（车辆工程专业论文）汽车翻滚事故再现及试验方法研究.pdf

摘要 摘要 汽车翻滚事故是一种事故率低、危害性极大的道路交通事故形式，具有形 式多、成因杂、复现难等特点，长期以来，是汽车碰撞安全性研究的一个难点。 近年来，汽车翻滚事故、试验、理论研究取得了较大进展，基于翻滚事故再现 的翻滚试验是其研究的主要手段。本文从分析国内外汽车翻滚研究8 0 多年来的 发展历程出发，在比较了国内外汽车翻滚研究发展与实践的基础上，指出了汽 车翻滚研究发展的四个阶段，分析了各阶段的发展特点、研究成果及未来的发 展方向。 我国的汽车翻滚事故带有明显的发展中国家的特征，本文从研究我国1 2 年 来发生的汽车翻滚事故出发，结合我国道路交通建设的现状，分析了我国翻滚 事故的现状与特点，研究了影响汽车翻滚的各种因素。在此基础上，通过计算 机仿真的方法，对典型汽车翻滚试验及相应的翻滚事故的关联性进行深入研究， 提取了表征翻滚试验剧烈程度的动力学特征参数，归纳和总结了翻滚试验室建 设的要求，提出了翻滚试验室建设的初步方案，为翻滚试验设施的建设、翻滚 预防和保护装置的开发奠定了基础。 汽车绊翻是一种非常重要的翻滚形式，为了进一步分析汽车翻滚三个阶段 的特点，本文通过将“推箱子”这一过程与汽车绊翻过程进行类比，建立了汽 车绊翻的数学模型，编写了m a t l a b 程序，对其进行求解，分析了地面绊翻和路 缘绊翻两种翻滚形式的特点和差异，为翻滚研究提供了一种新颖的数学方法。 关键词：汽车翻滚事故，汽车翻滚试验，关联性，翻滚试验室建设，翻滚数学 模型，翻滚仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t a u t o m o b i l er o l l o v e ra c c i d e n ti so n et y p eo ft r a f f i ca c c i d e n t sw i t hl o wa c c i d e n t r a t ea n dm a x i m u mh a r m f u l n e s s i ti sad i f f i c u l t yi na u t o m o b i l es a f e t yr e s e a r c h i n g b e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sm a n yt y p e s ，c o m p l i c a t e dc o n t r i b u t i n gf a c t o r s a n dd i f f i c u l tr e p e a t a b i l i t y i ti st h em a i nm e t h o dt h a tr o l l o v e rt e s tr e s e a r c h e sb a s i n go n a c c i d e n t sr e c o n s t r u c t i o n , w h i c ha c c e l e r a t e dt h ed e v e l o p m e n t so fr o l l o v e ra c c i d e n t , t e s t sa n dt h e o r i e sr e s e a r c h i n gi nr e c e n ty e a r s t h ef o u rp h a s e so fr o l l o v e rr e s e a r c hi n t h ep a s t8 0y e a r sa n df u t u r ew e r ed i v i d e db a s e do ni t sc h a r a c t e r i s t i c s ，a c h i v e m e n t s a n dd e v e l o p i n gt r e n d s t h er o l l o v e ra c c i d e n t sh a p p e n e di nc h i n am a n i f e s tt h ec h a r a c t e r i s t i c so f d e v e l o p i n gc o u n t r i e s a f t e ri n v e s t i g a t i n gt h er o l l o v e ra c c i d e n t si nt h ep a s t12y e a r s a n dc o n s i d e r i n gt h er o a dt r a f f i cc o n s t r u c t i o ns t a t u sq u oi nc h i n a , t h et r a i t so fa n dt h e f a c t o r sc o n t r i b u t i n gt or o l l o v e ra c c i d e n t si nc h i n aw e