基于PC-Crash的車輛側翻事故再現仿真實驗

何烈云

(浙江警察學院 治安系, 浙江 杭州 310053)

基于PC-Crash的車輛側翻事故再現仿真實驗

何烈云

(浙江警察學院 治安系, 浙江 杭州 310053)

PC-Crash再現交通事故是根據交通現場勘查結果及事故調查結果,構建交通事故現場場景并導入模型,設定模型的參數和初始運動狀態,對交通事故發生過程進行模擬演示,將演示結果與實際交通事故進行比較,分析是否存在差異并判斷存在差異的原因,進一步調整模型的參數和初始運動狀態,直至演示結果與實際事故高度吻合。在分析引發車輛側翻事故各種可能因素的基礎上,著重介紹了PC-Crash軟件仿真車輛側翻事故的基本步驟。通過交通事故實例,演示了PC-Crash軟件變量參數的設置和調整方法。

側翻交通事故； 交通事故再現； 仿真實驗； PC-Crash

1 車輛側翻交通事故再現和PC-Crash

1.1 研究車輛側翻交通事故的意義

車輛側翻交通事故是一種常見的交通事故形態,此類事故容易引發群死群傷,造成嚴重的后果,給人民生命和財產帶來巨大的損失。據來自公安部交管局的統計數據,2012—2014年1季度,在全國發生的534起死亡5人以上的較大、特大道路交通事故中,車輛側翻(含側翻引發的二次交通事故)共有52起,因車輛側翻事故造成死亡人數的比例也逐年增加。僅在2014年1季度,車輛側翻竟然占特大交通事故的40%。

因此,加強對車輛側翻交通事故的研究,對于交通事故成因分析、交通事故預防、道路交通管理以及道路工程及汽車工程安全具有非常重要的意義。

1.2 PC-Crash簡介

PC-Crash是奧地利DSD(Dr.Steffan Datentechnik GmbH)公司開發的一款基于Kudlich-Slibar動量模型的交通事故再現分析軟件[1],也是目前比較成熟、廣泛應用的交通事故再現分析軟件[2]。

運用PC-Crash軟件能再現以下類型的交通事故:汽車-行人碰撞事故[3-5]、汽車-汽車碰撞事故[6-8]、汽車-兩輪車碰撞事故[9]、汽車的側滑事故[10]。從運動力學分析,側翻事故主要有因離心力而引起的車輛轉向側翻事故和因外力作用(例如碰撞)引發的側翻。由于車輛側翻往往引起車輛的滾動,通常輪胎和車身會與路面發生多次接觸,所以車輛側翻事故的再現分析難度較大。

2 車輛轉向側翻事故的動力學分析

若將汽車簡化成剛體模型,當汽車發生轉向側翻交通事故時,可以看成以外側車輪與地面接觸點連線為轉動軸,如圖1所示。

圖1 車輛側翻力學分析圖

運用“推箱子”模型,車輛發生臨界轉向側翻時各量滿足下面關系式:

式中:v為車輛速度；b為輪距；h為重心高度；tanθ為超高設計值。

典型側翻事故的車輛首先是發生了側滑,然后是發生側翻,即滿足:

式中:g為重力加速度；r為行駛軌跡半徑；μ＇為橫向摩擦系數。

整理得

汽車的設計必須滿足該條件,以保證汽車在正常裝載和行駛時的安全。

當車輛轉彎行駛時,不發生側翻的穩定性條件是

和

3 PC-Crash側翻交通事故再現基本流程

用PC-Crash軟件進行事故再現的方法屬于正向推導方法,即根據交通事故現場的基本情況,先假定事故車輛側翻前運動狀態已知,再推導出側翻后的運動狀態,然后不斷調整假設側翻前的運動狀態,直到所得側翻后運動狀態與實際情況相吻合。側翻交通事故仿真可以按圖2所示流程進行。

圖2 PC-Crash仿真車輛側翻事故的流程

3.1 構建道路環境、車輛模型及其初始運動狀態

在PC-Crash軟件中,道路環境最重要的參數是路面摩擦系數、縱向和橫向的坡度值。PC-Crash軟件提供了道路模型導入和設置命令,道路模型在交通事故仿真過程中還起到修飾美化作用,因為軟件的工作區可視為道路環境。

發生側翻交通事故以面包車、大中型客車、廂式(含倉柵式)貨車、槽罐車型為主,這些車型的共同特點是重心高度與輪距比值較大,因此在設置車輛模型參數時,重心高度和輪距設置非常重要。

在車輛側翻交通事故中,車輛運動狀態的敏感參數主要有車輛的行駛速度、剎車參數、車輛的轉彎半徑、車輛轉向延遲，設置窗口如圖3所示。

3.2 車輛側翻現象判斷方法

車輛發生臨界側翻時的運動狀態參數值是研究車輛側翻交通事故的關鍵數據。PC-Crash軟件通過二維、三維窗口直接觀察臨界側翻比較困難,通過分析系統輸出參數的方法判斷是否發生臨界側翻則更為準確。

方法1:分析車輛速度變化。車輛在發生側翻后,速度圖像比較凌亂,如圖4所示:OA段是車輛勻速運動,AB段是側滑運動,BC段是側翻運動過程。

方法2:分析車輪垂直受力。車輛在側翻時,車輪受力情況如圖5所示:在AB段,內側車輪的垂直受力逐漸減小,而外側車輪垂直受力增大,車輛處于側滑過程；在BC段,內側車輪垂直受力為0,而外側車輪垂直受力不為0,車輛處于側翻過程；直到為在C點以后前后軸的車輪垂直受力變為0,車輛的4個車輪與地面脫離。

