（计算机软件与理论专业论文）道路交通事故三维再现系统的设计与开发.pdf

四川师范大学研究生毕业论文 道路交通事故三维再现系统的设计与开发 计算机软件与理论专业 研究生吕涛指导教师严余松 摘要汽车交通事故是当今全球性公害之一，从全世界的统计数字来看，每年 因道路交通事故而死亡的人数己高达4 0 万人之多，伤1 0 0 0 万人以上，财产损失 超过5 0 0 亿美元，由汽车交通事故导致的伤亡人数甚至己经超过了在战争中的 伤亡人数。随着我国国民经济的发展，汽车工业和道路交通运输事业得到了高 速的发展，但随之而来的是道路交通事故的不断发生，道路交通事故已成为一 个极为严重的社会问题。道路交通事故的仿真就是采用动画的表现方式，实时 逼真的表现交通事故的整个过程。采用计算机构建三维动画来模拟交通事故的 目的，是为了更真实直观地进行汽车交通事故的分析与再现。 论文研究了道路交通事故三维再现系统的理论基础与具体实现。在众多交 通事故类型中，主要研究了两车碰撞这一类型的交通事故的模拟。根据简单物 理学理论，分别从一维和二维碰撞两个方面给出了计算两车碰撞前后的速度的 方法，探讨了两车碰撞检测模型和算法。在虚拟现实理论基础上，采用三维建 模软件构建了交通事故中涉及的车辆模型，研究了通过o p n e g l 程序读取、显示 和控制三维模型的方法，以及基于物体模型构建交通事故场景的方法。根据计 算机动画理论和o p e n g l 中的动画技术，实现了三维仿真动画。最后，从整体上 对系统软件的总体设计与开发过程进行了阐述，并简要介绍了软件在实例中的 应用情况。 关键词：汽车碰撞，事故再现，o p e n g l ，碰撞模型 d e s i g na n dd e v e l o p m e n t o fr o a dt r a f f i ca c c i d e n t t h r e e d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o ns y s t e m m a j o r ：c o m p u t e rs o i t w a r ea n dt h e o r y p o s t g r a d u a t e ：l vt a o t u t o r ：y a hy u s o n g a u t o m o b i l ea c c i d e n t sa r eo n eo ft o d a y sg l o b a ld i s a s t e r s t h es t a t i s t i c sf r o m a l lo v e rt h ew o r l de v e r yy e a rd u et or o a dt r a f f i ca c c i d e n t s ，t h en u m b e ro fd e a t h s h a v eb e e nu pt oa sm a n ya s4 0 0 ，0 0 0p e o p l e ，i n j u r e dm o r et h a n10m i l l i o np e o p l e ， t h ep r o p e r t yl o s so fm o r et h a n5 0b i l l i o nu s d o l l a r s ，c a s u a l t i e sa tw a rh a v eb e e n e v e nm o r et h a nt h en u m b e ro fc a s u a l t i e sf r o mc a ra c c i d e n t s 。蚴t h e d e v e l o p m e n to f a u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dt r a f f i ct r a n s p o r t a t i o n ，t h et r a f f i ca c c i d e n t s h a p p e ne v e r yd a yi nt h ew o r l da n db e c o m e as e r i o u ss o c i e t yp r o b l e m s i m u l a t i o n o fr o a dt r a f f i ca c c i d e n t si sb a s e do nt h ea n i m a t e de x p r e s s i o n r e a l t i m ep e r f o r m a n c e o fr e a lt r a f f i ca c c i d e n t s t h r o u g h o u t t h e p r o c e s s t h e p u r p o s e o f u s i n g t h r e e d i m e n s i o n a lc o m p u t e ra n i m a t i o nt os i m u l a t et h et r a f f i ca c c i d e n t si sf o rm o r e i n t u i t i v er