（光学工程专业论文）轿车与高速公路护栏碰撞事故分析及仿真研究.pdf

摘要 随着我国高速公路里程的迅速增加，高速公路交通事故数也逐年上升，造成 了巨大的人员伤亡和财产损失，其中近l 3 的事故为车辆与高速公路护栏的碰撞。 所以分析汽车与高速公路护栏碰撞的事故，研究人体损伤防护以及护栏和车辆防 护性能的改进，已引起了世界各国的日益重视。美、欧等工业发达国家对汽车一 护栏碰撞事故己开展了大量的研究工作，并取得了一定的成效，而我国这方面的 工作才刚刚起步。 本文从人、车、路( 护栏) 三个角度，用计算机仿真的方法系统研究了轿车 与高速公路护栏的碰撞。首先，文章对国内外高速公路发展情况和高速公路交通 事故进行了数据采集和统计分析，并对国内外汽车高速公路护栏碰撞事故的研 究情况进行了对比分析，得出了两个新的结论： 1 ) 即使在严重的碰撞条件下，车辆乘员并不一定受到严重的损伤； 2 ) 分析乘员受伤时，第一次碰撞后汽车的行驶路径和稳定性应是着重考虑 的因素。 然后，文章对高速公路护栏的种类、设计方法和设计准则等方面进行了全面 讨论，同时论述了碰撞过程中乘员的生物力学响应，指出了在轿车一高速公路护 栏碰撞中乘员受伤最为严重的部位是头部和胸部，而碰撞角度的增大是使乘员头 部和胸部受伤加剧的主要原因。 文章基于计算机仿真技术，使用不同软件( 多刚体动力学仿真软件 m a d y m o 和有限元分析软件l s d q a ) 针对两种护栏( 混凝土护栏和波形梁 护栏) 和两种不同轿车车型( f o r d 车和s a m a l l a 车) 分别建立了轿车护栏碰撞 的仿真模型。通过改变不同的仿真参数( 碰撞条件) ，即轿车的质量、惯性、重 心高度和碰撞速度、碰撞角度，以及护栏的材料、质量、结构、连接方式、摩擦 接触等，深入研究碰撞中轿车和乘员的动态响应和护栏的碰撞特性，得出了几个 重要的结论： 1 ) 碰撞护栏后轿车三个方向加速度呈现出不同的敏感性，其中护栏纵向和 垂直于护栏的横向两个方向加速度较大，它们的加速度峰值明显比垂直于地面方 向的加速度峰值要大，这两个方向的加速度是引起乘员身体受到严重伤害的丰要 因素。 2 ) 在轿车与混凝土护栏的碰撞中，轿车的加速度峰值随碰入角度的增大而 增大，随速度的增大稍有上升；在相同碰撞角度条件下，轿车以不同速度碰撞护 栏在二次碰撞中高的碰撞速度会产生比较高的加速度峰值，而正是这种高的加速 度峰值在二次碰撞时造成更为严重的乘员伤害。在与波形梁护栏的碰撞中，随着 碰撞速度的加大，轿车的加速度峰值也随之增大。 3 ) 波形梁护栏板和轿车之间的摩擦力对轿车的运动有很大的影响。随着摩 擦力的增大护栏的重新导向能力减弱，轿车运动轨迹的校丁f 变得越来越困难，并 且轿车质心处的合成加速度也在增大。同时摩擦力过大还会引起轿车的横向打 转。 4 ) 从混凝土护栏的材料、结构形式等方面进行了护栏防护性改进分析，提 出通过改进材料，降低护栏的刚度来提高护栏的防护性；护栏截面上、下斜面交 叉点的高度对车辆碰撞后倾翻可能性的影响很大。护栏截面形状中的关键参数 h ，a 以及a 点的位置，对混凝土护栏的防护性能改进很有必要。 5 ) 波形梁护栏板与立柱之间的连接特性对波形粱护栏的防护性能有很大的 影响。通过研究发现，连接螺栓应具备这样的特性：强度不宜过大，在保持正常 连接的前提下，当受一定大小的接触力作用时迅速失效以保证护栏板与立柱及时 分离。 6 ) 通过对护栏各部分的结构进行分析研究，创造性地提出了一种新的护栏 立拄结构分段弹出式护栏立柱。研究结果表明用分段弹出式立柱构建的护栏 系统具备对事故轿车重新导向的能力；在事故中这种护栏系统能避免在车轮和立 柱之问发生严重的碰撞从而对乘员起到更好的保护作用。 研究还表明：两个不同的仿真软件在模拟轿车一护栏碰撞时呈现出各自的特 点。m a d y m o 软件在评价乘员伤害程度，计算乘员伤害指标方面很有效，其模 拟汁算时间较短。但由于它的有限元模型具有局限性，不能很好地描述护栏的偏 转和变形。而l s d y n a 则由于其较强的有限元分析功能，可精确地描述碰撞系 统的变形，从而提供了一种改进车辆和护栏的结构、材料等防护性能的有力手段。 两个仿真碰撞系统的仿真结果均与国际上公丌发表的实验典例作了对比分析，数 据相当吻合。验证表明本研究中所建直的仿真模璎具有较高的精确度和可靠性。 最后，本文在总结了轿车与高速公路护栏碰撞中轿车和乘员动态特性及护栏 防护特性的基础上，提出了当自口研究所遇到的若干问题和解决方案，并展望了进 步的研究目标。 