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东北大学硕士学位论文摘要 车辆碰撞事故再现技术的研究 摘要 随着汽车工业和交通运输业的高速发展， 道路交通事故己成为全球性的 公害， 使得汽车交通事故再现的研究尤为迫切和必要。 在交通事故中， 汽车 碰撞事故是最严重、 危害最大的事故，它在瞬间完成， 许多细节无法凭直觉 了解， 因此对汽车碰撞事故进行全面、 系统的研究成为迫在眉睫的研究课题， 也是正确分析和处理交通事故的理论基础。 本文深入研究了汽车碰撞理论， 将计算机技术和碰撞理论结合起来， 实 现了对汽车碰撞事故再现的计算机计算和分析。 本文在总结前人研究的基础上， 分析了车对车碰撞作用瞬间状态的计算 模型及碰撞恢复系数与碰撞前、后速度的关系;介绍了 g i m轮胎理论模型 的简化形式， 该模型计算速度快、 计算精度高， 尤其在车轮大侧偏角运动时 其计算精度远远优于其它轮胎模型， 是目前在汽车碰撞事故分析中最为实用 的汽车轮胎理论模型; 根据交通事故中最普遍的一维碰撞和二维碰撞的不同 情况，分别建立了碰撞作用瞬间的力学模型和碰撞后车辆动力学模型。 研究并确定了车对车一维碰撞和二维碰撞事故反推计算方法。 对于一维 碰撞， 根据碰撞后车辆的滑移距离和车辆的塑性变形量， 反推计算出车辆碰 撞后的速度和碰撞前的接触速度; 对于二维碰撞， 可以根据车辆的碰撞位置 和停止位置， 反推计算出车辆碰撞后的分离速度和碰撞前的接触速度。 该方 法具有计算简捷、 精度高和参数输入方便的特点， 并用实际案例进行了验证。 在此基础土， 开发了汽车碰撞事故模拟再现软件。 经过检验，证明该软 件计算可靠，为交通事故的分析和处理提供了科学的工具。 关键词:交通事故事故再现汽车碰撞一维碰撞 二维碰撞碰撞模型 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a s t u d y o n t h e r e c o n s t r u c t i n g t e c h n i q u e o f v e h i c l e co l l i s i o n ac c i d e n t ab s t r a c t wi t h t h e d e v e l o p me n t o f a u t o m o b i l e i n d u s t r y a n d r o a d t r a n s p o r t a t i o n , t r a f f i c a c c i d e n t h a s b e c o m e a s e r i o u s p r o b l e m i n t h e w o r l d , s o t h e r e s e a r c h o n r o a d t r a f f i c a c c i d e n t r e c o n s t r u c t i o n i s u r g e n t a n d n e c e s s a r y . i n a c c i d e n t s , t h e c a r - t o - c a r c o l l i s i o n a c c i d e n t i s t h e m o s t s e r i o u s o n e . i t e n d s i n s t a n t l y a n d c a n n o t b e k n o w n i n d e t a i l b y i n t u i t i o n . t h e r e f o r e , i t i s u r g e n t t o s t u d y c a r - t o - c a r c o l l i s i o n a c c i d e n t c o m p r e h e n s i v e l y a n d s y s t e m a t i c a l l y , a n d t h e r e s e a r c h a l s o i s t h e a c a d e m i c f o u n d a t i o n t o a n a l y z e a n d d e a l w i t h t r a f f i c a c c i d e n t . i n t h i s p a p e r , t h e t h e o r y o f v e h i c l e i mp a c t i s r e s e a r c h e d p r o f o u n d l y a n d a n e w t r a f f i c a c c i d e n t r e c o n s t r u c t i o n a n d a n a l y s i s s y s t e m i s c a r r i e d o u t w i t h c o m p u t e r s c i e n c e a n d t h e o r y o f v e h i c l e i m p a c t . f i r s t l y , o