e a la n a l y s i sa n dr e c o n s t r u c t i o no fv e h i c l et r a f f i ca c c i d e n t 1 1 1 eb a s i ct h e o r ya n dt h ec o n c r e t er e a l i z a t i o no ft h et h r e e d i m e n s i o n a l r e c o n s t r u c t i o ns y s t e mo fr o a dt r a f f i ca c c i d e n t sa r er e s e a r c h e di nt h et h e s i s a m o n gt h em a n yt y p e so ft r a f f i ca c c i d e n t s ，t h em a i ns t u d i e so f t h ec o l l i s i o no ft w o v e h i c l e so f t h es i m u l a t i o no f t r a f f i ca c c i d e n t sa l es t u d i e d i na c c o r d a n c eo f s i m p l e p h y s i c st h e o r y , t h em e t h o do fc a l c u l a t i n gt h es p e e do ft h ev e h i c l e st h a tb e f o r ea n d a f t e rc o l l i s i o ni sg i v e nf r o mo n e - - d i m e n s i o n a la n dt w o - d i m e n s i o n a lc o l l i s i o n , a n d t h ec o l l i s i o nd e t e c t i o nm o d e la n da l g o r i t h mo ft h ea c c i d e n to ft w oc a r sc o l l i s i o na r e d i s c u s s e d b a s e do nt h ev i r t u a lr e a l i t yt h e o r y , v e h i c l em o d e l so ft h et r a f f i c a c c i d e n t sa r eb u i l tb yt h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r e n em e t h o do f r e a d i n g 、d i s p l a y i n g 、c o n t r o l l i n g t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lt h r o u g ho p e n g l l l 四川师范大学研究生毕业论文 p r o c e d u r ea n dc o n s t r u c t i n gt h et r a f f i ca c c i d e n ts c e n eb a s e do no b j e c tm o d e li s i n v e s t i g a t e d a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fc o m p u t e ra n i m a t i o na n dt h et e c h n o l o g y i no p e n g la n i m a t i o n , t h et h r e e - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o na n i m a t i o ni sr e a l i z e d f i n a l l y , e x p o u n dt h eo v e r a l ld e s i g no ft h es y s t e ms o f t w a r ea n dd e v e l o p m e n t p r o c e s so v e r a l la n di n t r o d u c et h ea p p l i c a t i o no f t h es o f t w a r ei na ni n s t a n c e k e y w o r d s ：v e h i c l ec r a s h ，a c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o n , o p e n g l ，i m p a c tm o d e l i i i 四川师范大学学位论文独创性及 使用授权声明 本人声明：所呈交学位论文，是本人在导师垩金松指导下，独 立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，本论文不含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 本人承诺：已提交的学位论文电子版与论文纸本的内容一致。