汽车碰撞理论4.doc

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1、浅谈汽车碰撞理论与仿真方法 摘要：本文主要介绍了汽车碰撞理论基本内容以及仿真方法。首先，概述了汽车碰撞理论的特点、基本原理，着重阐述了汽车碰撞的基本形式，对其中包括汽车对刚体的碰撞、汽车对汽车的正面碰撞、汽车对汽车的追尾碰撞，汽车对汽车的侧面碰撞等内容，对如何鉴别区分这几种碰撞形式做了简单的方法分析。特别对刚体碰撞、正面碰撞、追尾碰撞等做了详细的介绍，重点在于阐明了碰撞速度的基本计算方法。其次，片面的描述了汽车碰撞仿真方法，以汽车正面碰撞有限元仿真模拟、汽车侧面碰撞仿真方法为例，简单介绍了它们的语运用步骤。关键词：碰撞原理；碰撞形式；碰撞速度；碰撞模拟1.引言：汽车结构安全设计和交通事故的科学

2、分析都要求掌握汽车肇事特征与碰撞的基本规律。问题的难点在于，在碰撞过程中，汽车在瞬态力的作用下车身结构产生快速的非线性大变形，单单从刚体运动学、动力学来推断碰撞前的车速是不可能的，必须深入研究在碰撞过程中汽车结构的弹塑性性能及相关的变形、能量、速度、加速度及撞击力的变化规律，从而确定这些特征参量与碰撞速度的非线性关系。研究汽车碰撞过程中碰撞速度与结构变形的关系是汽车改型、开发及设计中十分重要的基础性研究，它对于现代道路交通事故鉴定分析的重要性逐渐引起人们的关注。美国国家道路安全局从！ 台汽车碰撞试验中给出汽车的刚度系数及其变形计算方法，日本著名的汽车交通事故鉴定专家林洋先生多次指明：“汽车车身

3、作为碰撞物体的特性至关重要，这是因为必须根据汽车车身的损坏状态反推出碰撞事故的产生过程。”在他的著作中给出了汽车典型碰撞过程的汽车变形与碰撞速度的经验公式。美、日汽车试验研究成果中给出低速下汽车碰撞速度与汽车车身变形的线性关系。它的重要价值不仅指出几个典型碰撞下车速判别定量依据，更重要的指明了汽车碰撞速度与结构变形的深入研究方向的重要意义，这也是本课题系统研究的指导原则。2.汽车碰撞理论基本概述2.1汽车碰撞的特点碰撞是瞬间物理过程,碰撞时间极短,它携带碰撞体的很多信息。严格的讲，汽车碰撞具有以下特点：1）是车辆之间相互交换运动能量的现象；2）是相互挤压、通过车身的损坏和固定物的损坏来消耗一部

4、分运动能量；3）是部分相互损坏而另一部分相互推斥的现象；4）不仅有运动能量的交换，有时还伴有将部分运动能量转换成角运动的现象；5）车辆与乘员之间有剧烈的相对运动，这就是乘员的二次碰撞，即乘员受伤害的原因之一；6）碰撞过程及其短，一般在0.1-0.2s时间内发生。乘员的运动，以摩擦功的形式消耗掉。碰撞后的运动时间一般为数秒。碰撞与碰撞后的运动是人力根本无法左右的纯物理现象，碰撞与碰撞后的运动结果，将造成车辆损失、乘员受伤并留下路面痕迹(胎痕、车身的碰擦痕、路面上散落物和固定物体的损坏)等。2.2碰撞的基本原理汽车事故中的碰撞现象，是一种比较复杂的力学过程，就汽车本身力学性质而言，即有钢铁结构所具

