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轿车与行道树正碰事故再现关键因素研究

文档作者：孟家富向东白如月刘学平姜立峰文档来源：清华大学精密仪器与机械学系交通运输部公路科学研究所司法鉴定中心		点击数：	更新时间： 2021年09月17日
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第9期
2011年9月
机械设计与制造
Machinery Design &amp;amp; Manufacture
文章编号：1001—3997(201 1)09-0001—03
轿车与行道树正碰事故再现关键因素研究 ：i：
孟家富 向东 白如月 刘学平 姜立峰
( 清华大学精密仪器与机械学系，北京100084)
(z交通运输部公路科学研究所司法鉴定中心，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】为了分析轿车与行道树正碰事故再现过程，建立了一款市场上常见的微型轿车有限元；
}模型并验证其有效性，选择白杨树作为碰撞对象，进行事故再现关键因素研究。以轿车前端主要变形区{
；的四结构件：前保险杠、前保险杠内杠、引擎盖和水箱为分析对象：基于Pare—crash软件平台，设计2Y-交；
试验来分析碰撞速度、碰撞位置及行道树直径对四结构件碰撞变形的影响。仿真实验结果显示：碰撞速2
i度是碰撞变形的最主要影响因素；前保险杠内杠在保存事故信息方面优势明显，可以作为事故再现分{
；析的主要对象。 ；
i 关键词：车树正碰；事故再现：正交试验；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．are 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 、
中图分类号：TH12，TH123 文献标识码：A
1引言
随着我国经济水平的逐步提高和基础设施的不断改善，机
动车，特别是轿车变得更加普及。这在改善人民生活质量的同时，
给道路交通安全提出了严峻挑战，2000年以来，我国每年出现交
通事故数十万起，死亡数万人，直接经济损失在1O亿元以上l】1。基
于已公布的事故数据，柱状物事故发生概率大约2％，但造成的重
大伤亡率却在50％左右 I。
国外对轿车与柱状物碰撞事故的研究从上世纪70年就开
始，美国的一些科研人员通过汽车碰撞常见的电线杆实验，给出
了不同重量汽车撞击柱状物时，汽车前端凹陷深度和碰撞车速的
线性关系图I 。研究重点是柱状物碰撞事故发生的概率统计分析
和如何布置道路柱状物。周内对轿车与柱状物的碰撞研究偏少，
主要通过金属薄壁梁结构的的仿真分析来研究轿车碰撞事故，属
汽车被动安伞．I生研究。2009年一些科研人员设计试验，存实验室
进行汽车与柱状物的碰撞DI．重点是人体受伤和试验装置可靠性
研究。
科学选取轿车变形结构件作为此类正碰事故再现分析对象，和各
个碰撞因素在事故再现巾的影响的研究较少。由于此类交通事故
发生的次数有限，进行实车碰撞试验获得相关研究数据，费用代
价过高，而且获得的数据相对有限。通过建立有限元模型，并在实
车实验验证模型有效性的基础上，进行仿真实验，则可以比较可
靠经济省时，且可获得更加全面的数据，从而为轿车与柱状物正
碰事故再现研究提供科学依据。
2轿车模型的建立及其验证
进行交通事故再现需要同答很多问题，诸如所涉人员的运
动、车辆速度历程、最终停止位置的真实性等 ，影响这些研究结
果准确度的最主要因素就是仿真车辆有限元模型的有效性。为了
保证仿真研究的可靠性，为后续研究奠定基础，研究首先建立一
款市场比较常见的轿车有限元模型。先通过仿真碰撞实验验证整
车有限元模型的有效性，然后再通过中国汽车技术研究中心，进
行轿车实车碰撞试验，最终验证了整车有限元模型的有效性。
2．1整车正面碰撞有限元建模
目前国内外在轿车与柱状物碰撞事故的研究中，针对如何 研究以某轿车为研究对象建立正面碰撞的有限元模型
。车
-A-来稿日期：2010—11—16 ★基金项目：十一五国家科技支撑计划项目(2006BAF02A02)
Ir 鲁● ● ● ● 鲁， 。设计与计算。
t ● ● ● ● ● 、
2 孟家富等：轿车与行道树正碰事故再现关键因素研究 第9期
体尺寸为(3590x1540xl486)mm，整车整备质量为870kg，为小排
量微型轿车。建立整车有限元模型的流程是：首先建立整车的几