r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r a f t e r t h a t ，t h ef i e l dr e l e v a n c eb e t w e e nt y p i c a lr o l l o v e rt e s t sa n dc o r r e s p o n d i n ga c c i d e n t s w e r er e s e a r c h e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s w h i c hp r e s e n tt h ev i o l e n c eo fr o l l o v e rt e s tw e r ee x t r a c t e d ，t h er e q u i r e m e n t sf o r b u i l d i n gr o l l o v e rl a b o r a t o r yw e r ec o n c l u d e d ，t h ep r i m a r yp r o j e c tw a sp u tf o r w a r d t h e s ea r et h ef o u n d a t i o n so fr o l l o v e rt e s tf a c i l i t i e sc o n s t r u c t i o n ，r o l l o v e rp r e v e n t i o n a n dp r o t e c t i o nd e v e l o p m e n t t r i p o v e ri sav e r yi m p o r t a n tr o l l o v e rt y p e ，i no r d e rt oa n a l y z et h et h r e ep h a s e s o fr o l l o v e rf u r t h e r , a na n a l y t i c a lm o d e lo ft r i p o v e rw a sb u i l tb ya n a l o g i z i n gt h e p r o c e s sw i t h “p u s h i n gb o x ”，h e r e a f t e r , t h ep r o g r a m sw e r ew r o t ea n ds o l v e di nm a t l a b s o f t w a r e ，t h ed i f f e r e n c e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fs o i lt r i pa n dc u r bt r i pw e r ec o m p a r e d i nt h ec o m p u t i n gr e s u l t s t h em o d e lp r o v i d e san o v e lm e a n sf o rr o l l o v e rs t u d y k e yw o r d s ：a u t o m o b i l er o l l o v e ra c c i d e n t ，a u t o m o b i l er o l l o v e rt e s t ，f i e l d r e l e v a n c e ，r o l l o v e rl a b o r a t o r yb u i l d i n g ，r o l l o v e rm a t h e m a t i c a lm o d e l ，r o l l o v e r s i m u l a t i o n 符号说明 符号说明 m汽1 ：质量 w b 轴距 h c g 重心高度 h c bc路缘与汽7 f 碰撞力作用点与重心在z 方向的距离 h 汽车总高 s s f 静态稳定性冈素 i z z绕重心z 轴转动惯量 i y y 绕重心y 轴转动惯量 i x x绕重心x 轴转动惯量 f i m p a c t 汽车与路缘碰撞引起的碰撞力 f t m c t 僦 碰撞力的峰值 f 咖m h t 绊翻力的初始值； f 绊翻力的峰值； t r i p m a x f f c t i o n t汽车与地面的摩擦力 f n l 地面对汽下的支持力 9 删 汽车与障僻物碰撞后绕x 轴的角位移 9 艄 汽车与障碍物碰撞后绕x 轴的角速度 9 嗽n l 汽车与障碍物碰撞后绕x 轴的角加速度 y 晌试 汽车与障尉物碰撞后在y 方向上的位移 汽车与障碍物碰撞后在y 方向上的速度 y 越 汽车与障碍物碰撞后在y 方向上的加速度 y h t z 眦锄 汽下与障碍物碰撞后在z 方向上的位移 汽车与障碍物碰撞后在z 方向上的速度 z i n i t i a l zi n i t i a l 汽车与障碍物碰撞后在z 方向上的加速度 汽车碰撞前在y 方向上初速度 t q l 汽车以角速度o i n i t i 1 转1 4n n , 剁- f n - j t q 2 汽车以角速度o i n i t i a l 转1 2 周所需时间 v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作 f 詹u 之月抄日 ? 