（光学工程专业论文）交通事故车速再现方法研究.pdf

国内图书分类号：u461.91 学校代码：10213 国际图书分类号：629 密级：公开 工程硕士学位论文工程硕士学位论文 交通事故车速再现方法研究 硕 士 研 究 生 ： ：隋 波 导 师 ： 赵桂范 教授 申请学位 ： 工程硕士 学科 ： 车辆工程 所 在 单 位 ： 汽车工程学院 答 辩 日 期 ： 2012 年 7 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 classified index：u461.91 university code: 10213 u.d.c：629 security: open dissertation for the masters degree in engineering research on the traffic accidents vehicle-speed reproduction methods candidate： sui bo supervisor： prof. zhao guifan academic degree applied for： master of engineering speciality： vehicle engineering affiliation： school of automobile date of defence： july, 2012 degree-conferring-institution： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 i 摘 要 随着汽车的出现，交通事故也如影随行。一起交通事故的危害不仅仅是让人 们的生命财产受到直接的威胁，更加重要的是，它会影响一代人甚至几代人的身 心健康发展。由于交通事故发生的形态纷繁复杂，交通事故再现工作涉及多方面 的问题，其中最关键也是最复杂的工作就是交通事故车速的再现分析。 本文首先介绍了交通事故车速再现工作中涉及到的主要的基础理论，主要包 括：能量守恒定律、动量守恒定律、有效碰撞速度、摩擦系数、车身塑性变形量 和制动协调时间等，并对各自在车速再现研究中的应用进行了详细的阐述。 其次，由于四轮车参与的交通事故占绝大多数，故本文主要归纳总结了有关 四轮车与四轮车事故、四轮车与二轮车事故、四轮车与行人事故的车速再现方法。 以本人在哈工大汽车安全实验室中 2 年的项目经历以及汽车安全专家的相关经验 为基础，辅以大量的实际案例，根据各个事故类型的特点建立不同的数学模型， 针对上述不同的交通事故类型分别提出了不同于以往的车速再现方法。 最后，将各个事故类型的几种车速再现方法进行横向对比分析，指出每一种 车速再现方法的适用范围以及实际应用中需要注意的事项，以获得准确度、可信 度均最高的车速再现方法。 本文通过对四轮车参与的各种交通事故类型的特点进行深入的研究，归纳出 了一套可信度更高、实用性更强的车速再现方法。同时指出了各个方法的适用范 围，为交通事故车速再现方法的研究分析提供了参考价值。 关键词：交通事故；车速再现方法；数学模型；方法对比分析 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 ii abstract with the advent of the automobile, road traffic accidents are also lurking as a shadow. the hazards of road traffic accidents are not just to make peoples lives and property under direct threat. more important, it will affect the physical and mental health for a generation or even several generations. traffic accident reconstruction works involve a wide range of issues, and one of the most critical and complex work is the reconstruction and analysis of vehicle speed. main theoretical basis, which included the law of conservation of energy, the law of conservation of momentum, the