5、有的刚性较大的一面，又有在一定撞击力作用下产生塑性变形的后果。同时由于碰撞中的汽车质量、速度、汽车结构和外形上的差异，对汽车碰撞后的损坏程度以及运动状况都将有很大的差别：但其碰撞的基本原理仍可归纳为以下几方面：1）碰撞是一种动量交换现象，对于相撞的A、B来讲即有如下动量关系：（1）即在碰撞后，动量的总量不变。2）碰撞是一种反弹现象，汽车作为碰撞物体是一种部分弹性碰撞物体，根据公式(1),反弹系数公式为（2）即可以导出碰撞后速度的公式为（3）式中：A（肇事车）的有效碰撞速度；B（被撞车）的有效碰撞速度。3）碰撞是一种消耗部分动能的现象，即碰撞前两辆车的动能合计=碰撞后两车的动能合计+塑性变形功碰

6、撞损失的动能，其公式为（4）4）碰撞时所作用的力伟挤压力或挤压力加上摩擦力，假设两车如下图一所示向心二维碰撞，根据库仑定律有以下公式：(5)式中：对A、B车的拖拉摩擦力；A对B的挤压力；摩察系数。 A车 图一 B车5）挤压力作用在相对碰撞速度上。1.3碰撞形式1）汽车对刚体的正面碰撞；2）汽车对汽车的正面碰撞；3）汽车对汽车的追尾碰撞；4）汽车对汽车侧面碰撞。3.汽车的碰撞事故分析3.1汽车对刚体的正面碰撞（如图二所示）图二汽车对刚体的正面碰撞如上图所示，即由以下公式可求汽车行驶速度：（6）式中：车体的塑性变形量；无质量塑性弹簧变形系数；汽车的质量。经过大量的计算，发现汽车碰撞刚性障碍壁时速度

7、耗量为碰撞前速度的30%左右，汽车碰撞刚性障碍壁时碰撞过程中损失的能量为总能量55%的左右。3.2汽车对汽车碰撞类型的确定在碰撞发生后，首先要确定以下几点事实：1）碰撞地点；2）碰撞发生后，根据通行原则，首先要搞清是事故车行车状况，可通过以下手段确定：（1）轮胎痕迹的变化轮胎的印痕是事故现场留下的最有说服力的证据，可以说是最主要的证据。印痕的长度、排列、形状实际上有很多种。滑痕图形见图三：图三事故现场往往留有路面上的滑痕。根据轮胎在路面上的滑痕可以表明以下几个问题a.滑痕的轨迹说明了驾驶状态；b.在碰撞地点，滑痕有异变；c.横向侧滑时滑痕宽度比纵向滑动的滑痕宽；d.制动距离滑痕长度。（2）路面

8、上的散落物(特别是玻璃和漆片的散落状况)在汽车发生碰撞时，汽车的前挡风玻璃和车身上的漆片，必然被碰碎和脱离车身，而且在碰撞的最早时期就会破裂，并沿碰撞时汽车行驶的方向散落在地面上。其散落状态如图四 图四因此记录玻璃及漆片碎块以及其散落区域，是确定实际碰撞地点的重要证据。（3）路面划痕当两车底盘高低相差较大时，在正面碰撞时有可能会发生潜入型碰撞，即低底盘车辆(如轿车)会潜入到高底盘车辆(如货车)的下部，而低底盘车辆的车身底部下面会与路面发生摩擦而留下划痕。（4）事故车的最终停车位置和姿态根据碰撞后事故车最终停车位置，再根据轮胎印痕、路面划痕、路面上散落物之间的相互关系，可分析出碰撞实际地点，所以

9、最终停车位置与姿态，将成为最为重要的证据。因此事故发生后，除抢救伤员必要外，必须记录最原始的事故车停车位置和状态。在因抢救伤员而要移动事故车辆时，也应先对事故车停车位置有文字记录，以作为事后的证据。（5）事故车的碰撞变形状态根据事故现场留下的轮胎印痕、玻璃碎片、漆片等散落地点和两辆事故车最终停车位置，可分析两车碰撞地点和运动状态。3.3汽车对汽车的正面碰撞1）简单概述汽车遇到正面撞击（如下图五所示）的几率大约占所有导致死亡的汽车事故的半数，所以研究汽车正面碰撞是十分必要的。图五根据事故的成因，正面碰撞有以下三种类型：a超车时越过中心线或避让本车道内的障碍而越过中心线后与对面来车的碰撞；b弯道行

