汽車碰撞事故仿真分析

人類車輛的碰撞和事故是道路事故的主要形式。中國2005年交通事故死亡人數(shù)為98738人,其中行人24451人,占總數(shù)的24.76%。在歐美及日本等國家人車碰撞事故在交通總數(shù)中都占有相當一部分比例。因此,人車碰撞事故已經(jīng)成為全世界相關(guān)研究人員共同關(guān)注的問題。行人保護也成為汽車安全研究領(lǐng)域的重要問題之一。精確分析再現(xiàn)行人-汽車相撞事故的特點對于改進汽車車身設(shè)計,保護行人安全有重要的意義。在人車碰撞事故這方面的相關(guān)研究,美國交通部、日本汽車研究所(JARI)、英國交通研究實驗室(TRL)、國際協(xié)調(diào)研究組織(IHRA)以及其他的一些汽車制造商和科研院校也對行人安全和事故再現(xiàn)做了比較深入的研究。在中國,行人安全的研究起步較晚,研究的范圍也相對狹窄。吉林大學、清華大學、湖南大學、上海交大、天津汽車技術(shù)中心等單位都在行人安全和事故再現(xiàn)方面做了大量相關(guān)研究。本文主要著眼點在于研究人-車碰撞后行人的運動狀態(tài),因此我們選用PC-Crash軟件進行模擬,這樣就避免建立詳細的有限元模型,從而大大縮短計算時間,提高仿真效率。1交通安全事故原因分析在不同類型的交通參與者中,一般認為行人總是處于最弱的地位。調(diào)查結(jié)果表明:事故發(fā)生時行人絕大多數(shù)(55%)處于行走狀態(tài);行人與車輛的各種相對方位中側(cè)向所占比例最大(68%);行人頭部在發(fā)生事故時是最容易受到傷害的部位,并且是造成行人死亡的主要原因(64%)。因此頭部傷害機理及防護的分析研究在行人安全性研究中占重要地位。另有調(diào)查顯示:引起行人交通事故的車輛70%～80%是轎車,其中70%的行人是與汽車的前面相撞的。碰撞事故發(fā)生時車的水平速度分布、行人身高分布分別如圖1、圖2所示。綜上所述,可以確定利用軟件模擬人車事故的重點是:把行人分為兒童和成年人兩類,主要分析部分為頭部,碰撞前行人狀態(tài)為行走,行人與車輛相對位置為側(cè)向,行走速度為1.5～3m/s;對于車輛,只要針對車型為轎車,主要分析部位為汽車前部,碰撞前汽車狀態(tài)為直行,碰撞前車速為30～50km/h。2pc-crry軟件的模擬研究2.1主要參數(shù)擬定根據(jù)汽車與行人碰撞的特點及相關(guān)文獻選取如下的案例作為常見人車事故的分析數(shù)據(jù),并與相關(guān)文獻進行比較驗證,擬定以下必要參數(shù):車輛碰撞速度v=47km/h,制動減速度在人車碰撞那一時刻起開始施加,大小為0.6g(g為重力加速度),車輛直行,行人的速度方向與車的速度方向垂直,行人以步行姿勢通過馬路,碰撞時行人位于汽車中部區(qū)域。2.2人體生物力學模型人體模型參照我國50百分位成年男子人體尺寸:體重=59kg,身高=1678mm,采用PC-Crash標準數(shù)據(jù)庫中的多剛體行人人體模型,如圖3所示,其他各項人體生物力學參數(shù)來自PC-Crash假人標準數(shù)據(jù)庫。車輛模型選取某長頭型轎車,如圖4所示。圖中列出車輛前部各結(jié)構(gòu)參數(shù)為:1——0.35m;2——0.5m;3——0.8m;4——0.9m;a——0.05m;b——0.06m;c——1.02m;d——0.58m。3行人雙、離體碰撞后點的分布汽車與行人碰撞后,行人的運動過程一般可分為接觸、空中飛行和地面滑移3個階段。案例選取汽車以47km/h與行人碰撞后,行人在進入空中飛行階段之前不同時刻的仿真結(jié)果,如圖5所示。行人頭部合成加速度、胸部合成加速度、右腿(大腿、膝蓋、小腿)合成加速度的動力學參數(shù)是衡量碰撞后人體損傷程度的主要參數(shù),其計算后曲線如圖6～圖8所示。根據(jù)身體各部位加速度峰值及其運動變化情況的加速度可以預(yù)測碰撞事故中行人的損傷風險。根據(jù)行人頭部加速度算得的頭部損傷指數(shù)HIC達1212.36,是造成行人死于腦損傷的主要原因。通過計算胸部3ms的加速度,為30g,在規(guī)定的胸部加速度60g的安全界限中。雖然對行人沒有骨折等致命性傷害,但足以對人體造成了嚴重性的傷害。通過計算得到的右大腿加速度為1982m/s2(202g),高于安全法規(guī)中規(guī)定的150g,所以右大腿存在骨折的風險。研究表明,人車碰撞事故發(fā)生后,除了頭與地面碰撞或其他一些特例外,相當大的一部分運動規(guī)律是頭部與發(fā)動機蓋和擋風玻璃碰撞。所以我們?nèi)粝胪ㄟ^改善發(fā)動機罩及擋風玻璃的性能來保護行人,那么首先要搞清楚的應(yīng)該是人體與車體碰撞后,頭部與車體碰撞點的分布規(guī)律。根據(jù)前文總結(jié)的汽車與行人碰撞的特點,我們選取車速范圍為30～50km/h,行人身高范圍為1.55～1.75m,然后分別根據(jù)隨機數(shù)發(fā)生程序發(fā)出車速和行人身高的隨機量,在車前由左至右任意選取位置進行碰撞試驗,共進行25次模擬,分布如圖9所示。經(jīng)統(tǒng)計,其中有17次落在擋風玻璃和及發(fā)動機罩的后三分之一部分,4次落在發(fā)動機罩前半部分,還有4次人體頭部沒有與車體發(fā)生碰撞。由此可見,擋風玻璃(包括A柱和擋風玻璃下邊緣)及發(fā)動機罩的后三分之一部分是行人頭部幾率最大的著落區(qū)域。對于兒童來說,由類似的碰撞試驗得到碰撞后兒童的的運動軌跡的大致方向基本上與車的行使方向同向的,即兒童被撞到或向前拋出,只有很少一部分落到發(fā)動機蓋的前端。因此,對于兒童,我們就應(yīng)該試圖將研究重點放在保險杠或者發(fā)動機罩前緣,以及根據(jù)兒童頭部特性適當改善發(fā)動機罩前端結(jié)構(gòu)。另外,兒童行人事故可以通過安全教育、法規(guī)的實施、政府干預(yù)或監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置等途徑來降低。4發(fā)動機罩內(nèi)安裝前風窗確立的保護作用根據(jù)大量的人車事故仿真試驗,現(xiàn)就行人保護方面提出以下建議:1)在合理布置發(fā)動機罩下發(fā)動機等零部件的基礎(chǔ)上適當考慮后三分之一部分下面的結(jié)構(gòu)布置,以避免發(fā)動機罩變形后頭部與發(fā)動機罩下方剛度很大的發(fā)動機相碰,