关键词：高速公路轿车一护栏碰撞动力学响应计算机仿真损伤防护护栏改进 a b s t r a c t w i t hm er a p i dg r o w t ho fh i g h w a yi nc h i n a ，t h en u m b e ro fh i g h w a ya c c i d e n t s h a sr a i s e dg r a d u a l l y w h i c hr e s u l ti nn u m e r o u sc a s u a l t ya j l dp m p e r t yl o s s e s a m o n g t l l e h i 曲w a ya c c i d e n t sa b o u to n et h i r d a r ev e h j c l e - b a r r i e r c r a s h e s t h e r e f o r e ， a m l y z i n gc m s hb e t w e e nv c h i c l e a 1 1 db a r r i e r ， s t u d y i n go c c u p a n tp r o t e c t i o na n d i m p r o v i n gs a f e t yp e r f o m l a n c eo f v e h i c l ea 1 1 db a 玎i e rh a sa r o u s e dag r e a t e rc o n c e mi n n a t i o n sa l lo v e rt h ew o r l d l a r g e 锄o u n t so fr e s e a r c ho nv e m c l e - b a r r i e rc r a s hh a v e b e e nd o n ei nm a n yd e v e l o p e dc o u n t r i e si na m e “c a i la j l de u m p ea 1 1 ds o m e a c h i e v e m e n t sw e r eo b t a i n e d i nc h j n a ，h o w e v e ls u c hw o r kj u s ts t a r t sf 而ms c r a t c h f r o mv i e w so fh u m a i l ，v e h i c l ea i l db 枷e r ，c a rc r a s hw i t hh i g h 、v a yb a r r i e rw a s s t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h j sp a p e rb yu s i n gc o m p u t e rs i m u l a t i o n f i r s t ly ，b a c k g r o u n d o fh i g h w a yd e v e l o p m e n ta i l dd a t ac o l l e c t i n ga 1 1 ds t a t i s t i c sa n a l y s i so fh i g h w a y a c c i d e n t sa th o m ea 1 1 da b r o a dw e r ec a r r i e do u t r e s e a r c h e so fv e h i c l e _ b a i e rc m s h a c c i d e n t so nh i 曲w a yw e r ec o m p a r e db e t w e e ni na n do u t s i d ec h i n a ，a i l dt w on e w c o n c l u s i o r l sw e r ed r a v m ： 1 ) e v e nw h e ns u b j e c t e dt ow h a th a v eg e n e r a l l yb e e nc o n s i d e r e ds e v e r ei m p a c t c o n d i t i o n s ，o c c u p a m sa r en o ts e v e r e l y 岫u r e d ， 2 ) v 曲i c l et r a j e c t o r ya n ds t a b i l i t ya r e rt h em i t i a lc o l l i s i o na r em a j o ff h t o r si n t h ec a u s a t i o no fo c c u p a i l ti n j u r i e s 1 1 1 ec a t e g o d e s i g na n dg u i d e l i n c so fl l i 曲w a yb a r r i e r sw e r et h e nd e s c 曲e d ， a n dd y n 砌i c so fo c c u p a n ta n di n j u r yb i o m e c h a l l i c sw e r ea l s od i s c u s s e d i tw a sf o u n d t h a tt h em o s tf e q u e n t l yi n j u r e db o d ys e g m e n t sd u r i n gac a r - b a r r i e rc r a s ha r eh e a da n d t h o m x ，w i t ht h el a 唱ec r a s ha 1 1 9 l ea sm a j o rc a u s e sr e s u l t i n gi nm o r es e v e r