10、驶中越过中心线的碰撞；c打盹时越过中心线的碰撞。具体碰撞类型由2.2所讲内容进行判断。2)碰撞速度的计算（1）有效碰撞速度可由以下公式计算：（7） （8） （9）式中：总变形量；A车的变形量；B车的变形量。（2）碰撞速度的推算 由以下公式可计算出两车碰撞后离开的车速和：（10）式中：、 分别为车辆A、B的纵向滑动附着系数；、分别为车辆A、B碰撞后的滑移距离；、附着系数修正值；道路的纵坡度。由公式（7)、(8)、(9)，联立（10）可求得碰撞速度和。3.4汽车对汽车的追尾碰撞1)汽车追尾碰撞一般类型：制动追尾型、起步追尾型、错觉追尾、变更行车车道的追尾型。2）追尾碰撞的特点（1）被追车辆一般都不

11、知情，且未做回避动作；（2）恢复系数比正面碰撞小；（3）前车还会因撞击而继续向前滚动一段距离；（4）在小车追尾碰撞前方大型货车时，小车往往发生潜入式碰撞，并可能粘挂在大货车尾部而一同前进，直至大型货车采取制动措施停车后才会停下，且绝大多数都会造成前排座椅乘员的严重伤亡；（如下图六所示）（5）追尾碰撞时，追尾车(肇事车)大部分是在边紧急制动边向前运动情况下发生的，而且两车的速度方向相同。图六3）追尾碰撞速度的计算（1）碰撞后两车共同拥有的运动速度为：（11）式中：为被追尾车的滚动阻力系数。（12）（13）由公式（11）、（12），联立方程组（13）可以求得碰撞速度和。3.5汽车对汽车的侧面碰撞（

12、如下图七所示）图七侧面碰撞大都发生在两车行驶方向有夹角的两个车道交汇处，其形式有：1迎头侧面碰撞迎头侧碰撞主要发生在视野不良的交叉路口，由于未注意信号或侧方来车后，驶入交叉路口与已进入交叉路口车辆发生的碰撞。一般来说在碰撞前的瞬间，双方可能均未发现对方车辆或发现后已来不及采取措施。2右转向侧碰撞主要发生在交叉路口、右转向车辆与直行车辆之间。具体又可分为已发现对方车辆和未发现对方车辆两类，对已发现对方车辆类，则属于“抢道事故”，属于判断错误，而未发现对方车辆类,则属于“视线被挡住事故”，主要是右转向车辆与直行车辆之间存在一辆挡住视线的第三辆车。3左转向侧碰撞主要发生在等待信号后，对面信号变绿灯后

13、，左转向的右侧车辆和仍在直行的左侧车道的车辆之间发生的碰撞。4行车道变更的侧碰撞主要发生在前车未确定后面的交通状况，而变更车道时，与从后方欲超过前车的直行车辆之间的碰撞，是前车变更车道认识错误和后车超车判断错误交错结果而造成的。5直角侧碰撞直角侧碰撞时除部分采取紧急制动停住车辆或原本就因故障停驶在路口内外，被撞车大多数仍在行驶。碰撞中由于被撞车辆受到冲撞力和冲撞产生的力偶作用外，还受到摩擦力产生的力偶作用，所以对这类碰撞应采用二维碰撞原则来分析。它包括向心二维碰撞、偏心二维碰撞。汽车碰撞的形式还有其它种类，在这里不在一一阐述，详情请参考资料4。4汽车碰撞仿真方法概述4.1汽车碰撞仿真总的介绍1

14、）仿真：也称模拟，它是指为了求解问题而人为地模拟真实系统的部分或整体运行过程。2）汽车碰撞仿真方法的主要类型:以有限元理论为基础的有限元模拟法。4.2有限元法的基本理论1）定义：有限元法是运用离散的概念，假想把连续体(指物体或结构)分割成有限个有限大小的多边形(当为平面问题的二维区域时)或多面体(当为空间区域时)，这些多边形或多面体，就称为有限元(或称为有限单元或者有限元素)。2）应用有限元法分析问题时，需要经过以下几个步骤：(1)根据问题所给条件，简化结构物的几何形状，建立与原始问题相适应的变分形式。(2)建立有限元子空间，即选择元素类型和形状函数。(3)计算单元刚度阵并且合成总刚度阵。(4

