基于PC-CRASH的汽车与行人碰撞事故再现仿真研究(7)

２６第三章汽车与行人碰撞事故再现理论基础再现计算机模拟系统，并在此基础上研究了含第二次碰撞的计算模型；针对国内实车碰撞试验数据很少的实际情况，清华大学汽车研究所研制出ＣＭ（ＣｌａｓｓｉｆｉｅｄＭｅｔｈｏｄ）事故再现模型，采用人工智能技术根据特定事故形态的特点建立具体模型。欧美、日本等许多发达国家对于交通安全的研究相当重视，不论是道路设计品质的提升，或是汽车设计、制造水准都有长足的进步。对于道路交通事故的预防或事故后的事故现场再现与原因分析，也都投注相当的人力与经费，致力于交通安全的改善研究。在国外常见事故再现模型中，通常采用碰撞模型与轨迹模拟模型来说明车辆碰撞前后的行为，也就是通常所说的“正推法＂（也叫模拟法，即根据碰撞损坏假定碰撞前车辆的速度，通过碰撞计算得到碰撞后速度，由此速度模拟碰撞后车辆的滑转过程）。在电子计算机问世后，由于其对庞大复杂资料处理的优势能力，使得许多国家都将自己的事故再现模型付诸应用，开发了相应的事故再现软件。当前，国际上用于事故再现分析的计算机软件逐渐发展并趋于完善，主要集中在欧美和日本等发达国家ｍ１。美国于７０年代开始应用计算机辅助进行交通事故分析，相应的软件有ＳＭＡＣ、ＣＲＡＳＨ、ＥＤＣＲＡＳＨ和ＥＤＳＭＡＣ等，其中ＳＭＡＣ软件是模拟类软件的代表，主要使用牛顿第二定律的数值积分进行求解，ＣＲＡＳＨ软件则采用碰撞前后的能量守恒和平移动量守恒求解碰撞过程；奥地利的刑事研究所（ＩＦＲ）的Ｈ．Ｓｔｅｆｆａｎ博士依据车辆运动行为、碰撞行为，结合电脑绘图（Ｐｃ－Ｓｋｅｔｃｈ），图像导入（Ｐｃ—Ｒｅｃｔ）软件，开发了ＰＣ—Ｃｒａｓｈ软件，是用于典型交通事故的模拟系统，近年来还在不断将其完善，将多刚体系统动力学软件ＭＡＤＹＭＯ的人体模型引入车撞行人等事故情形的分析中；法国ＩＮＲＥＴＳ研制了ＡＮＡＣ，除微机版本外，还开发了增强型的工作站版本，使用１２～１４自由度的多体系统车辆模型，后处理中实现了数字图像动画仿真；日本ＪＡＲＩ还推出了Ｊ２ＤＡＣＳ软件等。此外，９０年代由Ｄ．Ｄａｙ研制的ｌＩＶＥ仿真软件（Ｈｕｍａｎ－Ｖｅｈｉｃｌｅ—Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ），为一综合性的实用化仿真软件。它以人、车辆及其环境组成的闭环系统为基本模型，其中以对人和车辆的仿真为主，辅以虚拟环境，可以建立三维物理、直观的人、车和环境模型，并能仿真三者之间可能发生的相互作用。该软件主要用于实现人体和车辆的动力学仿真、了解驾驶员驾驶过程、分析高速公路安全性、事故再现和虚拟样车设计等方面的功能。近年来该软件在事故再现方面的应用案例日益增多。各种软件由于使用模型的差异，其相应的理论基础、适用领域和基本功能也各具特色。将上述各种软件相互集成而结合使用，发挥各自的优势，是目前事故再现计算机仿真软件应用的一大特点。比如，ＨｅｒｍａｎｎＳｔｅｆｆａｎ等人将ＰＣ－Ｃｒａｓｈ和ＭＡＤＹＭＯ集成，利用前者的汽车、环境模型和后者的人体模型，实现了对交通事故第三章汽车与行人碰撞事故再现理论基础２７中行人运动情况的仿真。表３．