（光学工程专业论文）汽车碰撞事故的计算机模拟再现技术的研究.pdf

摘要 ( 随着我国国民经济的发展，我国的汽车工业和道路交通运输事业得到了高 速的发展，但随之而来的是道路交通事故的不断发生，道路交通事故已成为一 个极为严重的社会问题。 在交通事故中，车辆问碰撞事故占到我国道路交通事故总量的2 3 以上， 造成的社会影响很大，经济损失严重。侧翻事故虽然所占比例不大，但造成的 财产损失和人员死亡更为严重，因此对汽车间碰撞事故和侧翻事故进行系统的 分析成为交通事故处理的重要课题之一。， 本文首先在总结前人研究的基础上，分析了车对车碰撞作用瞬间状态的计 算模型及碰撞恢复系数与碰撞前、后速度的关系，介绍了g i m 轮胎理论模型 的简化形式，建立了碰撞后车辆动力学模型。 研究并确定了车对车碰撞事故模拟计算和反推计算方法，该方法具有计算 简捷、精度高和参数输入方便的特点，并用实际案例进行了验证。 本文还对绊倒侧翻进行了初步研究，对两车相撞的侧翻事故进行了分析， 进一步建立了9 0 。与18 0 。翻车的临界侧翻速度模型和事故车辆翻滚运动模 型。佣于推测事故车辆的侧向速度范围、模拟侧翻的运动过程，并通过实车试 验资料验证了该模型的正确性。寸 最后本文介绍了所开发的汽车碰撞事故分析与模拟再现软件。f 该软件包括 车对车碰撞和侧翻事故分析，具有界面友好和结果输出形式形象直观的特点： 可应用于道路交通事故的初步分析。j 关键词：事故再现j 计算机模拟j 汽车碰撞侧翻模型、 翻滚模型 as t u d yo nt h er e c o n s t r u c t i n gt e c h n i q u e o fv e h i c l ec o l l i s i o na c c i d e n t s a b s l r r a c i 。 t h ev e h i c l ec o l l i s i o na c c i d e n t sa r eo v e r2 3t i m e sa sm u c ha sa l l t r a f f i c a c c i d e n t s t h e yc a u s eal a r g ea m o u n to fs o c i a li n f l u e n c ea n ds e r i o u se c o n o m i c l o s s t h o u g ht h er o l l o v e ra c c i d e n t sa r en o ta sm u c ha sv e h i c l ec o l l i s i o na c c i d e n t s ， t h e ym a k em u c hm o r ee c o n o m i cl o s sa n dp e o p l ed a m a g e w h a tt h ep a p e rs t u d i e si s t h er e t o r t s t r u c t i o nt e c h n i q u eo fv e h i c l ec o l l i s i o na c c i d e n t sa n dr o l l o v e ra c c i d e n t s f i r s t l yo nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gt h er e s e a r c hr e s u l t s ，t h i sp a p e rd e e p l y d i s c u s s e st h ec a l c u l a t i n gm o d e lt oa n a l y z et h ei n s t a n t a n e o u sm o t i o ns t a t ei nt h e v e h i c l ec o l l i s i o n ，t h ei n t e r r e la t i o na m o n gt h ee v e r ym o v i n gm e c h a n i c sp a r a m e t e r s i nt h ee v e r yp h a s eo ft h ec o l l i s i o n s e c o n d l y , t h ep a p e ru s et h es i m p l i f i e dg i mt y r em o d e l se s t a b l i s ht h ep o s t c o l l i s i o nm o v e m e n tm o d e lt oa n a l