（光学工程专业论文）汽车间碰撞事故模拟再现的研究.pdf

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 摘要 汽车的发明和使用，使人类的生活：亏式和生产方式发生了巨大的变化。汽 车给人类以舒适和便捷等正面效应的同时，它也给人类带来交通事故等负面效 应。道路交通事故不仅威胁着人们的生命安全，而且还造成巨大的经济损失。 因此，道路交通事故的模拟再现分析研究工作对人民生活乃至整个社会经济都 具有极其重要而深远的意义。 交通事故分析的运动学方法是一种较可靠的定性分析法，是根据现场勘测 的有关数据，选用适当的数理公式或经验公式以及相关物理常识进行计算。本 文主要采用了运动学的方法对汽车间碰撞事故进行了再现模拟分析。 首先介绍了现场图的定位及绘制方法，提出如何利用现场遗留物进行正确 的分析与测量，从而确定各种形式的碰撞中心并分析出事故原因，为对交通事 故进行准确地分析与再现奠定了基础。 对汽车间碰撞事故中的轮胎印迹特点，深入进行了研究，分析了不同制动 状态的拖印差别。车辆发生碰撞时，由于作用时间短，车辆相互间将有很大的 作用力，通过测量车辆的轮胎印迹判断车辆的碰撞位置以及碰撞前、后车辆的 运动方向。 建立了汽车间碰撞作用过程的动力学模型，提出了确定汽车间碰撞的法向 和切向恢复系数的方法；并得出了汽车问碰撞形态的量化指标与恢复系数的关 系。它们解决了汽车间撞击事故分析中常遇到的一些关键问题。 最后，对一起汽车间碰撞事故的实际案例进行了现场图及复原图的绘制， 对车辆碰撞过程进行了分析计算及模拟再现，为交通事故的模拟再现分析提供 了有利参考。 关键词碰撞事故；模拟再现；现场勘查：；轮胎印迹；模型分析 ，。：! 。 ：。：，：堕堡i 圣! 些查兰三；堡堡圭兰堡篓塞。一。! 一 ：，! ， a b s t r a c t t h ei n v e n t i o na n du s eo ft h ea u t o m o b f i em a k et h eh u m a nl i r es t y l ea n dm o d eo f p r o d u c t i o nc h a n g ee n o r m o u s l y t h ea u t o m o b i l eg i v e sm a n k i n d t h e p o s i t i v ee f f e c t s s u c ha sb e i n gc o m f o r t a b l ea n dc o n v e n i e n t ，m e a n w h i l e ，i tb r i n g sn e g a t i v ee f f e c t s ，s u c h a st r a _ f n ca c c i d e n tt om a n k i n d i no u rt i m e s t h et r a m ca c c i d e n to f t h er o a dn o to n l y t h r e a t e n st h es e c u r i t yo f p e o p l e s1 i f eb u tc a u s e st h ee n o r m o u se c o n o m i cl o s s e s s o t h er e s e a r c hw o r ko f r e c o n s t r u c t i o no f t r a f f i ca c c i d e n th a se x t r e m e l yi m p o r t a n ta n d f a r - r e a c h i n gm e a n i n g s t op e o p l e sl i v e sa n de v e nt h ew h o l es o c i a le c o n o m y t h ec r a s h a n a l y s i sk i n e m a t i c sm e t h o do f t h et r a 伍ci so n ek i n do f m o r e r e l i a b l e d e t e r m i n i n gt h en a t u r ea n a l y t i ca p p r o a c h e s ，r e l e v a n td a t at h a ta n d t h e ns u r v e y a c c o r d i n g t ot h es c e n e ，s e l e c tp r o p e rm a t h e m a t i c sa n d p h 3 ，s i c sf o r m u l a o re x p e r i e n c e f o r m u l aa n dr e l e v a n t p h y s i c sg e n e r a lk n o w l e d g e f o ru s et oc a l c u l a t e i nt h i st e x tw e h a v ea d o p t e dk i n e m a t i c sm e t h o dt ob