基于PC-CRASH的汽车与行人碰撞事故再现仿真研究(2)

第一章绪论第一章绪论１．１研究背景道路交通事故是世界性的严重社会问题。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，加之交通管理不善等原因，造成交通事故频繁，伤亡人数增多，已成为世界性的一大公害。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１３％。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。仅２００８年，全国共发生道路交通事故２６５２０４起，造成７３４８４人死亡、３０４９１９人受伤，直接财产损失１０．１亿元，各项指标均居世界各国前列ｕ１。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。交通事故再现是指在事故发生后，根据事故现场及车辆信息，运用相关理论方法、按照实验数据以及专家经验建立的运动学和动力学模型逆向推算，在时间和空间上重现事故的发生过程，得出车辆碰撞前的相关参数，并进一步分析事故发生的原因心１。事故再现的目的大致可分为交通安全和事故调查。交通安全可分为预防事故和减轻灾害，基本目的是研究一个具体事故的特殊性，从空间和时间上确定事故发生的每个阶段，并对其进行评价。在事故预防领域，通过事故再现可为交通管理工作和法规建设提供广泛的信息和依据。一般来说，以事故发生相关联的交通环境、驾驶员行为和车辆为中心，限定在事故现场附近，对事故过程进行再现。在减轻人员伤害方面，为揭示乘员发生伤害的机理，事故再现是非常必要的，对于研究乘员的伤害部位和程度、车体的施害部件、安全设施的作用和影响程度，以及事故前后人员的避害措施等对减轻伤害的效果是非常有益的。人车碰撞事故是道路交通事故的主要形式。中国２００８年交通事故死亡人数为７３４８４人，其中行人占总数的２６％左右∞３。在欧美及日本等国家人车碰撞事故在交通总数中都占有相当一部分比例。因此，人车碰撞事故已经成为全世界相关研究人员共同关注的问题。行人保护也成为汽车安全研究领域的重要问题之一。精确分析再现行人与汽车相撞事故的特点对于改进汽车车身设计，保护行人安全有重要的意义。行人安全是当今世界汽车交通安全性研究中的一个热点问题Ｈ３。采用何种措施降低汽车与行人碰撞时对行人产生的伤害在美国、欧洲、日本等国家已受到高度重视，行人数值假人和计算机仿真再现方法在上述世界发达国家得到了广泛的应２第一章绪论用，辅助进行行人安全性研究。在我国，行人安全性研究起步较晚，研究水平较为滞后，对真实事故的研究相对不足。因此，目前在国内展开大量相关行人安全性技术研究，改善汽车的行人安全保护，尽可能减少人车碰撞中的人体伤害和带来的社会损失，降低行人死亡率，是一个较为迫切的问题。汽车与行人碰撞事故中行人致伤原因、损伤类型和分布的研究以及改进汽车安全性、减少人员伤亡是汽车被动安全领域研究的热点和难点之一跚。针对我国道路交通环境和交通模式开展行人碰撞保护研究是目前我国道路车辆交通安全领域急待解决的重要科技问题，也是推动社会进步的一项重要工作。因此行人交通事故的再现研究具有极其重要的研究价值和社会意义。第一，该方法可应用于交通警察和司法鉴定部门的事故鉴定和处理，提高事故鉴定的客观性；第二，可应用于司法机关对交通事故案件的审理，提高案件审理的公正性；第三，可应用于保险公司的车险理赔，提高保险理赔的准确性：第四，可应用于汽车等交通工具制造企业的新产品开发，提高交通工具的安全性；第五，可应用于道路等交通设施的规划和设计，减少发生交通事故的“黑点”；第六，可应用于对各类人员的交通安全培训，提高社会大众的交通安全意识。１．２国内外研究现状１．２．１国外研究现状欧美汽车工业发达国家对汽车交通事故中人体损伤生物力学和汽车被动安全技术的研究已有四十多年的历史。澳大利亚的Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ砸１等人于６０年代中期即开始从事交通事故中行人的安全问题研究。美国和欧盟于７０年代中期开始注意到行人的安全问题。从７０年代以来，人们使用生物样本、机械假人、以及数学模型开展了多种研究，包括人体的损伤机理、耐受限度、汽车前部结构设计对行人损伤严重程度的影响、损伤防护技术以及安全对策等口叫们。当前汽车与行人相撞事故研究的热点集中在行人损伤机理的研究、损伤评估准则的确定、机械和数学模型的建立、汽车碰撞行人事故调查分析、事故重建以及行人防护措施开发等方面。