effective collision speed, coefficient of friction, body plastic deformation and so on were introduced in the paper. meanwhile, their applications in the speed reproduction study have been described in detail. secondly, since the four-wheeled cars accidents accounted for the vast majority of traffic accidents, the speed reproduction methods about four-wheeled car and four-wheeled car accident, four-wheeled car and two-wheeled vehicle accidents, four-wheeled car and pedestrian accidents were summarized. based on my 2 years of project experience in the hit at weihai automotive safety laboratory and many real cases, accroding to different characteristics of various types of accidents, different mathematical models and innovative speed reproduction methods were proposed in the paper. finally, several speed reproduction methods for every type of traffic accidents were compared and analyzed in the paper, and the range of their applications and related points for attention in practical applications were also suggested in order to obtain high accuracy and credibility for speed reproduction. through in-depth studies of the characteristics of the four-wheeled cars involved traffic accidents, summed up more reliable and practical speed reproduction methods were summed up in the paper. and the scope of application of various methods which has provided reference value for traffic accident speed reproduction was also pointed out. keywords: traffic accident, speed reproduction method, mathematical model, method comparison and analysis 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 iii 目 录 摘 要 i abstract ii 第 1 章 绪 论 1 1.1 研究目的和意义 1 1.2 国内外研究现状 3 1.2.1 国外研究现状 4 1.2.2 国内研究现状 4 1.3 课题主要研究内容 5 第 2 章 交通事故车速再现理论基础 7 2.1 能量守恒定律及其应用 7 2.2 动量守恒定律及其应用 7 2.3 摩擦系数及其应用 7 2.4 有效碰撞速度及其应用 10 2.5 车身塑性变形量及其应用 10 2.6 制动协调时间及其应用 12 2.7 本章小结 14 第 3 章 四轮车与四轮车车速再现方法研究 15 3.1 动量能量守恒分析法 15 3.2 有限元分析法 18 3.3 录像信息处理法 21 3.4 案例分析 22 3.5 车速再现方法对比分析 26 3.6 本章小结 26 第 4 章 四轮车与二轮车车速再现方法研究 27 4.1 动量能量守恒分析法 28 