浅析汽车碰撞问题.doc

浅析汽车碰撞问题 汽车与交通工程学院072载运 王存保 S0704109 汽车的发明与汽车运输业的发展，为人类社会的进步、经济繁荣、人民生活水平的提高，做出了重大的贡献，但其所产生的道路交通事故，也成为当今社会的一大公害。本文就汽车碰撞的基本理论、碰撞过程中的力学分析、碰撞时保护技术和铝泡沫在汽车上的应用四个方面对汽车碰撞问题进行浅析。一：碰撞基本理论1：碰撞过程分类在交通事故中，车辆碰撞分为三个过程：（1） 碰撞前过程（Pre-crash-phase）从驾驶员察觉危险开始到两车刚接触。称为碰撞前过程。（2） 直接碰撞过程（Crash-phase）从两车刚接触到两车刚分离。称为直接碰撞过程。（3） 碰撞后过程（Post-crase-phase）从两车分离到完全停止。称为碰撞后过程。在碰撞阶段，汽车在极短时间内进行碰撞，实现动量交换，汽车速度和角速度急剧变化。碰撞过程中，惯性碰撞力是碰撞车辆系统的内力，远远大于其他外力（如车轮与路面摩擦力），忽略外力的影响，碰撞阶段就遵循动量守恒。汽车碰撞阶段历时很短，仅有70-120ms，所以无论当事人或目击者都很难准确说明事故发生的过程。2：直接碰撞过程从两车刚接触开始，便在接触面上产生碰撞压力和压缩变形。这个压力由小到大，使两车的速度逐渐接近，直至两车出现相同的速度，压缩变形达到最大。紧接着由于弹性变形逐渐恢复，两车压紧的程度逐渐放松，两车速度出现相反的差别，直至两车分离。在这个过程中，可分为前后两个阶段。（1） 变形阶段从两车刚接触开始到压缩变形达到最大，两车速度相等时称为变形发展阶段。（2） 恢复阶段从变形最大，两车速度相等开始。到两车刚刚分离称为恢复阶段。有时塑性变形很大，弹性变形很小而忽略不计，这时只有变形阶段，没有恢复阶段。此时，变形阶段末两车具有相同的瞬时速度，就是碰撞后过程的开始。3：汽车碰撞的基本定理在交通事故分析中，车辆的运动分解成随质心的平动和相对质心的转动，也就是把车辆抽象成刚体，建立质心的动量定理和相对质心的动量矩定理。（1） 质心运动的动量定理质心系质心的运动如同一个质心的运动。假定车辆的质量为，碰撞前后的质心速度分别为和，碰撞力的冲量为。那么，有动量定理 (1-1)质心动量的变化，等于作用在其上的力的冲量。动量守恒定理由于两车碰撞时只考虑碰撞力冲量，而碰撞力对两车整体来说是内力。所以一定满足动量守恒： （1-2）式中，车辆1和车辆2的质量； ， 车辆1和车辆2碰撞后的速度； ，车辆1和车辆2碰撞前的速度。（2） 相对质心转动的冲量的冲量矩定理假定车辆相对质心的转动惯量为，有 式中，为对质心的冲量矩。转动刚体相对质心的冲量矩的变化，等于在此期间所有外力对质心的冲量矩之和。二：碰撞过程中的力学分析汽车碰撞的力学分析根据碰撞方向的不同，车辆碰撞事故可分为前碰、侧碰和后碰等（如图 1所示）。其中，前碰和后碰是一维直线碰撞；侧碰是二维碰撞。大量事故分析说明，碰撞方向最多的是前碰，在两车相向碰撞中二者都是前碰，在侧面碰撞和追尾碰撞中除两车互为擦边的侧碰外，主动碰撞的一方也是前碰；在车对固定障碍物的碰撞中绝大多数都是前碰。统计资料显示，在不同的汽车交通事故形态的次数和死亡人数中，汽车正面碰撞事故次数及其导致的死亡人数占首位，侧面碰撞次之)。现就汽车交通安全事故中发生几率最大的一维正面碰撞现象为例进行分析，讨论汽车发生碰撞时的受力情况、产生的瞬间速度和加速度变化情况、动量和能量的转变情况，考察汽车由于碰撞产生的瞬间加速度对于车辆和乘员造成危害的原因。 图1 汽车碰撞事故的种类1： 汽车一维正面碰撞的力学分析汽车的碰撞过程时间短、加速度值很大，通常在几十至几百 的瞬间内完成，从而出现巨大的碰撞冲击力。在对汽车一维正面碰撞进行力学分析（如图 2所示）时可作如下简化：在碰撞作用阶段，由于碰撞力非常大，汽车重力和各种阻力等忽略不计；：由于碰撞作用时间极短，忽略碰撞作用阶段的汽车位移。基于以上的假设，汽车碰撞作用阶段只考虑碰撞力，而碰撞力对于碰撞来说是内力，也即外力为零，所以动量守恒：图2 汽车一维碰撞模型在汽车碰撞过程中，整个碰撞接触过程可划分为 2个阶段（如图3所示）：（1）碰撞变形阶段（简称变形阶段）；（2）变形恢复阶段（简称恢复阶段）。图3 碰撞接触过程两车的速度变化情况两车在碰撞过程中，由碰撞接触刚刚开始到碰撞变形达到最大，其速度由相撞前的不同速度变为同一瞬时速度时，速度的变化量称为有效碰撞速度。