y z ea n dc a l c u l a t et h em e c h a n i c sm o v e m e n to f t h ev e h i c l e sd u r i n gt h et r a f f i ca c c i d e n t s t h i r d l y ，o nt h eb a s i so fd e e p l ya n a l y z i n gt h et r i p p e da c c i d e n t s ，t h ep a p e r e s t a b l i s h e st h er o l l o v e ra n a l y t i cm o d e ib e t w e e nt h ev e h i c l ea n dt h eb a r r i e ra n d b e t w e e nt w ov e h i c l e sc o l l i s i o n ；e s t a b l i s h e st h ec r i t i c a lr o l l o v e rv e l o c i t ym o d e l ； e s t a b l i s h e st h er o l lm o d e lt os i m u l a t et h em o v e m e n ta f t e rr o l l o v e rc o l l i s i o n b a s e do nt h e o r e t i cd e d u c i n ga n dr e a lv e h i c l ec o l l i s i o ne x p e r i m e n t s ，t h ep a p e r h a sd e v e l o p e dav e h i c l ec o l l i s i o na n dr o l l o v e rc o l l i s i o na n a l y t i ca n ds i m u l a t i v e r e c o n s t r u c t i o nm o d e l ，w h i c hh a st h eb r i e f e rc o m p u t i n ga n dh i g h e rc a l c u l a t i n g p r e c i s i o n ，a n di t sp a r a m e t e ri n p u te a s ya n dr e s u l to u t p u tt y p ei sm o r ev i s u a l t h e m o d e ls y s t e mc a nb eu s e di nt h et r a f i l ea c c i d e n t sa n a l y s i sa n di d e n t i f i c a t i o n a f t e rf i n i s h e dt h et h e o r yd e d u c i n ga n de s t a b l i s h i n gt h em o d e l ，t h ep a p e r m a k e so u tt h ep r o g r a mo ft h em o d e ls y s t e mw i t ht h ef e a t u r e ss u c ha sl i v i n g i n t e r f a c e ，e a s yo p e r a t i n g ，s t r o n ga d a p t a b i l i t y ，v i s u a l i z e dc a r t o o n i n ge f f e c t k e yw o r d ：t h et r a f f i ca c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o nv e h i c l ec o l li s i o n r o l l o v e rm o d e l r e c o n s t r u c t i n gt e c h n i q u eo fa c c i d e n t s r o l jm o d e l 致谢 本论文是在我尊敬的导师马恒永教授和钱立军副教授的悉心指导下完成 的。马老师、钱老师在我论文工作的每一个阶段都给予了关键性的、启发性的 和鼓励性的指导，我所取得的每一点成绩都是和两位导师的辛勤工作分不开 的。马老师、钱老师高尚的人格、豁达的胸襟、平易近人的待人处事方式使我 永生难忘! 