4.1.1 二轮车正面与四轮车侧面碰撞车速分析 28 4.1.2 二轮车侧面与四轮车正面碰撞车速分析 29 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 iv 4.1.3 四轮车与自行车追尾碰撞车速分析 32 4.2 路面痕迹分析法 34 4.3 经验公式法 35 4.4 案例分析 36 4.5 车速再现方法对比分析 39 4.6 本章小结 40 第 5 章 四轮车与行人车速再现方法研究 41 5.1 碰撞点分析法 41 5.2 路面痕迹分析法 42 5.3 行人抛体三段运动分析法 43 5.4 玻璃碎片抛物运动分析法 44 5.5 经验公式法 45 5.6 运动学原理法 45 5.7 pc-crash 仿真分析法 47 5.8 案例分析 49 5.9 车速再现方法对比分析 53 5.10 本章小结 54 结 论 55 参考文献 56 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 59 致 谢 60 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 1 第1章 绪 论 1.1 研究目的和意义 1886 年 1 月 29 日，世界上第一辆汽车诞生于当时的工业大国：德国。自此， 汽车以其所具有的绝对优势在世界范围内得到迅速推广与普及。这也本是无可厚 非的，因为汽车的出现确实带给了大家非常多的便利，它缩短了人与人之间的物 理距离，节省了出行时间1。自 2000 年开始，汽车开始大量涌入中国家庭。图 1-1 列出了 2004 年至 2010 年我国机动车保有量的走势。由图 1-1 可看出，在过去的 7 年中，我国机动车保有量均是逐年递增，并且在 2010 年已经突破了 2.07 亿辆2， 较 2009 年增长 10.98%。 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 21000 机动车保有量/万辆 2004200520062007200820092010 年份 图 1-1 我国历年机动车保有量（2004-2010） 汽车给人们的日常工作、出行等均带来了无法比拟的快捷与方便。如今，随 着社会经济的快速发展、人民生活水平的普遍提高，汽车往往也成为了人们个性 的象征以及个人主动性的延伸。 然而，汽车在带给人们无数的便利与快捷的同时，也给人们带来了巨大的痛 苦与灾难交通事故。1899 年 8 月，在英国伦敦的海德公园里，一位名叫 risco 的妇人与家人在水晶宫的游览路线上游玩时，被一辆狂奔而来的汽车撞倒在地也 因此而失去了自己宝贵的性命，成为了历史上交通事故的第一位死亡者。表 1-1 列出了 2005 年至 2011 年我国交通事故三项评价指标。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 2 表 1-1 2005 年-2011 年交通事故三项评价指标 年份 2005 年 2006 年 2007 年 2008 年 2009 年 2010 年 2011 年 事故数量 45.1 万 37.9 万 32.7 万 26.5 万 23.8 万 21.9 万 21.1 万 死亡人数 9.87 万 8.9 万 8.2 万 7.3 万 6.8 万 6.5 万 6.2 万 财产损失 18.8 亿 14.9 亿 12 亿 10.1 亿 9.1 亿 9.3 亿 9.1 亿 由表 1-1 可知，我国自 2005 年至 2011 年短短 7 年间，因交通事故而导致的直 接财产损失已达 85 亿多，而交通事故的危害远远不止物质方面这些。它带给人们 的精神损失及伤害是不能也无法量化的，它甚至会影响几代人的精神健康。 交通事故其以下两大特点更是让人们对于交通事故的发生所带来的危害扼腕 叹息： （1）可避免性可避免性 在交通事故系统中，人作为其中唯一的认识主体，当发生 事故时，驾驶者主体抑或行人主体就是导致车祸发生的最主要原因。在被认识客 体不能被改变的条件下，驾驶者主体或者行人主体在行车中的行为以及意识则成 为事故发生的关键。当认识主体对于外部被认识客体有足够的了解，并且自身素 质及安全意识都较高时，交通事故是可以避免的。 （2）不可逆性不可逆性 交通事故一旦发生，整个事故发生的形态及过程便不能够 再被重复亦不可被追回，所造成的财产损失以及生命威胁亦不能再次追回。 现如今，随着人们的法律意识不断提高、在对自己的权利与义务更加明确的 情形下，事故当事人及其家属要求对事故责任的认定以及裁断更具科学性、更有 说服力，而不仅仅是传统意义上的公安机关凭借主观询问等方式来获取对交通事 故的处理。 