u m pi n t ot h ea c c i d e n ta n dr e p r o d u c es i m u l a t i o n t oa n a l y z et ot h eg a r a g em a i n l y t h el o c a l i z a t i o no f o n t h e s p o tp i c t u r ea n d d r a w i n g m e t h o dw e r ei n t r o d u c e da t f i r s t ；t h em e t h o da b o u th o w t oc a r r yo nc o r r e c ta n a l y s i sa n dm e a s u r e m e n tt ot h et r a c e o f o n t h e s p o tl e g a c yw a sp r o p o s e d ，t h u st h ec o l l i s i o n c e n t e r so f v a r i o u sk i n d so f f o r m sw e r ec o n f i r m e da n dt h ec a u s eo fa e c i ：l e n tw a sa n a l y z e d ，w h i c hw e r et h e f o u n d a t i o n o f e s t a b l i s h i n ga c c u r a t ea n a l y s i sa n dr e c o v e r y t ot h et r a f f i ca c c i d e n t t h er e s e a r c ha b o u tt h et i r et r a c ec h a r a c t e r i s t i co f c a rt oc a l s t r i k i n ga c c i d e n t w a sc a r r i e d d e e p l y ，t h e t o wd i f f e r e n c e so f t h ed i f f e r e n t b r a k i n g s t a t ew e r e a n a l y z e d w h e nt h ev e h i c l e h a p p e n sc o l l i d i n g ，b e c a u s ef u n c t i o n t i m ei ss h o r t ，t h ev e h i c l ew i l l h a v ev e r yl a r g ee f f o r te a c ho t h e r t h ec o l l i s i o np o s i t i o na n dt h es p o r td i r e c t i o no f v e h i c l ew e r e j u d g e db e f o r ea n da f t e rc o l l i d i n gb y m e a s u r i n g t h et i r et r a c eo f v e h i c l e c a rt oc a rc o l l i d e dd y n a m i c sm o d e lw a ss e tu p ，t h em e t h o do f r e c o v e r y c o e 塌c i e n tb e t w e e nt w oc a r si nd i r e c t i o no fn o r m a la n d t a n g e n t w a s p u tf o r w a r d ；t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h eq u a n t i z a t i o ni n d e xo f t h ef o r ma n dr e c o v e r yc o e f f i c i e n ti n a n a l y s i so f c o l l i s i o no f c a r sw a sc o n c l u d e d w es o l v e ds o m ek e yp r o b l e m st h a tw e r e o f t e nm e ti nc r a s ha n a l y s i s ! ，堕堡堡三些：耋三堡至圭耋堡篁耋，! 。 