大客车对行人碰撞事故再现研究.pdf

2 0 0 6年 第 2 8卷 第 1期 汽车工程 Au t o mo t i v e Eng i ne e r i n g 大客车对行人碰撞事故再现研究 2 0 0 6 0 1 4 申 杰 金先龙 张晓云 陈亿九 陈建国 1 上海变通大学机械与动力工程学院 上海2 0 0 0 3 0 2 司法部司法鉴定科学技术研究所 上海2 0 0 0 6 3 摘要 利用数值模型仿真试验 研究再现大客车与行人碰撞事故的方法 并将该方法应用到一次真实交通 事故中去 初步验证了该模型和方法的可行性 将行人抛距分析方法引入事故再现分析 并结合仿真结果 建立新 的适合该类事故的行人抛距与车速关系模型 关键词 汽车碰撞 事故再现 数值仿真 A Re s e a r e h o n Ac c i d e n t Re c o n s t r u c t i o n o f Bu s P e d e s t r i a n Co l l i s i o n S h e n J i e J i n X i a n l o n g Z h a n g Xi a o y u n C h e n Yi j i u 2 C h e n J i a n g u o 1 S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y S h a n g h a i 2 0 0 0 3 0 2 I n s t i t u t e o f F o r e n s i c S c i e n c e s M i n i s t r y of J u s t ic e S h a n g h a i 2 0 0 0 6 3 A b s t r a c t A s i m u la t i o n m o d e l fo r b u s p e d e s t r i a n c o l l i s i o n i s s e t u p U s i n g t h is m o d e l a s e r ie s o f s i m u l a t i o n e x p e r i me n t s a r e c a r r i e d o u t a n d t h e me tho d o f a c c i d e n t r e c o n s t r u c t i o n f o r b u s p e d e s t r i a n c o l l i s i o n i S s t u d i e d T h e me t h o d i s a p p l i e d t o a r e a l t r a mC a c c i d e n t a n d t h e f e a s i b i l i t y o f t h e mo d e l a n d me tho d i S p r e l i mi n a r i l y v e r i fi e d I n a d d i t i o n the me t h o d o f p e d e s t r i a n t h r o w d i s t a n c e a n a l y s i s i S i n c o r p o r a t e d i n t o a c c i d e n t r e c o n s t r u c t i o n a n a l y s i s B a s e d o n s i mu l a t i o n r e s u l t s a n e w mo d e l f o r the r e l a t i o n o f p e d e s t r i a n thr o w d i s t a n c e a n d v e h i c l e s p e e d s u i t a b l e for tho s e a c c i d e n t s i S e s t a b l i s h e d Ke y wo r d s Ve h i c l e c o l l i s i o n Ac c i d e n t r e c o n s t r u c t i o n Nu me dc s i mu l a fi o n 1 前言 在我国 近几年行人在交通事故受伤总人数中 