马老师严谨科学的学风，渊博的专业知识、忘我的工作热情以及对 待工作一丝不苟的态度，使我终生受益。钱老师在我整个论文的研究过程中， 给予了极大的指导和帮助，使我的论文工作能够顺利进行，并且在r 常的学习 和生活上给予我无私的关怀。在此，作为学生的我，向两位导师致以我衷心的 谢意! 感谢钱德猛、姚成、朱忠奎、孟树兴等同学对我研究工作的帮助、关心和 鼓励! 另外，我的研究工作还得到了安徽省公安厅交警总队事故科石常林博士、 王春元科长的帮助，在此表示感谢! 在硕士研究生学习期间，得到了汽车教研室和交通教研室各位老师的关心 和帮助，在此向各位老师及同学表示我衷心的谢意! 感谢父母、弟弟和翟传敏对我精神上和物质上的支持，感谢他们给予我无 私的关心与照顾! 杜吉祥 2 0 0 2 年6 月2 0 同 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图2 _ 3 图2 4 图2 5 图2 6 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图5 1 图5 2 图5 - 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 _ 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 18 插图清单 我国汽车保有量增长情况 我国交通事故情况 车对车二维碰撞模型 车辆简化模型的俯视示意图 轮胎与地面相互作用6 分力图 g i m 轮胎简化形式 滑移特性图 合成滑移率图 车对车碰撞模拟计算流程图 车辆运动过程计算流程图 车对车碰撞反推计算流程图 车辆运动状态反推计算流程图 碰撞作用过程反推计算流程图 车辆与道路障碍物的侧翻碰撞模型图 碰撞力与碰撞作用持续时间关系图( k g4 ，) 两车相撞的侧翻碰撞模型图 碰撞力与碰撞作用持续时间关系图 9 0 。翻车的临界侧翻速度模型 1 8 0 。翻车的临界侧翻速度模型示意图 翻滚运动的滚筒模型 滚筒运动模型速度变化趋势示意图 v t a r 软件总体结构图 碰撞作用过程模拟计算模块结构图 运动过程模拟计算模块结构图 运动过程反推计算模块结构图 碰撞作用过程反推计算模块结构图 侧翻事故模拟与反推计算模块结构图 曲线显示模块结构图 结果输出模块结构图 动画显示模块结构图 输入数据内在关系图 非法输入数据警告 软件的菜单与工具条 软件工作流程图 碰撞位置( 碰撞过程模拟) 车速估计与控制参数( 模拟计算) 碰撞位置示意图 运动轨迹示意图( 模拟计算) 反推计算t i ，问值与结果的动态显示 o卫n巧”拍”弘舵钙钙牾铝”踊跖卯弛鼹鼹酡酡甜甜甜舛酊 图51 9 图5 2 0 图5 2 1 图5 2 2 图5 2 3 图52 4 图61 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 图6 7 图6 _ 8 图6 9 图6 1 0 图6 1 1 图6 1 2 图6 1 3 图6 1 4 图615 图6 1 6 图6 1 7 图6 18 图6 1 9 图6 2 0 图6 2 1 图6 2 2 图6 2 3 图6 2 4 图6 2 5 图6 2 6 估计车速与控制参数( 反推计算) 运动轨迹示意图( 反推计算) 碰撞作用过程反推计算模块输入数据 翻滚运动计算模块输入数据 车对车碰撞轨迹动画示意图 翻滚动画示意图 车对车侧面碰撞事故现场图 模拟计算的位移图 模拟计算的速度图 模拟计算的加速度图 模拟计算的运动轨迹动画 反推计算的位移图 反推计算的速度图 反推计算的加速度图 反推计算的运动轨迹动画 车对车偏心e 面碰撞事故现场图 事故现场照片 模拟计算的位移图与运动轨迹动画 模拟计算的速度图 模拟计算的加速度图 反推计算的位移图与运动轨迹动画 反推计算的速度图 模拟计算的加速度图 翻滚运动轨迹动画 翻滚运动位移图 翻滚运动速度图 翻滚运动加速度图 侧翻试验的位移曲线图 侧翻试验的侧向速度曲线图 侧翻试验的角速度曲线图 9 0 度临界翻车的运动轨迹 1 8 0 度临界翻车的运动轨迹 5 5 6 6 7 7 8 9 9 9 o o o 12 4 4 4 5 5 5 6 6 6 6 7 7 7 8 8 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 ， ， ， 表格清单 表1 1事故数与死亡人数之比 表1 2 碰撞模型的使用情况及其特点 表2 1碰撞形态量化指标与碰撞恢复系数关系表 表4 1翻车时车身滑动摩擦系数一览表 表6 1车对车侧面碰撞事故原始数据表 表6 2 侧面碰撞事故模拟计算的碰撞速度估计值 表6 3 侧面碰撞事故模拟计算停车位置 表6 4 侧面碰撞事故反推计算的碰撞速度， 表6 5 车对车偏心- f 面碰撞事故原始数据表 表6 6 偏心正面碰撞事故的碰撞后分离速度估计值 表6 7 偏心正面碰撞事故模拟计算的停车位置 表6 8 偏心正面碰撞事故反推计算的碰撞后分离速度 表6 9 偏心正面碰撞事故反推计算的碰撞速度 表6 1 0 翻滚运动原始试验数据 表6 1 1 临界侧翻速度范围 0加鹃鹋加他他他m m 伯弛 第一章绪论 1 1 汽车碰撞事故研究的社会背景与意义 随着汽车工业和交通运输业的高速发展，世界各国汽车碰撞交通事故日益 严重。