a tl a s t ，a l lo n t h e s p o tp i c t u r ea n da r , $ c o v e l - d r a w i n g a b o u ta na c t u a lc a s ew e r e p o i n t e d t h ec o u r s eo f c o l l i s i o no f c a r sw e r e a n a l y z e d ，c a l c u l a t e da n dr e c o n s t r u c t e d w e p r o v i d e df a v o r a b l e r e f e r e n c ef o rr e c o n s t r u c t i o no f t h e a n a l y t i c a lm e t h o di nt h e k i n e m a t i c so ft h ei r a f f i ca c c i d e n t ， k e y w o r d sc o l l i s i o na c c i d e n t ，s i m u l a t er e c o n s t r u c t i o n ，o n - t h e s p o tp e r a m b u l a t i o n ， t i r e st r a c e m o d e la n a l y s i s 1 1 1 第1 章绪论 1 1 汽车碰撞事故模拟再现研究的社会背景和意义 汽车的发明为现代社会提供了便利和方便，但汽车碰撞事故频发，已成 为人类“无休止的交通战争”。据统计目前全世界每年因交通事故而死亡的 人数高达6 0 万人，交通事故死亡人数居当今人类非正常死亡人数之前列。 我国的交通事故基本上是随着国民经济的发展而逐步上升。每年全国交 通事故死亡人数在5 0 、6 0 年代为几百至几千人，7 0 年代发展至l 2 万人， 1 9 8 4 年后事故死亡人数急剧上升，1 9 8 8 年1 9 9 0 年期间稍有回落，1 9 9 1 年 后随着国家改革开放的深化，国家总体经济势力不断增强，汽车工业和交通 运输业迅速发展，汽车等机动车辆保有量急剧增加，交通事故死亡人数又急 剧增长，至1 9 9 8 年底，死亡人数已连续4 年超过7 万多人川( 见图1 1 ) 。而 世界拥有汽车最多的美国交通事故死亡人数约为4 万多人，我国机动车万车 死亡人数是发达国家的6 1 8 倍，成为世界交通事故死亡人数最多的国家。 经济发达国家从7 0 年代以来，虽然汽车保有量逐年增加，但是因采取了 各种安全措施，包括对人的安全教育，使交通事故死亡人数一直呈下降趋势， 但是受伤人数持续增加。随着驾驶员和行人行为的改善、公路和车辆设计的 优化以及交通法规的完善，这种趋势还将持续保持下去【2 1 。 在类似中国这样的发展中国家，由于机动化的迅速发展，道路、车辆安 全的不完善，以及交通参与人行为等因素，交通事故上升较快，从而导致全 球交通事故死亡总人数将持续增加。交通事故的增加会造成大量人员伤亡、 财产损失及事故受害人的心理和精神状态的不良影响【3 一”，并影响社会安定、 政府形象以及公共秩序。根据1 9 9 5 年- 2 0 0 1 年公安部的统计，发生在我国的 各类交通事故中，汽车间碰撞事故所占比例可达5 7 ，所造成的人员伤亡占 7 0 9 0 ，成为现代道路交通事故的主要形态。 碰撞是运动着的车辆以其运动方向的正面与对方发生的事故。汽车碰撞 对于交通事故处理部门来说，关心的是汽车碰撞的运动学模拟，即研究汽车 在整个碰撞过程中的运动学行为，如碰撞车辆在碰撞过程中的运动轨迹、线 速度、角速度等。因此，对汽车碰撞事故模拟再现是分析事故原因的重要手 段，是进行责任认定的依据，是开展事故处理后续工作的基础。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 鼎 一 0 给定的界限值； o 、l 、a 2 、爿4 、一6 + o 、上pa 2 、4 4 、4 6 的近似值； a 、a ，、a ，由最小二乘法确定。 q ：童k 一岛。卜f 4 ，4 = 1 1 1 i n f ( a i , a 3 , a ，) ( 2 - 5 ) 式中如岛的估计值； a i 、a 3 、a ，4 、a ，、a 5 的估计值。 当式2 2 e e h 分别等于下缘高度日。上缘高度风、玻璃平均高度矾时， 三，依次对应碰撞点至碎片分布场起点距、最远点距和场带中心线距。 对于碎片场带宽比，取h = d h ，厶一d l ，则式2 2 变为： 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 以= ? 。k 2 + ( 2 守鼍) 十一。珐【( 2 h o g ) 啦一( 2 日。g ) 1 胆妒2 ( 2 - 。) + 爿，k 2 + q g h 。) l g e x p 【- 4 。畋h 。) 】 、7 以在计算汽车的碰撞位置时，一方面它可以直接求出汽车的碰撞速度 砟，；另一方面，可以利用已求出的碰撞速度咋，求出厶，即确定碰撞点的 位置。 上述两种方法交替使用，并利用：献的大量实验结果，就可确定参数 4 一a 。，见表2 1 。 表2 1 玻璃碎片计算式中的变量与对应参数值 l lks上o d l h h f ， h s h q d h 平头车风挡玻璃或车灯玻璃罩 4 0 2 7 5 9 1 70 8 4 6 。7 0 21 4 3 5 81 3 2 5 9 7 爿2 0 90 9o 90 ，9 以 o 1 0 2 3 5 7 5 e 一2o s 6 4 1 9 7 e 一30 4 2 3 5 8 3 e 一30 2 0 0 6 8 e 2 爿4 1111 a 5 0 8 4 6 6 2 4 e 2 0 9 4 7 9 3 e 10 1 0 5 5 0 8 30 1 3 7 2 5 0 6 4 6 - o 0 50 0 5o 0 5o ，0 5 长头车风挡玻璃 4 1 3 0 0 4 1 72 5 1 3 8 1 22 1 3 7 0 4 75 3 0 2 3 9 4 2 11l1 a 3 一j 1 7 4 4 3 62 7 9 6 。