为此，我国立法部门不断出台一系列关于交通安全相关法规以期致力于减少 交通事故数量、更大程度维护人民财产利益、保障人民生命安全。我国于 2004 年 5 月 1 号正式颁布实施的中华人民共和国道路交通安全法全面规范了交通活动 参与者的各项权利及义务，该部法律的实施切实体现了国家对于规范化治理交通 事故的迫切需要。 目前，交通事故责任认定中遇到的最大难题就是事故车辆的行驶速度鉴定3。 车辆行驶速度再现的难度在于交通事故不是某一单方面因素导致，而是多因素耦 合形成的一种恶性现象，故在交通事故车速再现分析的工作中不仅运用到理论力 学、材料力学、生物医学，也需要运用到关于社会人类的行为学、心理学等相关 方面的知识。同时，交通事故发生的瞬时形态千变万化，事故发生后现场遗留信 息又相对有限，导致车辆行驶速度再现工作比较无从下手。 交通事故车速的精确再现一方面保证了事故当事人及其家属的合法权利及义 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 3 务，另一方面也为社会稳定发展做出了巨大贡献。从微观方面来说，车速的准确 鉴定及再现能够对某一路段的设计参数及该路段限速值提供合理的论据。对于从 道路上改善我国交通安全以及基础设施建设方面有巨大的推进作用4。 从宏观方面 而言，交通事故车速的科学鉴定促使汽车生产厂商提高其被动安全系统使用的有 效性，比如安全带与安全气囊的配合使用方面。 1.2 国内外研究现状 交通事故车速再现分析的历史可以追溯到 20 世纪 30 年代，当时作为工业大 国同时也是汽车生产制造大国的美国最早认识到交通安全的重要性5。 交通事故再 现工程发展到现在已经有 80 余年，国外的车速再现分析技术已经趋于成熟。在德 国，行车速度鉴定已经成为一种职业存在，持有司法鉴定资格的鉴定人员为数不 少。自 20 世纪 30 年代欧洲国家率先进行实车碰撞试验以实现对交通事故再现工 作6，经过多年来各立法机关以及鉴定人员等的不懈努力，各个国家在车速分析鉴 定方面均有了很大的发展。总结起来，目前国内外主要的用于交通事故再现的研 究针对了以下几方面进行： （1）实车碰撞）实车碰撞实验实验法法 即通常所说的：正推法。所谓实车碰撞试验指的是 在固定的试验场地，安排现实中的车辆进行碰撞模拟试验。该方法对于交通事故 的再现有最直接的参考价值及使用价值7。虽然有可观的使用价值，但是耗费的资 源巨大，大量的实验车辆一经毁坏便不可再被利用。况且针对时刻发展的道路情 况、不同的汽车类型来说，依靠实车碰撞试验是不可取的。 （2）理论分析法）理论分析法 即：反推法。该方法根据事故现场采集的数据，利用运 动物理学相关定理：动量守恒定律，能量守恒定律、抛物定理、动能定理等反推 各种形态的交通事故发生时的状态。该方法操作简便，在实际应用中得到广泛普 及。 （3）经验公式法）经验公式法 该方法是对理论分析法的一种辅助补充，它是基于大量 实车碰撞试验以及实际案例，利用线性回归或者非线性回归方法总结出一系列的 经验公式8。这些经验公式通常适用于一般的典型案例的分析，在国外开展此项研 究的较多，并获得了一定的成效。 （4）计算机仿真模拟法）计算机仿真模拟法 随着计算机技术的发展，利用计算机软件进行的 车速模拟仿真已经成为一种趋势。如今，计算机仿真软件主要分为两类：刚体运 动学软件和有限元分析软件。 刚体运动学方面有代表性的软件有 mvma 2d、 cal 3d、madymo 等9。其中 madymo 应用范围最广，计算较准确。有限元分析 软件包括：ls-dyna、pam-crash 以及 pc-crash。该类型软件通过精确描述 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 4 车身结构变形情况来计算行驶车速，不失为比较科学和完善的计算方式。 1.2.1 国外研究现状 由于开展实车碰撞试验需要大量的资金，所以在该方面进行的车速鉴定分析 工作的先锋自然是当时经济发达的工业大国：美国。20 世纪 30 年代时，汽车实车 碰撞试验一度成为解决交通事故车速鉴定分析的最有力证据。其中参与实车碰撞 试验的还有各大汽车制造厂商，德国的汽车两大巨头：奔驰和大众都有自己的实 车碰撞实验室。美国的福特公司以及通用汽车也迅速建立相应的实车碰撞安全实 验室10。东方国家中，经济发展最早的日本虽说在交通安全以及实车碰撞方面落 后于欧美国家将近 10 年，但是日本借鉴了欧美国家的相关经验以及实验数据，实 车碰撞试验到如今发展迅速。关于理论分析法，目前国外有两大代表性理论分析 方法：c/m（crush measurement）变形量测量法，该方法是以美国 crash 3 为基 础软件；另一种是 i/m（impulse and momentum）动量/冲量计算法，该方法则以奥 地利 pc-crash 为基础软件11。 