６０年代初，试图通过运动学的角度来探讨人车碰撞事故中人体的在碰撞后的响应和运动情况开始被人们所采纳，并且逐步成为人车事故再现的主流方法和手段。Ｓｅｖｅｒｙｎ¨和Ｂｒｉｎｋ分别在１９６３年和１９６６年利用假人开创了人车碰撞事故研究的实验先河。在实验中他们使用了４１个假人（包括儿童假人和成人假人），以１６—６４公里／ｄ＇时不同车速进行了９组碰撞实验，分别得到了不同的假人抛距。在此基础上，相关学者利用假人或尸体，在不同的碰撞条件下进行了一系列实验。通过将实验所得的数据进行回归拟合，得出相应的经验公式。但是由于实车实验价格昂贵，且汽车材料、设计的更新换代，以往的实验数据往往不能真实的反映第一章绪论３事故车辆的情况。因此，在使用数据拟合的经验公式时结果有所偏差。由于行人的质量与汽车的质量相比较小，碰撞后行人几乎是沿水平被撞出，并沿近似抛物线轨迹落到地面，落地后还可能在地面上滑行一段距离后停止。因此，国外有学者将行人看作一个具有一定高度的质点进行研究，将行人抛出初始速度的估计值近似认为成是汽车碰撞行人的速度。这也构成了人车碰撞事故再现的另一主要方法。由于人体与地面的摩擦系数与很多因素相关，难以确定；车辆外形轮廓对碰撞瞬时人体抛出运动的轨迹和受力情况有较大的影响，因此，利用不同公式计算得出的结论往往差距较大。由于在人车碰撞事故中，玻璃碎片的运动不会受到碰撞对方的大面积遮挡，如果参与事故汽车的碰撞速度与被碰撞破碎玻璃的碎片抛距的定量关系已知，则汽车碰撞速度就可以通过确定的玻璃碎片抛距求出ｎ２‘１引。国外学者根据这一特点，提出了基于玻璃撤落物的人车交通事故再现方法。此方法与前述的实车实验参数拟合、质点抛出模型共同组成了目前国际上人车事故再现的三大方法。实际人车碰撞事故中，由于玻璃碎片颗粒小，颜色不鲜艳等因素，玻璃碎片场的参数在现场勘查时较难准确获取。现代汽车的风挡玻璃基本上均使用ＰＶＢ夹层玻璃。此种玻璃在受到冲击时产生的碎片会粘附在中间夹层上不易脱落。因此，此方法的实用性较差。整个人车碰撞分过程可分为碰撞前、中、后三个阶段来研究，本文所指的行人安全研究主要是对碰撞过程中的安全问题的研究，即被动安全。所谓被动安全就是车辆外部结构对行人安全所构成的影响。实验是行人安全研究的主要手段，这里的实验即可以是物理实验，也可以是数值仿真实验。按实验方法区分，行人被动安全研究可分为行人子系统撞击器实验和整体行人碰撞实验。目前的研究主要倾向于利用行人子系统模型进行研究，即用规范的撞击器模拟人体各部位进行试验，并以整体假人碰撞实验为辅。这一方面是因为处于法规制订和汽车制造商的要求，所研究的对象和对应的实验方法不宜过于复杂。事故再现本身也是行人安全研究中及其重要的一环。首先，它强化了行人安全研究的现实意义，采用现代科学的新技术新方法来研究事故产生的原因和减少事故的数量和严重程度是当今交通运输领域中的重要课题。其次，通过一定数量的事故再现，分析行人的受伤机理，提高制定研究方案或实验条件的合理性。再次，可以将获取的事故现场有关信息（碰撞点、车辆位置、散落物的位置、刹车拖痕等）作为检验标准，与行人被动安全的研究结果相互验证。为了减少实验开销及其带来的复杂性，不少研究者也用数值仿真的事故再现来验证研究结果的可靠性ｎ钔。事故再现本身也是行人安全研究中及其重要的一环。４第一章绪论首先，它强化了行人安全研究的现实意义，采用现代科学的新技术新方法来研究事故产生的原因和减少事故的数量和严重程度是当今交通运输领域中的重要课题。其次，通过一定数量的事故再现，分析行人的受伤机理，提高制定研究方案或实验条件的合理性。再次，可以将获取的事故现场有关信息（碰撞点、车辆位置、散落物的位置、刹车拖痕等）作为检验标准，与行人被动安全的研究结果相互验证。行人交通事故的数字化重构需要数字化假人模型来模拟行人，假人模型不仅需要能适应人体运动学分析，而且能进行人体损伤分析ｎ５１。因此，数字化假人必须具有很高的计算效率，能适应不同载荷环境，能符合人体的各项生物力学特性，能提供必要的输出作为损伤指标的计算依据。按建模方法分类，数字化假人模型可以分为多刚体模型和有限元模型。多刚体假人模型的主要特征就是用集中质量代替人体的主要环节，通过动力学铰链实现各部分的连接。并且，集中质量上附着描述人体几何外形的椭球面，以模拟人体与周围环境之间的相互作用。为了保证假人的生物逼真性，质量参数、铰链特性和椭球面接触特性都是根据人体生物力学试验获得。多刚体假人具有计算效率高，鲁棒性强，建模简单等优势。