n t h e b a s i s o f s u m m a r i z i n g t h e r e s e a r c h r e s u l t s , t h i s p a p e r d e e p l y d i s c u s s e s t h e c a l c u l a t i n g m o d e l t o a n a l y z e t h e i n s t a n t a n e o u s m o t i o n s t a t e i n v e h i c l e c o l l i s i o n a n d t h e i n t e r r e l a t i o n b e t we e n r e s t i t u t i o n c o e f fi c i e n t a n d v e h i c l e c o l l i s i o n s p e e d . t h e s i m p l i f i e d g i m t y r e mo d e l i s i n t r o d u c e d , t h i s t y p e m o d e l h a s t h e f a s t c o m p u t i n g a n d h i g h e r c a l c u l a t i n g p r e c i s i o n , i t i s t h e p r a c t i c a l v e h i c l e t y p e mo d e l i n t h e a n a l y s i s o f v e h i c l e c o l l i s i o n a c c i d e n t a t p r e s e n t . a c c o r d i n g t o t h e c o l l i n e a r c o l l i s i o n a n d t w o - d i m e n s i o n c o l l i s i o n , t h e p a p e r e s t a b l i s h e s t h e i m p a c t m o d e l a t v e h i c l e c o l l i s i o n mo m e n t a n d t h e p o s t c o l l i s i o n mo v e me n t mo d e l s e c o n d l y , t h e p a p e r d e v e l o p s a i n v e r t e d c a l c u l a t i n g m e t h o d f o r c a r t o c a r c o l l i s i o n a c c i d e n t . f o r c o l l i n e a r c o l l i s i o n , t h e p r e c e d i n g c o l l i s i o n v e l o c i t y a n d p o s t c o l l i s i o n v e l o c i t y a r e c a l c u l a t e d o n t h e b a s i s o f t h e s l i p p a g e d i s t a n c e a n d u n r e t u r n a b l e d i s t o r t i o n o f c o l l i s i o n v e h i c l e ; f o r c o l l i n e a r c o l l i s i o n , t h e p r e c e d i n g c o l l i s i o n v e l o c i t y a n d p o s t c o l l i s i o n v e l o c i t y a r e c a l c u l a t e d o n t h e b a s i s o f t h e i m p a c t l o c a l i t y a n d s t o p l o c a l i t y o f c o l l i s i o n v e h i c l e . t h i s m e t h o d h a s t h e b r i e f e r c o m p u t i n g a n d h i g h e r c a l c u l a t i n g p r e c i s i o n , a n d i t s p a r a m e t e r i s i n p u t t e d e a s i l y . a f t e r f i n i s h i n g t h e t h e o r y d e d u c i n g a n d e s t a b l i s h i n g t h e m o d e l , t h e p a p e r i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p