15、)求解以节点位移为未知量，以总体刚度矩阵为系数的线性方程组。(5)回到实际问题中进行验证、讨论。4.3汽车正面碰撞有限元仿真模拟其有以下步骤：1）网格划分：应用有限元前处理软件Hypermesh 对整车进行网格划分, 整车模型共有402 058 个单元, 以矩形单元为主, 在绘制完白车身网格以后, 进行白车身的模态分析, 顺便检验一下是否有忘记连接的焊点。2）材料模型：在对整车进行前碰撞仿真时, 关键问题是材料模型的正确选用。同一个零件在进行不同条件( 撞击速度和承受载荷不同) 下的计算分析时, 都可能需要选用不同的材料模型。3）碰撞的边界条件：按照法规项的要求来模拟整车正碰, 计算时碰撞速度

16、为50 km/h, 固定刚性壁障。4）汽车正碰试验和仿真结果分析。5）正面碰撞车身结构抗撞性研究。4.4汽车侧面碰撞仿真方法其有以下步骤：1）整车模型：整车建模时，将汽车分为3个区域： 区为汽车发生碰撞的区域，即主要变形区；区为以车身对称平面为分界线的右侧车身，这侧的车身基本不变形； 区为非撞击区，这一区域的车身也基本不变形。2）移动变形壁障模型：移动变形壁障模型是进行侧面碰撞计算机仿真的基本工具，必不可少。3）EuroSIDI模型4）实车侧面碰撞仿真：具备了整车、移动变形壁障和假人模型以后，按照试验要求确定三者之间的相互位置关系，定义三者自身和相互之间的接触。5）仿真结果与试验结果的对比：计

17、算机仿真结果的正确与否最终需要试验来验证，对仿真结果的真实性和准确性的评价通常采用定性和定量的评价方法。5结论汽车碰撞理论不仅是对汽车碰撞的理论研究，更是与实践结合的产物。汽车理论研究的对象是现实中的车辆与道路、道路周围环境以及行人之间碰撞之后产生的结果，所以这门理论对于交通事故的鉴定，对于交通安全设施的完善，对于汽车自身性能的提高有着非常重要的作用。随着中国汽车时代的加速发展，汽车性能的不断完善，汽车碰撞理论的研究也进一步的得到了发展，鉴于交通事故碰撞现场情况难以掌握以及碰撞试验高昂的代价，汽车碰撞模拟仿真技术得到了迅速的发展，在汽车性能改进方面发挥了重要作用，汽车碰撞理论与我们的交通安全出

18、行息息相关。6.参考文献：1凌邦国,朱兆青,周玲，碰撞过程的研究，物理实验，2004（06）2 刘学术,宋振寰,于长吉, 汽车碰撞基本规律研究,汽车技术，2004（03）3张帆，侯荣涛，张立萍，车辆正面碰撞变形模拟研究，中国知网，2006（30）4刘志强，葛如海，龚标，道路交通安全工程， 化学工业出版社，2005（01）5裴玉龙，张亚平，道路交通系统仿真，人民交通出版社，2004（09）6曹华龙，汽车碰撞模拟仿真分析，东北大学车辆工程，2006（02）7 王磊，汽车正面碰撞有限元仿真模拟，汽车技术，2007（01）8 陈晓东，尹同耀，汽车侧面碰撞计算机仿真方法，汽车工程，2004（01）9郭忠印，方守恩等编著，道路安全工程，人民交通出版社，200310王炜，交通工程学，东南大学出版社，200011刘志强，交通安全分析比较研究，交通与计算机，200112杨希锐，虞继光，宋传平，道路交通事故案例剖析，人民交通出版社，2005（01）13余志生，汽车理论，机械工业出版社，200014李百川，汽车驾驶员适应性检测及评价，人民交通出版社，200315赵恩棠，刘稀柏，道路交通安全，人民交通出版社，1990