第1 章引言 1 1 概述 第1 章引言 “r o a ds a f e t yi sn oa c c i d e n t ”! 减少并预防事故的发生一直是致力于 交通安全研究的各类机构和学者们所关注的焦点。汽车碰撞事故作为造成大量 人员伤亡与财产损失的主要交通事故类型之一，是人们长期以来关注的焦点。 汽车碰撞事故包括正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞和翻滚( 翻车和坠车) 等几 种主要类型。研究表明，翻滚事故是一种事故率极小、危害性极大的事故类型， 因其形式多、成因杂、复现难等特点，与其他类型碰撞事故的研究相比，长期 以来处于相对落后的状态。 近年来，随着研究的深入，美国公路交通安全管理局( n h t s a ) 和德国深度 事故调查( g i d a s ) 等研究机构在分析了大量的翻滚事故和进行大量试验复现的 基础上，在翻滚事故的类型、形成机制、危害性和试验方法等方面已经达成了 一定程度的共识。 汽车翻滚事故在成因、危害性、事故过程、伤害程度等方面与其他碰撞事 故有着显著的区别，主要体现在以下几个方面： 一、翻滚事故类型多样，成因复杂 按翻滚的成因分，汽车翻滚事故共有九种类型【lj ，按翻滚的形式分，汽车 翻滚事故共有八种事故形态，翻滚事故的多样性在一定程度上延滞了研究的进 展。7 5 【3 0 】以上的翻滚事故是单车事故，因此，翻滚事故的发生更多地与外界 因素有关。汽车翻滚事故除了与地形地貌、气候环境有关外，还与道路交通的 结构要素( 路缘、堤坡、堑坡、护栏、路肩、交通标志、标线等) 、汽车事故时 的行驶状态( 车速、行驶角度等) 、驾驶员的状态( 疲劳、饮酒、打电话等) 和 驾驶行为( 制动、调整方向等) 等主客观因素有关。 二、翻滚事故危害大，死亡事故多 据死亡事故分析报告系统( f a r s ) 统计，在美国，翻滚约占碰撞事故总数的 2 4 1 2 1 ( 2 2 【3 1 或3 【4 】) ，但是造成的死亡人数占汽车碰撞事故死亡总数的3 3 ；在欧洲，翻滚事故占碰撞事故总数的5 ，但是造成的死亡人数占总数的 2 0 【5 】；在澳大利亚其造成的死亡人数也占到了交通事故总数的2 0 1 6 j ；在我国， 第1 章引言 由于车辆结构比例、道路交通状况和驾驶习惯等原因，翻车常常造成群死群伤 的重特大交通事故和社会影响，据公安部交通管理局统计，2 0 0 6 年，我国发生 翻车和坠车事故占交通事故总数的3 5 ，死亡人数占总数的8 3 t 7 j 。 三、翻滚过程复杂，难以复现 鉴于翻滚事故造成了巨大的人员伤亡和经济损失，人们很早就开始了对翻 滚危害性以及翻滚保护技术的研究。但是，与其他类型碰撞的研究相比，翻滚 研究的进展缓慢。其原因主要是翻滚事故的过程复杂，试验室复现有较大难度。 其复杂性主要表现在以下方面： a 翻滚成因的复杂性。翻滚成因和形式的多样性导致试验室复现困难，很 难用较少的试验方法对各类翻滚事故进行复现。这也是导致目前翻滚试验方法 多样，评价标准不一的局面的主要原因之一。 b 翻滚运动过程的复杂性。汽车翻滚过程中，汽车与乘员的空间运动相当 复杂，汽车的二次碰撞、碰撞的位置、碰撞的时机以及碰撞物的种类具有很大 的不确定性，给预测和复现汽车翻滚运动带来了严重的挑战。 c 持续时间较长。汽车翻滚事故持续时间长，表征其运动的特征参数多， 造成乘员伤害的综合因素多，这也是至今未能研发出适用于翻滚试验的假人的 主要原因之一。 汽车翻滚事故在预翻、起翻和翻滚三个阶段具有高度的不确定性，给试验 研究带来了极大的困难。 四、乘员伤害严重，伤害原理复杂 就对乘员的伤害而言，汽车翻滚事故与其他碰撞事故相比主要有以下特点： a 伤害原理不同。其他碰撞事故中，乘员伤害主要来自于j 下面或侧面的碰 撞减速度；翻滚时，不仅有正面、侧面和垂向的碰撞减速度，还有汽车翻滚角 加( 减) 速度、俯仰角加( 减) 速度对乘员造成伤害。虽然翻滚时j 下面或侧面 的碰撞减速度只在l o g 左右，但是，乘员与挡风玻璃或车柱碰撞的相对速度能 达到6 1 m s 瞵j ，而一旦乘员弹出车外，其伤害更为严重。翻滚的伤害程度远远大 于其他类型的碰撞。 b 主要伤害部位不同。翻滚时大脑和头部是导致死亡的重要原因，颈部、 脊椎、内脏也经常因为高速的旋转而受到严重伤害，而四肢、脸部受轻伤更为 普遍。车内外的每一个物体都可能成为“杀手”，尤其是车项、前挡风玻璃、地面。 翻滚事故的这些特点决定了其研究的特殊性，也是目前汽车翻滚理论、试 2 第1 章引言 验研究、标准制定、产品开发相对滞后的主要原因。 1 2 翻滚事故的定义和分类方法 翻滚是指汽车绕其纵轴或横轴旋转9 0 0 以上的一种特殊的运动形式【9 】。在我 国现行的道路交通事故形态认定中，翻滚事故包括翻车和坠车两种事故类型。 