随着计算机技术的迅速发展以及广泛应用，计算机仿真模拟方法在国外 20 世 纪 60 年代中期已经开始应用。当时国外计算机发展水平是国际最先进的，专门用 于交通事故分析的软件始于美国在上世纪 70 年代推出的 smac 软件。 该软件的基 本原理则是：根据力学经典定律：newton 第二定律，结合轮胎力学相关知识，运 用微积分方程解决车速鉴定分析问题12。 奥地利科学家 herman steffan 开发的专 门用于交通事故模拟计算的软件 pc-crash， 一直被当地交通管理部门广泛使 用，该软件发展到如今其中各个模块都相对成熟，且升级换代周期逐渐缩短。 之后日本汽车研究所 jari 开发了 j2dacs 以及 cars。20 世纪 90 年代，d.day 所开发的三位模拟仿真软件 hev，率先将交通事故中的人、车、路作为一个闭环 系统进行全真模拟，该软件更加真实地虚拟事发当时的环境13。该软件不仅包含 了相对直观的人体、行驶车辆和道路的模型，还辅以虚拟环境，大大提高了碰撞 仿真的效率以及准确度。 1.2.2 国内研究现状 我国虽然对于此项技术起步较晚，但是凭借外国多年的经验以及自身的不断 努力，在车速再现方面亦有不错的成绩。21 世纪伊始，中国司法部呼吁并推出了 有关司法鉴定工作的规范制度14： 司法鉴定机构管理办法 （以下简称管理办 法） ，该管理办法全面系统阐述了司法鉴定机构的责任、义务，为我国开辟司法 鉴定法制化道路提供了敦实的基础，也成为司法鉴定科学化、规范化、法制化的 里程碑。 2006 年 11 月 1 号实施的、 由中华人民共和国公安部颁布的 ga/t643-2006 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 5 典型交通事故形态车辆行驶速度技术鉴定 ，其中主要阐述了不同碰撞形态下的 行车速度鉴定内容，是第一部关于车辆行驶速度再现的综合技术标准。自实施至 今将近 6 年的时间里面，随着国家交通安全状况的不断改善，车辆安全系统不断 优化，人民自觉保护意识得到提高，但随着车辆技术的发展，驾驶员以及行人素 质的提高和道路环境的改善，其中设定的一些参数都需要进行重新的改进。 针对我国特殊国情，国内有关交通事故安全方面研究开始于上世纪 80 年代左 右。由于起步时间较晚，加之国内缺乏多年的实车碰撞试验经验做基础，故我国 交通事故鉴定分析水平还比较落后。1991 年，清华大学汽车安全实验室首先投入 了我国第一台汽车碰撞模拟试验台15，并且运用了多刚体动力学理论进行交通事 故再现，标志着我国汽车被动安全性的实验研究正式开启。1992 年国内开始引进 汽车碰撞有限元分析软件：ls-dyna。1995 年清华大学汽车研究所自主研发了交 通事故仿真模拟软件 tar，使我国交通事故再现迈上了新的台阶。2003 年，哈尔 滨工业大学赵桂范教授率先进行我国有关行人保护的研究，针对中国人体特征参 数建立了人体多体系统模型，同时自主研发一套行之有效的有关人车相撞的人体 运动响应的计算机模拟软件16。在其带领下，实验室自行设计搭建了落锤式冲击 试验台，对交通事故中汽车车身变形吸能进行了深入的研究。在软件应用方面， 崔东等人基于行人保护， 利用 ls-dyna 建立了一种新型的汽车发动机罩， 有效的 保护了行人的头部17。哈尔滨工业大学汽车安全实验室的卜德军结合大量的实际 案例，利用 pc-crash 进行碰撞模拟仿真研究，得出了碰撞点与人体最终停止位 置之间的距离与车辆行驶速度之间的关系18。 1.3 课题主要研究内容 本文主要内容及框架由以下几个方面组成： （1）总结讨论国内外交通事故车速再现分析的发展历史以及现状。介绍了交 通事故车速再现基础理论，同时对于各自在交通事故车速再现中的具体应用给于 详细的阐述。 （2）针对四轮车与四轮车的交通事故特点建立车速再现模型。提出运用动量 能量守恒分析法进行四轮车与四轮车交通事故车速再现问题的研究。通过实际案 例验证各个方法的适用范围以及注意事项，并且进行车速再现方法的对比分析。 （3）建立四轮车与二轮车交通事故车速再现简化模型，归纳总结针对四轮车 与二轮车事故特点的车速再现方法：动量能量守恒分析法、路面痕迹分析法以及 经验公式法以解决四轮车及二轮车的行驶速度问题。 （4）根据四轮车与行人交通事故特点，建立不同的车速再现数学模型，相应 地提出碰撞点分析法、路面痕迹分析法、行人抛体三段运动分析法、玻璃碎片抛 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 6 距运动分析法、经验公式法、运动学原理法以及 pc-crash 仿真分析法等专门用 于四轮车与行人的交通事故车速再现研究。