4 2 32 i1 9 4 7 90 9 1 3 3 3 2 1 彳4 0 t 3 50 3 50 3 50 3 5 以 2 4 5 8 5 0 6 66 4 4 3 2 5 7 03 5 0 2 4 5 7 47 9 3 9 2 1 0 4 a 6 0 2 50 2 ：50 2 50 2 5 表中上，碎片场起点至碰撞位置之间的距离( m ) ； e ，下缘离地面的高度( 1 l r l ) ： ，碎片场终点至碰撞位置之间的距离( m ) ； ，；上缘离地面的高度( m ) ； 厶碎片场带中心线至碰撞位置之间的距离( m ) 日。玻璃平均离地面的高度( m ) ： 哈尔滨工业大! 工程硕士学位论文 d l 碎片场带宽( m ) ： d h 玻璃上缘与下缘离地的高度差( m ) 。 由于将来会有越来越多的汽车安装制动防滑装置，事故现场制动痕迹不 确定性的可能性增加。因此，研究利用玻璃碎片推算碰撞速度以及碰撞位置 是十分有意义的。 2 4 碰撞参数的相互验证 车辆事故从发生到结束，由于受到外界各种随机因素的影响，即使车辆 碰撞的初始条件相同，也可能造成事故现场结果的不一致。不仅如此，现场 所获取的信息也具有一定的随机性，所以，利用某种现场遗留物进行事故分 析时，计算值与真实值必然产生差异。而且碰撞时车辆速度的准确值在事故 鉴定中无法准确获取。在概率论中，中心极限定理认为，凡是由众多相互独 立的随机因素综合影响而引起的随机现象，只要每个随机因素对总的影响都 很微小，没有一个能起特别突出的影响，则可以断定：描述这个随机现象的 随机变量服从正态分布或近似正态分布。所以，可以认为，运用现场证据进 行事故分析，各种因素的共同作用将使车辆的碰撞速度的计算值按正态或近 似正态分布变化，于是，进行事故分析时，在一定的置信度下就可以分别获 取车辆碰撞速度的变化区间，从而求出彼此的交区间。 然而，各种影响因素共同作用引起的车辆碰撞速度的分布特性参数，在 一般情况下是未知的，不过可以通过大量实验获得，或者在获取影响因素的 分布特性后用理论方法求出。 2 5 现场图的绘制 现场图包括主图和副图，主图为能反映事故现场全貌的俯视图，是现场 勘查记录资料中不可缺少的；副图则是为了补充主图，必要时为反映事故现 场部分状况的平面图，故副图一般为主图俯视角度下不能表现的立面及纵横 剖面的状况。 现场图的绘制与其它工程一样，也必须遵循有关的规定和一定步骤，现 将有关的规定和绘图步骤说明如下： 1 一般规定现场图的图纸幅面较小，幅面尺寸一般采用1 4 8 2 1 0 m m ， 如需绘制较大幅面时，其图幅规格可参照工程制图标准确定。绘制现场草图 的图纸通常采用印制的方格坐标纸。除此之外，现场图的图线、字体、视图 原则等均应遵照工程制图的一般规定。现场图的比例可根据现场范围与图纸 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 幅面大小确定，通常选用( 1 ：1 0 0 ) ( 1 ：3 0 0 ) 的百位整数。因此，为保 证现场草图的绘制质量，现场图的绘制要求操作人员有较高的绘图技巧。 2 图形符号交通事故现场图不同二f 工程制图之处，在于它主要采用以图 形符号代表实物的简要画法，其目的不在于表现物体的真实形状和尺寸，而 是着重反映物体在事故现场的位置和运动后的形态。因此，在事故现场图上， 图形符号必须要满足对地形、地物和各种交通元素的表达需要，并且具有简 明、示意性强和认同性好的特点。我国制定的交通事故现场图形符号( g b i 1 7 9 7 8 9 ) ，其中包括：交通元素符号3 0 图：道路设施图形符号3 7 图；安全设施 图形符号1 4 图；地形地物图形符号1 7 图：动态痕迹图形符号7 图；交通现象和 事故类型符号3 4 图。 3 现场图绘制绘制现场图前，首先应对现场进行全面观察，对现场中的 车辆、人、物品、痕迹、地形地物等有一个总的概念，然后判断哪些是与事 故相关的，哪些是关键的，并根据图纸大小，选择合适比例，进行绘制。绘 制基本过程应为：道路环境绘制一基准点选择一车辆、人体绘制一痕迹、散 落物绘制一其它示意图形一标注尺寸线一绘图完成。 2 6 复原图的绘制 2 6 1 碰撞点的确定 由于碰撞是运动着的车辆以其运动方向的正面与对方接触，所以碰撞接 触点即前面提及的碰撞点，就是碰撞双方最初的接触部位在路面上的投影位 置，它是绘制现场复原图的基础。交通事故中的碰撞形式有机动车碰撞行人、 碰撞自行车、碰撞固定物体以及机动车互撞等。机动车互撞的形式有正面相 撞、追尾相撞、侧面正交相撞和侧面斜交相撞等。当车辆与有相当质量的车 辆或物体相撞时，由于瞬间受阻，运动发生骤然变化，减速度值剧增，从而 产生巨大的碰撞力。由于实际碰撞事故十分复杂，碰撞双方物体又不是由单 一材料构成的实心物体，因此很难应用动力学的碰撞理论，通过计算确定碰 撞点，目前确定碰撞点的方法主要是根据现场进行逻辑推理分析，或者通过 事故再现的试验进行分析。