所占比例约为 7 0 l j 在美国 仅 2 0 0 3年就有约 7 0 0 0 0名行人在交通事故中受到不同程度的伤害 在欧洲 欧盟于2 0 0 5 年起开始实施新的行人保护法 令 2 0 0 3 1 0 2 E C 数值仿真再现交通事故能直观科学地再现事故 当时情形 有助于相关职能部门合理地分析案情和 划分事故责任 国内外也早就开始人车碰撞事故再现的研究 并已取得较大进展 2 0世纪7 0年代开始用尸体或 假人再现真实的人车碰撞事故 j 为支持事故再 现研究 美国有关部门 N H T S A 专门建起了 P C D S 数据库 随着计算机相关技术的发展 数值仿真方 法也大量运用到事故再现的研究 如参照G E B O D人 体测量数据库建立行人数值模型对真实事故的再现 模拟 J 国内对人车碰撞数值仿真研究开始于 2 0 世纪9 0年代 并提出新的多体动力学算法 6 在行 人模型研究方面 荷兰 T N O公司也于 2 0 0 1年公布 了5 0百分位男性行人假人多刚体模型 推动了人车 碰撞事故的再现研究 国外对行人安全的研究主要集中在行人与轿车 的碰撞事故上 很少涉及大客车 与一般车辆对人 碰撞相比 大客车车前部外形会导致不同的行人反 弹方向 受伤机理 因而其事故再现方法也会有所不 同 作者以大客车与行人碰撞事故为研究对象 建 立以大客车多体模型 行人假人模型为基础的事故 国家自然科学基金项目 6 0 1 7 4 0 2 3 和教育部博士点基金项 目 2 0 0 1 0 2 4 8 0 0 8 资助 原稿收到 日期为 2 0 0 4年 1 2月 1 7日 修改稿收到 日期为2 0 0 5年 3月 3 1日 维普资讯 2 0 0 6 V o 1 2 8 N o 1 申杰 等 大客车对行人碰撞事故再现研究 6 5 再现仿真数值模型和方法 而后 利用此方法对一 起真实交通事故进行研究 得出的仿真结果与现场 数据比较 验证方法及模型的可行性 为了提高处 理事故的效率 又引入抛距分析方法分析大客车与 行人碰撞的一般规律 根据仿真结果和采集到的真 实数据 与现有抛距模型比较 建立适合行人与大客 车碰撞事故快速分析的行人抛距模型 2 面向大客车的事故再现方法 不同于一般的车对车碰撞 人车碰撞事故再现 可以将人体伤害列为求解逆动力学问题的已知条 件 考虑到行人在碰撞中所处的弱势地位 个体差 异以及伤情分析带有的主观性 人体伤害不足以作 为判断的直接条件 而作为验证用的间接条件 用 数值仿真方法进行事故再现的基本思路是 首先 根 据现场采集到的证据 如制动印迹和车辆受损情况 等 初步判断车辆行驶方向及人车接触的相互位置 关系 然后 预估车速 做一系列仿真试验 最后 得到该条件下的行人抛距或人车相对位置 与现场 比较 由此判断预估车速的可行性 如不正确再做修 正 若条件允许 还可根据行人伤害位置和程度进 一 步验证结果的正确性 事故再现流程见图 1 限元曲面的接触算法来模拟人体各部位对车前部曲 面的接触 该算法假设接触力是由构成接触面的众 多单元的面积与接触应力乘积之和 某单元的接触 力为 A Si c 27 e 1 式 中A为单元面积 t 为接触面 的厚度 A为接触 面 间穿透量 A t 为弹性接触应力 由指定的应力 与穿透关系特性决定 C 为阻尼系数 为阻尼应 力函数 为动态放大系数 与 一 般 的 人 车 碰 2 0 0 1 奎 妻 i 碰 撞 后 人 会 沿 车 行 方 蕞 向 反 弹 且 反 弹 速 度 一嚣 j 般不低 因此必须特别 一 考虑 由 于 头 部 撞 地 所 面 变 量 引 起 的 冲 击 图 2是面 向头部撞击的沥青路 图2 沥青路面接触刚度 面接触刚度特性曲线 特性曲 线及仿真模型 它是 由建立 E E V C刚性 头部模型撞击弹性地面所得到的路面变形与反力的 关系曲线 根据这个关系 再结合头部的接触刚度 特性就可以模拟头部撞击地面的情形 验 证 仿 真 结 果 3 实例及分析 图1 人车碰撞事故再现流程图 大客车与事故再现相关的特点有 整车质量大 行人碰撞冲击对车辆运动轨迹的影响较小 大客车 车前部分外轮廓面近似为垂直平面 刚度大 碰撞时 与行人接触面积较大 车前围外板不易发生变形 用于人车事故再现的客车模型有 7个自由度 其中包括4个轮胎垂直方向和整车质心的3 个方向 自由度 仿真时 在整车质心位置施加初速度 并在 各车轮施加制动力模拟真实的制动情况 