如因不符而 引起的学术声誉上的损失由本人自负。 本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定： 学校作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在大学拥 有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交印 刷版和电子版学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库供 检索；2 ) 为教学、科研和学术交流目的，学校可以将公开的学位论文或解密 后的学位论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在有关网络上供阅读、浏览。 本人授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权 学位论文作者签名：曼流 签字日期：矽l ) 7 年j 月够日 四川师范大学研究生毕业论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 道路交通事故是一个世界性的社会问题，它已成为国际社会一大公害。随 着我国国民经济、城市规模的快速发展，道路及交通设施日新月异，机动车、 非机动车保有量平均每年以1 5 一2 0 的速度增长，城市节奏日益加快，与这一 切喜人发展相对立，道路交通事故( 特别是重大事故) 每年都呈上升趋势。据公 安部统计，2 0 0 1 年我国共发生7 5 5 万起交通事故，死亡人数为1 0 6 万人。 2 0 0 2 年全国共发生道路交通事故7 7 3 万起，造成1 0 9 万人死亡。2 0 0 3 年全 国共发生道路交通事故1 1j 6 6 7 5 万起，造成l o 4 万人死亡。2 0 0 4 年我国交通 事故死亡人数为1 0 4 万人。2 0 0 5 年，全国共发生道路交通事故4 5 0 2 5 4 起， 造成9 8 7 3 8 人死亡、4 6 9 9 11 人受伤，直接财产损失1 8 8 亿元；2 0 0 6 年，全国 共发生道路交通事故1 2 1 3 7 8 7 1 起，造成8 9 4 5 5 人死亡、4 3 11 3 9 人受伤，直接财 产损失1 4 8 9 5 6 万元。2 0 0 7 年上半年全国共发生道路交通事故1 5 9 万起，造 成3 7 万人死亡、1 8 9 万人死亡，直接财产损失5 4 亿元。2 0 0 8 年，全国共 发生道路交通事故2 6 5 2 0 4 起，造成7 3 4 8 4 人死亡、3 0 4 9 1 9 人受伤，直接财产 损失1 0 1 亿元。 图i - i2 0 0 4 2 0 0 8 年全国交通事故起数和死亡人数 四川师范大学研究生毕业论文 据世界卫生组织统计，世界每年因为交通事故造成的死亡人数达1 2 0 万， 受伤人数达5 0 0 0 万，并且对人员造成的伤害将是永久性的伤害。多年来我国 每年交通事故5 0 万起，因交通事故死亡人数均超过1 0 万人，居世界第一。我 国的道路交通安全形势非常严峻，统计数据表明，每5 分钟就有一人丧身车轮， 每1 分钟都会有一人因为交通事故而伤残。每年因交通事故所造成的经济损失 达数百亿元。可见交通事故已经成为一个严重的社会问题，它不仅给国家和民 众造成严重的经济损失，也给很多家庭带来了痛苦和不幸，影响了社会的安定， 而且破坏了正常的交通秩序，阻碍了交通运输，影响了国民经济的发展。 事故发生后如何客观、科学地分析，找出事故的真正原因，是目前交通管 理部门要解决的主要问题。由于交通事故发生过程在瞬间完成，许多细节无从 知道，极易造成错觉，并且与事故发生息息相关的路面状况、车辆系统、人为 因素千差万别，错综复杂，使得道路安全问题超过了一般人仅凭意识就可以理 解的程度，事故处理不能凭主观臆断。公平、公正、严密的查明交通事故真相， 分析事故原因，认定事故责任，在交通事故处理中显得尤为重要，使用计算机 对交通事故进行辅助分析与模拟已成为现实的需要。 1 2 研究现状 1 2 1 国外研究现状 最早开展汽车碰撞研究的国家是美国。早期汽车碰撞研究的重点是进行各 种条件下的汽车碰撞试验，包括实车试验和模拟碰撞试验。二十世纪六十年代 末、七十年代初，欧美和日本等西方发达国家就交通事故再现进行了大量富有 成效的基础研究工作，包括详尽的道路交通事故调查、模拟实际交通事故的实 车碰撞试验、模型车辆碰撞试验和模拟假人试验等；这些工作对于揭示汽车技 术性能及结构变形特征、碰撞过程中接触部位的相对滑移运动规律、碰撞过程 中的能量吸收特性以及轮胎特性对事故发生的影响、事故当事人心理、生理状 况测试和道路环境的影响因素等做出了极大的贡献；并在这些研究工作的基础 上，应用计算机进行了碰撞事故力学、心理学和生物医学等多学科的综合模拟 分析和图解分析，相继开发出了许多用于碰撞模拟的仿真软件【3 ，4 】，例如美国 国家道路交通安全局( n h t s a ) 的分析软件s m a c 、c r a s h 、e d c r a s h ，德国的a r a m 2 四川师范大学研究生毕业论文 交通事故再现软件、荷兰的m a d y m 0 3 d 分析再现系统等。