后者因要付出较大代价，即使在发达国家，也极 少使用。 因为碰撞点是事故双方最初接触时的位置，所以碰撞点是事故责任认定 中的一个非常重要的因素。由于运动惯性，发生交通事故后，相互碰撞的人、 车、物等往往都不在最初接触的地点。为了正确认定事故责任，现场勘查人 员必须根据事故现场的痕迹形态及事故各方的停留位置，按照事物运动变化 规律分析事故的演变过程，确定碰撞点。在此，主要讨论汽车间碰撞的几种 情况： 1 汽车正面相撞汽车正面相撞时由于两车均沿同一直线运动，碰撞后 两车的停驶位置一般不会偏离原先的行驶方向。通常，当两车变形情况相当 时，冲量大的车将使冲量小的车从碰撞位置后移，故碰撞位置应在冲量大的 车保险杠后方。由于碰撞瞬时车辆前轴负荷突变以及碰撞力可能使前轮轮胎 产生横向挫滑的结果，前轮轮胎将在路面上留下比正常轮印宽而重的挫痕， 因此轮胎挫印的位置可作为判断碰撞点的依据。另外，还可根据碰落的前灯 玻璃等掉落物体判断碰撞点。 2 追尾相撞追尾时后车碰撞行驶的前车，前车将在碰撞力的作用下加 速。碰撞后两车一起向前运动，碰撞点在行驶的后车保险杠之前。 3 侧面碰撞无论是侧面正交或斜交相撞，被撞车都可能不同程度地偏离 原行驶路线。侧面碰撞的碰撞点很难用运动学关系定量分析得出，一般依靠 各种碰撞事故资料、实车碰撞事故试验资料并结合轮胎挫印和碰撞散落物进 行综合分析得出。 对于汽车互相碰撞，需要注意的是，如果被撞车受撞部位的机械强度很 低，则对碰撞车的碰撞阻力相对较小，使得碰撞车的车轮边滚动边滑动，留 下车轮压痕( 这种压痕与制动压痕的差别在于轮胎滑移的方向不同) 。真到 碰撞车接触到强度较大的构件，如车架、车轴等处时，车轮的运动状态才发 生明显的变化，在地面上相应地出现轮胎挫痕等突变痕迹。因此，在碰撞点 处出现轮胎压痕时，要注意是否由于碰撞形成。这在车辆之间相互撞擦事故 现场确定碰撞点时尤其要特别注意。 在应用碰撞模型再现汽车间碰撞事故时，把车对车碰撞作用阶段作用于 车体上的碰撞冲量的作用中心定义为碰撞中心，它是碰撞计算模型坐标系的 原点，即在进行碰撞分析计算前必须已知碰撞中心。对于实际的车对车碰撞 事故，碰撞中心是根据碰撞车辆车体变形痕迹求取，根据文献 3 9 1 实验记录结 果表明：车对车碰撞中心大体上在车体最大变形时碰撞面的中心位置处。 2 6 2 复原图的绘制 事故现场复原图是指在事故发生瞬间，将肇事双方在碰撞点的瞬间状态 表现出来的平面图形。该图形的绘制，对判定事故责任是十分有用的，同时 对于下一步的事故再现也提供了数据基础。其绘制方法和要求与现场图的绘 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 制方法和要求相同。 2 7 本章小结 本章概述了汽车间碰撞事故现场勘查的工作内容；现场图的定位原理、定 位方法、定位点和定位基准的确定，明确现场图的绘制方法：确定了对现场 遗留物进行正确的数据分析和测量的方法，从而确定碰撞的中心点并分析出 事故原因；还介绍了事故现场复原图的概念，为对汽车间碰撞事故进行准确 地分析与模拟再现奠定了基础。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第3 章轮胎印迹识别 汽车间碰撞事故的发生，常常伴随着轮胎印迹的出现，轮胎印迹是事故 分析中最有价值的信息之一。它不仅反映了事故前后车辆的运动轨迹，轮胎 状态，碰撞点的位置和制动措施，同时还可以根据印迹长度和形态分析车辆 碰撞分离时刻的速度 。 3 1 轮胎印迹类型 轮胎印迹是由于轮胎在地面上滑动，摩擦生热，使轮胎橡胶产生塑性变 形，产生橡胶微粒，粘附于地面上形成的，事故现场的轮胎印迹可分为三种： 胎印、擦印和拖印。 胎印是指轮胎和车轮在自由转动时，轮胎胎面印在柔软路面上的印迹。 其特点是轮胎胎面的花纹，无论沿胎印的横向，还是沿其纵向，都是清晰的。 擦印是车辆轮胎既滑动又转动而留在路面上的印迹。在事故现场可看到 各种不同类型的擦印，一般有泄气轮胎擦印，转弯擦印，减速擦印，碰撞擦 印等。擦印的特点是印迹不十分明显，轮胎擦印通常有波形，并常常有转向 的记号。许多情况下，擦印总是一条窄线，看上去象前轮拖印的一边。这是 由于离心力使轮胎侧向滚动的结果。 拖印是指车轮在不能自由转动时，滑行轮胎留在路面上的印迹。它的产 生机理是轮胎与路面接触部分因滑移摩擦而剧烈发热，使胎面物质分子间的 引力降低，橡胶分子留在路面而形成的平面痕迹。 3 2 轮胎的印迹特点 轮胎回转滑移的印迹特点：轮胎与地面的接触形状，近似为椭圆形，因 而纵向滑移的印迹比横向滑移时的印迹窄，当留在事故现场的轮胎痕迹有宽 窄变化时，则说明肇事车有回转运动。如图3 1 示。 瘀甜 图3 1 轮胎回转时印迹宽度的变化 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 汽车转弯时的印迹特点：轮胎受横向力作用，载荷转移到外侧轮胎，特 别是在气压不足时，变形更为明显。而内侧轮胎载荷变轻，故汽车转弯时， 外侧车轮印迹重而宽，内侧车轮印迹轻而窄。 3 3 不同制动状态的拖印区别 由于制动时轮胎滑移率和滑移状态的不同，印迹也不相同。