忽略不计 车前围外板以内的结构件 只建立详细的车前部曲 面网格模型 并考虑其接触刚度特性 该有限元曲 面能很好地反映曲面外形 而且更能逼真地模拟人 车接触的受力分布 碰撞仿真中采用刚性面对刚性面 刚性面对网 格面的接触算法 刚性椭球面对椭球面接触算法用 来模拟人体各部位之问的接触 用刚性椭球面对有 3 1 案件描述和建模 以一次大客车与行人碰撞事故为例 进行事故 再现研究 该事故属于行人与平头公交车碰撞 且 行人受伤较重导致死亡 现场遗留痕迹较清晰 符合 事故再现的要求 肇事车辆左前侧与行人碰撞 车前面罩左角有 油漆剥落痕迹 前保险杠左侧边缘有碰擦痕迹 但无 明显变形 玻璃完好无损 初步判断该车中速直行 至路口时 恰逢行人横向过路口 由于受对面方向来 车灯光影响 未能及时发现行人 遂与其相撞 导致 该行人倒地身亡 行人倒地位置 制动印迹可见事 故现场图3 肇事车驾驶员说 当发现行人时 相距 已不到 1 in 立即采取了制动措施并向右打方向 后经实车 试验 车辆的制动协调时间为 0 4 1 6 s 可以假设肇 事车行驶速度与碰撞初始速度差别不大 且在采取 维普资讯 汽车工稃 2 0 0 6年 第 2 8卷 第 1 期 绿化带 图3 事故现场示意图 制动措施 0 4 s 后转向失效 车辆处于滑行状 态 因 此 可以把仿真初始时刻定在制动开始作用的瞬间 假人距车 1 m远 前轮开始转向 前轮转向角由现 场的制动印迹求得 客车挡风玻璃的接触刚度特性参照文献 7 的 模型 由于刚度与人体相差较大 除玻璃 以外的车 前部曲面为刚性 以缩短计算时间 根据行人体貌 特征 用 M A D Y M O 5 0百分位行人假人模拟 根据事 故现场基本可以推断 碰撞前 行人沿人行横道线前 行 行人左侧正对公交车行驶方 向 另外 根据行人 受伤位置和车辆受损情况 可认为由于车辆转向 行 人左侧与公交车左前角发生第一次碰撞 依据现场制动印迹并结合实车制动试验 判断 当时公交车初速度小于 2 9 6 k m h 以该车速进行 试运算 重新调整行人的初始位置 确保布置的人车 初始位置所对应的碰撞初始时刻场景符合实际 3 2 仿真结果及分析 以行人最后终止滑行位置距公交车左前轮的相 对距离为目标函数 把事故再现问题视作以碰撞车 速为 自由度 的优化问题 事故现场勘测得到该距离 约 6 m 表 1 车速与行人到左前轮 间距关系 车速 k m h 1 4 4 2 5 2 2 7 3 O 6 3 2 4 距离 m 4 5 5 4 O 6 1 5 3 4 2 3 9 3 在车速为 2 9 6 k m h周围选取一组值作为车 速 代入相同模型进行仿真 表 1 说明仿真结果基 本可以判断车速应为 2 7 k m h左右 仿真终止时的 事故现场见图4 人车相距 6 1 5 m 其制动印迹也与 实际基本符合 该碰撞 车速再现的事故场景如图 5 所示 行人与公交车左前角碰撞后旋转 背朝地面倒 地 并滑行一段距离 由尸检报告发现 虽然主要人体伤害位置集 中 在左侧 但头部的明显创伤位于右侧 由仿真结果 图6证实 头部质 心加速度在整个 事故过程 中有 2 个明显的峰值 第 1 个峰值是行人与公交车碰撞引 图4 仿真终止时再现事故现场图 罔 5 仿真至0 2 0 4 s 时的事故情景再现 起的 其接触点在头部 左侧 由于 行 人 是 斜 撞在车辆左前 角 而且 g 上肢部分 7客 车先行 接触产生缓冲作用 所景 以头 部 受 冲击 程 度 不 严重 第 2 个峰值是行 人侧仰倒地 头部右后 部重击 地面所造 成 的 8 5 0 0 7 5 0 0 6 5 0 0 5 5 0 0 4 5 0 0 3 5 0 0 25 0 0 1 5 0 0 5 0 0 图6 头部质心加速度 是致命伤 表2同时列出了人体受伤的真实程度与 仿真结果 仿真结果显示行人头部 胸部受严重冲 击 下肢没有骨折 基本符合实际情况 表 2 行人受伤情况与仿真结果比较 部位 尸检结果 仿真伤害值 部 顶部 右侧 及 枕部 头 擦挫 伤 H I C 3 6 3 6 8 6 6 摔跌形成 胸部 左胸廓 略塌陷 胸部左 侧肋 黏性指标 V C 0 2 1 4 m s 骨骨折 连续 3 ms 准则 1 0 2 g q 肢 左前臂中下段 左小腿中段 大腿最大力矩 2 2 1 N m 见大块皮肤青 紫 无骨折迹 大腿最大剪 切力 l 9 5 4 N 