八十年代以来，事故 再现研究工作开展更为深入，取得了一系列更为巨大的成果。维也纳大学汽车 工程学院n e r m a n ns t e f f a n 博士及其研究小组依据s li b a r a 教授和k u d i i c h h 教授提出的汽车碰撞模型，综合优化设计方法开发出了目前较为成熟的交通事 故再现模拟软件系统p c c r a s h 。该软件近年来升级周期逐渐缩短，占据了很 大的市场份额。这套系统是用于典型交通事故的模拟系统，具备很完善、很强 大的事故再现功能，它的最大特点是排除了传统事故分析鉴定方法中事故鉴定 人员的主观影响，充分发挥计算机强大的计算优势，采取多次反复的优化计算 方法对模拟事故向真实事故逼近，从而取得了既客观又满意的再现结果。 1 2 2 国内研究现状 我国对道路交通事故再现的研究起步较晚，始于上世纪八十年代。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。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。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。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撞交 通事故分析的计算机模拟软件t a r 。同年，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，对汽车碰撞 事故分析有一定的价值。西安公路交通大学还联合日本北海道大学及日本汽车 研究所碰撞实验室共同开发设计了车对车碰撞事故模拟系统。这个系统只需要 根据车辆碰撞位置和停车位置、车体上的碰撞痕迹位置以及驾驶员状态等事故 现场数据就可推导出碰撞车速( 碰撞前瞬时车速) 及事故过程中的车辆举动，而 且还可以在计算机屏幕上生动再现事故的全过程和所需的相关信息【4 】。 近年来国内开展了广泛的研究，并取得了一些重要成果【5 】，然而在实际的 四川师范人学研究生毕业论文 事故分析中，主要根据制动印迹和散落物来分析汽车的碰撞速度，还没有形成 比较科学完善的事故分析和再现理论。西安公路交通大学和吉林大学的科研人 员对汽车碰撞的基本问题和汽车正面碰撞作了系统的阐述与分析，建立了汽车 碰撞事故的碰撞运动、碰撞过程和碰撞后运动的单车运动轨迹模型，建立了汽 车碰撞的弹簧阻尼物理模型，并运用该模型对两车的直角侧面碰撞进行了动力 学分析等。还有清华大学与云南省道路交通管理科学技术研究所合作开发了 “道路交通事故再现分析系统”，长安大学完成了教育部重点项目“道路交通 事故分析与模拟技术研究”，吉林大学交通安全实验室也开发了“道路交通事 故快速分析系统 等。 但是到目前为止，一种理论上比较成熟，实际中也能为人们广泛接受的事 故再现技术尚未形成。从上述各个软件来看，它们大多为了降低分析的难度和 减少对影响因素的考虑而对分析模型进行了较多的简化与假设，导致了模拟结 果与实际情况的偏差较大，造成分析结果的精度降低、适用范围缩小等。今后 的研究重点应该是对目前的简化模型进行修正，更多地综合考虑事故发生的各 种影响因素，采用更精确的优化算法对计算结果进行优化；同时改进目前获取 事故现场数据的方法等。 1 3 本文的研究内容 国外的诸多交通事故模拟软件基本上都需要详细复杂的输入数据，参数种 类繁多，给用户特别是我国用户的使用带来了许多不便。本文基于虚拟现实技 术，结合了现有的软硬件条件，研究了道路交通事故三维再现系统的理论基础 与编程实现，具体主要包括以下研究内容： ( 1 ) 在众多交通事故的类型中，重点研究了两车碰撞事故类型的一维和二 维的物理学模型和数学模型，以及速度的反推计算方法。 ( 2 ) 研究了进行三维再现仿真系统开发的关键技术。这部分首先对 o p e n g l 进行了简介，然后以建立三维场景和控制三维模型实现三维仿真动画 为主线，讨论了在三维再现仿真系统开发中用到的关键技术和技巧。 ( 3 ) 利用专业建模软件3 d s u t d i o m a x 构建了道路交通事故中各元素的三 维模型，并在已知3 d s 文件格式的基础上，研究并实现了模拟系统对3 d s 三维 4 四j l l ! l $ 范大学研究生毕业论文 模型的调用与控制。 ( 4 ) 在上述研究结果的基础上开发道路交通事故三维再现系统，该软件具 有界面友好、操作简便等特点，并且能够用于交通事故的初步分析。 1 4 论文的组织 论文正文分为五章，主要介绍了道路交通事故三维再现系统的理论基础与 实现方法，对系统中各个模块均作了详细的说明。 第一章，绪论，介绍了本文研究的课题背景，国内外的研究情况，以及本 文的研究内容和论文的具体结构。 第二章，汽车碰撞事故模拟，介绍了道路交通事故三维再现系统所涉及的 理论基础。本章重点研究了两车碰撞事故的动力学基础与数学模型，将两车碰 撞归为两种模型，并研究了这两种模型的碰撞检测算法以及在进行事故模拟时 所涉及到的参数。 