其中翻车是指车辆在行驶中，因受侧向力的作用，使一部分或全部车轮悬空， 车身着地的事故形态；坠车是指车辆驶出路外，整体脱离地面，落到与路面有 一定高差的地方【l0 1 。在我国的道路交通事故处理实践中，翻车是指车辆因各种 因素偏离正常运行线路并改变了原来的姿态，其倾斜度或不离开地面的翻转度 在9 0 。, - - 7 2 0 0 以上致使车辆最终一侧或一端着地或翻转后复又轮胎着地并失去能 量的现象，可分为侧翻、滚翻、扎头翻和仰翻四种主要形态。坠车是指车辆因 故偏离正常运行线路从2 m 以上的高度落下，或翻转过程中有过一次或多次2 m 以上高度的损落过程，最终失去能量的现象。可分为翻坠、冲坠和仰坠三种主 要形态i i 。我国主要侧重于通过汽车翻滚过程及形式对翻滚事故进行分类。 美国事故样本观察碰撞数据系统( n a s s c d s ) 将翻滚分为绊翻( t r i p o v e r ) 、 坠翻( f a l l o v e r ) 、侧翻( f l i p o v e r ) 、滑翻( t u r n o v e r ) 、跳翻( b o u n c e o v e r ) 、 空翻( e n d o v e r - e n d ) 、爬翻( c l i m b o v e r ) 、与汽车相撞引起的翻滚( c o l l i s i o nw i t h o t h e rv e h i c l e ) 和未定义的翻车类型( r o l l o v e rw i t h o u tp r e s c r i p t i o n ) 等九种不同 的事故形态( 德国八种) 【4 】。表l 反映了n a s s c d s 和g i d a s 对汽车翻滚事故 的分类、定义【1 2 】和各种翻滚类型所占比例【1 3 】【1 4 】。 表1 1 汽车翻滚类型及其所占比例 所r ! 沾匕例 翻滚类型 n a s s c d s g i d a s 绊翻：汽车侧向运动被减速或停j ：而导致的翻滚。 包括由路缘、坑涮、软地l a j 和爆胎引起的翻滚。 5 1 6 3 4 赂翻：汽车重心离开车轮支撑而引起的翻滚。主要 足由堤坡引起的翻滚。 1 5 1 7 侧翻：汽车绕其纵轴翻滚。主要由护栏地锚式端部、 堑坡、f 掣障碍、壕沟的背坡引起的翻滚。 1 1 1 2 3 滑翻：因曲线离心力引起的翻滚。主要由重心过高、 高速转弯时的地面摩擦力引起的翻滚。 9 3 第】审0 l 者 所 比捌 翻滚攒耙 跳翻：，l 1 - 从圊定障面上反弹井i 目此而翻壤。若汽 乍爬j = 上阎定障碍而韶滚则为爬韶。 空艄汽车绕“横轴蹦滚。 爬翻：爬上或槌尴阎定障删而引起的翻漩 1 ，汽车冉j 撞引起舯瑚渍 未建义的翻乍娄掣 j e 他 从表11 和阁il 12l 以看出，美国和德1 习对翻滚事故的分类基本一致， 都侧重于从翻滚事故的成凶定义各种翻滚事敞类型。绊翻是所有翻滚事故中最 k 婴的形，聃翻和侧翻也比较常见。 曼矗】。一 邈 醚， 梦兰咝 ，7 翔 1 i ：、1 l 口n c r hl i 口f l i i e o 口n no v e rm h do v c re n d口c 1 舢v e o n c r口“1 1 1 w l t ho t h e r 川o t h e r 幽i in a s s c d s 对汽1 。翻滚卅战的分类 旃l 龋 口t ：5目：j 二：，口f ；5 。 r + 口：1 r 二r = - c = ：“ 日o # 斟r 口博姗叫口自a 御 h126 d a s 对翻滚书故的分类 参考国内外对汽车翻滚事故的定义和分类，从有利于翻滚事故和试验研究 的角度出发，奉文将采取n h t s a 的分类方法和定义进行汽车翻滚事故再现和试 验方法的研究。 1 3 事故再现及其方法 狭义的交通事故再现通常是指通过某种特定的手段( 推理、计算、试验或 计算机仿真) ，在对某一交通事故发生后留下的各种线索( 事故痕迹、残骸、散 落物、参与者的回忆、目击者的描述、气候和地理特征等) 进行详细分析之后， 推断整个事故发生过程的方法。这是在目前处理交通事故中最常用的一种方法。 但是对于某一类型的交通事故而言其再现就不单单是对某一次发生的事 故进行分析，而是对这一类事故的共性进行分析和复现。因此广义的事故再现 是指通过某种特定( 试验或计算机仿真) 的手段，在对同一类交通事故进行统 计分析的基础上，对导致凌类事故发i ! 的共同原因和主要特点进行抽象和固化， 第1 章引言 从而进行研究的一种方法。 因此，事故再现可以分为单一事故的再现和一类事故的再现，前者主要用 于交通事故的认定，后者主要用于交通事故的研究。其方法主要有计算机仿真 再现和试验再现。 1 4 国外翻滚事故再现及试验方法的研究现状 1 4 1 汽车翻滚事故及试验研究的四个发展阶段 早在1 9 3 0 年代，通用汽车公司就开始了翻滚事故的研刭1 3 】。但是由于翻滚 事故的复杂性，研究进展缓慢。汽车翻滚事故、翻滚试验、翻滚理论、翻滚仿 真的研究历程与发展顺序如下： a 1 9 3 0 年代 - - 1 9 7 0 年代，起步阶段。