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轎車(chē)與行道樹(shù)正碰事故再現(xiàn)關(guān)鍵因素研究

文檔作者：孟家富向東白如月劉學(xué)平姜立峰文檔來(lái)源：清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所司法鑒定中心		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年09月17日
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第9期
2011年9月
機(jī)械設(shè)計(jì)與制造
Machinery Design &amp;amp; Manufacture
文章編號(hào)：1001—3997(201 1)09-0001—03
轎車(chē)與行道樹(shù)正碰事故再現(xiàn)關(guān)鍵因素研究 ：i：
孟家富 向東 白如月 劉學(xué)平 姜立峰
( 清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系，北京100084)
(z交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所司法鑒定中心，北京100088)
Main factor research of sedan-tree frontal collision accident recOnstructiOn
MENG Jia—fu ，XIANG Dong ，BAI Ru—yue ，LIU Xue—ping ，JIANG Li—feng
( Department of Precision Instruments and Mechanology，Tsinghua University，Beijing 100084，China)
( Forensic Sciences Center of RIOH，Beijing 1 00088，China)
【摘 要】為了分析轎車(chē)與行道樹(shù)正碰事故再現(xiàn)過(guò)程，建立了一款市場(chǎng)上常見(jiàn)的微型轎車(chē)有限元；
}模型并驗(yàn)證其有效性，選擇白楊樹(shù)作為碰撞對(duì)象，進(jìn)行事故再現(xiàn)關(guān)鍵因素研究。以轎車(chē)前端主要變形區(qū){
；的四結(jié)構(gòu)件：前保險(xiǎn)杠、前保險(xiǎn)杠內(nèi)杠、引擎蓋和水箱為分析對(duì)象：基于Pare—crash軟件平臺(tái)，設(shè)計(jì)2Y-交；
試驗(yàn)來(lái)分析碰撞速度、碰撞位置及行道樹(shù)直徑對(duì)四結(jié)構(gòu)件碰撞變形的影響。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：碰撞速2
i度是碰撞變形的最主要影響因素；前保險(xiǎn)杠內(nèi)杠在保存事故信息方面優(yōu)勢(shì)明顯，可以作為事故再現(xiàn)分{
；析的主要對(duì)象。 ；
i 關(guān)鍵詞：車(chē)樹(shù)正碰；事故再現(xiàn)：正交試驗(yàn)；主因研究
； 【Abstract】／n order to analyze the reconstruction process of sedan—tree frontal collision accident，a{
；commonly—used sedan finite element model is established and the effectiveness is vel~ed．By selecting 0
poplar the collision object， key factors r reconstructing the accident are analyzed．The four main j
；structural parts deformed in the front of a sedan，includingfront bumper,front inner bumper，water tank and{
；engine cover，are selected the analyzed objects． e impact o／’the collision velocity，collision location and；
￡ tree diameter upon the four main parts in collision deformation is analyzed based on Pam-crash so1．a(chǎn)re 2
；through a orthogonal experiment，which simulation results shows that the velocity is the most effective factor{
；in the collision；Because ofthe obvious advantage in keeping the collision information ofreconstruction，￡ e{
i front inner bumper Caft be selected as the main object in sedan-tree frontal collision reconstruction． 2
} Key words：Sedan-tree frontal collision；Accident reconstruction；Orthogonal experiment；Main《
： factor research
m 、- i 。、．m ? 。 。、- ， ? t、 ? 。 ¨ ． ? m 。 ．、r¨ ? ? ? ? ? M ．，i、-“ w 、
中圖分類(lèi)號(hào)：TH12，TH123 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
1引言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的逐步提高和基礎(chǔ)設(shè)施的不斷改善，機(jī)
動(dòng)車(chē)，特別是轎車(chē)變得更加普及。這在改善人民生活質(zhì)量的同時(shí)，
給道路交通安全提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，2000年以來(lái)，我國(guó)每年出現(xiàn)交
通事故數(shù)十萬(wàn)起，死亡數(shù)萬(wàn)人，直接經(jīng)濟(jì)損失在1O億元以上l】1?；?
