交通事故車輛變形與碰撞前車速關係定量分析
摘要:歸納介紹了剛度係數和碰撞變形能網格圖這兩種對車輛碰撞前車速與車體變形間關係進行定量分析的方法,較為詳細地說明了兩種方法的具體分析過程及其各自適用性和局限性。通過介紹國內外事故研究經驗,指出通過採集大量事故信息來建立起碰撞時車速—變形間定量關係的可行性。
關鍵字:汽車;碰撞;剛度係數;變形能網格圖;事故研究
1.引言
確定汽車的碰撞前速度是進行事故再現和事故原因分析的關鍵所在,常用的確定方法分為理論計算(運用動能定理、動量定理等)和藉助工具進行經驗判斷。在分析計算中若能求得車輛變形所吸收的能量,並將其折合為車輛的速度損失,將對推算碰撞前車速產生很大幫助,而這也是汽車開發設計中的安全領域的一個重要研究方面。
2.剛度係數
二十世紀七八十年代美國國家高速公路交通安全局(NHTSA)從180次汽車碰撞試驗中得出一個結論:車輛的碰撞速度和車體殘餘變形之間呈線性關係(圖1,圖2),得到:
(1)
(2)
式中:— 單位車身寬度受到的碰撞力; — 碰撞速度; — 變形深度;,(或,)— 剛度係數
由此可知要求得某一車型的剛度係數,至少應對其進行低速和高速兩次正碰試驗。變形深度 的理論計算公式:
(3)
式中:— 車身寬度
圖1碰撞力 與變形深度 的關係 圖2碰撞速度 與變形深度的關係
現實情況中汽車在發生正碰時車身全寬上各處變形深度是不同的,此時可將車身在全寬上劃分成段(劃分的原則為該段變形曲線近似於直線),各段長度為,每段平均變形深度近似為 ,則可得全車寬上的平均變形深度:
(4)
除了實車碰撞試驗之外,也可以通過對整車有限元模型進行虛擬碰撞試驗的方法來求得車輛剛度係數,當然這要建立在整車有限元模型足夠精確的基礎上。
上海交通大學曾以10—80km/h的速度進行某車型有限元模型的虛擬正面碰撞試驗,對求得的8組—對應量進行線性擬合,以此確定該車型的剛度係數(圖3)。將求得的剛度係數帶入該車型參與的一起實際事故中進行計算,得出了與實際情況十分符合的再現結果,證明了通過虛擬碰撞試驗確定剛度係數的可行性。
圖3將—對應量進行線性擬合 圖4不同車型的—擬合曲線
大連理工大學對多種轎車車身建模並進行了130餘次模擬碰撞分析計算。結果表明,碰撞速度在65km/h以下時變形深度與碰撞速度呈線性關係,但在高速碰撞時,變形深度與碰撞速度呈準線性關係,且隨著車速提高,非線性特徵逐漸增大(圖4)。根據軸距長短將轎車分成6類剛度,並對公式(2)進行修正:
(5)
式中:, — 對應該類車型的剛度係數
運用剛度係數進行車速分析存在的一大問題是:汽車在各個方向上的結構強度不同,其剛度係數也各不相同。目前的實車碰撞試驗類型多為正碰、側碰、追尾等有限的幾種,據此得出的剛度係數僅僅能適用於少數碰撞形態與試驗相類似的實際事故。雖然通過虛擬試驗在理論上能求出車輛在任意碰撞方向的剛度係數值,但效率仍然較低。
3.碰撞變形能網格圖
所謂汽車碰撞變形能網格圖是指將車身劃分為若干區域,求出各區域受撞擊潰縮後所吸收的能量值。將事故車輛的實際變形與網格圖進行比對時,變形曲線與完好狀態下的車形輪廓線之間區域所包含的數值總和便是車身潰縮吸收的能量(圖5,圖6)。
圖5通過實車碰撞試驗求得變形能網格圖 圖6將實際變形與網格圖進行比對
河北工業大學嘗試利用實車正碰試驗求出該車型的正碰剛度係數,並由此建立起其正碰變形能網格圖。首先作以下假設:1)汽車在全寬上任一點處垂直方向上的變形量相同;2)碰撞過程中汽車與地面間的摩擦力忽略不計;3)碰撞後汽車的彈性恢復及固定壁障的變形忽略不計。由此得出變形能計算公式:
(6)
該式表示車身變形寬度從到,變形深度從到 時車身吸收的能量為。結合公式(1),可得:
(7)
該式表示車身變形幅度從 , 到 , 時的等效速度損失為 。
將整車在寬度方向劃分成5等分,並在變形深度方向劃分若干層次,得到該車正碰變形能網格圖,圖中網格內的顯示數值為2,變形深度值的單位為m(圖7)。
圖7利用剛度係數建立的變形能網格圖 圖8兩種變形量計算起點規定
從上述推導過程不難發現該能量網格圖基於已知的剛度係數而建立,其實質只是剛度係數的直觀化。研究人員隨後更進一步,通過實車49.1km/h正碰試驗測得的數據來繪製變形能網格圖,計算變形能的途徑有兩種:
在有測力牆時,通過碰撞接觸面各處作用力f(t)對塑性變形量進行積分求得變形能:
(8)
沒有測力牆時,通過試驗車體各處加速度a(t)對塑性變形量進行積分求得變形能:
(9)
式中:m— 單位車身寬度質量;a— 單位車身寬度加速度
與剛度係數相比,變形能網格圖更細化了碰撞車速和車體各部變形間的對應關係,並且其應用不再受碰撞方向的限制。將上述試驗計算求得的網格圖用該車型的其他類型碰撞試驗進行驗證,可以得出以下有價值的結論:1)利用f(t)做出的網格圖較之利用a(t)做出網格圖準確性更高;2)碰撞速度越低則所得計算結果的誤差越大,其主要原因是在低速碰撞時車體彈性恢復較大,而在建立網格圖時忽略了該恢復量;3)在車身變形較大時,以車身最前端(即保險槓中點)作為變形量計算起點,相比以完好狀態下的車身輪廓為變形量計算起點而言,得出的計算結果更為準確(圖8)。
4.車速—變形關係在實際事故鑑定中的運用
由於事故參與車型和碰撞方式多種多樣,要求出每款車型在碰撞方向上的剛度係數或變形能網格圖顯然是不現實的。實際交警判斷事故車輛行駛速度大多還是憑藉其勘查經驗和經驗公式的估算,必要時則會使用事故再現軟體進行分析。公安部《典型交通事故形態車輛行駛速度技術鑑定》(GA/T643-2006)中給出了車輛撞擊固定物時的v—c關係式(v單位為km/h,c單位為m,下同):
(10)
公式(10)是根據國外試驗得到的經驗公式,參考文獻[1]中則根據國內試驗結果給出了兩車正碰時的v—c關係式:
(11)
式中:ve— 有效碰撞速度,即一車從碰撞前直至與另一車共同運動時的速度變化量;vc— 兩車共同運動時的速度
由此可將兩車正碰等效於兩車與移動速度為vc的壁障的碰撞,當vc=0時即得車輛撞擊固定物時的v — c關係式:
(12)
參考的試驗數據不同導致了公式(10)與(12)所取係數的不同,但兩式均建立在v—c線性關係這一理論基礎上,而c的計算可以參照公式(4)。
圖9PC-Crash 8.0中的EES資料庫目錄 圖10運用測量工具測量車體變形
近年來發展起來的計算機事故再現技術為事故分析提供了更為先進科學的手段。交通事故再現軟體PC-Crash中附帶有一個能量等效速度(EES,Energy Equivalent Speed)資料庫,該資料庫中儲存有大量車型出現不同形式變形所對應的碰撞前車速值和車身變形情況照片(圖9)。通過將實際事故車輛損壞照片與其所存照片進行比對,研究人員可以對事故車輛的碰撞前速度作一個大致判斷,從而提高了事故再現分析的效率和準確性。
德國深入交通事故研究(GIDAS,German In-Depth Accident Study)是德國聯邦公路研究院(BASt)和德國汽車技術研究協會(FAT)自1999年起聯合開展的。研究人員在德國各地進行事故現場勘查,每年採集2000多起事故的詳細信息,大量的事故車輛變形數據的積累為EES提供了有力參考。
借鑑GIDAS的經驗,同濟大學與德國大眾於2005年開始合作進行事故研究,至今已在上海地區採集了近500起重大事故的相關信息(圖10)。然而要想根據事故信息來獲得某一車型的關係則還任重道遠。例如,在總共採集的43起有桑塔納參與且其車身變形較為明顯的事故中,能較準確計算出事故參與方車速的僅有23起,單憑這有限的數量是難以對桑塔納的關係做出可靠分析的。要想獲得大量準確的事故信息以供車輛安全性分析,就需要耗費大量的人力物力,單憑一所大學的一個課題組的努力是遠遠不夠的,這需要政府相關部門、科研院校、汽車生產廠家等的共同參與才能實現。
【參考文獻】
[1]許洪國. 汽車事故工程 [M].
北京: 人民交通出版社, 2004
[2]王金剛. 汽車碰撞的能量網格圖及其在交通事故
分析中的應用 [D]. 天津: 河北工業大學, 2000
[3]張曉雲,金先龍,陸玉凱,等.面向事故分析的車身
關鍵參數數值模擬計算 [J]. 上海交通大學學報,
2006, 40(6):958-961
[4]孫宏圖,劉學術,宋振寰,等.汽車碰撞變形計算機
模擬研究 [J]. 大連理工大學學報,
2002, 42(6): 681-684
(責任編輯:李浩)