e 岫u r yt o h e a da n dt h o r a ) ( b a s e do nc o m p u t e rs i m u l a t i o n s ，d i f f e r e n tp r o 笋a m s ，s u c ha sm a d y m o 柚d l s d y n a ，w e r eu s e di nt h i sp a p e rt od e v e l o ps i m u l a t i o nm o d e lo fc a r b a r r i e rc r a s h w i t ht w o “n d so fb a r r i e r s ( c o n c r e t eb a r r i e ra n dw b e 锄b a r r i e r ) a n dt w os t y l e so f c a r s ( f o r da 1 1 ds a n t a l l a ) r e s p e c t i v e l y ap a r a m e t e rs t u d yo nd y n a n l i c so ft h e c a ra n d o c c u p a n ta n dt h ep e r 量、o m l a n c eo ft h eb a 丌i e r sw a sc 删e do u ti nt e r m so f t h eq u a l i t y ， i n e r t i a ，h e i g h to fg r a v 时c e m e r i n j t i a l i m p a c ts p e e da n di m p a c ta i l g l eo f t h ec 甄a 1 1 d m a t e r i a l ，q u a l i t y ，s t n l c t u r e ，c o i l l l e c t i o na n d 衔c t i o nc o m a c to ft h eb a r r i e ls e v e r a l i m p o r t a n tc o n c i u s i o nw e r ed r a w n a sf o l l o w s ： 1 ) t h ea c c e l e r a t i o n so ft 1 1 ec a ra r e rc r a s h j n gm eb a r r i e r sw e r ef o u n da l o n gt h e t 1 1 r e ed i r e c t i o n sp r e s e n ts e n s i b l ed i 行b r e n c ei n血es i m u l a t i o n ，w i t hg r e a t e r a c c e l e r a t i o n sa l o n gt h e1 0 n g i t u d i n a ld i r e c t i o na n dt r a n s v e r s a lt ot h eb a r r i e r ，w h i c hc a n h a v em o r es e r i o u sc o n s e q u e n c et oo c c u p a n ti n j u r y 2 ) d u r i n gt h ec r a s ho fc a rw i t hc o n c r e t eb a r r i e lp e a ka c c e l e r a t i o no ft h ec a r i n c r e a s e sw i t ht l ei n c r e a s i n g 肌g l e sa i l dal i t t l er i s i n gw 胁t l l es p e e d u n d e r t h e c o n d i t i o no fs a m ei m p a c ta n 9 1 e ，r e s u l t so fc a r - b a r r i e rc r a s hw i t hd i 仃e r e n ts p e e d s i n d i c a t et h a th i g hs p e e da r o u s eh i g ha c c e l e r a t i o np e a ki nt h ep o s t e r i o rs e c o n dc r a s h ， a n di ti sv e r yt h eh i g ha c c e l e r a t i o np e a kt h a tc a u s e sm o r es e v e r eo c c u p a n ti n j u r y n e v e n h e l e s s ，p e a ka c c e l e r a t i o ni n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n gc a rs p e e di nt h ec a r c r a s hw i t hw b e a n lb 枷e l 3 