第三章，三维再现仿真关键技术，介绍了在道路交通事故三维再现系统开 发中建立三维仿真场景、设置观察点、显示与控制三维模型等的关键技术和技 巧。这是进行三维再现系统开发的基础。 第四章，道路交通事故三维再现系统的设计和开发，本章首先介绍了系统 的开发环境、总体的结构和设计；然后介绍了3 d s 文件的具体结构，并探讨了 在三维仿真系统中调用第三方建模软件3 d s u t d o i m a x 所建立的三维模型的方 法，给出了3 d s 模型调用的程序实现； 第五章，总结了本文所做的工作， 最后给出了应用该软件的例子。 提出了进一步研究的方向。 四川师范大学研究生毕业论文 第二章汽车碰撞事故模型 汽车碰撞事故包括单车碰撞和两车碰撞( 或多车碰撞) ，但实际事故中最普 遍的是两车碰撞。从一定角度来说多车碰撞可以分解为多起两车碰撞来进行分 析，所以重点是对两车的碰撞问题进行分析，并在对汽车碰撞事故进行力学分 析的基础上，建立汽车碰撞事故的力学模型，进而推导其数学模型。汽车间的 碰撞按车辆碰撞前后的运动方向考虑主要分为一维碰撞和二维碰撞，接下来本 章就从这两方面来介绍汽车碰撞模型的建立、碰撞检测原理以及事故模拟涉及 的参数。 2 1 碰撞基本理论 在道路交通事故三维再现系统中，最重要的部分就是对系统读入的三维模 型进行运动控制来模拟交通事故的发生过程。 当车辆在虚拟环境中运动时，要产生真实的两车碰撞场景，必须对参与碰 撞的车辆进行实时的碰撞检测和响应。当两车发生碰撞时，车辆应对碰撞作出 相应的响应，如运动状态发生改变、车体发生形变等，而不是相互穿过。碰撞 检测是通过大量的多边形进行求交运算来实现的，如果一味的要求精度将会影 响实时性。为达到实时的效果，要求在一定检测精度的前提下尽量地提高碰撞 检测的速度，不应该过分的要求准确性而影响图形绘制的速度和质量。 在两车发生碰撞后，车辆的运动状态将发生改变，其碰撞之后的运动状态 与两车发生碰撞之前的速度、质量有关。本文所研究的两车碰撞模型将忽略两 车碰撞后车辆形体发生的变化以及车辆翻车等情况，根据基本的动力学理论对 车辆碰撞前后的运动情况进行模拟。 2 1 1 碰撞过程分类 车辆的碰撞过程常因碰撞的条件不同而产生不同的结果，在一般碰撞行为 中，从两车初始接触到车辆彼此分开，是在极短的时间内完成的，甚至在极短 的时间内完成数次连续的碰撞，这一瞬间碰撞使车辆内在的动量、动能发生极 大的变化，具体表现为行驶速度、运行轨迹、车体的毁损与地面的刮擦等。为 了对车辆的碰撞过程做深入的了解，需要对车辆的碰撞过程进行阶段分割，即 6 四川师范大学研究生毕业论文 碰撞前过程、碰撞过程、碰撞后过程【6 j ，各阶段详细阐述如下： ( 1 ) 碰撞前过程( p r e c r a s hp h a s e )碰撞前过程表现为驾驶员察觉危险开 始到两车刚接触。车辆在碰撞前通常是依照交通规则在道路上正常行驶，事故 发生后当事人通常都是如此陈述。但事故的发生必有其因，在碰撞之前必有一 个或一个以上的肇事原因发生，直接或间接的导致事故发生，这也是事故重建 和原因分析者急于想了解的重点。 ( 2 ) 碰撞过程( c r a s hp h a s e )碰撞过程表现为车与车开始接触瞬间到脱 离接触瞬间的时间历程，该过程又称为直接碰撞过程。此时车辆由碰撞瞬间的 碰撞初速度，变成碰撞结束瞬间的碰撞后速度。绝大多数情况下，碰撞过程的 时间在1 5 0 m s 以内，而在0 5 0 m s 期间车辆横摆角速度、横摆角都几乎没有变化。 因此，在讨论与碰撞变形有关的内容是常以碰撞接触后5 0 1 5 0 m s 的时间段作为 研究时域。 ( 3 ) 碰撞后过程( p o s t c r a s hp h a s e )碰撞后过程表现为车与车脱离接 触瞬间到车辆各自“自由”运动到最后停止位置的时间历程。主要描述车辆发 生碰撞后的状态，此时车辆以碰撞后的速度，运动至最后的停止位置。在此阶 段中，由于碰撞事故可能使驾驶员受惊吓而不知所措、昏迷、甚至死亡，车辆 的运动会失去控制。此外，车辆在碰撞时车体要变形，轮胎的旋转也受到约束， 这时的运动也会发生较大的变化。因此，此阶段事故车辆的运动为“非正常行 驶 运动，具有运动状态变化剧烈、车轮侧偏角很大等特点，车辆的运动是相 当复杂的，车辆不仅要做平移运动，还要做转动运动，甚至会发生翻车、坠车 等三维运动。另外也有可能出现车辆的第二次碰撞或事故车辆又与其它固定物 发生碰撞的现象。 2 1 2 刚体碰撞 汽车碰撞后，车体的损坏部位是局部的，大部分车体仍完好无损，碰撞能 量损失仅限于车体的变形部位，碰撞能量损失较小，忽略这部分能量损失，则 汽车的碰撞过程可以刚体化。试验表明，汽车的正面低速碰撞可简化为刚体碰 撞【刀。汽车的刚体碰撞遵循动量和能量守恒，对于汽车的一维碰撞有： 7 四川师范人学研究生毕业论文 则有： 于是： ，确m o + 朋2 屹o = ，+ 聊2 v 2 ( 2 1 ) 昙v l 。2 + 昙，吃v 2 。2 ：1 2 (22)2 m 2 v 2 虿v l o + 互7 吃v 2 0 2 + ( 2 2 ) m = v l 。