s t h e r o a d t r a f f i c a c c i d e n t r e c o n s t r u c t i o n s o f t w a r e . c o m p a r e d w i t h t h e i m p a c t t e s t a n d r o a d t r a f f i c a c c i d e n t s c e n e , i t p r o v e s t h a t t h i s s o f t w a r e i s v a l i d a n d a b l e t o p r o v i d e a s c i e n t i f i c t o o l f o r d i s p o s a l a n d a n a l y s i s o f r o a d t r a f f i c a c c i d e n t . k e y w o r d s : t r a f f i c a c c i d e n t ; a c c i d e n t r e c o n s t r u c t i o n ; c o l l i n e a r c o l l i s i o n ; t w o - d i me n s i o n c o l l i s i o n ; c o l l i s i o n mo d e l i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外， 不包含其他人己 经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 闪1 日期 :1 门 少、 二 、 飞 夕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使 用学位论文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名;否则视为不 同意。 ) 学 位 论 文 作 者 签 名 : 1 4 im i 签 字 日 期 :曰 士 一 飞 、 2 . 7 导师签名 签字 日期 :蜘杜_ ) /- o f 、 )邵 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章 绪论 1 . 1汽车碰撞事故研究的社会背景与意义 随着汽车工业和交通运输业的高速发展， 世界各国汽车碰撞交通事故日 益严重。交通事故不仅威胁着人类的生命，同时也给人们带来诸如心理、精 神、 法律诉讼等多方面的问题。 道路交通事故已成为深刻的全球性社会问题。 从 1 8 8 6年德国人卡尔 本茨发明第一辆汽车以来，汽车给人们带来文 明与进步的同时，也带来了环境污染与交通事故等危害。在美国，从 1 8 8 6 年到 1 9 9 4 年一百多年的时间共有约3 0 4 万人死于道路交通事故，这一数据 是其同期各次战争中死亡人数( 约1 1 7 . 5 万人) 的2 . 5 9 倍;同一 时期道路交通 事故中有约3 亿人受伤，是其过去2 0 0 年间在战争中受伤人数( 约 1 4 5 万人) 的2 0 0 倍左右。1 9 9 0 年全球有统计记录的道路交通事故损失约为 1 3 7 0 亿美 元，1 9 9 3 年达到5 0 0 0 亿美元川 。可以说，道路交通事故对于人类社会造成 的总体伤害与损失规模已大于任何一种自然或其它社会灾害所造成的伤害 与损失规模。 随 着国民 经济大 幅度增 长， 我国 汽 车 保有量 迅猛增 加( 图1 . 1 ) 2 1 3 1 ， 但随 之而来的是道路交通事故的日 趋严重， 表1 . 1 2 3 1 为1 9 9 1 - 2 0 0 2 年全国 道路交 通事故、道路交通死亡人数、道路交通受伤人数及直接经济损失情况。由此 可见，我国道路交通事故起数、死亡人数、受伤人数、直接经济损失仍呈逐 年上升趋势，这种趋势在随后几年中将仍然持续。 我国公安部交通警察部门在进行道路交通事故统计分析时， 对道路交通 事故形态分类为: 正面碰撞、追尾碰撞、侧面碰撞、对向刮擦、同向刮擦、 辗压、翻车、坠车、失火、撞固定物、其它等 1 1 种。根据 1 9 9 5 - 2 0 0 1 年公 安部的统计， 发生在我国的各类交通事故中， 碰撞事故所占的比例可达5 7 %, 碰撞事故造成的人员伤亡占 7 0 - 9 0 %，包括正面碰撞、追尾碰撞、侧面碰撞 在内的车对车碰撞交通事故无论是事故次数， 人员伤亡还是经济损失都占到 相应总数的2 / 3以上，成为现代道路交通事故的主要形态。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章 绪论 1 . 1汽车碰撞事故研究的社会背景与意义 随着汽车工业和交通运输业的高速发展， 世界各国汽车碰撞交通事故日 益严重。交通事故不仅威胁着人类的生命，同时也给人们带来诸如心理、精 神、 法律诉讼等多方面的问题。 道路交通事故已成为深刻的全球性社会问题。 从 1 8 8 6年德国人卡尔 本茨发明第一辆汽车以来，汽车给人们带来文 明与进步的同时，也带来了环境污染与交通事故等危害。