、t h e6 c t i o nl o a db e t w e e nt h eb e 锄o ft h ew b e 锄b a r r i e ra i l dt h ec a rh a sa b i ge 虢c to nt h em o t i o no f 血ec 强w i t hi n c r e a s eo fm ef r i c t i o nl o a d ，t h er e d i r e c t i o n o ft h eb e a mw e a k e n s ，t h ec a rr e t u m i n gt om el a n eb e c o m e sm o r ca 1 1 dm o r ed i 伍c u l t ， a n dt h er e s u l t a n ta c c e l e r a t i o no nt h ec a rm a s sc e n t e ri n c r e a s e sa sw e l l 4 ) i i n p r o v e m e n ta i l a l y s i s o fc o n c r e t eb a r r i e rw a sc a r r i e do u tf m mv i e w so f m a t e r i a l ，s t m c t u r ea n ds t y l es oa st oe n h a n c em ep m t e c t i o np e r f b h i l a n c e so fc o n c r e t e b a r r i e rm m u g hd e v e l o p i n gn e wm a t e r i a l sa i l dr e d u c i n gt l l es t i 插1 e s so fc o n c r e t eb a r r i e l t h eh e i g h to ft h ei n t e r s e c t i o np o i n tb e t w e e nt h eu pa n dd o w nd e c l i n ep l a n e sh a sa n i m p o r t a n ti n n u e n c eo nt h ep o s s i b i l i t yo fp a s t i m p a c tc a ro v e n u m t h e r e f o r e ，i no r d e r t oi m p r o v et h ep r o t e c t i o np e r f o n n a n c eo ft h ec o n c r e t eb 删e ri ti sn e c e s s a r yt o o p t i m i z es u c hk e yp a r a m e t e r so ft h eb a r r i e rs e c t i o n ：p o s i t i o no fap o i n ta n d i t sh e i g h t h ，a n ds l o p ea n g l eo f t h eu p d e c l i n ep l a n e ， a 5 ) c o n n e c t i o nb e t w e e nt h ew b e a ma n dt h ep o s th a sas i g n i f i c a n te 矗色c to nt h e s 疵t yb e h a v i o r so ft h ew _ b e 舯b a 玎i e rr e s u l t si n d i c a t et h a tb i n d i n g b o l ts h o u l d b e s t r o n ge n o u g hb u tn o te x c e s s i v es ot h a t “f a i lu n d e rc e r t a i nc o n t a c tl o a dt os e p a r a t e t h eb e a m 丘o mt h ep o s ti nt i m e v 6 ) a r e ra n a l y s i so fp a n so f 、b e 锄b a 玎i e rs t m c t u r e ，an e wc r c a t i v ep o s tw a s b r o u g h tf o 九v a r d ，n a m e l y s u b s e c t i o np o p u pp o s t r e s u l t ss h o wt h a tb a r r i e rw i t h s u b s e c t i o np o p u pp o s tc a l lr e d i r e c tt h ec a rs m o o t l l ly f u r t h e m o r e ，t h i sk i n do fb a r r i e r s y s t e mc 肌a v o i ds e v e r ec 0 1 l i s i o nb e t 、v e e nt h ec