交通事故不仅威胁着人类的生命，同时也给人们带来诸如心理、精神、 法律诉讼等多方面的问题。道路交通事故己成为深刻的全球性社会问题。 从1 8 8 6 年德国人卡尔本茨发明第一辆汽车以来，汽车给人们带来文明与 进步的同时，也带来了环境污染与交通事故等危害。在美国，从18 8 6 年到1 9 9 4 年一百多年的时间共有约3 0 4 万人死于道路交通事故，这一数据是其同期各次 战争中死亡人数( 约1 1 7 5 万人) 的2 5 9 倍；同一时期道路交通事故中有约3 亿人受伤，是其过去2 0 0 年问在战争中受伤人数( 约1 4 5 万人) 的2 0 0 倍左右。 1 9 9 0 年全球有统计记录的道路交通事故损失约为1 3 7 0 亿美元，1 9 9 3 年达到 5 0 0 0 亿美元。可以说，道路交通事故对于人类社会造成的总体伤害与损失规模 已大于任何一种自然或其它社会灾害所造成的伤害与损失规模。 随着国民经济大幅度增长，我国汽车保有量迅猛增加( 图1 1 ) ，但随之而 来的是道路交通事故的同趋严重，图1 2 为1 9 9 5 年2 0 0 1 年全国道路交通情 况、道路交通死亡人数及万车死亡率情况。由此可见，我国道路交通事故起数 及死亡人数仍呈逐年上升趋势，且上升幅度逐年加大，这种趋势在随后几年中 将仍然持续。我国万车死亡率虽由1 9 9 5 年的2 2 5 降至2 0 0 1 年的1 2 6 ，但 与发达国家及许多发展中国家相比，仍然偏高。 幽1 1 我囤汽车保有蛙增长睛况 幽l2 我国道路交通情况 目前，我国的汽车保有量为发达国家( 如美国、f 1 本等) 的1 6 l 2 0 ， 但交通事故的死亡率却是他们的数倍( 表1 1 ) 。根据我国公安部交通管理局的 统计，1 9 9 8 年，全国发生汽车交通事故3 4 6 万多起，死亡7 8 万多人，受伤 2 2 3 万多人，直接经济损失1 9 3 亿元 1 8 1 。2 0 0 1 年，全国发生汽车交通事故7 5 5 万多起，造成1 0 6 万多人死亡，5 4 5 力人受伤，财产经济损失3 0 9 亿元， 居世界首位。我国已成为世界各国中道路交通事故死亡人数最多的国家。 表1 1 事故数与死亡人数之比 国家中国美国德国日本韩国 事故数死亡人数 6 2 82 1 61 7 92 1 我国公安部交通警察部门在进行道路交通事故统计分析时，对道路交通事 故形态分类为：正面碰撞、追尾碰撞、侧面碰撞、对向刮擦、同向刮擦、辗压、 翻车、坠车、失火、撞固定物、其它等1 1 种。根据1 9 9 5 年2 0 0 1 年公安部的 统计，发生在我国的各类交通事故中，碰撞事故所占的比例可达5 7 ，碰撞事 故造成的人员伤亡占7 0 9 0 ，包括正面碰撞、追尾碰撞、侧面碰撞在内的车 对车碰撞交通事故无论是事故次数、人员伤亡还是经济损失都占到相应总数的 2 3 以上，成为现代道路交通事故的主要形态。 另外，在道路交通事故中，因汽车翻车造成的事故在全部交通事故中的比 例不大，但由翻车引起的人员伤亡却很严重。根据1 9 9 6 年n a s s g e s ( n a t i o n a l a u t o m o t i v es a m p l i n gs y s t e m g e n e r a le s t i m a t e ss y s t e m ) 的数据，翻车事故只占全 美囤车辆事故的1 8 ，但由翻车造成的死亡人数占全部事故死亡人数的9 9 。 另外，导致人员死亡：的非车辆间碰撞事故大部分也是由翻车造成的【5 ”。在我国， 翻车事故占全部车辆事故的3 4 ，但由翻车造成的死亡人数占全部事故死亡 人数的7 3 i j j 。因此汽车翻车是一种恶性交通事故，而且，事故统计说明大多 数翻车属于侧翻。 由此可见，对汽车碰撞交通事故进行研究是非常必要的，有着重要的研究 价值和社会经济效益。 1 ) 交通事故的鉴定：目前，交通事故的鉴定主要取决于经验。利用计算 机技术对汽车碰撞交通事故进行研究，可以可视化再现汽车碰撞交通 事故过程，定量分析导致事故发生的原因，提高事故鉴定的正确性和 权威性。 