在美国，从 1 8 8 6 年到 1 9 9 4 年一百多年的时间共有约3 0 4 万人死于道路交通事故，这一数据 是其同期各次战争中死亡人数( 约1 1 7 . 5 万人) 的2 . 5 9 倍;同一 时期道路交通 事故中有约3 亿人受伤，是其过去2 0 0 年间在战争中受伤人数( 约 1 4 5 万人) 的2 0 0 倍左右。1 9 9 0 年全球有统计记录的道路交通事故损失约为 1 3 7 0 亿美 元，1 9 9 3 年达到5 0 0 0 亿美元川 。可以说，道路交通事故对于人类社会造成 的总体伤害与损失规模已大于任何一种自然或其它社会灾害所造成的伤害 与损失规模。 随 着国民 经济大 幅度增 长， 我国 汽 车 保有量 迅猛增 加( 图1 . 1 ) 2 1 3 1 ， 但随 之而来的是道路交通事故的日 趋严重， 表1 . 1 2 3 1 为1 9 9 1 - 2 0 0 2 年全国 道路交 通事故、道路交通死亡人数、道路交通受伤人数及直接经济损失情况。由此 可见，我国道路交通事故起数、死亡人数、受伤人数、直接经济损失仍呈逐 年上升趋势，这种趋势在随后几年中将仍然持续。 我国公安部交通警察部门在进行道路交通事故统计分析时， 对道路交通 事故形态分类为: 正面碰撞、追尾碰撞、侧面碰撞、对向刮擦、同向刮擦、 辗压、翻车、坠车、失火、撞固定物、其它等 1 1 种。根据 1 9 9 5 - 2 0 0 1 年公 安部的统计， 发生在我国的各类交通事故中， 碰撞事故所占的比例可达5 7 %, 碰撞事故造成的人员伤亡占 7 0 - 9 0 %，包括正面碰撞、追尾碰撞、侧面碰撞 在内的车对车碰撞交通事故无论是事故次数， 人员伤亡还是经济损失都占到 相应总数的2 / 3以上，成为现代道路交通事故的主要形态。 东 北大学硕士学 位论文 3 0 0 0 第一章绪论 绷卿1500卿500 多共接一丫攀子仁 9 9 2 0 0 0 2 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 3 1 1 ， 份 图 1 . 1我国汽车保有量增长情况 f i g . 1 . 1 i n c r e a s e o n t h e r e t a i n me n t o f t h e a u t o mo b i l e i n o u r c o u n t r y 表 1 . 1我国道路交通情况 年份 t a b l e 1 . 1 t h e s t a t u s o f v i a t i c t r a f f i c i n o u r c o u n t r y 交通事故数死亡人数受伤人数 ( 次)( 人)( 人) 直接经济损失 亿 元) 3鸿。 461 1 9 912 6 48 1 75 3 2 9 2 1 9 9 22 2 8 2 785 8 7 2 9 1 6 2 01 9 1 4 42 6 4 1 9 9 32 4 2 3 4 36 3 5 0 81 4 2 2 51 1 9 9 42 5 3 5 3 76 6 3 6 21 4 8 81 71 3 . 3 1 9 9 52 71 8 4 371 4 9 41 5 93 0 81 5 2 1 9 9 62 8 7 6 8 57 3 6 5 51 7 4 4 4 7 1 9 9 73 0 4 21 77 3 8 6 11 9 01 2 8 1 7 . 2 1 8 . 5 1 9 9 83 4 61 2 97 8 0 6 72 2 2 7 211 9 3 1 9 9 941 28 6 08 3 5 2 92 8 6 0 8 021 2 2 0 0 061 7 0 0 09 4 0 0 041 9 0 0 02 6 7 2 0 017 6 0 0 0 01 0 6 0 0 05 4 9 0 0 03 0 . 9 2 0 0 27 7 3 0 0 01 0 9 0 0 05 6 2 0 0 03 32 由此可见，对汽车碰撞交通事故进行研究是非常必要的，有着重要的研 究价值和社会经济效益。 1 ) 交通事故的鉴定:目 前，交通事故的鉴定主要取决于经验。利用计算 一 2- 东 北大学硕士学 位论文第一章绪论 机技术对汽车碰撞交通事故进行研究， 可以可视化再现汽车碰撞交通事故过 程，定量分析导致事故发生的原因，提高事故鉴定的正确性和权威性。 2 ) 交通工具的设计: 汽车等交通工具的结构型式和结构参数是影响碰撞 过程的主要因素。 通过对汽车碰撞交通事故的研究， 可以优选汽车结构型式 和参数，提高其抗碰撞性和对驾驶员、乘员的变化能力。 3 ) 交通环境的规划:公路护栏、交通标志装置、路面条件等也是影响碰 撞事故的主要因素。 通过对汽车碰撞交通事故的研究， 可以定量分析其影响 规律，为规划和设计提供理论依据。 4 ) 交通管理法规的完善: 通过对汽车碰撞交通事故的研究，发现导致交 通事故发生的共性原因， 从交通管理上提出改进措施， 从而完善交通管理法 规。 5 ) 交通安全意识的培养: 通过对汽车碰撞交通事故的研究， 可以让广大 市民在虚拟环境下亲眼目睹汽车碰撞交通事故的整个过程， 亲身体验交通事 故对人员的伤害，从而提高遵守交通规则的自觉性。 1 . 