经过近３０年的不断改进和有效性验证，多刚体假人的建模和应用研究已经趋于成熟，逐渐被人们接受。常见的多刚体假人模型有ＴＮＯ假人、ＪＡＲＩ假人、Ｃｈａｌｍｅｒｓ假人，它们分别是荷兰国家应用科学研究院（Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ研究所（ＪａｐａｎＯｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎｆｏｒＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅＲｅｓｅａｒｃｈ）、日本汽车ＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ）和瑞典查尔摩斯科技大学（ＣｈａｌｍｅｒｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）的研究成果。有限元假人模型是利用有限元网格离散人体组织。理论上来说，有限元网格划分得越细，模型考虑得越复杂，假人的计算精度就越高，但是计算的成本也随之增加。比较著名的有限元假人是ＨＵＭＯＳ假人和ＴＨＵＭＳ假人。ＨＵＭＯＳ假人属于欧盟第四框架计划项目“ＨＵＭＯＳ人体有限元模型’’，该项目于１９９７年启动，目标是建立通用的有限元人体模型，研究和总结人体几何学、运动学、生物力学等方面的知识以及相应的仿真方法。ＴＨＵＭＳ假人是日本丰田公司开发的有限元假人模型。以上两种模型都属于大规模的有限元模型，包括人体骨骼、肌肉、韧带、皮肤、内脏和脑组织，而且经过严格的实验验证，具有很高逼真度。１．２．２国内研究现状国内在这方面的研究起步较晚，成果较少。主要的手段为吸收和改进国外现有方法和模型。许洪国教授在Ｂｒａｕｎ和Ｓｔｒｏｂｌ的基础上建立了玻璃碎片运动的广义模型ｎ¨７１。该模型所含参数较多，计算难度较大，且模型鲁棒性较低，输入参数第一章绪论５的微小改变容易引起输出结果的巨大改变，因此在实际事故再现研究中更加难以应用。基于行人作为一个非常复杂的动力学结构在人车碰撞事故中直接影响到事故再现分析，国内有关学者利用成熟的商业软件，例如ＡＤＡＭＳ、ＬＳ—ＤＹＮＡ进行事故再现研究，取得了一定的效果。但是，由于有限元方法和多刚体建模方法仅对个案有效，没有普适性，且建模所需参数很难准确获取或确定，建模过程复杂，因此只能作为辅助手段进行验证性的研究。为了克服上述缺陷，林庆峰利用国际上成熟的事故再现软件ＰＣ—Ｃｒａｓｈ对人车碰撞事故进行再现研究ｎ引。利用ＰＣ—Ｃｒａｓｈ中经过验证的多刚体人体模型和车辆模型，建立虚拟碰撞场，对在不同碰撞条件下的人体抛距进行了深入的研究，提出了新的人体抛距模型。周魏、许骏等根据清华大学事故再现研究室多年事故鉴定的经验，即人车碰撞速度越高，前风挡玻璃损坏的面积越大，通过定义风挡玻璃破碎时的最大半径，根据５１起实际人车碰撞事故，建立了风挡玻璃裂纹半径与碰撞车速之间定量关系的模型，并进行了验证ｎ引。模型的精度受制与样本量的多寡是该模型的一大缺陷。湖南大学的李莉和杨济匡将自建的多刚体行人模型应用于真实案例的事故再现，着重分析了事故过程中的人体各部分的动力学响应㈨。上海交通大学申杰、郭磊等人则将ＴＮＯ行人生物力学整体假人应用于事故再现，从运动分析和人体损伤的角度重构事故全过程心ｕ。综上所述，丰富的实车实验数据，完善的交通事故深入数据调查手段和数据资源以及深入的多学科交叉研究使得国外在该领域的研究仍然处于领先地位。主流的人车碰撞事故再现方法均由国外提出。尽管如此，在面临汽车技术不断发展的情况下，传统的再现方法遇到了一些新的问题，使得其应用范围受到了明显的限制；而新的、突破性的再现方法和手段仍然没有出现，更加加剧了人车交通事故再现研究手段的单一和缺失。相比较车辆之间的交通事故再现来说，人车碰撞事故的研究更显复杂和急迫。从已有的研究成果看，常用的动量／冲量方法和变形／能量方法不适合人车碰撞事故再现，基于多刚体动力学仿真的事故再现方法已逐渐为人们所接受，并且行人抛距和人体损伤成为主要的再现依据。目前，对人车碰撞事故再现方法的研究主要面临以下问题：（１）事故再现方法受限于建模技术，简单的多刚体假人和车辆模型不能满足对于人体损伤的计算要求，需要将建模技术由单纯的多刚体模型向多刚体与有限元相结合的模型过渡；（２）人车碰撞事故涉及车辆运动轨迹、行人抛距、人体损伤等多方面已知的事故信息。随着计算能力以及信息采集能力的提高，为了提高准确性，需要同时将