在这一阶段中，汽车企业纷纷开发 各种试验方法，这些试验方法也成为目前大部分试验方法的雏形，其中部分已 经被淘汰，大部分被改进。这一阶段的标志是从通用汽车公司率先进行汽车翻 滚试验丌始，到美国交通部( d o t ) 颁布f m v s s2 0 8 法规，规定了翻滚台车试 验方法为止。 b 1 9 7 0 年代 - - - 2 0 0 0 年代初期，发展阶段。在这一阶段中，各种翻滚试验 方法逐渐改进成形。其中最典型的就是螺旋翻滚试验，该试验从1 9 3 0 年g m 公 司首次试验开始，其中经过c h r y s l e r 、a u t o l i v e 、d e k r a 、a d a c 等企业和机构的 多次改进，终于于2 0 0 4 年形成了著名的“a d a cc o r k s c w e r 试验。同时，一些新 的试验方法也开始诞生，例如：受控的翻滚碰撞试验系统( 2 0 0 1 年、c o o p e r 等 人) 、临界侧滑速度试验( 1 9 9 1 年、n h t s a ) 、侧绊翻滚试验( 1 9 8 9 、t h o m a s ) 、 减速翻滚台车试验( 2 0 0 1 年、a u t o l i v e ) 。这一阶段中，汽车翻滚理论研究也有 所进展，从1 9 7 8 年开始，各种数学模型被应用于预测汽车翻滚临界条件【1 4 】 1 7 1 、 汽车翻滚运动特，征【1 8 h 2 0 1 、车顶地面碰撞特础2 1 1 等。1 9 9 0 年代后期，计算机仿 真软件也得到大量应用，m a d y m o 、a d a m s 、p c c r a s h 、l s d y n a 等多刚体动力 学、大型有限元软件丌始用于事故模拟、试验分析2 2 卜f 2 8 】。此外，以n h t s a 等 为主的研究机构开始就9 0 年代以来发生的大量翻滚事故进行调查分析，对翻滚 事故进行了深入研究。 c 2 0 0 0 年代初期，深入研究阶段。各国逐渐丌展汽车翻滚事故调查，翻 6 第1 章引言 滚事故研究更具有各地区、国家自身的特点。开始展开汽车试验关联性研究， 为减少试验方法、提高试验效率、更新试验法规作准备。 d 未来，应用阶段。虽然这一阶段还未到来，但是可以初步对其进行预测。 汽车翻滚事故及试验研究的最终目的是预防和减少翻滚事故，提高汽车翻滚事 故中对乘员的保护能力，降低翻滚事故对乘员、行人、设施的伤害和毁坏程度。 因此，该阶段的主要任务是认识翻滚的机理，颁行翻滚试验法规，规范翻滚预 测、预防和保护装置等相关产品的开发。 1 4 2 国外汽车翻滚事故研究现状 基于n a s s c d s 的数据支持，n h t s a 自2 0 0 0 年开始，发表了一系列针对 汽车翻滚事故的研究报告和文章。分别从汽车翻滚的成因，汽车翻滚事故的类 型，汽车翻滚事故与车型、驾驶员的分布关系，汽车翻滚事故与道路交通状况、 驾驶行为、气候状况以及汽车性能的关系，汽车翻滚安全保护以及预防等诸多 方面进行了深入研列2 9 】【3 0 1 。 从汽车翻滚事故发生的频次来看，汽车翻滚事故占所有碰撞事故的比例稳 中有升，其中乘用车的翻滚事故死亡率有所下降，轻卡增长较快。轻卡中s u v 的翻滚事故死亡率在十年间翻了一番有余，厢式车增长也较快，皮卡保持稳定。 1 ，舢。十，- 、p 一一 _ 7 1 9 8 31 9 8 8 1 9 9 31 9 9 8 年份 图1 3 美国历年翻滚事故死亡人数 从翻滚事故中约束系统的使用来看，在翻滚事故中死亡的乘员有7 2 未佩 戴安全带。佩戴安全带的乘员中只有4 被完全抛出车外，未佩戴安全带的乘员 则有5 3 被完全抛出车外。 7 啪 啪 嗽 鼢 瞄 蝴 o 2 o 8 6 4 2 死亡人数 第1 章引吉 从翻滚事故巾汽车的车速来看，4 0 的事故发，e 时汽乍处于超迷状态，7 1 的汽车翻滚事故发生时车速超过8 8 k m h 。 从黼滚的过程米看，翻滚过程巾牟顶和地而的碰撞对乘员的伤害最大，车 顾和地而碰撞1 次的占绝大部分”9 i ，在车项与地面碰撞的过程中，乘员个身各个 部位尤其足头部极有可能和车内物体十h 撞，其碰撞速度可能达到61 m s 。 表12 汽1 。翻滚事故- - ? 顶与地面碰撞次数及其分布 中顶和地血碰撞次数汽车翻转i 4 崩数所占比例 o1138 l j 2 、3 、4 、5 韭他( 空翻) 薪注数据源r n a s s c d s1 9 9 5 2 0 0 1 从翻滚事故中的受伤部位来看，人脑和头部是最1 f 要的受损部位，常导致 死【、：事救的发电，翻滚时身体各部位伤害发生频率见图14 。 削14 汽下翻滚事故巾身体备部何的受损概率n 从汽车糊滚事故芨生的地点来看澳大利亚验尸官信息系统( a n c s i ) 的 统计表明，发生在乡村道路上的翻滚事故占8 4 ( 8 2 ，欧洲) ，城市道路占1 6 t ”1 第1 章引言 ( 1 8 t 5 1 ，欧洲) 。乡村道路多为二级及以下公路，行车道和路基狭窄、转弯多 而急、障碍物多、交通标志不明显、交通保护装置较少、车辆超速较多等原因 造成翻滚事故多。 