2 汽车碰撞事故再现模型的基本理论和方法 汽车碰撞交通事故往往都是瞬间发生并结束， 许多细节无从知道， 而且 当事人或旁观者极易判断错误， 很难对事故全过程做出正确的描述， 甚至有 时会对事故发生过程做出违背事实的陈述，因而建立在调查当事人( 或旁观 都基础上的定性分好是不可靠的， 很难科学、准确地查明事故原因，不利 于公正地裁决事故责任。 因此有必要对车辆碰撞交通事故做系统地、 全面地、 科学地定量分析与研究。 车辆碰撞交通事故再现( a c c i d e n t r e c o n s t r u c t i o n ) 是指对已发生的事故重 新描述、 模拟和重演事故的过程，目的在于了解车辆碰撞前的行为及整个过 程， 借以合理地判定事故责任的归属。 传统的事故再现， 是根据事故现场所 遗留的痕迹，利用专家的经验来进行再现的工作。但是，事故现场的痕迹， 往往因为人为调查的疏忽或自然的消退而无法完全取得， 再加上事故再现领 域专家的稀少，使得再现工作十分困难。 随着道路交通事故处理法治化的进程， 必须寻求更科学可靠的定量分析 鉴定方法。为了克服上述缺点，可从两方面解决这一问题。 一方面是建立碰撞事故再现的计算机模拟系统， 即根据事故现场所遗留 的痕迹， 利用合理的运动和动量方程式，反推求得车辆碰撞前的行为，或根 据反推求得的碰撞初速度， 配合已知车体损坏等相关资料， 通过模拟计算得 东 北大学硕士学 位论文第一章绪论 机技术对汽车碰撞交通事故进行研究， 可以可视化再现汽车碰撞交通事故过 程，定量分析导致事故发生的原因，提高事故鉴定的正确性和权威性。 2 ) 交通工具的设计: 汽车等交通工具的结构型式和结构参数是影响碰撞 过程的主要因素。 通过对汽车碰撞交通事故的研究， 可以优选汽车结构型式 和参数，提高其抗碰撞性和对驾驶员、乘员的变化能力。 3 ) 交通环境的规划:公路护栏、交通标志装置、路面条件等也是影响碰 撞事故的主要因素。 通过对汽车碰撞交通事故的研究， 可以定量分析其影响 规律，为规划和设计提供理论依据。 4 ) 交通管理法规的完善: 通过对汽车碰撞交通事故的研究，发现导致交 通事故发生的共性原因， 从交通管理上提出改进措施， 从而完善交通管理法 规。 5 ) 交通安全意识的培养: 通过对汽车碰撞交通事故的研究， 可以让广大 市民在虚拟环境下亲眼目睹汽车碰撞交通事故的整个过程， 亲身体验交通事 故对人员的伤害，从而提高遵守交通规则的自觉性。 1 . 2 汽车碰撞事故再现模型的基本理论和方法 汽车碰撞交通事故往往都是瞬间发生并结束， 许多细节无从知道， 而且 当事人或旁观者极易判断错误， 很难对事故全过程做出正确的描述， 甚至有 时会对事故发生过程做出违背事实的陈述，因而建立在调查当事人( 或旁观 都基础上的定性分好是不可靠的， 很难科学、准确地查明事故原因，不利 于公正地裁决事故责任。 因此有必要对车辆碰撞交通事故做系统地、 全面地、 科学地定量分析与研究。 车辆碰撞交通事故再现( a c c i d e n t r e c o n s t r u c t i o n ) 是指对已发生的事故重 新描述、 模拟和重演事故的过程，目的在于了解车辆碰撞前的行为及整个过 程， 借以合理地判定事故责任的归属。 传统的事故再现， 是根据事故现场所 遗留的痕迹，利用专家的经验来进行再现的工作。但是，事故现场的痕迹， 往往因为人为调查的疏忽或自然的消退而无法完全取得， 再加上事故再现领 域专家的稀少，使得再现工作十分困难。 随着道路交通事故处理法治化的进程， 必须寻求更科学可靠的定量分析 鉴定方法。为了克服上述缺点，可从两方面解决这一问题。 一方面是建立碰撞事故再现的计算机模拟系统， 即根据事故现场所遗留 的痕迹， 利用合理的运动和动量方程式，反推求得车辆碰撞前的行为，或根 据反推求得的碰撞初速度， 配合已知车体损坏等相关资料， 通过模拟计算得 东 北大学 硕士学 位论文 到车辆碰撞后的相关位置 第一章绪论 另一方面是建立事故再现专家系统，即经过对事故再现领域专家的访 谈、相关文献等，积累事故再现的经验知识库，构造事故再现的专家系统。 事故再现模型主要是根据交通事故现场所遗留的种种痕迹， 如碰撞后车 辆的位移、 滑行方向角、 损坏程度、 拖印长度、 路面特性、 车辆特性等资料， 运用理论力学知识， 对事故发生过程进行理论推算与验证。 根据采用的力学 理论基础不同， 再现模型的建立主要分为基于动量守恒定理的方法和基于车 体变形特性的直接求解运动方程式的方法。 一般把前者的碰撞模型称为动量 守恒模型，而后者称为能量守恒模型。 动量法以碰撞前的动量总和与碰撞后的动量总和相等为基础， 在车辆的 质量为已知的情况下， 考虑其行驶方向与碰撞后的相对位置， 结合碰撞恢复 系数等参数建立车辆碰撞的力学模型， 借以推算碰撞前后车速的变化， 再现 车辆碰撞事故。动量法简便可靠，在事故再现软件中被普遍采用。 利用动量 守恒模型不需要车体的变形特性， 但是在根据车体变形求取碰撞能量的吸收 量时需要车体变形特性。 能量法以能量损失为基础，以碰撞力做功的概念来探讨动能的变化， 根 据事故发生后车辆位移、 车辆碰撞损坏变形的大小、 位置、 形状等因素和车 辆材料的性能等， 结合己有的碰撞实验数据， 相互对比确定碰撞过程的能量 损失，以此推算碰撞前、后车速的变化及碰撞角度，再现事故的全过程。