当制动刚开 始时，滑移率由零开始增长，轮胎连滚带滑，留在路面上的胎面花纹形状起 始仅局部变得模糊，随着滑移率的增长，胎面花纹在车辆行驶的方向上被拉 长，但尚可辨认，这就是通常所讲的制动轧印。当车轮制动至抱死，滑移率 等于l ，车轮纯滑移，路面上的花纹已无法辨认，形成一条连续的黑色拖印， 即制动拖印。 在事故现场，车辆作紧急制动时不一定都有制动拖印出现，这与车辆的 制动性能和驾驶员的操作技能有关。根据制动理论，制动拖印的出现并不是 制动的最理想效果，具有防抱死装置的车辆，一般不出现制动拖印。因此， 没有制动拖印并不等于没有采取制动拮施或措施不力。 1 正常的制动拖印正常的制动拖印是两条，与制动轮轮距相同的平行 线，当前后轴轮距相同时，前后轮的印迹产生重叠，重叠处印迹、加深。 2 制动跑偏印迹制动跑偏是指汽车制动时自动向左或向右偏驶，主要原 因是制动时左右两侧车轮制动力不一致或悬架导向杆系与转向系拉杆在运动 学上的互相干涉，车辆偏向先抱死或制动力大的一侧。制动跑偏印迹如图3 2 所示，其特征为： ( 1 ) 印迹是一条比较圆滑的直线，没有曲率发生突变的区域。 ( 2 ) 弧线曲率随跑偏程度的不同而不同。跑偏愈严重曲率越大。 ( 3 ) 车轮两边印迹不等长，内侧长，外侧短，甚至无明显印迹。 ( 4 ) 一般情况下前后轮印迹不重叠，后轮的印迹向内侧偏离。 图3 - 2 制动跑偏时的轮胎印迹 n 霆 、 步 图3 - 3 后轮侧滑时的轮胎印迹 3 4 利用轮胎印迹判断碰撞点 车辆发生碰撞时，由于作用时间短，车辆相互间将有很大的作用力。对 于被碰车辆而言，这个力在作用时间内将使车辆产生很大的加速度向前运动， 峰值可达至l j 2 0 0 m s 2 ，造成在路面上留下较为明显的印迹。通常情况下，后轮 印迹最为明显，它直接反映了碰撞后车辆运动的方向；对于碰撞车辆而言， 作用于其上的力将使其以很大的减速度运动，使前轮留下的印迹最为明显。 如果两车在发生碰撞前驾驶员已经有相应的躲避反应，如紧急制动或猛打方 向盘，那么，由于碰撞力的作用，车辆运动方向和回转角速度将有很大的改 变，这必然影响轮胎印迹的走向，形成印迹的转折点，此点即为车辆碰撞点， 据此即可判断车辆的碰撞位置以及碰撞前、后车辆的运动方向。 汽车的正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞和斜碰撞中，驾驶员在碰撞前的 瞬间多数要采取紧急制动措旋，碰撞后车辆均要改变原来的行驶方向而出现 横向滑移，而在路面上留下明显的印迹转折，根据这一特点，就可以清楚地 确定碰撞点，如图3 4 所示。显然，碰撞点应在前轮印迹转折点d 之前的汽车 前悬距处。转折后印迹，由于横向滑移，故较转折前略为宽一些。 3 5 轮胎印迹的测量 在事故现场的勘查中，轮胎印迹的测量是极其重要的内容之一，它可用 于判别碰撞事故的碰撞点，碰撞形态等。轮胎印迹中最为重要的是制动拖印。 折 图3 4 碰撞后轮胎印迹 制动拖印的起点，在水泥路面上，拖印起点即为滑移起始点，在沥青路 面上，拖印起点之前大约2 4 - 3 m 处才是滑移开始点：拖印终点，在车辆没有 移开时，可用停车位置确定，如果已经移开，则可根据暗斑尾端或者留在终 端的泥灰、胎屑来识别。 3 6 胎印印迹识别举例 轿车a 沿右弯道行驶，与停放在路边的轿车b 的后部相撞。a 车沿弯道 留下了从冲撞点算起长达6 m 的转弯擦印，擦印终端处变重表明，随着车轮 的继续转动，车身开始打横。冲撞点在b 车的后部和a 车的左侧外挡，见图 3 5 。 a 车驾驶员讲：“我以5 6 k m h 的车速通过这段弯道。当我看到这辆停放 着的车辆时，我立即尽全力往右转向并使劲踏下制动踏板。车的侧面碰到了 这辆停放着的车辆的后部。” 转弯擦印表明a 车的车速处于或高于擦印所留下的弧形的临界速度。经 测量，弯道的曲率半经为5 0 m 。滑行阳力系数为0 8 ，临界速度为7 1 3 k m h 。 以5 6 k m h 的速度行驶的制动距离测定：勾2 6 m 。停放车辆的后部视线表明，a 车驾驶员可以在4 8 m 的地方看到这辆停放着的车辆。 因此，驾驶员说他的车速是5 6 k m h 是不太可能的，因为，根据现场留 下的擦印推断，这种擦印只能在处于或高于临界速度时才能造成。如果同意 驾驶员所做的解释，则可以这样说明，倘若这位驾驶员对道路前方全神贯注 地观察，那么他就应该有3 6 6 m 的距离做出反应和停车，在车辆以5 6 k m h 的速度行驶时，要采取这些措施是这位驾驶员力所能及的。 3 7 本章小结 图3 - 5a 、1 3 两车碰撞前、后示意图 前b 位置 本章主要概述了汽车间碰撞事故发生后，汽车轮胎的印迹类型，轮胎回 转滑移的印迹特点和转弯时的印迹特点。在事故现场，车辆作紧急制动时不 同制动状态的拖印区别，根据制动理- k ：，制动拖印的出现并不是制动的最理 想效果，具有防抱死装置的车辆，一般不出现制动拖印。因此，没有制动拖 印并不等于没有采取制动措施或措施不力：在事故现场，车辆作紧急制动时 不一定都有制动拖印出现，这与车辆的制动性能和驾驶员的操作技能有关。 车辆发生碰撞时，由于作用时间短，车辆相互间将有很大的作用力。对于被 碰车辆而言，通常情况下，后轮印迹最为明显，它直接反映了碰撞后车辆运 动的方向：对于碰撞车辆而言，作用于其上的力将使其以很大的减速度运动， 使前轮留下的印迹最为明显。