于已公布的事故數(shù)據(jù)，柱狀物事故發(fā)生概率大約2％，但造成的重
大傷亡率卻在50％左右 I。
國(guó)外對(duì)轎車(chē)與柱狀物碰撞事故的研究從上世紀(jì)70年就開(kāi)
始，美國(guó)的一些科研人員通過(guò)汽車(chē)碰撞常見(jiàn)的電線(xiàn)桿實(shí)驗(yàn)，給出
了不同重量汽車(chē)撞擊柱狀物時(shí)，汽車(chē)前端凹陷深度和碰撞車(chē)速的
線(xiàn)性關(guān)系圖I 。研究重點(diǎn)是柱狀物碰撞事故發(fā)生的概率統(tǒng)計(jì)分析
和如何布置道路柱狀物。周內(nèi)對(duì)轎車(chē)與柱狀物的碰撞研究偏少，
主要通過(guò)金屬薄壁梁結(jié)構(gòu)的的仿真分析來(lái)研究轎車(chē)碰撞事故，屬
汽車(chē)被動(dòng)安傘．I生研究。2009年一些科研人員設(shè)計(jì)試驗(yàn)，存實(shí)驗(yàn)室
進(jìn)行汽車(chē)與柱狀物的碰撞DI．重點(diǎn)是人體受傷和試驗(yàn)裝置可靠性
研究。
科學(xué)選取轎車(chē)變形結(jié)構(gòu)件作為此類(lèi)正碰事故再現(xiàn)分析對(duì)象，和各
個(gè)碰撞因素在事故再現(xiàn)巾的影響的研究較少。由于此類(lèi)交通事故
發(fā)生的次數(shù)有限，進(jìn)行實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)獲得相關(guān)研究數(shù)據(jù)，費(fèi)用代
價(jià)過(guò)高，而且獲得的數(shù)據(jù)相對(duì)有限。通過(guò)建立有限元模型，并在實(shí)
車(chē)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型有效性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，則可以比較可
靠經(jīng)濟(jì)省時(shí)，且可獲得更加全面的數(shù)據(jù)，從而為轎車(chē)與柱狀物正
碰事故再現(xiàn)研究提供科學(xué)依據(jù)。
2轎車(chē)模型的建立及其驗(yàn)證
進(jìn)行交通事故再現(xiàn)需要同答很多問(wèn)題，諸如所涉人員的運(yùn)
動(dòng)、車(chē)輛速度歷程、最終停止位置的真實(shí)性等 ，影響這些研究結(jié)
果準(zhǔn)確度的最主要因素就是仿真車(chē)輛有限元模型的有效性。為了
保證仿真研究的可靠性，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)，研究首先建立一
款市場(chǎng)比較常見(jiàn)的轎車(chē)有限元模型。先通過(guò)仿真碰撞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證整
車(chē)有限元模型的有效性，然后再通過(guò)中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，進(jìn)
行轎車(chē)實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)，最終驗(yàn)證了整車(chē)有限元模型的有效性。
2．1整車(chē)正面碰撞有限元建模
目前國(guó)內(nèi)外在轎車(chē)與柱狀物碰撞事故的研究中，針對(duì)如何 研究以某轎車(chē)為研究對(duì)象建立正面碰撞的有限元模型
。車(chē)
-A-來(lái)稿日期：2010—11—16 ★基金項(xiàng)目：十一五國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAF02A02)
Ir 魯● ● ● ● 魯， 。設(shè)計(jì)與計(jì)算。
t ● ● ● ● ● 、
2 孟家富等：轎車(chē)與行道樹(shù)正碰事故再現(xiàn)關(guān)鍵因素研究 第9期
體尺寸為(3590x1540xl486)mm，整車(chē)整備質(zhì)量為870kg，為小排
量微型轎車(chē)。建立整車(chē)有限元模型的流程是：首先建立整車(chē)的幾
何模型(CAD模型)；在幾何模型的基礎(chǔ)上對(duì)各個(gè)零部件劃分有
限元網(wǎng)格，并賦以相應(yīng)的材料、厚度屬性；通過(guò)在實(shí)際裝配位置上
建立相應(yīng)的連接單元如焊點(diǎn)、螺栓、鉸接、粘接等，將各零部件組
裝成各分總成；最后把各個(gè)分總成裝配成整車(chē)有限元模型，并定
義載荷和邊界條件。建模和仿真分析分別采用Hypermesh和
Pam—Crash軟件。研究劃分網(wǎng)格的尺寸，對(duì)車(chē)身前部變形區(qū)以