能 量法的使用须获得有意义的变形量与变形能的关系， 包括不同碰撞宽度和不 同楔入深度对变形能的影响， 这只有通过不同的实车碰撞实验来得到， 费用 高昂。 并且在我国道路上行驶的不同国家生产的不同年代的汽车， 许多情况 下无法找到肇事车的变形能与变形量的实验数据。 因此国内很少采用这种方 法， 但国外应用较多， 如c r a s h , e e s - a r m软件在应用动量法的同时也使 用能量法等。 另外，事故再现模型的建立方法根据计算顺序又可分为反推算法( 或分 析方法) 和正推算法( 或模拟方法) 。 正推算法是 “ 以因求果” ，从碰撞前的情 况求解碰撞后的情况，反推算法是 “ 以果推因” ，正推算法的逆过程。 1 . 3 汽车碰撞事故的国外研究现状 国外较早开展汽车碰撞研究的是美国。 早期的汽车碰撞研究主要是进行 各种条件下的碰撞试验，包括实车碰撞试验和模拟碰撞试验。 早在 6 0 年代美国就始使用计算机辅助交通事故分析，并由n h t s a ( 美 东 北大学 硕士学 位论文 到车辆碰撞后的相关位置 第一章绪论 另一方面是建立事故再现专家系统，即经过对事故再现领域专家的访 谈、相关文献等，积累事故再现的经验知识库，构造事故再现的专家系统。 事故再现模型主要是根据交通事故现场所遗留的种种痕迹， 如碰撞后车 辆的位移、 滑行方向角、 损坏程度、 拖印长度、 路面特性、 车辆特性等资料， 运用理论力学知识， 对事故发生过程进行理论推算与验证。 根据采用的力学 理论基础不同， 再现模型的建立主要分为基于动量守恒定理的方法和基于车 体变形特性的直接求解运动方程式的方法。 一般把前者的碰撞模型称为动量 守恒模型，而后者称为能量守恒模型。 动量法以碰撞前的动量总和与碰撞后的动量总和相等为基础， 在车辆的 质量为已知的情况下， 考虑其行驶方向与碰撞后的相对位置， 结合碰撞恢复 系数等参数建立车辆碰撞的力学模型， 借以推算碰撞前后车速的变化， 再现 车辆碰撞事故。动量法简便可靠，在事故再现软件中被普遍采用。 利用动量 守恒模型不需要车体的变形特性， 但是在根据车体变形求取碰撞能量的吸收 量时需要车体变形特性。 能量法以能量损失为基础，以碰撞力做功的概念来探讨动能的变化， 根 据事故发生后车辆位移、 车辆碰撞损坏变形的大小、 位置、 形状等因素和车 辆材料的性能等， 结合己有的碰撞实验数据， 相互对比确定碰撞过程的能量 损失，以此推算碰撞前、后车速的变化及碰撞角度，再现事故的全过程。能 量法的使用须获得有意义的变形量与变形能的关系， 包括不同碰撞宽度和不 同楔入深度对变形能的影响， 这只有通过不同的实车碰撞实验来得到， 费用 高昂。 并且在我国道路上行驶的不同国家生产的不同年代的汽车， 许多情况 下无法找到肇事车的变形能与变形量的实验数据。 因此国内很少采用这种方 法， 但国外应用较多， 如c r a s h , e e s - a r m软件在应用动量法的同时也使 用能量法等。 另外，事故再现模型的建立方法根据计算顺序又可分为反推算法( 或分 析方法) 和正推算法( 或模拟方法) 。 正推算法是 “ 以因求果” ，从碰撞前的情 况求解碰撞后的情况，反推算法是 “ 以果推因” ，正推算法的逆过程。 1 . 3 汽车碰撞事故的国外研究现状 国外较早开展汽车碰撞研究的是美国。 早期的汽车碰撞研究主要是进行 各种条件下的碰撞试验，包括实车碰撞试验和模拟碰撞试验。 早在 6 0 年代美国就始使用计算机辅助交通事故分析，并由n h t s a ( 美 东 北大学硕士学位论文第一章绪论 国国家道路交通安全局) 开发出世界第一套汽车模拟碰撞软件 s m a c ( s i m u l a t i o n m o d e l o f a u t o m o b i l e c o l l i s i o n p r o g r a m ) ，开始了利用计算 机进行交通事故解析的初步工作。 s ma c软件用于分析模拟两辆汽车之间的 撞击， 依据车辆撞击后的损伤程度、 车辆最后位置以及地面遗留的轮胎印痕， 模拟计算车辆撞击前的初始状态、 撞击过程。 后来发展的a u t o s m a c软件 能自 动调整车辆撞击前的初始状态，使模拟更加迅速有效。 随着计算模型的不断改进，相继出现了用于事故再现的应用软件，如 c r a s h ( c r a s h 3 , c r a s h 9 7 ) , i mp a c , e e s a r m, h v o s m, t b s , e d c r a s h 等。到目 前为止，比较著名且应用较广泛的分析软件有;美国的 c r a s h , i m p a c ， 日 本的j 2 d a c s ，德国的w a c c a r ，法国的a n a c等 4 1 美国运输部资助研究 的高速 公路事故再现速度模拟分析软件 c r a s h ( 包括升级版c r a s h 3 和c r a s h 9 7 ) 是事故研究辅助程序， 用于分析 撞车速度与撞车过程中的速度变化， 预测车辆轨迹和轮胎滑痕， 由车辆损坏 程度分析吸收能和损坏原因。 该系统在欧美国家得到广泛应用， 在开发与推 广方面受到美国运输部的大力支持。