2 ) 交通工具的设计：汽车等交通工具的结构型式和结构参数是影响碰撞 过程的主要因素。通过对汽车碰撞交通事故的研究，可以优选汽车结 构型式和参数，提高其抗碰撞性和对驾驶员、乘员的变化能力。 3 ) 交通环境的规划：公路护栏、交通标志装置、路面条件等也是影响碰 撞事故的主要因素。通过对汽车碰撞交通事故的研究，可以定量分析 其影响规律，为规划和设计提供理论依据。 4 ) 交通管理法规的完善：通过对汽车碰撞交通事故的研究，发现导致交 通事故发生的共性原因，从交通管理上提出改进措施，从而完善交通 管理法规。 5 ) 交通安全意识的培养：通过对汽车碰撞交通事故的研究，可以让广大 市民在虚拟环境下亲眼目睹汽车碰撞交通事故的整个过程，亲身体验 交通事故对人员的伤害，从而提高遵守交通规则的自觉性。 12 汽车碰撞事故再现模型的基本理论和方法 汽车碰撞交通事故往往都是瞬间发生并结束，许多细节无从知道，而且当 事人或旁观者极易判断错误，很难对事故全过程做出正确的描述，甚至有时会 对事故发生过程做日 违背事实的陈述，因而建立在调查当事人( 或旁观者) 基 础上的定性分好是不可靠的，很难科学、准确地查明事故原因，不利于公正地 裁决事故责任。因此有必要对车辆碰撞交通事故做系统地、全面地、科学地定 量分析与研究。 车辆碰撞交通事故再现( a c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o n ) 是指对已发生的事故重 新描述、模拟和重演事故的过程，目的在于了解车辆碰撞f i f 的行为及整个过程， 借以合理地判定事故责任的归属。传统的事故再现，是根据事故现场所遗留的 痕迹，利用专家的经验来进行再现的工作。但是，事故现场的痕迹，往往因为 人为调查的疏忽或自然的消退而无法完全取得，再加上事故再现领域专家的稀 少，使得再现工作十分困难。 随着道路交通事故处理法治化的进程，必须寻求更科学可靠的定量分析鉴 定方法。为了克服上述缺点，可从两方面解决这一问题。 一方面是建立碰撞事故再现的计算机模拟系统，即根据事故现场所遗留的 痕迹，利用合理的运动和动量方程式，反推求得车辆碰撞前的行为；或根据反 推求得的碰撞初速度，雕合已知车体损坏等相关资料，通过模拟计算得到车辆 碰撞后的相关位置。 另一方面是建立事故再现专家系统，即经过对事故再现领域专家的访谈、 相关文献等，积累事故再现的经验知识库，构造事故再现的专家系统。 事故再现模型主要是根据交通事故现场所遗留的种种痕迹，如碰撞后车辆 的位移、滑行方向角、损坏程度、拖印长度、路面特性、车辆特性等资料，运 用理论力学知识，对事故发生过程进行理论推算与验证。根据采用的力学理论 基础不同，再现模型的建立主要分为基于动量守恒定理的方法和基于车体变形 特性的直接求解运动方程式的方法。一般把前者的碰撞模型称为动量守恒模型， 而后者称为能量守恒模型。 动量法以碰撞前的动量总和与碰撞后的动量总和相等为基础，在车辆的质 量为已知的情况下，考虑其行驶方向与碰撞后的相对位置，结合碰撞恢复系数 等参数建立车辆碰撞的力学模型，借以推算碰撞前后车速的变化，再现车辆碰 撞事故。动量法简便可靠，在事故再现软件中被普遍采用。利用动量守恒模型 不需要车体的变形特性，但是在根据车体变形求取碰撞能量的吸收量时需要车 体变形特性。 能量法以能量损失为基础，以碰撞力做功的概念来探讨动能的变化，根据 事故发生后车辆位移、车辆碰撞损坏变形的大小、位置、形状等因素和车辆材 料的性能等，结合已有的碰撞实验数据，相互对比确定碰撞过程的能量损失， 以此推算碰撞前、后车速的变化及碰撞角度，再现事故的全过程。能量法的使 用须获得有意义的变形量与变形能的关系，包括不同碰撞宽度和不同楔入深度 对变形能的影响，这只有通过不同的实车碰撞实验来得到，费用高昂。并且在 我国道路上行驶的不同国家生产的不同年代的汽车，许多情况下无法找到肇事 车的变形能与变形量的实验数据。因此国内很少采用这种方法，但国外应用较 多，如c r a s h 、e e s 爿尺肘软件在应用动量法的同时也使用能量法等。 另外，事故再现模型的建立方法根据计算顺序又可分为反推算法f 或分析方 法) 和j 下推算法( 或模拟方法) 。j f 推算法是“以因求果”，从碰撞前的情况求解 碰撞后的情况，反推算法是“以果推因”，f 推算法的逆过程。 13 汽车碰撞事故的国外研究现状 国外较早开展汽车碰撞研究的是美国。早期的汽车碰撞研究主要是进行各 种条件下的碰撞试验，包括实车碰撞试验和模拟碰撞试验。 