１国外常见事故再现软件功能比较功能＼模式空间维度问题形态求解方式模拟车数电脑计算时间资料输入难度轨迹模型有无转向控制刹车控制牵引控制胎压模型摩擦限制图形输出轨迹参数图示碰撞模型有无共同速度点碰撞前旋转碰撞时胎压多次碰撞侧击形态碰撞碰撞描述方法碰撞点数乘客轨迹碰撞能量输出△Ｖ输出车辆模型ＣＩ认ＳＨ３２ＥＳＳ－Ａｌ珈２ＩＭＰＡＣ２ＳＭＡＣ２ＨＶＯＳＭ２ＰＣ—ＣＲＡＳＨ３终值问题冲量问题２终值问题冲量问题２初值问题冲量问题２初值问题时间步骤２初值问题时间步骤１时间步骤４中等中等有无无无表格化图形无无有有无无无无输入最多６无有有无短低无短低无长高有有有有ＣＳ很长很高有有有有ＣＳ极短交谈式有有有有圆形无无有ＤＴＰＬＯＴ椭圆形有无无有有无有有无无有无分区有有有无有有有无有有有有产生最多１００无有有无无有很多无无有有有有有有有有有有有有有无有有无Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ有有有无ＰＬＯＴＴＫ无有有注：①“ＣＳ”表示Ｃｏｒｎｅｒｉｎｇ②“ＤＴＰＬＯＴ”和“ＰＬＯＴＴＫ”蜊ＥＣｏｌｌｉｓｉｏｎ出，“ＰＬＯＴＴＫ”还有乘客轨迹。Ｍｏｄｅｌ，“一”表示不适用；ＳａｆｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ的补充程式有图形输２８第三章汽车与行人碰撞事故再现理论基础随着计算机技术的提高，各种事故再现软件的版本不断更新，功能日益增强，极大地推进了事故再现技术的应用和推广。常见的一些软件的详细功能区别比较如表３．１所示。从比较表可以看出来，综合众多软件的优缺点，ＰＣ—Ｃｒａｓｈ在模拟碰撞事故再现中占有一定的优势，所以本文选择用ＰＣ－Ｃｒａｓｈ来模拟人车碰撞事故再现。３．３汽车与行人碰撞事故再现的力学基础在各类交通事故中，碰撞事故约占了９０％，可见其普遍性。行驶的车辆发生碰撞，行人被车撞开后的运动轨迹等，都离不开力的作用，因此在分析事故再现时，需要运用大量的力学知识。３．３．１车辆及行人与路面间的摩擦两物体间的摩擦按运动形式的不同可以分成以下三种：（１）滑动摩擦，两物体做相对滑动时，接触面之间存在的摩擦；（２）滚动摩擦，两物体做相对滚动时，接触面之间存在的摩擦；（３）静摩擦，两物体之间只有相对运动趋势，而未出现相对运动时，接触面之间存在的摩擦；车轮与路面间的滑动摩擦系数在道路交通部门称为附着系数矽，表示路面对附在其上的轮胎所能提供的抵抗滑动的能力。不仅如此，与通用的摩擦系数∥相比，附着系数由两个特殊性：（１）附着系数矽与车轮的滑动率ｓ有关。如图３．１所示，车轮沿支撑面作纯滚动时，其轮心Ｃ的速度ｖ与车轮的角速度缈有如下关系：’，＝，．缈（３．１）在车轮被制动过程中，轮胎与路面间又滚又滑，滑动部分所占的比率称为滑动率Ｓ，它等于Ｊ＝一Ｊ：—Ｖ－－—ｒＯ）ＶＩｆ３．２１Ｉ、７纯滚动时，将（３．１）式代入（３．２）式得ｓ＝０；纯滑动时，缈＝０得Ｓ＝１＝１００％；又滚又滑时，０＜ｓ＜１。根据实验测试结果，路面的附着系数矽与滑动率ｓ的关系如图３．２所示。开始制动前，车轮作纯滚动，附着系数唬＝厂（滚动阻力系数ｆ）。开始制动后，随着滑动率的增加，附着系数迅速增加：在滑动率５＝２０％附近，附着系数达到最大的峰值唬；此后随着滑动率的增加，附着系数反而减少，直到ｓ＝１００％，第三章汽车与行人碰撞事故再现理论基础２９车轮被完全抱死而出现纯滚动，此时的滑动附着系数织也就是普通意义上的动滑动摩擦系数∥’。