有效碰撞速度的表达式为 （2-1） （2-2） 从（2-1）、（2-2）式可以看出有效碰撞速度与两车的相对速度和质量比有关，两车的质量不同，它们的有效碰撞速度也不同。质量小的车，其有效碰撞速度大，在碰撞中处于不利地位，反之质量大的车，有效碰撞速度小，所遭受的碰撞损失相对要小。由于碰撞使车体发生变形，同时在碰撞时还会产生声、光及热等物理现象，所以碰撞过程有机械能的损失，动能不守恒。动能的损失程度决定于许多因素，首先是与车体变形部分的材料性质有关，常用弹性恢复系数（碰撞前后相对速度之比）来表征动能的损失，也表示在碰撞后速度恢复的程度。 （2-3）由（1-2）、（2-3）式可求出，从而得出碰撞前后两车速度的变化为： （2-4） （2-5）由（2-4）、（2-5）式可知，汽车碰撞前后速度的变化量取决于两车的质量以及恢复系数，恢复系数越大，对方的质量越大，速度的变化越大。两车动量的变化分别为： （2-6） （2-7）两车碰撞后动能损失量为： （2-8） 汽车碰撞弹性恢复系数的值可用试验方法求取。图4是用某型轿车进行实车一维碰撞试验所得的一组恢复系数统计结果及其拟合曲线图。从实验结果可知，当有效碰撞速度较小时，恢复系数较大，趋向于弹性碰撞；而随着有效碰撞速度越来越大，恢复系数的值越小，汽车碰撞的塑性变形越大，更趋向于塑性碰撞。对于轿车发生的碰撞，其值的范围通常在（0.10.3）之间。由于轿车尾部的刚度较小，被碰撞后塑性变形很大，恢复系数的值趋于0，弹性变形可以忽略不计。这种由于发生高速碰撞和追尾碰撞而出现的近似塑性碰撞，其结果是，碰撞后两车几乎是连在一起运动，即当时，其动能损失达到最大，碰撞前后两车速度的变化量和均为最小。这说明由于汽车结构发生了较大变形，最大限度地吸收了碰撞能量，使汽车碰撞时的加速度值较小，这在后面解决如何减少汽车碰撞对车内乘员造成损伤方面是有重要参考意义的。图4 一维碰撞中有效碰撞速度与恢复系数关系3：单车对固定壁的碰撞及其力学分析在两车碰撞中，当两车质量相等、速度相同及行驶方向相反时，有，由（2-4）、（2-5）式，可得，由（2-1）、（2-2）式可得；而在对固定障碍物碰撞时，有和。比较可以看出，质量相等的两车在速度相的情况下正面碰撞，它们的有效碰撞速度与同一车速下对固定障碍物碰撞是相同的，碰撞伤害程度也相同。因此可以利用汽车对固定障碍壁碰撞试验结果作为评价汽车碰撞性能的依据。物体碰撞时，由于碰撞时间非常短、碰撞力特别大，难以掌握碰撞力的实际变化规律。在以往人们对碰撞运动的分析中，大多以相互碰撞的两个物体为整体，只分析它们在碰撞前后的运动变化情况，而把碰撞力作为内力而回避开来。但在研究碰撞对车辆及车内乘员造成损伤的过程中，碰撞力和由此产生的加速度的量化分析显得非常重要。实验证明，车辆正面碰撞导致车头塌陷变形，变形距离与碰撞力的大小存在近似的线性关系： （2-9）式中：单位宽度变形所承受的碰撞力，；塑性变形距离，；由实验测出的碰撞刚度系数，。以单车为研究对象，以碰撞开始瞬间质心位置为坐标的原点（如图5所示），只考虑塑性碰撞形过程中，忽略车辆碰撞部分的弹性恢复过程，那么在碰撞变形过程中，变形量就等于车辆质心的位移，它是时间的函数。碰撞变形阶段车辆质心的位移、速度和加速度随时间变化的函数关系为： （2-10）式中定义为圆频率，为被碰部分宽度。函数关系曲线如图6 所示，图中为碰撞达到最大变形阶段的时刻。图5 单车对固定障碍壁的碰撞图6 碰撞过程质心位移、速度和加速度变化曲线三：碰撞时保护技术 有人做过比较，目前汽车的安全性是40年前的5倍，其重要的原因之一就是采用了简单而神奇的汽车碰撞保护技术。这种技术主要包括一下四个方面的内容：1：安全带带有紧急锁止缩进器的三点安全带是当今汽车的标准装备。一个自缩进卷筒允许安全带相对自由运动，同时维持安全带有一定的紧度。当驾驶员身体前倾时，它允许安全带卷出；当驾驶员坐入正常位置时，安全带自动缩进。缩进器装有惯性锁，防止车辆发生碰撞时安全带卷出。即使驾驶员脚踩踏板稍急，锁止机构也能起动。三点式安全带是一种特别有效的安全保护装置。虽然多年来，许多国家强制推行小汽车乘员必须配戴安全带，但仍有40%的乘员不遵守此规定。当汽车发生碰撞事故时，安全带能保护乘员在车内不被反弹，避免与车体发生碰撞，大大降低伤亡率。统计数据表明，系安全带能降低一半的交通事故死亡率。