早在6 d 年代美国就开始使用计算机辅助交通事故分析，并由n h t s a ( 美 国国家道路交通安全局) 丌发出世界第套汽车模拟碰撞软件s 俐( ( s i m u l a t i o n m o d e l o f a u t o m o b i l e c o l l i s i o n p r o g r a m ) ，开始了利用计算机进行交 通事故解析的初步 ：作。s m a c 软件用于分析模拟两辆汽车之间的撞击，依据 车辆撞击后的损伤程度、车辆最后位霄以及地面遗留的轮胎印痕，模拟计算车 辆撞击前的初始状态、撞击过程。后来发展的a u t o s m a c 软件能自动调整车 辆撞击前的初始状j 冬，使模拟更加迅速有效。 其后随着计算模型的不断改进，相继出现了用于事故再现的应用软件，如 c r a s h ( c r a s h 3 、c r a s h 9 7 ) 、i m p a c 、e e s a r m 、h y o s m 、t b s 、e d c r a s h 等。到目前为止，比较著名且应用较广泛的分析软件有：美圈的c r a s h ，i m p a c ， 同本的j 2 d a c s ，德国的w a c c a r ，法国的a n a c 等。 美国运输部资助研究的高速公路事故再现速度模拟分析软件c r a s h ( 包括 升级版c r a s h 3 和c r 爿s 册7 ) 是事故研究辅助程序，用于分析撞车速度与撞车 过程中的速度变化，预测车辆轨迹和轮胎滑痕，由车辆损坏程度分析吸收能和 损坏原因。浚系统在欧美国家得到广泛应用，在丌发与推广方面受到美国运输 部的大力支持。c r a s h 最初是作为大型交通事故统计分析软件s m a c 的数据输 入与生成子系统程序来开发的，后来c r a s h 专门作为界定车辆碰撞剧烈程度 的标准化解析工具，从而使得c r a s h 成为一个独立的汽车碰撞事故分析专刚 软件。 c r a s h 的基本碰撞分析理沧是其碰撞模型在应用动量守恒定理的同时，似 设在碰撞中已存在一个共同速度，这一假设的约束条件意味着碰撞时不发生反 弹，碰撞作用结束瞬间碰撞车体间的相对滑移停止。c r a s h 是从车体的变形量 推断碰撞作用阶段车体能量i 吸收量，由车体变形量推断其能量吸收量时是根据 车辆类别设定其刚度系数，事实上车体的碰撞刚度不仅与车辆结构有关，还与 碰撞形态有关。4 因此从理论上讲，为了提高碰撞分析的精度应该根据车辆结构 形式和碰撞形态的不同而不断更新解析时所采用的刚度系数，但实际中由于费 用与时间的原因，设定的刚度系数基本上是不变的。另外，c r a s h 中只设定了 车辆在碰撞面法线方向上的变形，没有考虑碰撞面切向的剪切力以及切向变形 的能量吸收问题。车辆侧面碰撞和非对称i f 面碰撞一般情况下都会在车辆前端 发生横向变形，显然c r a s h 的假设不能适应于这类碰撞形态。这也说明为什 么在c 删s h 的使用中发现其碰撞解析精度是随碰撞形态而变化的，有时会出 现计算误差很大的情况( 高时可达4 0 左右) 。 欧洲开发的汽车碰撞事故分析系统是e e s 一爿r m ( e q u i v a l e n te n e r g y 勋e e d - - a c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o nm e t h o d ) 。此碰撞分析系统的碰撞解析模型与c r a s h 一样在应崩动量守恒定理的同时，根据车体变形计算碰撞作用期i 、日j 的能量吸收。 并舰定其车体变形的能量吸收特性应由下列试验获得： 1 ) 证面碰撞试验 ( 1 ) 正面固定障壁墙碰撞试验 ( 2 ) 3 0 度央角证面固定障壁墙碰撞试验 ( 3 ) 非对称j f 面固定障壁墙碰撞试验 2 ) 侧面碰撞试验 ( 1 ) 活动障壁墙直角侧面碰撞试验及 ( 2 ) 动障壁墙4 5 度夹角侧面碰撞试验 ( 孔后面碰撞试验 ( 4 1 活动障壁墙后面追尾碰撞试验 由上述各种碰撞形态试验而得的车体刚度数据将作为应用e 醪刊r m 系统 进行碰撞事故分析与再现时的车辆已知参数使用。 同本汽车研究所安全研究部开发的车对车碰撞事故模拟软件j 2 d a c s h 和 c a r s 已在日本国内得到初步应用。他们具备优越的实车试验条件，在汽车碰 撞方面进行了系统的实车试验研究，特点是专业性强、投入大，拥有大量试验 数据资料。但由于其理论分析计算研究主要是在基于对实车碰撞试验进行模拟 需求的基础上开展j 起来的，因而在车对车碰撞事故计算模拟方法上也存在如下 不足之处：车辆模型过于简化，轮胎一地面力学模型为改进f i a l a 模型和s a k a i 模型，在用于车对车碰撞这类车辆受到很大瞬间冲击力作用的车辆，对其“自 由”运动进行解析计算时会造成较大的计算误差。 