如果两车在发生碰撞前驾驶员已经有相应的躲 避反应，如紧急制动或猛打方向盘，那么，由于碰撞力的作用，车辆运动方 向和回转角速度将有很大的改变，这必然影响轮胎印迹的走向，形成印迹的 转折点，此点即为车辆碰撞点，据此即可判断车辆的碰撞位置以及碰撞前、 后车辆的运动方向。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第4 章汽车间相互碰撞的动力学分析 汽车问的碰撞事故从车辆碰撞前后的运动方向考虑，主要有一维碰撞、 二维碰撞和三维碰撞三大类：从车辆碰撞接触位置考虑主要有两车正面碰撞、 追尾碰撞和侧面碰撞等形式。 碰撞前后的运动方向仅发生在一条直线上的碰撞称为一维碰撞，主要特 征是仅用一个坐标轴就能完全描述两碰撞车辆的运动状态。常见形式有对心 正面碰撞和对心追尾碰撞。 碰撞前后的运动仅发生在一个平面内的碰撞称为二维碰撞，在一个平面 内的x 轴方向及与其成直角的y 轴方向的直线运动，与向左或向右的横摆运 动( 绕垂直轴z 轴旋转) 重叠成复合运动。二维碰撞中，碰撞两车的位置需 要用平面上两个直角坐标及一个转动坐标来描述。主要有非对心正面碰撞、 非对心追尾碰撞和侧面碰撞等常见形式。 汽车发生碰撞前的运动几乎都是直线运动，但是在碰撞后会有许多情况 出现，不仅会出现一维、二维碰撞的前后、左右直线运动和横摆运动( 绕垂 直轴z 轴的旋转) ，甚至还会出现上下运动、侧翻运动( 绕x 轴旋转) 或俯 仰运动( 绕y 轴旋转) ，即三维碰撞，从而变成互成直角的x 、y 、z 轴方 向的直线运动及其绕x 、y 、z 轴的旋转运动的复合运动。常见形式有侧翻， 正翻和翻滚至路面外的坠车。 对于一维碰撞，有很多人进行了较为深入地研究，本文在此不作介绍。 由于三维碰撞的复杂性，对其进行全面详细的分析非常困难。本章主要研究 二维碰撞中的非对心正面碰撞、非对心一追尾碰撞和侧面碰撞三种形式。 4 1 汽车间碰撞作用阶段的车辆力学分析方法 汽车间相互碰撞的力学模型是用于描述汽车间碰撞作用阶段车辆动力学 特性的数学模型。汽车碰撞作用期间被定义为车辆碰撞接触瞬间到脱离接触 瞬间的时间历程。这一期间极其短暂，一般都在1 5 0 m s 以内，而其间车辆的 加速度很大，车辆受到巨大的碰撞冲击力。根据碰撞现象的特点，在对车辆 碰撞作用阶段进行力学分析时可做如下简化与假设： 1 大量汽车问实车碰撞试验的高速摄影记录结果表明：在车体最大变形 时刻车体相对于碰撞接触瞬间的横摆角位移约2 。5 。，并且碰撞作用阶段时 间非常短促，因此可认为汽车在碰撞接触瞬间到脱离接触瞬间其在地面坐标 篁查堡三些奎兰三堡塑圭茎堡篁兰：。 系中的位置坐标几乎没有改变，即在建立碰撞力学分析模型时可以忽略碰撞 作用期间车辆的运动位移； 2 在碰撞作用阶段，碰撞车辆受到很大的碰撞冲击力，而此间作用于车 辆的重力、地面摩擦力、驱动力( 或地面制动力) 、空气作用力等普通力的 数量级远远不能与之相比，即除碰撞冲击力以外的普通力的冲量忽略不计； 3 对于汽车间碰撞事故而言，通常，碰撞车辆的损坏变形都只局限于相 碰撞的局部部位，其它大部分车身结构依然基本完好无损。因此为了简化计 算，在进行碰撞运动力学理论分析时可以把汽车整体作为刚体运动来处理， 只是在进行车辆结构安全分析时针对损坏变形部分按塑性体或柔性体处理。 汽车间碰撞将使汽车发生局部弹性变形与塑性变形，同时在碰撞作用过 程中还会有发声、发光、发热等其它物理现象发生，即必然伴随着机械能损 失。机械能量的损失程度取决于许多因素，首先是与结构和材料有关，碰 撞速度和碰撞角度等对此也有很大影响，情况极其复杂。另外，在碰撞作用 阶段的短暂时间内碰撞冲击力的变化也很复杂，难以根据力的变化规律来研 究车辆在碰撞作用阶段的运动状态。因此，若不是以结构( 安全) 力学分析 为主要目的时，一般不用力来度量碰撞作用，也不用运动微分方程来描述碰 撞作用过程。即在以描述碰撞车辆的运动状态为主要目标时，对于车辆碰撞 作用阶段的运动力学计算分析不宜用动能定理而应用动量和动量矩定理。 4 2 汽车间碰撞作用过程的动力学模型 基于4 1 节的假设，同一平面中两辆汽车以任意角度碰撞的二维碰撞模 型见图4 1 所示。除了以非常高的速度剧烈相碰的情况外，汽车间碰撞事件 中的车辆被设定为由无数不具有质量的可塑性弹簧( 同时有弹性变形和塑性 变形的弹簧) 围起来的剐体，在碰撞作用阶段碰撞车辆的质量、质心位置、 轴距、轮距以及横摆转动惯性半径都不发生改变。 如图4 一l 所示，碰撞坐标系印t 1 的原点为碰撞中心p ，t 轴为碰撞中心 处碰撞面的切线方向，1 1 轴为碰撞中心处碰撞面的法线方向。每辆车有3 个 自由度，根据动量及动量矩定理有： 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 ( 4 1 ) 图4 - 1 车对车二二维碰撞模型 式中办、p 。回转半径( m ) ： 屹。，、，a 、b 两车碰撞后的切向速度； ，、。a 、b 两车碰撞后的法向速度； f 。、a 、b 两车碰撞后质心处的切向坐标： 玑、a 、b 两车碰撞后质心处的法向坐标； 只、只法向碰撞冲量，切向碰撞冲量。 