一磊m 2 z ( 7 r i o _ v 2 。) ( 2 3 ) m = v l o 一瓦幻 o j ( 2 3 屹嘞+ 最( ”) v l = v l 。一v l = 瓦m 十2 小，( v 1 。一) 狞ktf r 1 。 ( 2 4 ) ( 2 5 ) v 2 = v 2 0 v 22 焘( v 2 0 飞) ( 2 6 ) u m 2 = 一 a v 2确 ( 2 7 ) 式中：m 1 、m 2 、v l o 、v 2 0 、v 1 、v 2 、m 、v 依次为汽车1 和汽车2 的质量、碰撞前速度、碰撞后速度和碰撞前后的速度变化。 减速度是造成人体伤害度( m a i s ) 的原刚7 。图2 1 是碰撞前后速度变化与 人体伤害度的关系。根据式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) ，汽车的碰撞伤害程度与汽车质量 成反比，与碰撞前两车相对速度成正比，与汽车碰撞前速度无关。图2 - 2 是汽 车质量与碰撞前后速度变化的关系。根据式( 2 7 ) ，碰撞汽车的伤害程度与该 车质量成反比，从而解释了碰撞中小质量的汽车受伤较重的原因。 8 四j i n 范大学研究生毕业论文 昌 叠 缁 瓣 避 碰撞前速度变化vc a m h ) 图2 1碰撞前速度变化与伤害度的关系 l l o l ； o o o y - - - - o o l6 7 x - , 6 1 ，3 0 0 01 , 5 0 02 舢 汽车质量i l l ( k e ) 图2 2 汽车质量和碰撞前车速变化的关系 9 蔫 。 -p-itl-tllf。rlllrlillilp-_-itpi。lllr-itlk-l芘 一吕d净甚斟毯锻寝颦东 四川师范人学研究生毕业论文 2 1 3 塑性碰撞 汽车碰撞以后，若车辆间无相对运动，汽车碰撞可近似看作塑性碰撞。试 验表明，当汽车以很高的速度碰撞时，碰撞可被认为是塑性碰撞【7 1 。塑性碰撞 中出现能量损失，式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 可改写为： 确v l o + = 嘲m + v 2 ( 2 8 ) 昙铂m 。2 + 一 。2 ：12 + 丢v 2 2 + e (29)2 m 2 v 2m l v l 互7 m o + o 2 + 互v 2 + e 2 9 汽车塑性碰撞后，两车的速度相等，所以式( 2 8 ) 可改写为： 则有： 同理有： 铂u o + v 2 0 = ( + ) k ( 2 1 0 ) k 2 紫 v l i = m 。一k = - m 2 ( 丙v l o - v 2 0 ) ( 2 1 1 ) 屹= m 。一v ：= ! 1 5 睾云丢尘 c 2 1 3 ， m m 2 v 2 ， e = 互1 。v u 2 互1m ：屹。2 一三聊。h 2 一三耽2 v 2 2 1mlm2(v12。一v 2 0 ) 2 m ，7 1 _ r， u z u ， 1 0 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 四川师范大学研究生毕业论文 式中：v c 为两车的共同速度 e 为能量损失 对汽车塑性碰撞，根据式( 2 1 2 ) 和式( 2 1 3 ) ，汽车碰撞伤害程度与汽车质 量成反比，与碰撞前两车相对速度成正比，与汽车碰撞前速度无关。根据式 ( 2 1 4 ) ，碰撞汽车的伤害度与该车质量成反比。根据( 2 1 5 ) ，塑性碰撞能量 损失与碰撞汽车质量成反比，与碰撞前两车的相对速度的平方成正比。 2 1 4 弹塑性碰撞 在汽车碰撞的过程中，车体出现弹性变形和塑性变形，因此汽车碰撞被普 遍简化为刚体碰撞或塑性碰撞会加大分析的误型7 】。所以考虑到碰撞中弹性变 形和塑性变形，汽车碰撞被认为是弹塑性碰撞较为合理。为了区别汽车碰撞的 性质，引入了恢复系数e ，指汽车碰撞分离时的相对速度与碰撞前接近时的相 对速度的比。 对于汽车一维碰撞有： 一场一巧e= - 一 v , o v 2 0 ( 2 1 6 ) 当e = l 时，汽车碰撞为刚体碰撞；当e = o 时，汽车碰撞为塑性碰撞；对于 更多的汽车碰撞，o e l ，即汽车碰撞属于弹塑性碰撞。e 可体现碰撞过程中 碰撞能的损失大小，e 越小，碰撞能量损失越大；反之，碰撞能量损失越小。 联立式( 2 8 ) 、式( 2 9 ) 和式( 2 1 6 ) 得： m 砜一焘( 1 + p ) ( 驴屹。) ( 2 1 7 ) 屹嘞+ 焘( 1 + p ) ( ”) ( 2 1 8 ) 四川师范大学研究生毕业论文 同理有： m = v l o - v l2 焘( 1 + p ) ( ”v 2 0 ) ( 2 1 9 ) v 2 = v 2 0 v 22 焘( 1 + p ) ( v 2 0 - m 。) ( 2 2 0 ) 坐= 一m 2 v 2确 当e = o 时，式( 2 1 7 ) 和式( 2 1 8 ) 与塑性碰撞的式( 2 1 2 ) 和式( 2 1 3 ) 相同； 当e - - - - 1 时，它们与汽车刚体碰撞的一致，由此可看出刚体碰撞和塑性碰撞是弹 塑性碰撞的特例；影响汽车碰撞后速度的因素有汽车质量、恢复系数和汽车碰 撞前速度。 