c r a s h最初是作为大型交通事故统计 分析软件 s ma c的数据输入与生成子系统程序来开发的， 后来 c r a s h专门 作为界定车辆碰撞剧烈程度的标准化解析工具， 从而使得 c r a s h成为一个 独立的汽车碰撞事故分析专用软件。 c r a s h的基本碰撞分析理论是其碰撞模型在应用动量守恒定理的同 时， 假设在碰撞中已存在一个共同速度， 这一假设的约束条件意味着碰撞时 不发生反弹，碰撞作用结束瞬间碰撞车体间的相对滑移停止。c r a s h是从 车体的变形量推断碰撞作用阶段车体能量吸收量， 由车体变形量推断其能量 吸收量时是根据车辆类别设定其刚度系数， 事实上车体的碰撞刚度不仅与车 辆结构有关，还与碰撞形态有关。因此从理论上讲，为了提高碰撞分析的精 度应该根据车辆结构形式和碰撞形态的不同而不断更新解析时所采用的刚 度系数， 但实际中由于费用与时间的原因， 设定的刚度系数基本上是不变的。 另外，c r a s h中只设定了车辆在碰撞面法线方向上的变形，没有考虑碰撞 面切向的剪切力以及切向变形的能量吸收问题。 车辆侧面碰撞和非对称正面 碰撞一般情况下都会在车辆前端发生横向变形， 显然c r a s h的假设不能适 应于这类碰撞形态。 这也说明为什么在c r a s h的使用中发现其碰撞解析精 度是随碰撞形态而变化的，有时会出现计算误差很大的情况( 最高可达 4 0 % 左右) 。 欧洲开发的汽车碰撞事故分析系统是 e e s - a r m ( e q u i v a l e n t e n e r g y 东北大学硕士学位论文 s p e e d - a c c i d e n t r e c o n s t r u c t i o n me t h o d ) . c r a s h一样在应用动量守恒定理的同时 第一章绪论 此碰撞分析系统的碰撞解析模型与 ，根据车体变形计算碰撞作用期间 的能量吸收。并规定其车体变形的能量吸收特性应由下列试验获得: 1 ) 正而碰撞试验 ( 1 ) 正面固定障壁墙碰撞试验: ( 2 ) 3 0 度夹角正面固定障壁墙碰撞试验; ( 3 ) 非对称正面固定障壁墙碰撞试验。 2 ) 侧面碰撞试验 ( 1 ) 活动障壁墙直角侧面碰撞试验; ( 2 ) 动障壁墙4 5 度夹角侧面碰撞试验; ( 3 ) 后面碰撞试验; ( 4 ) 活动障壁墙后面追尾碰撞试验。 由上述各种碰撞形态试验而得的车体刚度数据将作为应用e e s - a r m系 统进行碰撞事故分析与再现时的车辆已知参数使用。 日本汽车研究所安全研究部开发的车对车碰撞事故模拟软件 j 2 d a c s h 和c a r s已 在日 本国内得到初步应用。 他们具备优越的实车试验条件， 在汽 车碰撞方面进行了系统的实车试验研究， 特点是专业性强、投入大， 拥有大 量试验数据资料。 但由于其理论分析计算研究主要是在对实车碰撞试验进行 模拟需求的基础上开展起来的， 因而在车对车碰撞事故计算模拟方法上也存 在如下不足之处: 车辆模型过于简化， 轮胎地面力学模型为改进f i a l a 模型和 s a k a i 模型，在用于车对车碰撞这类车辆受到很大瞬间冲击力作用的车辆， 对其 “ 自由”运动进行解析计算时会造成较大的计算误差。 奥地利的刑事研究所根据车辆动态行为、 碰撞行为，结合电脑绘图软件 和图像输入、处理软件，开发了p c c r a s h车辆碰撞模拟软件，来进行事故 模拟，可达到三维效果。 法国 i n r e t s开发的 a n a c软件除了微机版外，还开发了增强型的工 作站版。 a n a c增强型工作站版中， 使用 1 21 4自由度的多体系统车辆模型。 该软件的基本功能可分为独立运行的三部分: 1 ) 前处理: 绘制事故现场图; 2 ) 事故再现: 运动学和动力学再现: 3 ) 后处理: 图示、动画、模拟、打印等。 目前国外常见的道路交通事故分析系统所采用的碰撞模型及其特点如 表 1 . 2 所示。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表 1 . 2碰撞模型的使用情况及其特点 t a b l e 1 . 2 t h e u s e a n d c h a r a c t e r i s t i c o f i mp a c t mo d e l 事故 分析 系统 软件 cras h cars sm ac pcct as h ees - armcras h ees - arm 其它 今. i mp ac 其它 .今今今. 碰撞模型 特 点 动量守恒模型 . 原则上不需要车体变形特性 令 必须有碰撞面的约束条件 . 不能再现车体变形状态 . 不能求得碰撞作用阶段的有关 时间历程的数据 . 碰撞解析可逆 能量守恒模型 . 需要车体变形特性 . 不需要碰撞面的约束条件 . 可以再现车体变形状态 . 可以求得碰撞作用阶段的有关时 间历程的数据 ( 如加速度和速度随 时间变化历程) . 碰撞解析不可逆 1 . 4 汽车碰撞事故的国内研究现状 我国对汽车碰撞交通事故的定量研究起步较晚。 1 9 8 8年吉林工业大学的姜萍和西安公路学院的葛闻雷分别在其硕士学 位论文中对汽车碰撞事故的定量分析与仿真技术进行了初步探讨 7 9 1 。