法向碰撞冲量只和切向碰撞冲量只不易测定，在进行碰撞运动力学分析 计算时是个中间计算变量，消去后可得碰撞作用前( 下标q ) 、后( 下标g ) 瞬间的运动量( 线速度与角速度) 关系式： 助助肠岛p以 卜卜卜卜一 拈小小心甜 一 一 一 一 g 口 删“垆mg，峰髭忆畋厉硎 日 口 乳磐巍 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 m ( k 叫一k 叫) + 棚b ( k 私一i 乞棚) = o m a 譬裂0 鬟犁办 。眈。) ：0 汁z ，( 一) + 力m 一屹叫一_ 州j 一玑川啦一一。j = 、 研8 p ；k 一础栌j + f m 口( 椰一耻) 一印。m 口( 嘏一础) = 0 不论是碰撞作用前瞬间的运动量：来知还是碰撞作用后瞬间的运动量未 知，两碰撞车辆共有6 个未知运动量，因此，式( 4 - 2 ) 是一个“不定方程组”， 必须经过补充后才能直接用于求解碰撞车辆的碰撞作用前瞬间动量或碰撞作 用后瞬间动量。 在此模型中，碰撞点p 的位置是明确的，即碰撞冲力作用点离质心的距 离是已知的，称之为二维点碰撞模型。如果两车碰撞时，接触面积很大，相 互间碰撞冲力不是集中作用在一点，而是沿接触面任意分布时，需要将它们 向接触面中心点简化，得到冲力及冲力偶，这种模型称之为二维面碰撞模型。 对于二维点碰撞模型，它是一种比较通用的碰撞模型，它没有什么限制条件， 适用于正碰撞、斜碰撞、侧面碰撞等各种情况，甚至对于二维面碰撞也适用。 因为碰撞面上分布的碰撞冲力，虽然向碰撞面中心简化时得到一个切向冲力、 一个法向冲力和一个冲力偶，但还可以进一步简化，即将冲力偶和法向冲力 合成为一个法向冲力，只要将它的作用点从碰撞面中心平移一段距离即可。 因此，只要碰撞点选择适当，二维面碰撞完全可以按点碰撞进行处理。因此， 本文采用二维点碰撞模型对碰撞事故进行模拟再现的计算，不再单独研究二 维面碰撞模型。 4 _ 3 汽车间碰撞的法向和切向恢复系数 碰撞恢复系数是作为碰撞解析计算时碰撞面的约束条件而使用的，主要 用于表征碰撞作用过程中碰撞物体的动能损失。对于两物体的一维正面碰撞， 碰撞恢复系数等于两物体在碰撞作用结束与碰撞作用开始瞬间时质心的相对 速度大小的比值，其值大小表示了碰撞物体在碰撞后速度恢复的程度，也表 示碰撞物体变形恢复的程度： 1 对于实际物体的碰撞而言，碰撞恢复系数值介于0 l 之间，称为非完 全弹性碰撞，非完全弹性碰撞作用结束时物体的变形不能完全恢复，残留有 塑性变形，有动能损失； 啥尔滨工业大学工程硕士学位论文 2 碰撞恢复系数值等于l 是碰撞的理想情况，称为完全弹性碰撞，完全弹 性碰撞作用结束时物体的变形完全恢复，没有动能损失。若此时相碰撞的两 物体质量相等，则该两物体在碰撞作用结束时交换了速度； 3 碰撞恢复系数值等于0 是碰撞的极限情况，称为塑性碰撞，塑性碰撞作 用结束时物体的变形完全不恢复，两物体以相同的速度一起运动。 考虑实际的汽车碰撞事故，可以看出对于包括有侧面斜碰撞或正面斜碰 撞的任意角度的汽车碰撞，碰撞面为曲面，在碰撞中心处碰撞作用过程中既 有法向的变形与恢复，也有切向的变死j 与恢复。因此，为了提高作为汽车碰 撞计算模型约束条件的碰撞恢复系数的通用性，对碰撞恢复系数的概念加以 扩展，引入法向恢复系数与切向恢复系数。即在汽车碰撞事故中，法向碰撞 恢复系数被定义为“在两车碰撞面的碰撞中心处，碰撞作用后瞬间与碰撞作 用前瞬间的法向碰撞相对速度之比”；切向碰撞恢复系数被定义为“在两车 碰撞面的碰撞中心处，碰撞作用后瞬间与碰撞作用前瞬间的切向碰撞相对速 度之比” 4 6 1 。 对应于图4 1 所示的碰撞模型，设两车在碰撞中心处的法向相对速度与切 向相对速度分别为圪。和k 。，即 表征两车碰撞条件的碰撞作用前瞬间的法向与切向相对速度为 i 卅口= 卅+ f _ 国卅一p 0 栌+ f 月q 日 【d b = d 一，7 _ 2 0 一p ；口一叩口c 2 切 表征两车碰撞效果的碰撞作用后瞬间的法向与切向相对速度为 ( 4 3 ) 睦 睁s ， q降 瓣 + 一 一 一 + 一 栌 $ 若法向碰撞恢复系数巳= 0 ，则意味着在碰撞作用结束瞬间，碰撞中一i i , 处两车法向速度完全相等，为( 法向) 完全塑性碰撞； 若法向碰撞恢复系数巳 0 ，则意味着在碰撞过程中有法向恢复发生， 为( 法向) 弹性碰撞； 若切向碰撞恢复系数以 0 ，则意味着在碰撞过程中有切向恢复发生， 为( 切向) 弹性碰撞； 即对于以任意角度碰撞的车对车碰撞事故，根据其碰撞恢复系数的值可 分为下列四种碰撞形态： ( 1 ) e 目 0 ，e ， o ；( 2 ) e o ，g ，0 ：( 3 ) e 口0 o e ， 0 ； ( 4 ) e 口0 ，e ，0 在实际的车对车碰撞中，如果是夹角很小的侧面斜碰撞，或者是高速度 侧面斜碰撞，切向碰撞恢复系数往往为负；高速车辆以小夹角碰撞静止车辆 的车身四边角时，可能出现法向碰撞恢复系数和切向恢复系数都为负的情况。 由式( 4 3 ) ( 4 5 ) 可得碰撞恢复系数与碰撞车辆运动量之间的关系式： 二饶：箍t o g a ：笼：箍( - 0 三毙兹e s 宅：麓二e 岛r 蒜 件s ， l 一州一t 7 + k 胡+ ，7 目庐= e ，相+州一e ，骨一b q 8 、。 如果能以某种方法获得碰撞恢复系数的值，则由式( 4 1