同理，据式( 2 1 9 ) 和式( 2 2 0 ) ，汽车碰撞伤害度与汽车质量成反比，与汽 车碰撞前相对速度成正比，与恢复系数成正比，与汽车碰撞前速度无关。 弹塑性碰撞的能量损失为： e = 芝1 v 。u 2 + 1 2m 2 v 2 。2 一三聊，h 2 一丢聊2 屹2 2 互1 而m l m 2 ( ，一p 2 ) ( 啊。一谢 ( 2 2 1 ) 2 2 一维碰撞模型 一维碰撞是指车辆的碰撞速度矢量问的夹角不大于1 0 度的汽车碰撞引。典 型的汽车一维碰撞有迎面正碰和追尾正碰。严格的讲，汽车一维碰撞是指汽车 沿汽车纵轴线发生碰撞且车体的变形和运动也沿着纵轴方向的碰撞。一维直线 碰撞，也叫对心正碰撞。碰撞前后两车质心的运动始终保持在同一直线上，只 1 2 四川师范大学研究生毕业论文 要用一个坐标轴就能描述两车的运动状态，故称为一维直线碰撞。一维直线碰 撞中又可分为两种： ( 1 ) 正面碰撞碰撞前两车速度的方向相反，形成面对面的碰撞。 ( 2 ) 追尾碰撞碰撞前两车速度的方向相同。因为后车速度快，追上前 车，后车的头部碰上前车的尾部。 、 2 2 1 迎面正碰及数学模型 迎面正碰是汽车碰撞前速度矢量相反的一维碰撞。同型号汽车迎面正碰可 与汽车对固定壁碰撞等价f 9 】。汽车迎面正碰速度小的碰撞为刚体碰撞，碰撞速 度大的碰撞为塑性碰撞。刚体碰撞、塑性碰撞以及弹塑性碰撞一定条件下也适 用于迎面正碰。 一般的迎面正碰遵循弹塑性碰撞规律。在汽车正面的交通事故中，因伴随 有人身的伤亡和车体的塑性变形，所以必须了解车身变形与碰撞速度的关系。 根据轿车碰撞试验，表明迎面正碰中汽车的塑性变形与汽车有效碰撞速度有 关。车身塑性变形量x ( 凹损部下陷的深度) 与有效碰撞速度的关系，如图2 3 f l o 】 所示。 1 o 眙 蚤0 6 谈0 4 制 掣0 2 爨 o 图2 3 有效碰撞速度与塑性变形量的关系 四川师范人学研究生毕业论文 对此有经验公式【1 0 l 表示为： x = 0 0 0 9 5 v 。 v 。= 1 0 5 3 x ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 图2 4 是轿车碰撞速度与恢复系数的关系。用数学式表示为： e = 0 5 7 4 e x p ( 一0 0 3 9 6 v 。) ( 2 2 4 ) 联立式( 2 2 2 ) 和式( 2 2 4 ) 得n - e = 0 5 7 4 e x p ( 一4 1 6 8 x ) ( 2 2 5 ) 式中：x 为汽车的变形量 v e 为有效碰撞速度 0 4 0 2 0 1 9o 0 8 0 0 6 1 唾0 0 4 斌 蛙00 2 0 0 1 02 0 4 0 l 宥效碰擅速度v c ( 】) 图2 - 4 有效碰撞速度与恢复系数的关系 塑性变形量的确定方法，如图2 5 所示。有效碰撞速度指碰撞前速度相碰 撞中两车速度相同那时刻速度的变化量。有效碰撞速度越高，恢复系数越小， 碰撞越激烈，越接近塑性变形。在有乘员伤亡的事故中，一般可按塑性变形 ( e = o 1 ) 处理。 1 4 四川师范大学研究生毕业论文 a ) x - - x l + z x 2 - 蛳= 击半2y o 图2 5 塑性变形量的确定方法 因此可以用塑性变形与有效碰撞速度的经验公式反推碰撞前速度。两车相 互接触时，由于v 。和v 速度不同便相互压缩变形，使两车速度越来越接近。当 变形达到最大时，两车具有相同的速度v c ，根据变形阶段的动量守恒得到： 共同速度为： 铂m o + ，龟= ( 铂+ ，咒2 ) v 0 u ：刍兰q 竺2 塾 。 铂+ ，他 ( 2 2 6 ) 有了碰撞末的共同速度v 。，则可求出在变形阶段内两车速度的变化，即有 效碰撞速度分别为： 屹l = v l o 心= = ! 兰= - ( 。一屹。) ( 2 2 7 ) 屹l = 一心= 高【o 一屹o j ( 2 ) v 2 = 一= l ( m o v 2 。) ( 2 2 8 ) k 22 一2 上m 【m o v 2 0 j 2l+m2 碰撞后汽车的剩余动能，要有轮胎和路面的摩擦做功来消耗，其表达式为 四川师范大学研究生毕业论文 同理， 互1 v 1 2 = 仍，z l g 乙毛 m = 正磊丽 ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) 式中：m 。、m 2 a 车和b 车的质量，k g ； 仍、仍a 车和b 车滑移时的纵滑附着系数； l 。、l ：a 车和b 车碰撞后的滑移距离，m ； k 。、k 。附着系数的修正值，全轮制动时k = l ；只有前轮和后轮 制动时，k 的取值视汽车形式而定；对于发动机前置前驱动的轿车在良好 路面制动，k l = 0 6 - _ o 7 ，k 2 = 0 2 珈3 。 这样有了以上一系列的公式，在汽车正面碰撞的事故现场，只要能准确测 量出汽车变形量和碰撞后汽车滑移距离，即可迅速地计算出碰撞前a 车和b 车的速度。这种计算方法也基本适用于计算前置式发动机的轻型载货汽车的碰 撞速度。 由以上分析可以得出用塑性变形量和有效碰撞速度的经验公式反推碰撞 前车速的数学模型： 1 ) 由滑行距离l 。和l ：得出碰撞后的速度v 。和v ：； 2 ) 用塑性形变x 求出有效碰撞速度v 。