a rt i r e sa 1 1 db a r r i e rp o s t ，m e r e f b r e ，也e o c c u p a l l tw a sp r o t e c t e dm o r ee m c i e n t l y t h er e s u h sf r o mt h i ss t u d yi n d i c a t e dt h a tt h em a d y m oi sv e r ye f f i c i e n ti n c a l c u l a “n g a n de v a i u a “n go c c u p a n t 询u 张a n dm eo p e r a t i o nt i m ei sn o tm u c h d u et o i t sl i m i t a t i o no fr 蟛db o d ys y s t e m ，i tc a n td e s c r i b ed e n e c t i o na n dd e f b m l a t i o no ft h e b a r r i e rv e r yw e l l w h e r e a sb e c a u s eo fi t sp o w e r f mf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf u n c t i o n ， l s d y n as h o w sa c c u r a i e l yt h ed e f o r m a t i o no f 也ec r a s hs y s t e ma n dc o n s e q u e n t l y p m v i d e sam e a n st oi m p r o v ev e h i c l ea n ds t m c t u i ea 1 1 dm a t e r i a lo f b 酬e l t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fb o t ht h es i m u l a t i n gc r a s hs y s t e mw e r ec o m p a r e d 证t h i n t e m a t i o n a lt y p i c a lt e s t s p u b l i c l yp u b l i s h e d ，a n ds h o w e dt op r o v i d er e a s o n a b l e a g r e e m e n tw i t hm ee x p e r i m e n t a ld a t a v b r i f i c a t i o ni 1 1 d i c a t e dt h a tt h ec a r - b a r r i e rc r a s h s i m u l a t i o nm o d e l sd e v e l o p e di nm i sp 印e rp r e s e n t h i 曲a c c u m c ya 1 1 ds t a b i l i t y f i n a l l y ，o nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gd y l l a m i c so fc a ra 1 1 do c c u p a l l ta n d p r o t e c t i o nb e h a v i o ro fb a r r i e r si nc a r - h i g h w a yb a r r i e rc r a s h ，m a n yp r o b l e m sa n d s 0 1 u t i o n sc o i l f 而n t e di nt h ec u r r e n tr e s e a r c hw e r cp r e s e n t e d ，a 1 1 dt h ep m s p e c ta 1 1 d o b j e c t i v e so ff h n h e r 、r kw e r ea l s og i v e n k e yw o r d s ：上1 主g h w a y ；c a r - b 硎盯c m s h ；d y n 锄j c s ；c o m p u t e rs j m u 】a t i o n ；i n j u r y p r o t e c t i o n ；b a r r i e ri m p r o v e m e n t 第一章研究背景和目的 随着我国高速公路交通里程的不断增加，我国高速公路交通事故的绝对数量 也呈上升趋势，其造成的生命和财产的损失是非常巨大的( 图1 1 ) 。统计资料表 明，在道路交通事故中，发生在普通干线公路上的事故约有4 5 、发生在高速公 路上的事故约有3 0 是汽车越出道路造成的，由此造成的特、重大恶性交通事故 占该类事故总数的比例高达6 2 以上，同时我国每年有1 3 的死亡事故发生在汽 车与路侧碰撞的单车事故中。因此研究汽车与高速公路护栏的碰撞从而提出降 低交通事故的措施，成为急需解决的问题。