对于那些在汽车碰撞中有幸生还的乘员来说，安安全带减少了300%的受伤率。2：安全气囊 多年前，安全气囊作为减少交通事故伤亡率的一种手段诞生了。在碰撞中用大软垫保护乘员的想法十分简单，但效果却非常明显。今天，小汽车普遍采用了安全气囊，公众反映其对乘员的保护作用十分优良其原理是，在汽车碰撞中，发生在正前方60度角度内的碰撞作用力使安装在转向盘上该装置密室内的电路接通，产生电火花点燃火药爆炸给安全气囊充气，托起迅速向前运动的乘员，避免乘员与刚性支撑物接触;然后，安全气囊迅速泄气。安全气囊不是一个完整的保护系统，它与三点式安全带、膝垫一起，构成了现代汽车基本碰撞保护装置。3：硬壳车体 何观看过赛车的人都见过惊心动魄的汽车碰撞场面当碰撞的汽车在地上翻滚、消耗动能时，驾驶员在刚性密室内却安然无恙。这是因为.为了保护车内乘员，现代小汽车大多采用了硬壳车体。有人曾经做过荷拉旗“硬壳车”与奥迪100型汽车进行碰撞的试验，虽然奥迪100型汽车的质量是荷拉旗“硬壳车”的两倍，但剧烈的碰撞表明，荷拉旗“硬壳车”只有轻微损坏，而奥迪车前端全部解体，成为碎片。由此可见，采用硬壳车体，加上车身内部的缓冲空间和碰撞保护装置，可使乘员在车辆事故中免遭伤害。 4：汽车碰撞避免系统世界范围内，许多国家正在发展智能汽车/公路系统。它是一种系统提供各种各样的交通管理和咨询功能及自动导航和车辆定位功能，最终达到自动指示汽车运行和控制公路交通流。碰撞避免系统是智能汽车/公路系统的一个重要组成部分。各个子系统和整体技术都能够明显地减少汽车碰撞，它们与先进的汽车控制系统相结合，最终可能使汽车碰撞成为历史。智能汽车/公路系统和先进的汽车控制系统都不是什么特别的技术，而是一定数量技术的组合。这些技术的一些变化形式改善了道路条件，减小了汽车驾驶危险。监视驾驶员是另外一种技术。日本日产汽车公司研制出来的一个系统，能够通过监视驾驶员的转向输人侦察驾驶员的疲劳。疲劳驾驶员产生明显的、特有的转向输人模式和连续的零输人。转向轮上的传感器能测量驾驶员的脑电波、心率和体温。如果驾驶员处于困乏状态，一个声音警告系统能唤醒疲劳的驾驶员，并能实现自动停车。此外，饮酒驾驶员也能被监测出来仅仅这一种技术就能够消除一半以上的交通事故。四：泡沫铝在汽车中的应用随着现代科技和材料学的发展，新型铝和金材料的研究和应用获得了很大的发展。泡沫铝有很多优良特性，而且它加工性好、可再生，因此这种新型材料广泛应用在车辆、机械、建筑、航空航天等领域中。我们在碰撞问题中主要讨论它的能量吸收性能，多孔结构的泡沫铝可用作能量吸收材料，它的能量吸收能力主要取决于图7中的屈服平台区，其压缩应力-应变曲线存在大范围的平台区，能量吸收能力由应力-应变曲线下方的面积决定，高而宽的屈服平台区可使泡沫铝获得较大的吸收碰撞能量。因此，泡沫铝是应用于车辆碰撞时吸收能量的理想材料。图7 泡沫铝压缩应力-应变曲线尽管泡沫铝应用于车辆有着许多无可比拟的优势，但是其高昂的价格仍然是制约其在车辆上广泛应用的主要原因，例如国内一块普通单板的报价高达420元。随着生产技术的提高和生产规模的扩大，泡沫铝将会在车辆的应用中获得更为广阔的前景。结束语本文通过对碰撞理论的分析、碰撞过程中的保护技术及泡沫铝在当今汽车上的应用进行浅析，得到这样的结论，在汽车碰撞时，人要放在第一位的，也就汽车的安全性要放在第一位，也是以人为本的体现。参考文献1 葛如海 铝制发动机罩的行人碰撞保护研究 中国安全科学学报 2007（12）。2 葛如海 刘星荣 轻型汽车前部偏置碰撞吸收能量研究 江苏理工大学学报 2001（3）3 李一兵，袁泉，陈理 车辆碰撞行人交通事故的不确定因素研究 中国公路学报 2004（1）。4 蒋双庆，袁诚坤，王凤君 谈碰撞安全性分析 汽车与配件 2002-32.5 戴巍 现代汽车防撞系统 汽车维修 2006（3）6 王雪辉 基于车辆碰撞的交通事故可视化再现及车速研究 辽宁工学院硕士学位论文 2007（3）.7 谢晓鹏，王喜顺 汽车碰撞中的安全问题研究 汽车技术.8 陈志华 汽车碰撞保护技术漫谈 汽车运用 2000（4） P22.9 毛春升，钟绍华 泡沫铝技术及其在车辆中的应用 汽车工艺与材料 2006（5）10 沈宇明 行人交通事故人员伤害分析及防护措施 交通管理 2007（8） P73.11 罗承锋 汽车交通碰撞事故分析与研究 湖南大学工程硕士学位论文 