奥地利的刑事研究所根据车辆动态行为、碰撞行为，结合电脑绘图软件和 图像输入、处理软件，开发了p c c r a s h 车辆碰撞模拟软件，来进行事故模拟， 可达到三维效果。 法国i n r e t s 开发的a n a c 软件除了微机版外，还开发了增强型的工作站 版。a n a c 增强型： 作站版中，使用1 2 1 4 自由度的多体系统车辆模型。该软 件的基本功能可分为独立运行的三部分： 1 1 前处理：绘制事故现场图； 2 ) 事故再现：运动学和动力学再现； 3 ) 后处理：图示、动画、模拟、打印等。 v e r m a mk 、b e r n a r d j 和d a s n s 等人在研究由曲线运动引起的侧翻时， 建立了汽车侧倾理论模型，以此模型来研究车辆侧向加速度变化较快时汽车的 临界侧翻状态及其侧倾响应i5 0 | 剐。 m c h e n r y 、j o n e s 根据能量守恒提出了一个简单的绊倒侧翻分析模型1 5 9 1 。此 模型把整车视为刚体，以一定速度侧向运动，碰撞到固定障碍物，并绕碰撞点 转动。碰撞前车辆的动能转化为碰撞后把车辆举起到临界稳定点的势能。由此 模型可计算出导致侧翻的最小侧向速度。但一般情况下都低于试验值或实 际值。原因在于此模型没有考虑悬架和轮胎的影响，也没有考虑碰撞过程中由 于车辆结构破坏和轮胎侧滑引起的能量损失。 相对于能量守恒方法， m c h e n r y ，j o n e s 又提出了动量守恒分析模型：假 设车辆在与障碍物碰撞前后动量不变【59 1 。用这种模型得到的最小侧翻速度在一 定程度上高于由能量守恒模型计算出的最小侧翻速度，但仍小于实际中的最小 侧翻速度。 6 在动量守恒分析方法和能量守恒分析方法中，只考虑碰撞前瞬间与碰撞后 瞬间的动量、能量，不考虑碰撞过程中的力学特性。因此m c i t e n r y 和n a l c e z k 提出了较为复杂的侧翻力学分析模型，m c h e n r y 用较大的汽车与道路障碍物f n j 的摩擦力模拟碰撞力，而n a l c e z k 在模型中考虑了轮胎与悬架的阻尼作用 5 9 1 。 o r l o w s k i ，t h o r n s 等人采用实车实验的方法得出翻滚距离与地面摩擦系数 之间的关系，可用于推测翻滚开始的速度1 3 ”。但由于只考虑路面与车辆的摩擦， 不考虑车辆本身的影响，推测误差较大。 目前国外常见的道路交通事故分析系统所采用的碰撞模型及其特点如表 1 2 所示。 表1 2 碰撞模型的使_ l j 情况及其特点 c r a s h s m a c 事故分析 c a r s p c c r a s h e e s a r m c r a s h 系统软件 1 m p a c e e s a r m 其它 其它 碰撞模型 动鞋守恒模型能量守恒模j 弘 原则上不需要车体变形特性 需要车体变形特性 必须有碰撞面的约束条件 不需碰撞面的约束条件 不能再现车体变形状态 可以再现乍体变形状态 特点 可以求得碰撞作用阶段的有关 不能求得碰撞作川阶段的有关时 间历程的数据 时间历程的数据( 如加速度和速 度随时间变化历程) 碰撞解析可逆 碰撞解析不可逆 1 4 汽车碰撞事故的国内研究现状 我国对汽车碰撞交通事故的定量研究起步较晚。 1 9 8 8 年吉林工业大学的姜萍和西安公路学院的葛闻雷分别在其硕士学位 论文中对汽车碰撞事故的定量分析与仿真技术进行了初步探讨【8 i 。由于当时 实验条件和计算条件的限制，仅进行了较为简单的模拟计算和小比例模型碰撞 试验，但从中得到不少有意义的经验与结论。 1 9 9 3 年吉林 ：业大学的李江等人发表了他们关于汽车碰撞事故计算机模 拟方法的研究报告 7 j 2 0 1 。该项研究在其碰撞作用瞬间计算中采用了目前较多使 用的基于动量( 动量矩) 守恒定理的碰撞模型，在计算时提出了“力矩恢复系 数”概念和“最小二乘求解法”的概念，但物理意义不明确。计算中人为设定 输入的参数过多，需人工调整碰撞分离速度，造成了计算结果的不确定性。另 外，在碰撞后车辆动力学模型中假设车轮完全抱死、地面与轮胎之间仅考虑为 简单摩擦恒力，与实际情况不符。 1 9 9 5 年清华大学汽车研究所的刘学率等人开发出关于汽车碰撞交通事故 分析的计算机模拟软件t a r e l 0 1 1 1 1 1 。在碰撞后车辆运动力学模型方面，t a r 碰 撞事故分析软件比李江等人所用的计算模型更贴合实际情况，但其车辆碰撞模 型中假设“碰撞后，两车碰撞中心有共同速度”，实质上是以完全塑性碰撞( 碰 撞恢复系数为0 ，属于高速正面碰撞) 为计算条件，大大限制了该碰撞事故分 析软件的适用范围，且降低了计算精度。