高速公路交通事故一直认为是很难控 制的随机事件，是不可能完全控制的。但事实t 通过改进和优化硬件设施，加强 对高速公路交通安全的研究，不断提高管理水平，是可以将发生事故的次数和事 故的严重程度降低的。 图1 1汽车与高速公路护栏碰撞事故图 1 1 国内外高速公路发展状况 高速公路的发展水平既是一个围家经济实力的明显特征之一，同时也足个 国家经济发展活力的重要标志。回顾历史，国外发达国家公路的发展大致都已经 历了四个发展阶段：第一阶段从1 9 世纪术到2 0t 日= 纪3 0 年代，是各国公路的普 及阶段。第二阶段从3 0 年代到5 0 年代，是各国公路的改善阶段。第三阶段从 5 0 年代到8 0 年代，是各国高速公路和干线公路高速发展阶段。目前所处的第四 阶段为8 0 年代末9 0 年代仞以来，是各国公路综合发展阶段。 目前世界各国的公路总长度约2 0 0 0 力- 公里，约8 0 个国家和地区修建了高速 公路，建成通车的高速公路已达2 0 万公里，其中美国、英国、德国、法国、意 大利、同本、加拿大和澳大利亚等经济发达国家公路里程总量约占世界公路总罩 程的5 5 、高速公路里程约占世界高速公路里程的8 0 以上。图1 2 为目前高速 公路罩程排在前几位的国家，从中可以看出世界各个国家高速公路的发展情况。 图1 2 世界高速公路里程排名 我国自1 9 8 8 年开始建设高速公路以来，高速公路建设向世界前列快速发展。 至1 9 9 8 年底，全国高速公路通车总罩程达到6 2 5 8 公里，跃居世界第八：1 9 9 9 年年底，突破1 万公里，位居世界第四；2 0 0 0 年年底，达到1 6 万公罩，居世界 第三。2 0 0 1 年我国高速公路增加通车里程3 1 3 9 公罩，2 0 0 2 年又新修了5 5 8 3 公 罩，从而使我国高速公路通车罩程达到2 5 万公里 2 j ，仅次于美国，创下位居世 界第二的新纪录。我国高速公路建设发展情况见图1 3 。 虽然近年来我国高速公路建设取得了长足的发展，初步缓解了对国民 经济发展的制约，但总体来说，公路基础设旌依然薄弱，公路密度低。掘交 通部估测，我国高速公路按国土和人口分摊的综合密度为0 1 7 ，仅是美国的十分 之一。就高速公路发展而言，全国高速公路通车总罩程仅占全蚓公路通车总罩程 的1 1 9 ，比例很低。我国高速公路建设仍处于滞后交通需求的状态，主要体现 在以下几个方面：我国高速公路占我国公里总早程的比例很低。高速公 路未形成网络。我国现有的高速公路是根据总体规划分期建设的，大部分 项目罩程较短，分布零散，没有形成长距离的运输通道，更未形成高速公 路网络，因此高速公路应有的特点难以充分发挥，应有的效益难以体现。 高速公路发展滞后于国民经济的发展。当前在经济发达的沿海省份、中 西部地区的部分干线公路上，交通拥挤情况十分严重，阻碍了商品流通和 经济的快速发展。 图1 3 我国高速公路发展历程 1 2 国内外高速公路交通事故统计分析 随着汽车保有量的不断增长和汽车车速的提高，汽车碰撞事故时有发生，近 几年来呈上升趋势。据公安部交通管理局发布的统计资料【2j 表明，中国2 0 0 1 年 因道路交通事故而死亡的人数超过1 0 万人，美国约死亡4 万人，日本约l 万人， 中国道路交通事故死亡人数为美国的两倍同本的十倍，交通事故直接经济损失将 近3 0 亿元。虽然我国每力辆汽车死亡率呈下降趋势，但是随着我国汽车拥有量 的逐年增加，我国交通事故绝对数仍在增加。 在美国，据华盛顿州的统计资料【3 】表明：大约有四分之一的高速公路交通 事故是汽车越出道路，美国1 9 9 4 年到1 9 9 6 年问汽车越出道路与路侧固定物碰撞 的交通事故见图1 4 。美国全国每年有上百万辆汽车越出道路与路侧设施碰撞， 这些事故占所有高速公路死亡事故的三分之一，估计社会损失超过8 0 亿美元。 图1 4 美国越出道路事故情况 在我国，交通事故每死三个人中就有两个死在高速公路上，即高速公路每年 死亡人数占交通事故总人数的6 7 。自1 9 8 8 年我国第一条高速公路开通以来， 高速公路交通事故逐年上升。据不完全统计，2 0 0 2 年l 至7 月，全国共发生高 速公路交通事故1 4 5 8 3 起，死亡1 9 6 8 人( 其中发生一次死亡1 0 人以上3 0 人以 下的交通事敌就有8 起) ，受伤2 1 4 5 4 人，经济损失1 7 亿多元人民币，事故增 幅和占全部道路交通事故的比重比前两年均有所增加。图1 5 所示的我国历年高 速公路交通事故发生数可以看出这种趋势，高速公路交通事故几乎与高速公路的 建设成币比。 图1 5 我国历年高速公路变通事故数 我国的交通事故率偏高，交通事故死亡人数列世界第一。图1 6 1 4 1 为我国高 速公路交通事故的情况及发展趋辩。从图中可以看出，我国高速公路事故增长率、 每百公里交通事故数总体呈下降趋势，但是随着我国高速公路的飞速发展，高速 公路总里程的不断增加，高速公路交通事故绝对数仍在继续增加，而且事故中属 于汽车与护栏碰撞的绝对数呈上升趋势。 图1 6 a 高速公路事故及伤亡人数增长率 图1 6 b 高速公路每百公里交通事故数 分析我国高速公路交通事故居高不下的主要因素有几个方面：道路路况、行 车车况、交通流量和高速公路长度。