|0mm為基準(zhǔn)。后部碰撞中基本不變形的部分，采用20ram的網(wǎng)
格。嚴(yán)格控制單元的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。
表1網(wǎng)格單元質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
Tab．1 standards of the grid’S quality
依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，建立某款轎車(chē)整乍的有限元模型，如圖1所
示。最終的整車(chē)有限元模型由48．7萬(wàn)個(gè)單元組成，三角型單元比
例為5．4％，低于10％的標(biāo)準(zhǔn)。
圖1某轎車(chē)整車(chē)有限兀模型
Fig．1 Finite element model of a sedan
2_2模型有效性的驗(yàn)證
在HP工作站— 寸轎車(chē)正面碰撞有限元模型進(jìn)行仿真計(jì)算，仿
真碰撞時(shí)問(wèn)為1 60ms。整體模型的正面碰撞t1算機(jī)仿真能量曲線(xiàn)，如
圖2(a)所示。模型總能量為106．24kJ，沙漏能最大為1 1．36kJ，約為總
能量的10％，符合沙漏能控制的要求。如圖2(b)所示，是仿真結(jié)果和
實(shí)車(chē)試驗(yàn)中濾波后的的B柱下端加速度曲線(xiàn)對(duì)比，方向?yàn)?方向，即
與初始速度反向。試驗(yàn)結(jié)果的加速度峰值出現(xiàn)在33ms，峰值為
512go仿真曲線(xiàn)與試驗(yàn)趨勢(shì)基本一致，峰值為56．8g，峰值時(shí)間為
35ms,同試驗(yàn)結(jié)果相差10％，表明有限元模型是可靠的。
100
8O
： 60
倒
40
2O
O
圖2某微型轎車(chē)仿真實(shí)驗(yàn)及支車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
Fig．2 Verifications of simulation experiment
and real collision experiment
3轎車(chē)與柱狀物碰撞變形的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)
3．1建立柱狀物數(shù)字模型
在上述轎車(chē)模型有效性得到驗(yàn)證后，將轎車(chē)仿真實(shí)驗(yàn)的碰撞
對(duì)象從剛體墻改為柱狀物。研究中的柱狀物是行道樹(shù)，根據(jù)我國(guó)實(shí)
際情況，行道樹(shù)選為比較常見(jiàn)的白楊，密度取為0．375i m ，彈性模
量取為12GPa，屈服應(yīng)力取為le+10GPa，表示碰撞過(guò)程中樹(shù)的變形
可以暫時(shí)不予考慮 。為了研究碰撞速度、碰撞位置及行道樹(shù)直徑對(duì)
碰撞變形形態(tài)的影響，設(shè)計(jì)了一組j因素三水平的正交試驗(yàn)。研究
建立了建立直徑分別為80mm、180ram、280mm的3種行道樹(shù)。行
道樹(shù)是采用構(gòu)造二維網(wǎng)格單元，然后拖拉成三維實(shí)體單元，在質(zhì)量
控制方面采用fi'ozen metric來(lái)保證模型仿真的大變形的穩(wěn)定性。
3_2設(shè)計(jì)轎車(chē)與柱狀物的正交試驗(yàn)
應(yīng)用上述轎車(chē)和白楊樹(shù)有限元模型，在HP工作站上進(jìn)行一
次運(yùn)算的時(shí)間是100000s左右，如果進(jìn)行完全試驗(yàn)，則需要進(jìn)行27
個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)。即使不問(wèn)斷運(yùn)算，一次完整實(shí)驗(yàn)耗時(shí)約—個(gè)月，計(jì)算代
價(jià)過(guò)大 為了能夠比較準(zhǔn)確地分析碰撞各個(gè)因素對(duì)碰撞變形的影
響，并且使用的計(jì)算H,／I'．1盡可能短，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)進(jìn)行仿真研究。
選擇出主要的變形結(jié)構(gòu)件，滿(mǎn)足兩個(gè)條件：(1)該結(jié)構(gòu)件易
于變形，且能保留比較明晰的變形信息；(2)這些變形信息是易于
測(cè)量的，一般不需要將整車(chē)進(jìn)行拆解就可以獲得測(cè)量值，便于交
通事故再現(xiàn)的快速判定。根據(jù)以上要求，結(jié)合交通事故的自身特
點(diǎn)，在仿真實(shí)驗(yàn)中選擇了4個(gè)結(jié)構(gòu)件來(lái)建立碰撞變形的分析對(duì)
象：前保險(xiǎn)杠、前保險(xiǎn)杠內(nèi)杠、水箱、引擎蓋。針對(duì)需要分析的因
