数，起重要内容有：人体尺寸测量、人体体形测量、人体体积测量等。 静止人体测量可采取不同的姿势，主要有立姿、坐姿、跪姿和卧姿。 活动范围参数的测量 活动范围参数是指人在运动状态下，人的肢体动作范围。肢体活动范围 主要有两种形式，一种是肢体的活动角度范围，一种是肢体所能达到的 距离范围。通常，有关入体测量数据的图表资料中所列出的都上肢体活 动的最大范围，在产品设计和正常工作中所考虑的肢体活动范围，应该 是人体最有利的位置，即肢体的最佳活动范围，其数值远小于这些极限 数值。 生理学参数的测量 人的生理学参数是指人体的主要生理指标。其主要内容有：人体表面积 的测量、人体各部分体积的测量、耗氧量的测量、心率的测量、人体疲 劳的测量、人体触觉反应的测量等。 生物力学参数的测量 生物力学参数是指人体的主要力学指标。其主要内容有：人体各部分质 量和质心位置的测量、人体各部分转动惯量的测量、人体各部分出力的 测量等。 4 2 1 2 人体参数量取的基本理论 人体测量时，被测者必须保持规定的测量姿势，并且在裸姿情况下进行测 量。测量时被测者的标准姿势有童立姿势( 简称立姿) 和正直坐姿( 简称坐姿) 两种。 立姿被测者挺胸直立，头部以眼耳平面定位，眼睛平视前方肩部放松， 上肢自然下垂，手伸直，手掌朝向体侧，手指轻贴大腿侧面，膝部自然 武汉理工大学硕士论文 伸直，左、右足后跟并拢，前端分开，使两足大致呈4 5 0 夹角，体重均 布于两足。 坐姿被测者挺胸坐在被调节到股骨头高度的平面上，头部以眼耳平面 定位，眼睛平视前方，左、右大腿大致平行，膝弯曲大致成直角，平足 放在地面上，手轻放在大腿上。 我过国家标准g b 3 9 7 5 - - 8 3 人体测量术语中规定了人体测量参数的测 和测量项目，其中头部测点1 6 个、( 包括立姿4 0 项，坐姿2 2 项，手和足部6 项，体重1 项) 。 4 2 2 人体测量参数数据的统计特征及由此产生的百分位概念 人群中个体与个体之间存在着差异，某一个或几个日呢的人体测量数据不能 做为产平设计的依据。任何产品都必须适合一定范围的人群使用，产品设计中需 要的是一个群体的人体测量数据，通常的做法是由通过测量群体中较少量的个体 样本的数据，在进行统计处理而获得所需的群体的人体测量数据。 对一定数量的个体样本进行人体测量所得到的测量值，是离散的随机变量， 可以根据概率论与数理统计理论对测量数据进行统计分析，求得所需群体的人体 测量数据的统计规德和特征参数。通常的统计特征参数有均值、方差、标准差、 百分位等。 人体测量的书库常以百分位数来表示人体尺寸的等级，百分位数是一位置指 标，一个界值，以符号p k 表示。一个百分位数将总体或样本的全部测量值分为 两部分，有k 的测量值等于或小于此数，分别记做p 5 、p 5 0 、p 9 5 ，其中p 5 表示 “小”身材的人群，指的是有5 的人群身材尺寸小于此值；p 5 0 表示“中”身材 的人群，指的是有5 0 的人群身材尺寸小于此值，而有5 0 的人群身材尺寸大 于此值；p 9 5 表示“大”身材的人群，指的是有9 5 的人群身材尺寸小于此值， 而有5 的人群身材尺寸大于此值。有些人体测量尺寸资料中，除了给出常用的 第5 、5 0 、9 5 三个百分位数的数据外，还给出其他百分位数的数据，例如第1 、 l o 、9 0 、9 9 百分位数的数据等。其他百分位数的含义可依次类推。 4 2 3 我国人体成年人的人体结构尺寸 我国的成年人的人体尺寸表见表4 - 2 - 表4 - 4 武汉理工大学硕士论文 表4 2 我国成年人的主要尺寸表 百分位 男( 1 8 - 6 0 岁)女( 1 8 5 5 岁) 项目 51 05 0 9 0 9 551 05 09 0 9 5 1 1 身高，m m 1 5 8 31 6 0 41 6 7 81 7 5 41 7 7 5 1 4 8 41 5 0 31 5 0 71 6 4 01 6 5 9 1 2 体重k g 4 85 05 9 7 1 7 54 24 45 26 36 6 1 3 上臂长，m m 2 8 9 2 9 4 3 1 33 3 33 3 82 6 22 6 7 2 8 43 0 3 3 0 8 1 4 前臂长，m m 2 1 6 2 2 02 3 72 5 32 5 81 9 31 9 82 1 32 2 92 3 4 1 5 大腿长，m m4 2 84 3 6