与发达国家相比，中国的高速公路设施无论 从实质的合理性，还是从设施的总体品质均远比不上。另外交通量过大是中国大 多数高速公路交通事故的主要原因。还有，高速公路交通管理法规的制定与严格 执行与否，对于减少和杜绝人为因素丽产生的事故数起着很大的作用，我国在这 方面的发展水平仍相对很低。有关法规参考文献5 】。 高速公路事故最为明显的特征是撞固定物和追尾碰撞，而撞固定物事故中绝 大多数涉及护栏碰撞。通过对湖南省1 9 9 9 年 2 0 0 1 年的高速公路交通事故资料 进行分析，每年的高速公路交通事故及汽车护栏碰撞见表1 1 。可以看出，在高 速公路交通事故中，护栏碰撞事故占了很大的比例，因此开展汽车与高速公路护 栏碰撞事故的研究，是非常有意义的。 表1 1 湖南省高速公路交通事故统计 年份事故总数撞护栏所占的比例( ) 1 9 9 9 3 6 18 82 4 3 8 2 0 0 05 7 02 5 24 4 2 l 2 0 0 18 6 83 0 53 5 ，1 4 1 3 研究目的和意义 本文从交通安全的角度，研究汽车与高速公路护栏的碰撞事故。通过使用多 刚体动力学仿真软件m a d y m o 和有限元分析软件l s d y n a 来建立汽车与护栏 ( 混凝土护栏和波形梁护栏) 的碰撞模型，得到不同碰撞条件下汽车与乘员的动 力学特性，以及汽车与护栏的变形特性。使用上述两种不同软件进行研究有着各 自的着重点，使用m a d y m 0 软件可以得出汽车和乘员的动力学特性曲线，尤 其呵以得出乘员的受伤指数，如h i c 、t t i ，以及乘员关键部位的加速度峰值及 峰值发生的时问。用l s d q a 进行分析，其着重点在于它可以给出碰撞后汽车 和护栏的变形特性。本文中将这两个软件结合运用，对汽车和高速公路护栏的碰 撞进行全面有效的分析，分析和研究这些参数对人体的损伤影响，从而提出护栏 设计和改进的方法。 应用汽车与高速公路护栏碰撞的计算机仿真技术，不仅可节约资金，从改善 汽车和乘员安全性的角度来说，进行计算机仿真研究也是非常有意义的。本文所 做的研究，对于汽车设计人员和高速公路护栏设计人员具有很大的指导意义，同 时其研究结果对高速公路交通事故分析人员和事故再现研究人员也提供有价值 的借鉴。 第二章汽车一护栏碰撞事故研究的历史和现状 汽车与高速公路护栏的碰撞是极其复杂的事件，事故发生时汽车的速度通常 很高，同时伴随着大能量的变化，事故非常剧烈，从而导致材料和部件的严重失 效及汽车的改向【6 】。高速公路交通安全在过去的几十年中已得到了很大的改善， 最明显的是死亡率的持续下降。例如，从1 9 6 6 年到1 9 9 6 年，美国的单车事故和 越出道路碰撞事故的死亡率下降了三分之二多，从每亿汽车罩程的1 9 降到 o 6 【7 1 。道路安全得到改善的一部分原因是汽车设计的改进和增加了乘员约束的使 用；但是，路侧安全设施的设计和特性的改善同样起到了很大的作用。尽管在过 去的几十年路侧安全取得了很大的进步，但是许多主要的路侧安全问题仍然很严 重。 2 1 减少高速公路车辆交通事故的措施 汽车驶离道路而侵入路侧设施，有几个主要的原因： 1 ) 驾驶员疲劳驾驶或疏忽大意； 2 ) 车速过高： 3 ) 在药物和酒精的影响下驾车； 4 ) 诸如结冰、下雪或下雨等路面条件： 5 ) 汽车元件失效； 6 ) 能见度低。 在这些情况下很容易发生高速公路交通事故，由于速度高，汽车又不能回避、 退让，对人员和设施造成的伤害( 损害) 是可想而知的，其损伤程度比一般交通 事故要严重得多。那么如何才能使损伤程度降到最低呢? 国内外已经采用了一些有用的方法来降低事故中人员的受伤程度，得到了很 大的改善。基本上有以下几种方法： 1 ) 通过改变碰撞汽车行驶的环境来控制事故条件，如在路侧安装可变形护 栏。 2 ) 改进汽车结构设计来改善汽车的防撞性，如改变转向柱的吸能特性等。 3 ) 控制碰撞过程中乘员的运动。安全带就是基于这一点而设计的，其主要 作用是使乘员的运动与汽车的运动联结在一起，其目的是利用汽车固有的减速特 性( 防撞性) 使乘员的运动控制在乘员与车厢之间的自由空间范围内。 4 ) 控制与人体碰撞接触的环境。高速公路事故中，有效预防乘员与车内结 构碰撞的措施是使用安全气囊。当然，对于特定的事故情况，上述方法通常组合 运用，提供最优的防护措施。 5 ) 制定切实可行的安全法规，杜绝一些由人为因素造成的交通事故。建立 和完善交通安全预防体系；提高交通管理水平：加强交通安全科研工作；改善汽 车结构和安全设备；建立正规考试和培训制度，提高驾驶员业务水平，加强交通 安全教育，强化法制观念；开展交通气象预报情报服务，及时为驾驶员提供高速 公路路段的天气状况，为安全行车提供气象保障1 8 l 。 2 1 1 汽车的安全性问题 汽车的安全性可分为撞车时与撞车后的被动安全性和能预知危险、回避危险 的主动安全性两个方面。被动安全性，指如何保护发生碰撞事故的汽车和乘员， 尽可能地减少伤害，其技术有安全带、安全气囊、保险杠等。主动安全性，主要 是从防范事故的发生着手，尽可能地避免事故的发生，常见的主动安全系统有 a b s 、t c s ( 牵引力控制系统) 、车距报警装置、高位刹车灯等。