何模型(CAD模型)；在几何模型的基础上对各个零部件划分有
限元网格，并赋以相应的材料、厚度属性；通过在实际装配位置上
建立相应的连接单元如焊点、螺栓、铰接、粘接等，将各零部件组
装成各分总成；最后把各个分总成装配成整车有限元模型，并定
义载荷和边界条件。建模和仿真分析分别采用Hypermesh和
Pam—Crash软件。研究划分网格的尺寸，对车身前部变形区以
|0mm为基准。后部碰撞中基本不变形的部分，采用20ram的网
格。严格控制单元的质量标准，如表1所示。
表1网格单元质量标准
Tab．1 standards of the grid’S quality
依据上述标准，建立某款轿车整乍的有限元模型，如图1所
示。最终的整车有限元模型由48．7万个单元组成，三角型单元比
例为5．4％，低于10％的标准。
图1某轿车整车有限兀模型
Fig．1 Finite element model of a sedan
2_2模型有效性的验证
在HP工作站— 寸轿车正面碰撞有限元模型进行仿真计算，仿
真碰撞时问为1 60ms。整体模型的正面碰撞t1算机仿真能量曲线，如
图2(a)所示。模型总能量为106．24kJ，沙漏能最大为1 1．36kJ，约为总
能量的10％，符合沙漏能控制的要求。如图2(b)所示，是仿真结果和
实车试验中滤波后的的B柱下端加速度曲线对比，方向为 方向，即
与初始速度反向。试验结果的加速度峰值出现在33ms，峰值为
512go仿真曲线与试验趋势基本一致，峰值为56．8g，峰值时间为
35ms,同试验结果相差10％，表明有限元模型是可靠的。
100
8O
： 60
倒
40
2O
O
图2某微型轿车仿真实验及支车碰撞实验验证
Fig．2 Verifications of simulation experiment
and real collision experiment
3轿车与柱状物碰撞变形的正交试验设计
3．1建立柱状物数字模型
在上述轿车模型有效性得到验证后，将轿车仿真实验的碰撞
对象从刚体墙改为柱状物。研究中的柱状物是行道树，根据我国实
际情况，行道树选为比较常见的白杨，密度取为0．375i m ，弹性模
量取为12GPa，屈服应力取为le+10GPa，表示碰撞过程中树的变形
可以暂时不予考虑 。为了研究碰撞速度、碰撞位置及行道树直径对
碰撞变形形态的影响，设计了一组j因素三水平的正交试验。研究
建立了建立直径分别为80mm、180ram、280mm的3种行道树。行
道树是采用构造二维网格单元，然后拖拉成三维实体单元，在质量
控制方面采用fi'ozen metric来保证模型仿真的大变形的稳定性。
3_2设计轿车与柱状物的正交试验
应用上述轿车和白杨树有限元模型，在HP工作站上进行一
次运算的时间是100000s左右，如果进行完全试验，则需要进行27
个仿真实验。即使不问断运算，一次完整实验耗时约—个月，计算代
价过大 为了能够比较准确地分析碰撞各个因素对碰撞变形的影
响，并且使用的计算H,／I'．1尽可能短，设计正交试验进行仿真研究。
选择出主要的变形结构件，满足两个条件：(1)该结构件易
于变形，且能保留比较明晰的变形信息；(2)这些变形信息是易于
测量的，一般不需要将整车进行拆解就可以获得测量值，便于交
通事故再现的快速判定。根据以上要求，结合交通事故的自身特
点，在仿真实验中选择了4个结构件来建立碰撞变形的分析对
象：前保险杠、前保险杠内杠、水箱、引擎盖。针对需要分析的因
素，采崩L9(34)正交试验表l ，如表2所示。
表2正交试验条件
Tab．2 Conditions of orthogonal experiments
表2中，“轿车与行道树碰撞位置”栏中，“Middle，Interval，
∞
∞
∞
∞
1
)吣
舳
时
∞
∞
如
0
No．9
Sep．201 1 机械设计与制造 3
Side”指柱状物与轿车碰撞接触位置距离基准点A点的， 向距离分
别为“480ram，680ram，900mnl”，如图3所示。没计完正交试验后，对
选出的结构件确定统一的测量标准，便于后面的测量及比较分析。
(1)在前保险打中，选左灯 4点为测量基准点，如图3所
示：当碰撞位置分别是Middle、Interval、Side时，另一基准点分别
选为B 、B 、B 点，各自距A点的 向位移为480nm 、680mm、
840mm。分别测量前保险杠碰撞前后的两基准点的y向距离，冉
计算两距离值的差值，作为前保险杠宽度变形量。同样以前保险