，和r e 2 3 ) 再根据动量守恒定律和有效碰撞速度与碰撞前速度的关系方程求解出 碰撞前的速度v ，。和v 舯。 图2 - 6 是估算迎面正碰碰前速度的流程图。 1 6 四川师范人学研究生毕业论文 根据汽车碰后滑移距离l 求得 根据车体变形量x 求得 碰撞后的速度 有效碰撞速度 m = 2 仍g 厶毛 v e l = 1 0 5 3 x 1 巧= q 2 q ) e g l 2 k 2 v e 2 = 1 0 5 3 x 2 上 根据以t ；h - 程组求解汽车碰撞前速度v l o 和v 2 0 ，v i o + m 2 v 2 02 确v l + m e v 蔓 现+ ，咒，、一，( v l 。一屹。) 或者 ，z i + ，卵，、一h 聊，( v l 。一v 2 。) 1 l v l o 、v 2 0 图2 6 估算迎面正碰碰前速度流程图 2 2 2 追尾碰撞及数学模型 追尾碰撞又称为尾撞，其特征为汽车碰撞前速度方向一致，它同正面碰撞 一样，也是属于一维碰撞。在一定条件下，刚体、塑性以及弹塑性碰撞模型也 适用于追尾碰撞。因此，正面碰撞方程式也适用于追尾碰撞。但追尾碰撞有如 下特点： ( 1 ) 被撞车认知的时间较晚，很少采取回避的措施。因此，追尾碰撞中的 斜碰撞较少，碰撞现象与正面碰撞相比，比较单纯。 ( 2 ) 恢复系数比正面碰撞小得多，因为汽车前部装有发动机，刚度高，而 车身后部( 指轿车) 是空腔，刚度低。追尾碰撞变形主要是被撞车的后部，故恢 复系数比正面碰撞小得多。 四川师范人学研究生毕业论文 当有效碰撞速度达到2 0k m h 以上时，恢复系数近似为零，所以碰撞是相 当激烈的，这种情况下，碰撞后两车粘在一起成一体继续运动，图2 - 7 t 1 0 1 是实 车追尾相撞试验时测出的。碰撞后被追尾汽车的车轮一般处于自由转动状态， 追尾汽车的车轮处于制动抱死状态。 ) 暇 砥 蠼 0 6 0 4 o 2 0 2 04 06 08 01 0 0 有效碰撞速魔v e ( 邛池) 图2 - i 追尾碰撞有效速度和恢复系数的关系 因为碰撞后两车一起共同运动，所以有： k 2 背m 舰十， 上式中：v 。为碰撞后两车的共同速度( m s ) m 。为追尾汽车的质量，m 2 为被追尾汽车的质量 。另外，被撞车因为没有采取制动，碰撞后两车的运动能量几乎由碰撞车的 轮胎和地面摩擦来消耗，其计算式为： 四川师范人学研究生毕业论文 ( 铂+ ) k = 铂m o + m 2 h o 三( 确+ ) k 2 = 仍铂g 厶毛 ( 2 3 1 ) 式中：m 。、m 2 碰撞车和被碰撞车的质量，k g ； 鲲碰撞车的轮胎与路面的纵滑附着系数； l ，碰撞车碰撞后的滑移距离，m ； k 。附着系数的修正值； v c 碰撞后两车的速度，m s 。 由( 2 3 1 ) 可得： 哆2 ( 2 3 2 ) 如果考虑碰撞车停止后，被撞车与碰撞车分开，继续向前滚动也会消耗一 部分能量，则得： 三( 铂+ ) k 2 = 仍，2 l g 厶盔+ 石鸥( 2 3 3 ) 式中：f 2 被碰撞车的滚动阻力系数； l 2 与碰撞车分开后，被碰撞车的滚动滑行距离，单位为m 。 由( 2 3 3 ) 可得： 屹2 ( 2 3 4 ) 在尾撞事故中，如果是同型车，则碰撞车的减速度等于被碰撞车的加速度， 如果不是同型车则与质量成反比。碰撞车前部变形很小，而被碰撞车的后部有 较大的变形，故尾撞事故中的机械损失应等于被碰撞车后部的变形能。根据式 ( 2 2 1 ) 得： 1 9 四川师范大学研究生毕业论文 圭i m lt l m 小22 ( ，一p 2 ) ( _ 。一吃。) 2 = 聊：口z 屯 ( 2 3 5 ) 式中：a 2 被撞车的加速度，m s 2 。 x 。被撞车的车体最大变形量，m ； m 2 a ：塑性变形时的反作用力，其值取决于变形速度。 在塑性碰撞中e = 0 ，固由上式可得： 丢瓦m 帆l m 2 、 v 2 0 ) 2 = 吃而 ( 2 3 6 ) 根据被碰撞车的有效速度( 2 2 8 ) ，可将上式转化为： ( 2 3 7 ) 对于同型车m 。= m 2 ，则有： k 2 2 = a 2 x 2 ( 2 3 8 ) 在同型车尾撞碰撞中，v 。( 被碰撞车的有效碰撞速度) 和x 2 ( 被碰撞车的变 形量) 的关系见图2 - 8 10 1 。该图是在碰撞实验中，用高速摄影直接记录和用加 速度计测量计算的结果一致的。 四川i 师范人学研究生毕业论文 塑 性 变 形 量 而 神 01 02 0 弼 4 0 有效磋擅速度味b 啦 图2 - 8 有效速度和塑性变形量的关系 当有效碰撞速度v 以 3 2k m h 时，表达式为： 屹2 = 1 7 9 x 2 + 4 6 ( 2 3 9 ) 当速度较高时，因车尾后部空腔己被压扁，变形触及到刚性很强的后轴部 分，故随有效碰撞速度的增加，变形并没有多大的增加，如图2 - 8 部分的虚线 所示。 若两台车的质量不同，由式( 2 3 7 ) 和式( 2 3 8 ) 可知，采用等价变形量 2 r x o ( 铂+ ) ( x t 为被碰撞车的原始变形量) 代替式( 2 3 9 ) 中的x z 即可。 综上所述，在追尾碰撞时，可以通过被碰撞车车身的变形量推算被碰撞汽 车的有效碰撞速度v 。：，同时结合汽车的滑移距离可以推