另外，该t a r 碰撞事故分析软件在计 算碰撞车速时也是采用试算方式，同样存在计算结果的不确定性问题。 1 9 9 5 年吉林工业大学的许洪国等人发表了用汽车风窗玻璃碎片抛距理论 模型推算汽车碰撞速度的研究报告1 4 ，该研究项目对于车对车碰撞事故分析有 定的定性参考价值。但从定量角度讲，适用范围很小，只适用于分析计算车 碰固定物或车碰其他运动惯量相对很小的一方时的事故情况。 西安公路交通大学的魏朗、陈荫三与日本汽车技术研究所合作，根据实车 碰撞试验数据，开发了车对车的计算机模拟软件，并用此软件对1 1 例实车碰撞 试验进行计算与模拟再现，计算结果与试验记录结果致。另外，首次对碰撞 后车辆再发生二次碰撞进行了定量研究【2 1 1 。但由于其碰撞模型是在轿车实车碰 撞试验基础上建立的，适用范围仅限定于小轿车。 目前国内的侧翻事故研究主要集中在由曲线运动引起的侧翻，绊倒侧翻研 究很少。 到目前为止，国内在关于车对车碰撞事故定量分析研究方面的最大障碍是 无法进行实车碰撞试验分析与验证，即没有经过试验验证因而不能准确确定其 分析计算方法的正确性或精确度，是上述关于车对车碰撞事故研究成果所存在 的共同问题，大大局限了其可信度和研究工作的深入进行。 另外，研究力量分散、缺乏统一的学术协调机构、不能及时进行该领域研 究成果的交流等问题也是制约国内车对车碰撞事故分析研究进程的原因之一。 国外在汽车碰撞计算机模拟方面的研究已具备了相当扎实的基础。这个基 础的形成经历了由大量的汽车碰撞试验研究向以此为基础而发展起来的计算机 模拟技术过渡，并逐步走向二者紧密结合的成熟阶段。而我国在汽车碰撞研究 领域的发展尚处于起步阶段，碰撞试验研究和计算机模拟碰撞研究的基础都很 薄弱。因此，比较理想的方式是在国外既有的基础上，引进能够满足事故分析、 碰撞模拟的相关软件，并且进一步研究和发展国内的计算机模拟技术，二者相 结合，发展出适合国内本土环境的事故再现软件。 1 5 本课题的研究目的和研究内容 汽车碰撞过程本质上就是车速剧烈变化的过程。在事故分析中，其核心与 最终目标就是要能正确推算出事故发生瞬间的碰撞车速和准确再现事故车辆的 运动过程，车速鉴定实质上归结为汽车速度变化量的计算。事故再现最主要的 问题就是如何比较准确的推断出汽车在碰撞前后的速度。对交通事故的科学分 析应是建立在正确的数学模型与计算机模拟技术基础上的定量分析，其基本条 件就是要有能正确描述事故过程中汽车状态的数学模型，只有建立正确的数学 模型，才能较准确地推定事故车辆的碰撞速度。所以建立正确地车辆碰撞模型 和运动模型正是汽车事故再现的关键问题。 本文的研究对象确定为道路交通事故中的车对车正面碰撞、追尾碰撞和侧 面碰撞，以及侧翻事故。 车对车碰撞事故至少含有车辆间的一次碰撞过程，每次碰撞过程可以可分 为以下两个阶段： 1 ) 碰撞作用持续阶段：车与车开始接触瞬间到脱离接触瞬间的时间历程。 主要描述车辆发生碰撞瞬间的状态，此时车辆由碰撞瞬间的碰撞初速 度，变成碰撞结束瞬间的碰撞后速度。绝大多数情况下，碰撞过程的 时间在1 5 0 m s 以内，而在0 5 0 m s 期间车辆横摆角速度、横摆角都几乎 没有变化，因此，在讨论与碰撞变形有关的内容是常以碰撞接触后 5 0 1 5 0 m s 的时间段作为研究时域。 2 ) 碰撞后车辆运动阶段：车与车脱离接触瞬间到车辆各自“自由”运动到 最后停止位置的时间历程。主要描述车辆发生碰撞后的状态，此时车 辆以碰撞后的速度，运动至最后的停止位置。在此阶段中，由于碰撞 事故可能使驾驶员受惊吓而不知所措，昏迷，甚至死亡，车辆的运动 会失去控制。此外，车辆在碰撞时车体要变形，轮胎的旋转也受到约 束，这时的运动也会发生较大的变化。因此，此阶段事故车辆的运动 为“非正常行驶”运动，具有运动状念变化剧烈、车轮侧偏角很大等特 点，车辆的运动是相当复杂的，车辆不仅要做平移运动，还要做转动 运动，甚至会发生翻车、坠车等三维运动。另外也有可能出现车辆的 第二次碰撞或事故车辆又与其它固定物发生碰撞的现象。 对于车对车碰撞事故，本文只研究车辆间一次碰撞情况，假定车辆碰撞后 运动过程中不再与其它任何物体碰撞。 除两车相撞导致侧翻外，汽车在行驶过程中侧向加速度超过一定限值会引 起侧翻，汽车与道路障碍物相撞也会导致“绊倒”侧翻。对于侧翻事故本文只 研究“绊倒”侧翻，同样假定侧翻运动过程中不再与其它任何物体碰撞。 与车对车碰撞事故相似，侧翻事故也可以分解为两个阶段： 1 ) 侧翻阶段( 或碰撞作用阶段) ：车与道路障碍物开始接触瞬阳j 或车与车 开始接触瞬间到脱离接触瞬间的时间历程( 约在1 j 内) 。 2 ) 侧翻后车辆翻滚运动阶段：车与道路障碍物或车与车脱离接触瞬间到 车辆“自由滚动”到最后停止位置的时间历程。