杠上的A点和 点为基准点，分别测量两基准点彳F碰撞前后的
向距离，再计算两距离值的差值，作为前保险杠深度变形量。
图3前保险 碰撞位置
Fig_3 Collision locations at front bumnle]’
(2)在前保险札内卡1=中，选左端点C点为测量基准点，如冈4
所示。当碰撞位置分别是Middle、lntet~al、Side时，另一基准点分
别选为D 、D 、 点，各门距C点的l，向位移为480mm、680mm、
840mm。分别测量内保险杠碰撞前后的两基准点的y向距离，冉
计算两距离值的差值，作为内保险杠宽度变形量。同样以内保险
杠上的C点和 点为基准点，分别测量两基准点存碰撞前后的
向距离，再计算两距离值的差值，作为前保险柯深度变形量。
当碰撞位置分别是Middle、Interval时，测量内保险杠的碰
撞后开口宽度，两基准测量点分别选内杠 向变彤区的对称临
界点，以两基准点的距离作为内杠碰后变形开口宽度。南于碰撞
位置在外侧时，模型中的内杠凹陷变形不规则，故不予考虑。
图4前保险杠内卡丁碰撞位置
Fig．4 Collision locations at front inner bummer
(3)水箱两基准点分别选在水箱前端部分的左右中间点，测
量两基准点，，向碰撞前后的距离值，冉计算两距离值的差值，作
为水箱宽度变形量。(4)引擎盖的两基准点分别选为舱盖中线上
的最高点和最低点，测量两基准点z向碰撞前后的距离值，冉计
算两距离值的差值，作为引擎盖高低点变形量。
表3正交试验结果(单位：mm)
Tab．3 Results of orthogonal experiments(mm 1
杠宽度杠深度度变形度变形形开口
：：： 变 量竺 壁 量 里 童堕量
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
水箱宽引警盖
度变形高低点
4试验结果与讨论
4．1正交试验结果
按照前而的正交试验没计，在统一的测量标准下，进行结果
分析，得到正交试验的测量结果，如表3所示。
4．2试验结果及讨论
分析轿车与行道树正碰事故，需要确定具有碰撞变形信息
表征性的关键结构件，研究依据两条标准，选择了轿车前端变形
区的四结构件来作为分析对象。不同的碰撞因素对碰撞变形所造
成的影响足不同的，导致不同结构件在碰撞后所包含的信息对事
故再现研究的价值是有 别的。通过正交仿真实验，可以比较明
确地分析出不同关键 素对轿车与行道树正碰的影响，依据表5
实验结果有以下结论。
(1)碰撞速度对碰撞变形的影响最明显，特别是前保险杠宽
度变形量与碰撞速度存在近似的线性关系。相较于前保险杠或者
前保险打内杠的深度变形量，它们的宽度变形量更能体现碰撞速
度的关系，这在交通事故速度冉现町以提供初步的判定依据。
(2)碰撞位置不同会造成不问的碰撞变形形式，碰撞位置为
“ middle”和“inter~，al”对四结构件造成的变形量大致相同；碰撞位
置为“middle”给前保险杠和内保险卡丁造成的宽度变形量大于碰
撞位置为“interval”的宽度变形量，而碰撞位置为“interval”给前
保险杠和内保险杠造成的深度变形量大于碰撞位置为“middle”
的深度变形量。碰撞位置为“side”造成的变形量与碰撞位置为
“ middle”及“interval”柏差很大，说明碰撞位置为“side”的变形量
是明显有别于上述两种碰撞的碰撞形式，需要选择其他的结构件
来进行变形形式的表 。
(3)由“内杠变形开口宽度量”的六组数据可以得知，该测量
值与柱状物直径很接近，误差在6％以内。由此可知，在轿车与柱
状物的碰撞事故中(除碰撞位置为“side”)，一般可以通过轿车内
杠的开口宽度和现场柱状物直径的测量及对比，可以初步验证事
故现场的真实性，进行事故冉现的判定。
(4)从碰撞变形量的稳定性可知，前保险杠的两个变形量波
动过大，特别是在高速碰撞中，其值易失真，而一旦发生交通事
故，车速超过80km／h是比较常见的，所以前保险杠不宜作为事故
冉现分析的主要结构件；从碰撞变形量的敏感性可知，水箱和引
擎盖的变化不敏感，特别是车速在60km／h与80km／h两种条件
下，碰撞变形量的区分度不大。总体而言，内保险杠的保留的碰撞
信息比较全面，而且信息的可靠性和区分度都比较好，比较符合
事故再现分析的要求，町以作为事故再现分析的主要对象。
参考文献
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