最后，结合实际案例，以录像信息处 理法为基准，将上述几种四轮车与行人交通事故车速再现方法进行比较分析。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 7 第2章 交通事故车速再现理论基础 2.1 能量守恒定律及其应用 针对交通事故而言，将交通事故中的参与者、道路等看作一个系统，在发生 碰撞的过程中，由于只有保守力做功，故系统能量守恒，即：机械能守恒19。例 如，当汽车采取制动措施由运动状态至最终停止的过程中，根据能量守恒定律且 考虑到道路坡度时，汽车所具有的能量一部分转化为轮胎与路面间的摩擦产生的 热能，一部分转化为重力势能的改变。另外，如果车辆在碰撞过程中车身结构发 生变形，产生塑性变形量，则碰撞前的能量将有一部分转化为车辆的变形能。在 交通事故中，常见的能量形式见表 2-1。 表 2-1 常见能量形式 能量存在形式 计算公式 应用情况 重力势能 mgh 车辆在坡道行驶、坠车 机械能 fs 碰撞过程中 动能 mv2/2 碰撞过程 摩擦功 mv2/2 制动情况 应变能 kx2/2 车辆结构发生变形 2.2 动量守恒定律及其应用 动量守恒定律针对的是闭环系统。在此闭环系统内，如果出现两种情况：要 么系统不受外力，要么系统所受到的外力在某一方向上矢量和为零，则该闭环系 统在任何时刻动量保持不变，直至动量守恒定律前提条件被打破。该定律适用于 宏观物体系统的动量守恒，同样适用于微观世界。 对于交通事故中的大多数碰撞事故来说，由于碰撞过程时间极其短暂，碰撞 双方在碰撞作用阶段的相互作用力非常大，故在碰撞作用阶段碰撞双方之间可忽 略其余外力的作用，则碰撞双方遵守动量守恒定律。 2.3 摩擦系数及其应用 摩擦系数指的是阻止两物体相对运动或者相对运动趋势的摩擦力与作用在其 上的法向力的比值。即/ rv ff，其中 ：摩擦系数；fr：摩擦力（n） ；fv：法 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 8 向力（n） 。摩擦系数与接触面的材料、性能等有关，而与接触面的大小无关。 在交通事故中，路面与汽车轮胎、路面与人体、路面与车身都发生接触，在 车速分析中，各个摩擦系数的取值对于交通事故车速分析起着重要的作用。不同 的接触类型通常对应一种或者几种摩擦系数20。常见的摩擦系数见表 2-2。 表 2-2 常见的摩擦系数 接触类型 摩擦系数 车辆与路面 车辆制动摩擦系数 车辆侧滑摩擦系数 翻车时车身滑动摩擦系数 车辆滚动阻力系数 人体与路面 着装人体摩擦系数 （1 1）车辆制动摩擦系数车辆制动摩擦系数 车辆制动摩擦系数指的是制动时轮胎与路面之间 的摩擦系数。制动摩擦系数会因汽车轮胎的滑移率 s 的大小而变化21。滑移率 /svrv， 其中 v： 车辆行驶速度(m/s)； r： 轮胎半径(m)；： 轮胎角速度(rad/s)。 制动摩擦系数与行车速度、车型、轮胎胎压、载重情况、路面状态有关。 （2 2）车辆侧滑摩擦系数车辆侧滑摩擦系数 车辆侧滑摩擦系数指的是车辆受到侧面撞击或者 出现侧滑情况时，轮胎与路面间的摩擦系数。根据实验数据分析可知，汽车侧滑 摩擦系数与制动摩擦系数成线性关系22：0.970.08 。 （3 3） 车身滑动摩擦系数车身滑动摩擦系数 在交通事故处理时， 经常会遇到车辆翻车的情况， 此时分析计算行车速度需要用到翻车时车身与地面滑动摩擦系数。根据国外大量 实车试验数据可知，翻车时车身滑动摩擦系数见表 2-3。 表 2-3 翻车时车身与路面的摩擦系数参考值表23 接触类型 摩擦系数 卡车的侧面车身与混凝土路面 0.30.4 翻车时轿车车身与混凝土路面 0.3 翻车时轿车车身与粗沥青路面 0.4 翻车时轿车车身与石子路面 0.50.7 翻车时轿车车身与干燥的草丛 0.5 车身外板与沥青路面 0.4 车身外板与泥土路面 0.2 车身外板与车身外板 0.6 翻倒摩托车与路面 0.550.7 翻倒自行车与路面 0.350.45 （4 4）滚动阻力摩擦系数滚动阻力摩擦系数 汽车在自由滚动状态下，车辆受到的阻力除了轮 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 9 胎与路面之间的阻力外，还有传动系轴承类之间的摩擦力。汽车滚动阻力摩擦系 数见表 2-4。 表 2-4 汽车滚动阻力摩擦系数参考值表24 路面情况 滚动阻力系数 良好的平滑沥青路面 约 0.01 良好的平滑混凝土路面 约 0.011 良好的粗石混凝土路面 约 0.014 良好的石块路面 约 0