此外，国外还对汽车翻滚事故发生的其他各种因素进行了详尽的分析，例 如：年龄、驾驶行为、是否酒后驾车、最容易导致伤害的车内外结构等。 研究表明j 下确的驾驶行为和良好的驾驶习惯、系安全带、保持安全车速是 减少翻滚事故发生的主要手段。 1 4 3 国外汽车翻滚理论及仿真研究现状 除了采用试验室复现的方法对汽车翻滚事故进行研究之外，以数学模型为 主的翻滚理论研究也在不断地深入，以期能够准确地预测汽车翻滚性能，从而 大幅地降低试验难度和试验费用。但是由于汽车翻滚诱因和过程的不确定性， 如何建立合理的数学模型对翻滚这一现象进行解释一直以来是其研究的一个难 点。r i c e 等人在1 9 7 8 年采用动量守恒和能量守恒原理建立了汽车翻滚数学模型 【3 2 1 ，比较好地解决了预测引起汽车侧翻的最低碰撞力条件，后来n e i lk c o o p e r r i d e r 等人将该模型扩展，由此制定了汽车翻滚的绊翻力持续作用时间曲 线1 3 孔。但是该模型还不能反映悬架和轮胎等弹性、阻尼元件在翻滚中的作用， 因此，m a n t l ef r i m b e r g e r 等人在2 0 0 0 - - - 2 0 0 4 年间对影响汽车翻滚的各种因素进 行了研究【5 】【3 4 1 【3 5 】。这些模型都是应用于判断汽车翻滚的初始条件上，为了进一 步描述汽车从发生绊翻开始，到车顶接触地面这一过程，n a t h a n 等人在2 0 0 7 年 采用场景分析法对汽车翻滚过程进行分析后，建立了汽车翻滚模型，并对汽车 车顶与地面碰撞的条件和特征进行了建模和分析【3 6 1 。即使这样，自由度较少的 数学模型也越来越难以满足事故模拟和仿真的需要，因此建立多体和有限元模 型模拟汽车翻滚碰撞过程势在必行。大规模计算机技术的发展以及人们对汽车 翻滚机理的研究不断深入使其成为可能。在国外一些研究机构的努力下，以系 统动力学( 例如a d a m s ) 、多体动力学( 例如m a d y m o ) 和非线性有限元( 例如 l s d y n a ) 为代表的仿真软件在汽车翻滚事故计算机复现中的应用日益广泛，并 取得了良好的效果和积累了丰富的实践经验。 基于m a d y m o 的多刚体整车模型主要用于翻滚传感器算法和乘员约束系统 的开发，福特汽车公司的c l i f f o r dc c h o u 基于m a d y m o 开发了s a ej 2 11 4 台车 9 第1 章引言 翻滚试验模型、侧绊翻滚试验模型、临界侧滑速度试验模型和螺旋翻滚试验模 型【2 3 1 ；采用a d a m s 与m a d y m o 联合仿真的方法进行汽车翻滚试验的仿真可以较 为准确地预测汽车的翻滚运动状况和进行假人的伤害评估，西门子公司通过采 取a d a m s 和m a d y m o 联合仿真的方法对路肩绊翻试验、螺旋翻滚试验、边坡翻 滚试验和沙地翻滚试验进行了研究1 4 j ；采用a d a m s 或m a d y m o 与l s d y n a 或 p a m - c r a s h 进行联合仿真可以较为准确地预测汽车的翻滚运动状况和整车的变形 1 2 4 - 1 2 7 1 o 目前，大部分进行汽车翻滚保护装置开发的企业，倾向于采取a d a m s 与 m a d y m o 联合仿真的方法，预测和优化幕帘点火时间( r t t f ) ；而对于进行安全 车身开发的企业，则多采取用a d a m s 与l s d y n a 联合仿真的方法，对车身的动 态抗压性能进行预测与优化。因此，对于汽车翻滚试验的计算机仿真来说，基 于不同研究方向的联合仿真是其今后的主要发展趋势。 1 4 4 国外汽车翻滚试验现状 在汽车企业和相关研究机构进行汽车翻滚保护装置开发和翻滚倾向性研究 的过程中，汽车翻滚试验方法和研究手段逐渐增多。通用汽车公司早在1 9 3 0 年 代就进行了斜曲面螺旋翻滚试验( 早期c o c k s c r e w 试验) ，该试验方法方法后来 被a d a c 采用，并将其改进为消费者信息试验，因此该方法又称为“a d a c c o c k s c r e w ”；c o o p e r 等人于2 0 0 1 年开发了受控的翻滚碰撞试验系统( c r i s ) ， 通用汽车公司采用了该试验方法并进行了部分改进；梅塞德斯奔驰公司于1 9 7 0 年丌发了s a ej 2 1 1 4 翻滚台车试验，美国交通部采用了该试验，并据此颁布了 f m v s s2 0 8 法规中的翻滚台车试验；美国公路交通安全管理局于1 9 9 1 年采用临 界侧滑速度( c s v ) 试验进行汽车翻滚倾向性测试；t h o m a s 等人于1 9 8 9 年开发 了侧绊( s c t ) 试验；为了重复利用试验汽车，a u t o l i v e 公司于2 0 0 1 年开发了 减速台车试验( d r s ) ；在1 9 3 0 年代通用公司进行了边坡翻滚试验 ( e m b a n k m e n t ) ，1 9 8 0 年代，d e k r a 公司对其进行了改进；此外，a u t o l i v e 公 司还丌发了壕沟翻滚试验( d i t c h ) ：地面绊翻试验( s o i lt r i p ) 也是由通用汽车公 司最先开始研究，后来经过d e k r a 公司和a u t o l i v e 公司等企业和研究机构的改 进才得以成形；除此之外，西门子( s i e m e n s ) 公司还进行了许多因误操作而引 起的翻滚的试验研列1 3 】。