象 小腿最大力矩 2 5 9 N m 小腿最大剪 切力 2 2 9 9 N 4 行人抛距分析 行人抛距分析方法是指通过预先建立的简单数 学模型 由行人抛距来推测 碰撞 速度的方法 该方 法由于车前部轮廓上的特点 是使其更适合快速处 理大客车与行人碰撞 的交通事故 行人抛距是指人车碰撞点与行人最终静止位置 之间的距离 碰撞速度是指车辆与行人接触前的瞬 维普资讯 2 0 0 6 V o 1 2 8 N o 1 申杰 等 大客车对行人碰撞事故再现研究 6 7 一 时车速 行人与大客车碰撞大致有正碰和斜碰 2 种 情况 此例事故中车辆在碰撞前已发生转向 属于 斜碰 为了使提出的模型能适应 2种碰撞情况 下 文中所指的抛距都是抛距在行车方向上的分量 针对事故环境和车 2 0 型 通过数值仿真试验分 1 6 析不同车速下的行人抛 g 1 2 距 图7中 虚线表示左彗8 前轮在制动过程中沿行 在真实的行人前向8 0 反弹的碰撞事故 中选 出 6 0 1 1 次成人与不同车型的 0 平头车辆碰撞的事故 按 委 2 0 式 2 做线性回归 得到 斗 0 5 结论 1 利用多刚体车辆模型和假人模型数值模拟 真实的碰撞事故 并简单优化相关参数而再现事故 所得到的结果与事实相近 该方法基本可行 2 利用数值仿真试验结果 结合行人抛距模 型可以快速预测一定条件下的车速 对交通事故处 理有实际意义 3 不同车型和不同事故环境会得到不同行人 抛距与碰撞速度的关 系 虽然单 的曲线 关系只能 适用几种类似的事故 但是不同的关系之间存在一 定的联系 4 很难完全依靠试验的方法得到不同车辆相 关部分的材料性质或接触刚度 所以目前适合仿真 的人车碰撞的车型和事故类型有限 但是 可以通 过仿真求得其变形与反力关系曲线 用刚体接触的 方法简化解决该问题 5 另外 在仿真和事故案例中发现头部与地 面撞击往往是造成行人重伤或死亡的主要原因 因 此有必要进一步研究地面与头部接触对事故再现结 果的影响 参考文献 1 u L Y a n g J W e l a1 P r o c e e d i n g o f t h e 3 t h I n t e r n a t i o n a l F o r u m o f A u t o mo t i v e T r a f fi c S a f e t y C S h a n g h a i J u n e 2 0 0 4 2 E u r o p e an U n i o n D i r e c t i v e 2 0 0 3 1 0 2 E C o f t h e E u rop e a n P a r l i a me n t an d 0 f t h e Co un c i l o f 1 7 No v e mb e r 2 0 0 3 O伍c i a l J o u m a l o f t h e E u r o p e a n U n i o n f C 1 2 0 0 3 1 2 6 I 3 2 1 1 5 2 5 3 S c h n e i d e r H B e l e r G E p 呲a n d A c c i d en t C o m p a r i s o n o f D u m m yT e s t R esu l ts a n d R e a l P e d e s t r i a n A c c i d e n t s C S A E 7 4 1 1 7 7 4 B r u n C a s s a n F V a l l e e H T a r r i e r e C e t a 1 R e c o n s t r u c t i o n 0 f A c t u al C a r P e d e s t r i a n C o l l i s i o n s w i t h D u mm y and C a d a v e r s C S AE 8 3 0 o 53 5 Y ang J K I g J v s u n d P J C a v a l l e r o C B o n n o i t J 2 0 0 0 A H u man B o d y 3D Ma t h e ma t i c a l Mo d e l f o r S i mu l a t i o n o f Car Pe d e s t ria n I m p a c t