2006（11）.12 P.Edgar An and Chris J.Harris. An Intellignet Driver Warning System for Vehicle Collision Avoidance. Ieee Transactions on Systems March 1996.13 Sudha Arora, A.K.Raina, A.K.Mittal. Collision Avoidance among AGVs at Junctions. Ieee Intelligent Vehicle Symposium. Oct.3-5 2000.14 Young-Huang Chou,Shew-Jon Lin,Shyh-Jong Chung. Analysis of a Grating Metal Structure With Broad Back-Scattering Field Pattern for Applications in Vehicle Collision Avoidance System. Ieee Transacions on vehicular Technology. January 2002.15 Chan Yet Wong,Uvals Qidwal. Vehicle Collision Avoidance Sysyem. Ieee xplore.16 K Venkatesh,Archhana Ramesh,Alagusundram M,J V Sahana. A Neuro-Fuazzy Vehicle Collision Prediction System. Ieee xplore17 Yin-Jun Chen,Ching-Chung Chen,Shou-Nian Wang,Han-En Lin,RoyC,Hsu. GPSenseCar-A Collision Avoisance Support System Using Real-Time. Ieee xplore.18 Peng Zhang,Bo Huang,Takaaki Baba. Obstacle Detecting System for Vehicle Collision Safeguard. Ieee xplore.19 Rusty A.Gonser,J.Scott Horn. 9 Deer-Vehicle Collisions Along the Suburban-Urban Fringe.Springer Link.20 Rafael Toledo,Miguel Pinzolas,Jose Manuel Cano-Izquierdo. A Neuro-fuzzy Dynamic Architecture for Maneuver Detection in Road Vehicle Collision Avoidance Support Systems. Springer Link.21 Ginger Floerchinger-Franks,Margaret Machala. Evaluation of A Pilot Program in Rural Schools to increase Bicycle and Motor Vehicle Safety. Journal of Community Health. April 2000.22 Ellen K.Cromley. Risk Factors Contributing to Motor Vehicle Collisions in An Environment of Uncertainty.Stoch Environ Res Risk Assess 2007.23 John A.Litvaitis,Jeffrey P.tash. An Approach Toward Understanding Wildlife-Vehicle Collisions. Environment Management.24 Hani O Mowafi,Kenneth S Hickey. Occipital Condyle Fracture in A Vition of A Motor Vehicle Collision. The Journal of Emergency