欧美等发达困家 对汽车的被动安全性和主动安全性开展了比较深入的研究，并以法规的形式对汽 车和护栏提出了明确的评价指标和方法，如美国的联邦机动车安全标准f m v s s 、 欧洲e c e 法规系统和e c e 指令对汽车的被动安全性提出了要求。我图参照e c e 法规体系，颁布的第一项汽车技术法规是c m v d r 2 9 4 关于正面碰撞乘员保护 的设计规则，到目前已经发布了4 0 项c m v d r 【9 | 。 “九五”期间，我国汽车安全技术的发展主要表现在以下两个方面： 1 ) 汽车主动安全理念在设计过程中的贯彻，从产品设计的结构设计阶段就 已经丌始了，汽车的安全性设计强调汽车的吸能性、强调防止乘员二次伤害的发 生等已经成为必不可少的组成部分，并在新投产的产品中得到体现； 2 ) 汽车被动安全技术的发展中，重点是碰撞标准的制订、试验技术研究和 试验能力的建立。目前我国已有一汽、二汽、天汽、清华、湖大、上海大众、锦 红等数家实车碰撞试验台及测试系统，为强制性汽车安全标准的实施奠定了试验 基础。近两年，我国投产的轿车产品均已通过碰撞试验，汽车产品的安全性大大 提高。 中国汽车技术研究中心c a t a r c 、交通部公路交通工程综合试验场等单位筹 建了实车护栏碰撞试验系统。设计单位对车身设计已开始应用有限元法进行强 度计算，已应用国外成熟软件( 例如l s d q a ) 进行碰撞仿真计算，在设计阶 段提高车身的安全性。此外，些高等院校和设计研究单位利用m a d y m 0 等 先进软件研究碰撞条件下的人体响应，在设计阶段用模拟计算方法提高乘员保护 系统水平。 2 1 1 1 汽车的被动安全 被动安全性的研究非常引人关注，我国的法规体系逐步与国际接轨，不仅研 究撞车时汽车对乘客的保护，而且研究如何减轻被撞车者的伤害，有关的研究参 考文献【l o ，1 l ，1 2 】。 ( 1 ) 安全带汽车安全带是汽车发生事故时保护车内乘员最有效的手段之 一，通常由与车身连接的固定件、约束乘员并可以吸收部分冲击量的织物、用于 回卷存放织带的卷收器和方便使用的带扣锁等零部件组成。当碰撞事故发生时， 安全带将乘员束缚在座椅上，使乘员避免或减轻与转向盘、仪表板及前风档玻璃 等发生碰撞而造成的伤害。国外统计表明，讵确佩戴安全带，可以使碰撞事故中 乘员伤亡率减少4 0 左右。 ( 2 ) 安全气囊安全气囊作为乘员约束保护系统的组成部分，已经成为现 代汽车被动安全性的标志，已经得到广泛的应用。欧、美、闩等发达国家和地区， 乘用车的前排座位几乎都安装j f 面碰撞安全气囊，侧面安全气囊的装车率也迅速 上升。安全气囊的作用是当汽车受到强大冲击时可以保护驾驶员和乘车人员的安 全，防止驾乘人员受到严重的脑损伤，而大大降低中等、严重j f 面碰撞中乘员受 伤的风险。由于汽车发生碰撞事故的瞬问是非常短促的，因此安全气囊装置必须 要立足于一个m 陕”字，抢先在前展丌气囊。安全气囊充气的瞬问见图2 1 。 随着汽车安全技术的不断发展，现在又研发出了可以减少路上行人危险的汽 车外部安全气囊。福特汽车公司在这一方面研究已经走在了同行的前面，并将研 9 究成果装在辆福特探险脊汽车上演示，湖南大学汽车实验室也丌展了这方面的 王馋，参考文麸 1 3 】。 圈2 1安全气囊充气瞬阚 ( 3 ) 吸能式车体结构汽车碰撞时，车体结构的安全作用是在吸收汽车动 能的同时减缓乘员移动的程度，并保证乘员有足够的生存空间。专家们认为，在 来来汽车戆车体结鞫设订中，要预党浚诗一个垂有态啜筵蔫瞧豹掰滔“压藤区” ( 一般为非撩舷区) 。当车体受到撞击时，该压扁区能以一种可以预见的形式发生 断裂或破坏，在一定程度内被压扁，从而最大限度地吸收汽车所受到的撞击能擞， 经黍羹不受嶷接懿撞壶，荠大大减少润接 睾蠲力。另夕 ，汽车黪蘸鑫铩羧枉不莰 要有吸能作用，还要考虑对行人的保护；车门结构能提供侧向碰撞保护；车门在 受到撞击后一方面要保证乘员不被甩出车外，另一方面又要能保证开启容易以便 救劲：车骠在熬车厝不被孤寝等。 ( 4 ) 儿童安全措施儿童安全一向是汽车安全设计所要考虑的重要方面。 理在有些豳家已专门立法，对儿童乘车安全作了一魑硬性规定。安全带和安全座 稳在j l 牵安全方萄起着菲鬻重要翡 蕈蠲，毽，l 童安全带和j l 童安全瘫祷必须起 进行特殊的设计，才能满足儿童身材的需要，使他们能够持久地、直接地绑缚在 汽车座椅上。事故统计数字表明。选撵合适的安全鹰姆、配上智能化的安全带和 坐在后痤主跫保证，l 耄豢车安全最鸯效豹揞藐。 2 1 1 ，2 汽车的主动安全 主动安全性是汽车行驶过程中的自身性能，如操纵稳定性、制动性、转向、 灯光、各元件的操作方便性以及适应路面和天气的能力等，汽车主动安全性涉及 灼范圈缀广，葜核心是麓遮状态下操缴稳定性、制动稳定性，也是久驾驳汽车豹 能力。 ( 1 ) 刹车系统a b s 、b a s 、e b s 和a s r 汽车制动防抱死系统( a n t i s k i d b r a k es y s t e m ，简称a b s ) 由传感器、液力调制器总成和微电脑组成。当车轮抱 死时，信号由传感器传递至微电脑，经过判断后给液力调制器发出减小制动压力 指令，制动蹄放松，车轮滚动：继续制动，压力增加，抱死后又重复上一过程， 如此反复，直到车轮完全停止转动。a b s 系