目前主流的汽车翻滚试验方法如下： l o 第1 章引言 a 车顶试验 汽车翻滚过程中，每翻滚1 周，车顶就要和地面发生1 次碰撞。据统计， 在美国，翻滚1 2 周以上的汽车翻滚事故中，乘坐车占总数的8 9 ，s u v 占总 数的9 0 ，皮卡占总数的7 5 ，车顶在碰撞中的变形或压溃，对于保护乘员生 命安全具有重要意义。因此，对车顶的考核是非常重要的。 与汽车翻滚相关的车项静态试验主要是f m v s $ 2 1 6 车顶静压试验。该试验 要求总质量在2 7 0 0 k g 以下的汽车，对车顶梁施加1 5 倍于汽车整备质量的力， 要求变形量小于5 m m 【3 7 】。该试验于2 0 1 0 年将进一步增加考核难度，要求施加的 力达到2 5 倍于汽车整备质量的力，同时将试验车的范围扩展到总质量在4 5 0 0 k g 以下的汽车。 由于车项静态试验只能反映车顶在静态下的抗压能力，在汽车翻滚过程中， 车顶与地面的碰撞是一个动态的过程，而其他各种试验方法在复现汽车翻滚事 故时，车顶与地面的碰撞可重复性极差，因此，发展了车顶动念碰撞试验方法。 该试验将汽车斜置于一旋转台上，- - l 习1 性平板沿轨道从汽车底下穿过，汽车以 一定角速度转动，当刚性平板驶过汽车下方时，车顶与其发生碰撞。该方法具 有可控性、重复性好的特点。 b f m v s s2 0 8 台车翻滚试验 f m v s s2 0 8 台车翻滚试验的前身是s a ej 2 1 1 4 台车试验。该方法是目前唯 一以法规形式来考核整车动态翻滚性能的试验方法，于1 9 8 0 年代后广泛应用于 乘用车和卡车翻滚试验，主要用于翻滚约束系统性能考核、动态车顶挤压强度 研究和翻滚约束系统的开发。 试验要求试验车侧放在翻滚台车上，台车斜板与水平成2 3 度角，较低侧的 轮胎靠在一个约1 0 2 m m 高的刚性突缘上，斜板底部高于地面约2 2 9 m m 。试验车 和翻滚台车加速到4 8 k m h ，台车在不超过9 1 4 m r n 的距离内停住，在减速时台车 平板不能发生横摆或旋转。台车必须保持减速度至少2 0 9 并持续4 0 m s 。 该试验的缺点主要是可重复性太差，其原因是减速台车的减速度很难达到 理想的波形。后来a u t o l i v e 对试验设备进行了改进，通过在液压缸内采用蜂窝 状的阻尼孔，能较好的将减速度控制在理想的波动范围内，产生类似方波的减 速度波形。 c 受控的翻滚碰撞试验系统( c r i s ) c r i s 是为了控制车顶与地面的首次碰撞而开发的。在该试验方法中，将试 第l 章引言 验车从一辆正在行驶中的半挂车尾部旋转着坠落到地上。汽车绕其重心旋转， 可以控制其侧倾、俯仰和横摆角度、纵向和垂直速度以及滚动速度，车顶与地 面的首次碰撞具有很好的可重复性。试验平台安装在半挂车上，可以在各种路 面上进行该试验。 该试验在一定程度上解决了f m v s s2 0 8 试验的不可重复性问题，但是在车 顶与地面首次碰撞之后，汽车的运动又变得不可重复；该试验着重于考核车顶 强度，较好的弥补了f m v s s2 1 6 中仅依靠静态载荷来考核车项强度的不足；该 试验能很好地反映翻滚中约束系统的保护能力，有助于翻滚约束系统的开发。 d 螺旋翻滚试验( c o r k s c r e w ) 该试验由a d a c 开发，因此有时称其为a d a cc o r k s c r e w 或者a d a c 斜坡 试验。试验斜坡有两种形式，一种是三角平面，另外一种是三角曲面。在c o r k s r e w 试验中，试验车一侧轮胎开始接触并爬上斜坡，另外一侧轮胎与地面接触。由 于汽车向上运动，其两侧z 向加速度极不对称，导致它沿纵轴旋转。当它离开斜 坡后，汽车继续翻转直到接触地面，汽车一般翻滚1 4 和1 2 周。 试验中，通过调节斜坡结构和试验车初始状态，试验车既可能翻滚也可能 不翻滚，试验方法较为灵活，既可以考核汽车的抗翻滚能力，也可用于翻滚约 束系统的开发和评价。 e 临界侧滑速度试验( c s v ) n h t s a 采用c s v 方法进行汽车翻滚倾向性试验。c s v 试验是一种准静态 试验条件，操作简单。在试验中，试验车放置在可调节角度的斜坡的顶部，临 界角度定义为9 0 0 t 强- 1 ( 1 s s f ) 。斜坡上铺有无摩擦衬垫，当角度较大时，汽 车沿斜坡侧滑，轮胎撞到位于斜坡底部的突缘后开始翻滚，将产生中等程度的 减速度( 5 7 9 ) 。斜坡角度决定试验车翻滚还是不翻滚，但是该试验产生的信 号对于区分翻滚和不翻滚条件可能存在一些困难。 