厂艿Ｊ，聱、ｌｒ７ｌ，ｌ弋霉／一ｈ留？／Ｃｌｊｆ～—／譬Ｊ‘’图３．１车轮滑动率１．Ｏ０．８熏０．６ｏ．２蜘茁。．４０２０４０６０８０１００滑动率ｓ（Ｉ）图３．２附着系数与滑动率的关系从图中可以看出，滑动率ｓ较低时的峰值附着系数矽。比车轮被完全抱死时的破要大出２０％左后，因此最佳的制动方案是不要把车轮完全抱死，才能达到最大的制动效果，这就是现在的汽车普遍装上防抱死装置ＡＢＳ的主要原因。附着系数的大小对仿真事故再现起到了重要的作用，直接影响了汽车的制动距离的大小，在勘测现场时，应该先对路面情况做详细分析，得到附着系数的准确值，以免再现时引起过大的误差。各种路面的平均附着系数可参考表３．２。３０第三章汽车与行人碰撞事故再现理论基础表３．２各种路面的平均附着系数路面种类沥青或混凝土（干）沥青（湿）混凝土（湿）砾石土面路（干）土路（湿）雪（压紧）冰峰值附着系数丸０．８～Ｏ．９０．５～０．７０．８０．６Ｏ．６８０．５５Ｏ．２０．１滑动附着系数织Ｏ．７５０．４５＂－一０．６Ｏ．７Ｏ．５５０．６５０．４＂－－０．５０．１５Ｏ．０７（２）附着系数与滑动的速度有关。随着车轮滑动速度ｖ的增加，路面附着系数逐渐减小。在开始的ｖ＜５０（ｂｎ／ｈ１阶段，≯减小比较明显，１，＞５０（ｋｍ／ｈ）之后才比较缓和。表３．３正是分这两个阶段并根据路面干，湿不同分别列出滑动附着系数的参考值。本表滑动附着系数与表３－２中的东涵义完全相同，前者取其平均值，后者给出一定范围，具体计算时，应结合事故现场实际情况进行选取。表３．３滑动附着系数路面状况ｖ＜５０ｋｍ／ｈ干燥ｖ＞５０ｋｍ／ｈ０．７０＂－－－＂１．０００．６０＂－－０．７５湿润ｖ＜５０ｋｍ／ｈ０．５０－－－０．８００．４５＂－－０．７００．４５＂－－０．６５ｖ＞５０ｋｍ／ｈ０．４０＂－－０．７５０．４５－－－＇０．６５０．４５＂－－－０．６００．４５－＇－＇０．７５０．４０－－－０．６５新铺带尖边水泥使用磨耗已磨光沥青或焦油新铺带尖边使用磨耗已磨光油量过大砂砾密实、灌油松散炉渣石料冰雪密实压碎平滑密实松散０．８０～１．２０Ｏ．６０～０．８０Ｏ．５５～Ｏ．７５０．８０－－－＂１．２００．６０－－－＇０．８０Ｏ．５０～Ｏ．６５０．６５～１．０００．５５～Ｏ．７００．４５＂－－０．６５Ｏ．５０～０．８００．４５～０．７００．４５＂－－０．６５０．５５～０．７５０．５０～Ｏ．６００．５５～０．８５０．４０～Ｏ．７００．５０～Ｏ．７０Ｏ．５５～Ｏ．７５０．１０～０．２５０．３０＂－－＇０．５５０．４０～Ｏ．６００．２５～Ｏ．５５０．４０＂－－０．６０Ｏ．３５～Ｏ．６００．５０～０．８００．４０＂－－０．７０Ｏ．３０～Ｏ．６００．４０＂－－－０．８００．４５＂－－＇０．７５０．４５～０．７５０．６５＂－０．７５Ｏ．５０～０．７００．６５～０．７０Ｏ．５５～０．７５０．０５＂－＇０．１０Ｏ．５５～Ｏ．７５Ｏ．０７～０．２００．５５～Ｏ．７５０．０５～０．１００．３０～Ｏ．６０Ｏ．３０～０．６０Ｏ．３５～Ｏ．５５０．１０～Ｏ．２００．３０～０．６００．３０＂－－＇０．６０Ｏ．１０～０．２５