素，采崩L9(34)正交試驗(yàn)表l ，如表2所示。
表2正交試驗(yàn)條件
Tab．2 Conditions of orthogonal experiments
表2中，“轎車(chē)與行道樹(shù)碰撞位置”欄中，“Middle，Interval，
∞
∞
∞
∞
1
)吣
舳
時(shí)
∞
∞
如
0
No．9
Sep．201 1 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 3
Side”指柱狀物與轎車(chē)碰撞接觸位置距離基準(zhǔn)點(diǎn)A點(diǎn)的， 向距離分
別為“480ram，680ram，900mnl”，如圖3所示。沒(méi)計(jì)完正交試驗(yàn)后，對(duì)
選出的結(jié)構(gòu)件確定統(tǒng)一的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，便于后面的測(cè)量及比較分析。
(1)在前保險(xiǎn)打中，選左燈 4點(diǎn)為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，如圖3所
示：當(dāng)碰撞位置分別是Middle、Interval、Side時(shí)，另一基準(zhǔn)點(diǎn)分別
選為B 、B 、B 點(diǎn)，各自距A點(diǎn)的 向位移為480nm 、680mm、
840mm。分別測(cè)量前保險(xiǎn)杠碰撞前后的兩基準(zhǔn)點(diǎn)的y向距離，冉
計(jì)算兩距離值的差值，作為前保險(xiǎn)杠寬度變形量。同樣以前保險(xiǎn)
杠上的A點(diǎn)和 點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，分別測(cè)量?jī)苫鶞?zhǔn)點(diǎn)彳F碰撞前后的
向距離，再計(jì)算兩距離值的差值，作為前保險(xiǎn)杠深度變形量。
圖3前保險(xiǎn) 碰撞位置
Fig_3 Collision locations at front bumnle]’
(2)在前保險(xiǎn)札內(nèi)卡1=中，選左端點(diǎn)C點(diǎn)為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，如岡4
所示。當(dāng)碰撞位置分別是Middle、lntet~al、Side時(shí)，另一基準(zhǔn)點(diǎn)分
別選為D 、D 、 點(diǎn)，各門(mén)距C點(diǎn)的l，向位移為480mm、680mm、
840mm。分別測(cè)量?jī)?nèi)保險(xiǎn)杠碰撞前后的兩基準(zhǔn)點(diǎn)的y向距離，冉
計(jì)算兩距離值的差值，作為內(nèi)保險(xiǎn)杠寬度變形量。同樣以?xún)?nèi)保險(xiǎn)
杠上的C點(diǎn)和 點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，分別測(cè)量?jī)苫鶞?zhǔn)點(diǎn)存碰撞前后的
向距離，再計(jì)算兩距離值的差值，作為前保險(xiǎn)柯深度變形量。
當(dāng)碰撞位置分別是Middle、Interval時(shí)，測(cè)量?jī)?nèi)保險(xiǎn)杠的碰
撞后開(kāi)口寬度，兩基準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)分別選內(nèi)杠 向變彤區(qū)的對(duì)稱(chēng)臨
界點(diǎn)，以?xún)苫鶞?zhǔn)點(diǎn)的距離作為內(nèi)杠碰后變形開(kāi)口寬度。南于碰撞
位置在外側(cè)時(shí)，模型中的內(nèi)杠凹陷變形不規(guī)則，故不予考慮。
圖4前保險(xiǎn)杠內(nèi)卡丁碰撞位置
Fig．4 Collision locations at front inner bummer
(3)水箱兩基準(zhǔn)點(diǎn)分別選在水箱前端部分的左右中間點(diǎn)，測(cè)
量?jī)苫鶞?zhǔn)點(diǎn)，，向碰撞前后的距離值，冉計(jì)算兩距離值的差值，作
為水箱寬度變形量。(4)引擎蓋的兩基準(zhǔn)點(diǎn)分別選為艙蓋中線(xiàn)上
的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，測(cè)量?jī)苫鶞?zhǔn)點(diǎn)z向碰撞前后的距離值，冉計(jì)
算兩距離值的差值，作為引擎蓋高低點(diǎn)變形量。
表3正交試驗(yàn)結(jié)果(單位：mm)
Tab．3 Results of orthogonal experiments(mm 1
杠寬度杠深度度變形度變形形開(kāi)口
：：： 變 量竺 壁 量 里 童墮量