Medicine 2006.25 Kenji Inada Philip W Sharkey. The Increasing Incidence of Severe Pelvic Injury in Motor Vehicle Collisions. Internatinal Journal of The Case of The Inuured. July 2003.26 Wojciech Wash,Jan Unsrski. Uncertainty of Calation Results in Vehicle Collision Analysis. Forensic Science Internatiedional.August 2006.27 Gasper Sustersic，Igor Grabec,Ivan Prebil. Statistical Model of A Vehicle-to-barrier Collision. International Jouranal of Impact Engianeering Novermber 2006.28 Henry J Carson M.D.,Benjamin A.Cook A.A. Massive Internal Injury in The Absence of Sigificant External Injury After Collision of Passenger Vehicles With much Larger Vehicles. Jourandal of Forensic and Legal Medicine February 2008.29 Paul A Maclennan,William S Ashwander,Russell Griffin. Injury Risks Between First-and Second-generation Airbags in Frontal Motor Vehicle Collisions. Accident Analysis and Prevention.2008.30 Guiqiu Sonq,Yinq Yanq,Haiqianq Hanq. Study on vehicle collision-avoiding radar and intelligent cruise control system Engineering Materials. 2005 P311-315.31 Schorn M,Isermann.R. Automatic steering and breaking for a collision avoiding vehicle Mechatronics 2006 P378-383.32 Hou Dezao,Gao Feng,Li Keqianq,Lian Xiaomin. Vehicle longtrudinal dynamic model for vehicle collision avoidance system Dept of Auto Eng Tsinghua Univ Beijing China Feb 2004 P258-261.33 Jiangfeng,Wang，Feng Gao. Vehicle automatic collision warning algorithm based on FuNN.Proceedings of the Conference on Traffic and Transportation Studies ICTTS 2006 P1009-1017.34 Shii.K,Nishida.S,Watanabe.K,UraT. A collision avoidance system based on self-organizing map and its application to an underwater vehicle. 2002 7th International Conference on Control Automation Robotics and Visior. 2002 P602-607 vol.2.35 HongYe.Bian,Xin-qian. A collision avoidance expert sustem with ru