由于 当时实验条件和计算条件的限制， 仅进行了较为简单的模拟计算和小比例模 型碰撞试验，但从中得到不少有意义的经验与结论。 1 9 9 3年吉林工业大学的李江等人发表了他们关于汽车碰撞事故计算机 模拟方 法的 研究报告6 12 1 。 该项研究在其碰撞作用瞬间 计算中 采用了目 前 较 多使用的基于动量 动量矩) 守恒定理的碰撞模型，在计算时提出了“ 力矩恢 复系数” 概念和 “ 最小二乘求解法”的概念，但物理意义不明确。计算中人 为设定输入的参数过多， 需人工调整碰撞分离速度， 造成了计算结果的不确 定性。另外，在碰撞后车辆动力学模型中假设车轮完全抱死、地面与轮胎之 间仅考虑为简单摩擦恒力，与实际情况不符。 1 9 9 5年清华大学汽车研究所的刘学率等人开发出关于汽车碰掩交通事 故分析的计算机模拟软件t a r s 1h 3 1 。 在碰撞后车辆运动力学模型方面， t a r 碰撞事故分析软件比李江等人所用的计算模型更贴合实际情况， 但其车辆碰 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表 1 . 2碰撞模型的使用情况及其特点 t a b l e 1 . 2 t h e u s e a n d c h a r a c t e r i s t i c o f i mp a c t mo d e l 事故 分析 系统 软件 cras h cars sm ac pcct as h ees - armcras h ees - arm 其它 今. i mp ac 其它 .今今今. 碰撞模型 特 点 动量守恒模型 . 原则上不需要车体变形特性 令 必须有碰撞面的约束条件 . 不能再现车体变形状态 . 不能求得碰撞作用阶段的有关 时间历程的数据 . 碰撞解析可逆 能量守恒模型 . 需要车体变形特性 . 不需要碰撞面的约束条件 . 可以再现车体变形状态 . 可以求得碰撞作用阶段的有关时 间历程的数据 ( 如加速度和速度随 时间变化历程) . 碰撞解析不可逆 1 . 4 汽车碰撞事故的国内研究现状 我国对汽车碰撞交通事故的定量研究起步较晚。 1 9 8 8年吉林工业大学的姜萍和西安公路学院的葛闻雷分别在其硕士学 位论文中对汽车碰撞事故的定量分析与仿真技术进行了初步探讨 7 9 1 。由于 当时实验条件和计算条件的限制， 仅进行了较为简单的模拟计算和小比例模 型碰撞试验，但从中得到不少有意义的经验与结论。 1 9 9 3年吉林工业大学的李江等人发表了他们关于汽车碰撞事故计算机 模拟方 法的 研究报告6 12 1 。 该项研究在其碰撞作用瞬间 计算中 采用了目 前 较 多使用的基于动量 动量矩) 守恒定理的碰撞模型，在计算时提出了“ 力矩恢 复系数” 概念和 “ 最小二乘求解法”的概念，但物理意义不明确。计算中人 为设定输入的参数过多， 需人工调整碰撞分离速度， 造成了计算结果的不确 定性。另外，在碰撞后车辆动力学模型中假设车轮完全抱死、地面与轮胎之 间仅考虑为简单摩擦恒力，与实际情况不符。 1 9 9 5年清华大学汽车研究所的刘学率等人开发出关于汽车碰掩交通事 故分析的计算机模拟软件t a r s 1h 3 1 。 在碰撞后车辆运动力学模型方面， t a r 碰撞事故分析软件比李江等人所用的计算模型更贴合实际情况， 但其车辆碰 东 北大学硕士学 位论文 撞模型中假设 “ 碰撞后， 碰撞( 碰撞恢复系数为 。 ， 第一章绪论 两车碰撞中心有共同速度” ，实质上是以完全塑性 属于高速正面碰撞) 为计算条件，大大限制了该碰 撞事故分析软件的适用范围，且降低了计算精度。另外，该 t a r碰撞事故 分析软件在计算碰撞车速时也是采用试算方式， 同样存在计算结果的不确定 性问题。 1 9 9 5年吉林工业大学的许洪国等人发表了用汽车风窗玻璃碎片抛距理 论模型推算汽车碰撞速度的研究报告 1 1 1 ， 该研究项目 对于车对车碰撞事故分 析有一定的定性参考价值。但从定量角度讲， 适用范围很小，只适用于分析 计算车碰固定物或车碰其它运动惯量相对很小的一方时的事故情况。 西安公路交通大学的魏朗、陈荫三与日本汽车技术研究所合作， 根据实 车碰撞试验数据，开发了车对车的计算机模拟软件f l a t ，并用此软件对 1 1 例 实车碰撞试验进行计算与模拟再现，计算结果与试验记录结果一致。另外， 首次对碰撞后车辆再发生二次碰撞进行了定量研究。 但由于其碰撞模型是在 轿车实车碰撞试验基础上建立的，适用范围仅限定于小轿车。 到目前为止， 国内在关于车对车碰撞事故定量分析研究方面的最大障碍 是无法进行实车碰撞试验分析与验证， 即没有经过试验验证因而不能准确确 定其分析计算方法的正确性或精确度， 是上述关于车对车碰撞事故研究成果 所存在的共同问题，大大局限了其可信度和研究工作的深入进行。 另外， 研究力量分散、缺乏统一的学术协调机构、不能及时进行该领域 研究成果的交流等问题也是制约国内车对车碰撞事故分析研究进程的原因 之一。 国外在汽车碰撞计算机模拟方面的研究已具备了相当扎实的基础。 这个 基础的形成经历了由大量的汽车碰撞试验研究向以此为基础而发展起来的 计算机模拟技术过渡， 并逐步走向二者紧密