f 路缘绊翻试验( s c t ) 根据试验车翻滚的初始状态，s c t 设计了两种试验装置：一是侧向汽车碰 撞装置，试验汽车只有侧向速度；二是斜向侧绊装置，障碍与汽车前进方向成 一定角度，试验车以一定速度前进与障碍碰撞。台车上障碍高度约为1 5 2 m m ， 台车与汽车以一定的速度前进，然后释放汽车，汽车轮胎与障碍发生碰撞。通 常，汽车的侧向减速度能达到7 1 2 9 ，因此能够产生很高的翻滚角速度和侧向 加速度。 1 2 第l 章引言 该试验中，障碍高度和汽车侧向速度是影响翻滚初始条件的两个因素，可 以通过控制这两个因素来达到预定的考核目的。前进速度和横摆角速度则是决 定汽车是否在斜绊中翻滚的因素。 t 地面绊翻试验( s o i lt r i p ) 地面地翻滚通常用沙地翻滚( g r a v e lt r i p ) 柬替代。汽车置于台车上，台车 侧向运动到沙床前与减速台碰撞荫进行剧烈减速。该试验侧向减速度为中等水 平，但是持续时间较长，试验车的翻滚条件随台车的速度变化，需要使用沙床。 h 减速翻滚台车试验( d r s ) a u t o l i v e 开发了侧向减速台车试验方法，孩试验采用减速翻滚台车，d r s 由台车和减速装胃组成。障碍固定在平板导向侧的平台上，车轮靠在障碍垂向 边缘。台车沿轨道开始加速到预定的恒定速度后，开始制动，产生期望的减速 度值。试验车被限制在一定的翻滚范围内，不会与地面撞击，试验车可重复使 用，这种试验方法更为经济。d r s 能产生1 2 9 的减速度或8 l o g 的减速度。 停车距离，减速台车速度和减速度太小是影响试验结果的因素。试验结果有可 靠的可重复性。 i 边坡翻滚试验( e m b a n k m e n t ) 在1 9 3 0 年代，g m 公司进行了将推土机推下边坡以评价其翻滚笼的试验。 1 9 8 0 年代，d e k r a 为了进行翻滚事故的再现，系统性地进行了多次这样的试验。 d e k r a 的试验研究了汽车在离开地面时的一些特定的运动情形，例如当汽车离 开路面，滚下堤坡的情况。尽管d e k r a 的试验方法可以模拟特殊的汽车离开路 面的翻滚情形，但是由于斜坡结构和驶入角度的原因，该试验的可重复性极差。 后来，a u t o l i v e 开发了一套斜坡翻滚试验装置，要求试验速度在2 4 k m h 和堤坡 角度3 5 。5 0 0 条件下进行。 表13 辑种试验方法 试骑名称试验方法试验名称试验方浊 鬯墼谚一 堤坡翻滚试骑 临界侧滑琏度 f 9 可、7 随霞褥幽 试验c s v 第l 章引言 试验名称试验方法试验名称试验方法 f m v s s2 0 8 台 侧绊试验s e t ，：。： 车试验 睦囊m ， 受控的翻滚碰 羔盏! 曲 沙地酣滚s o i l 猡盘口 撞试验系统 划 螺旋翻滚 一嗲 减述台车试验 鞫 1 5 国内汽车翻滚事故再现殛试验方法研究现状 我四汽车工业起步较晚，技术基础薄弱，汽车研究机构和企业的注意力眭 期以来集中在提高汽车性能，改善驾乘特性等方面，对汽车安全性的研究远远 不够。我国对汽车安全性标准的立法始于2 0 0 1 年，凼家相关部委出台了中国强 制性产品认证制度( c c c ) ，此后，在2 0 0 3 年和2 0 0 6 年，相继出台了 g b l l 5 5 i 2 0 0 3 乘用车正面碰撞的乘员保护和( g b 2 0 0 7 1 2 0 0 6 汽车侧面碰 撞的乘员保护两个标准。随着我国汽车保有量的持续增长，消费者对汽车安 全性的要求越来越高，为了适应这种需要，中国汽车技术研究中心( c a t a r c ) 于2 0 0 6 年推出了c - n c a p 评价程序。我国的汽车安全性考核和评价正逐渐与国 际接轨。 但是，汽车翻滚事故作为严重危害人民群众生命财产安全的事故类型之一， 在我国却未得到足够的重视。各级政府和柏关科研机构没有出台相应的法律、 法规预防翻滚事故的发生，保护糊滚事故中乘员的安全；我目的汽车企业在汽 车翻滚预防、抗翻滚能力、翻滚保护措施的研究上还远远不够；消费者对汽车 翻滚事故危害性的认识不足。 对于能够大大提高汽车抗例翻能力的电子稳定控制系统( e s c ) ，我国目前 的研究较少。而美国则已经将e s c 作为今后的标准装备之一，并颁布了f m v s s 第1 章引言 1 2 6 电子稳定控制系统【3 8 】，欧洲也在推动e s c 的研究、开发和立法工作【3 9 】； 尽管我国在气囊的开发上取得了较大的进展，但是对于能够大大提高汽车翻滚 保护能力的侧面幕帘，我国汽车也装备较少，而汽车侧面幕帘也已逐渐应用在 国外的汽车上。 在汽车翻滚的理论研究上，我国相关的文献也鲜有发表，清华大学祝军在 2 0 0 5 年对侧翻进行研究，并建立了翻滚事故再现系统 4 0 】。此后，吉林大学的杨 健也进行了类似的研刭4 1 1 。在翻滚事故的仿真上，国内也很少运用，刘学军 ( t n o ) 运用多体动力学软件m a d y m o 对一例翻滚事故进行了仿真t 4 2 1 。 汽车作为一种全球化程度极高的产品，国外市场的需求必将反映到国内的 汽车生产企业中来，同时，随着中国生产的汽车走向世界，国外相关的汽车翻 滚