1 I5I．8 274．4 134．9 238．5 76．6
2 151．0 298．3 l13．5 268．5 175 6
3 74．6 197．5 25．2 1O9皇 一
4 427．9 442．4 331．】 306 8 184． 6
5 379．9 560．4 280．0 462．8 275．6
6 165．1 497．9 76．4 3l】3 ～
7 596 6 4254 390．3 297 5 290． 2
8 487．4 558．3 3 l 9．7 453．4 83． 4
9 592．5 878 5 4I4．4 636．7 I
水箱寬引警蓋
度變形高低點(diǎn)
4試驗(yàn)結(jié)果與討論
4．1正交試驗(yàn)結(jié)果
按照前而的正交試驗(yàn)沒(méi)計(jì)，在統(tǒng)一的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)下，進(jìn)行結(jié)果
分析，得到正交試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果，如表3所示。
4．2試驗(yàn)結(jié)果及討論
分析轎車(chē)與行道樹(shù)正碰事故，需要確定具有碰撞變形信息
表征性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，研究依據(jù)兩條標(biāo)準(zhǔn)，選擇了轎車(chē)前端變形
區(qū)的四結(jié)構(gòu)件來(lái)作為分析對(duì)象。不同的碰撞因素對(duì)碰撞變形所造
成的影響足不同的，導(dǎo)致不同結(jié)構(gòu)件在碰撞后所包含的信息對(duì)事
故再現(xiàn)研究的價(jià)值是有 別的。通過(guò)正交仿真實(shí)驗(yàn)，可以比較明
確地分析出不同關(guān)鍵 素對(duì)轎車(chē)與行道樹(shù)正碰的影響，依據(jù)表5
實(shí)驗(yàn)結(jié)果有以下結(jié)論。
(1)碰撞速度對(duì)碰撞變形的影響最明顯，特別是前保險(xiǎn)杠寬
度變形量與碰撞速度存在近似的線(xiàn)性關(guān)系。相較于前保險(xiǎn)杠或者
前保險(xiǎn)打內(nèi)杠的深度變形量，它們的寬度變形量更能體現(xiàn)碰撞速
度的關(guān)系，這在交通事故速度冉現(xiàn)町以提供初步的判定依據(jù)。
(2)碰撞位置不同會(huì)造成不問(wèn)的碰撞變形形式，碰撞位置為
“ middle”和“inter~，al”對(duì)四結(jié)構(gòu)件造成的變形量大致相同；碰撞位
置為“middle”給前保險(xiǎn)杠和內(nèi)保險(xiǎn)卡丁造成的寬度變形量大于碰
撞位置為“interval”的寬度變形量，而碰撞位置為“interval”給前
保險(xiǎn)杠和內(nèi)保險(xiǎn)杠造成的深度變形量大于碰撞位置為“middle”
的深度變形量。碰撞位置為“side”造成的變形量與碰撞位置為
“ middle”及“interval”柏差很大，說(shuō)明碰撞位置為“side”的變形量
是明顯有別于上述兩種碰撞的碰撞形式，需要選擇其他的結(jié)構(gòu)件
來(lái)進(jìn)行變形形式的表 。
(3)由“內(nèi)杠變形開(kāi)口寬度量”的六組數(shù)據(jù)可以得知，該測(cè)量
值與柱狀物直徑很接近，誤差在6％以?xún)?nèi)。由此可知，在轎車(chē)與柱
狀物的碰撞事故中(除碰撞位置為“side”)，一般可以通過(guò)轎車(chē)內(nèi)
杠的開(kāi)口寬度和現(xiàn)場(chǎng)柱狀物直徑的測(cè)量及對(duì)比，可以初步驗(yàn)證事
故現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)性，進(jìn)行事故冉現(xiàn)的判定。
(4)從碰撞變形量的穩(wěn)定性可知，前保險(xiǎn)杠的兩個(gè)變形量波
動(dòng)過(guò)大，特別是在高速碰撞中，其值易失真，而一旦發(fā)生交通事
故，車(chē)速超過(guò)80km／h是比較常見(jiàn)的，所以前保險(xiǎn)杠不宜作為事故
冉現(xiàn)分析的主要結(jié)構(gòu)件；從碰撞變形量的敏感性可知，水箱和引
擎蓋的變化不敏感，特別是車(chē)速在60km／h與80km／h兩種條件
下，碰撞變形量的區(qū)分度不大?？傮w而言，內(nèi)保險(xiǎn)杠的保留的碰撞
信息比較全面，而且信息的可靠性和區(qū)分度都比較好，比較符合
事故再現(xiàn)分析的要求，町以作為事故再現(xiàn)分析的主要對(duì)象。
參考文獻(xiàn)
[1]公安部交通管理局編[z]．北京：中華人民共和國(guó)道路交通事故統(tǒng)計(jì)資
料匯編，2005．
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