圖3 PC-Crash運動狀態參數設置窗口

圖4 車輛發生側翻時的路程-速度圖像

圖5 車輛發生側翻時車輪垂直受力圖

除以上2種方法外,還可以用分析內外側輪胎的側向受力的變化、車輛的橫擺等方法判斷車輛是否發生側滑。

4 事故實例仿真及結論

4.1 案例簡介

2013年10月21日晚上,王某駕駛“大運”牌重型倉柵式貨車(車型DYX5310CCQ46WPD3)沿207省道線由南向北行駛,當行至正安縣境內一下坡右轉彎路段時,車輛發生側翻,貨廂將對向行駛的2輛兩輪摩托車砸翻至道路邊緣,造成兩輛摩托車駕乘人員6人死亡的較大道路交通事故。事故發生時貨車實載40 t化肥,屬于嚴重超載。事故路段施劃有中心黃色實線,道路呈南北下坡右轉彎走向,縱坡度2%,彎道半徑103 m,彎道內高差0.25 m,道路兩側施劃有白色機非分道線。

4.2 事故道路場景構建

根據事故現場道路情況,設置道路基本參數,取Y方向為北方向,Y向坡度值為-2%,參數設置窗口如圖6所示。

4.3 車輛模型導入

PC-Crash系統車庫中不含國產品牌車輛,根據“大運”牌(車型DYX5310CCQ46WPD3)的參數,選取系統中DAF-F75.29CF卡車作為實驗車輛,并對參數進行修改,提高實驗車型與實際事故車型的吻合度。參數設置窗口如圖7所示。

圖6 道路參數設置窗口

圖7 實驗車輛基本參數設置窗口

4.4 變量參數的初設和調整

本案例交通事故仿真實驗中,車輛轉向半徑可近似認為與所在車道道路曲線半徑是一致的,因此在實驗中，變量參數主要有路面的附著系數、車輛行駛速度、車輛重心高度,在實驗中主要通過不斷調整這3個參數再現此起交通事故。

4.5 仿真實驗數據記錄

在實驗中,可以通過控制變量法仿真實驗車輛側翻的場景。表1是實驗數據記錄情況,圖8為發生側翻時的二維和三維畫面效果截圖。

表1 車輛在不同重心高度和附著系數下的側翻臨界速度記錄 m/s

圖8 二維和三維畫面側翻效果示意截圖

4.6 仿真結論

當路面附著系數大于0.5時,車輛側翻臨界速度主要與車輛重心高度有關,基本上不受路面附著系數影響。該案例事故發生道路為混凝土路面,附著系數0.5～0.8[11],故路面附著系數與本起事故沒有直接關系。

事故車輛在空載、靜態狀態下,向左側和右側傾斜最大側傾穩定角應大于等于35°[12],將車輛近似為剛體,空車重心高度應滿足

該事故車所裝載的化肥包裝袋規格為70 cm×45 cm×15 cm,每袋重50 kg,結合事故車輛的車廂尺寸,40 t化肥堆積高度應達1.9 m以上,根據車輛的整備質量和靜態時重心高度,事故發生時貨車重心應該在0.85 m以上。此時車輛的臨界側翻速度不足30.2 km/h,小于該段道路的設計時速40 km/h[13]。

綜上所述,造成此次車輛側翻事故的主要原因是車輛超載而使重心過高,并且沒有控制好車速。

5 結束語

運用“推箱子”理論分析車輛側翻事故原因與事故實況有較大差距,而運用PC-Crash軟件仿真車輛側翻道路交通事故,仿真結果與實況則比較吻合。PC-Crash軟件可以較好地再現車輛側翻交通事故、分析事故形成的原因,在道路交通事故鑒定、預防側翻交通事故中有重要的意義。

References)

[1] Steffan Datentechnik. PC-Crash Manual Version 9.0 [M].Linz,Austria:mea forensic,2010.

[2] 張詩波,黃海波,李平飛.基于PC-Crash的公路避險車道事故動力學仿真方法[J].公路,2013(9):9-13.

[3] 朱路生,潘公宇,張學榮.基于PC-Crash車人碰撞事故再現研究[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2014,33(2):113-117.

[4] 林慶峰,許洪國.基于PC-Crash的轎車行人高速碰撞仿真模型[J].汽車工程,2007,29(7):562-565.

[5] 鄒鐵方,余志,蔡銘,等.基于PC-Crash的車-人事故再現[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2011,30(3):215-219.

[6] 王曉宇,馬其華,顧卓卿,等.基于PC-Crash現場零信息下汽車碰撞事故分析[J].上海工程技術大學學報,2012,33(2):113-117.

[7] 曹弋,裴玉龍,付川云.事故車輛三維翻滾運動的軌跡模型[J].西南交通大學學報,2013,48(3):513-519.

[8] 朱建武,黃家城,李文勇.基于車輛變形的事故再現反推方法研究[J].公路與汽運,2014(6):60-63.

[9] 許駿,李一兵.汽車-自行車碰撞事故中騎車人頭部損傷仿真分析[J].汽車工程,2008,30(8):667-670.

[10] 鄒鐵方,張勇剛,陳元新.基于PC-Crash的車輛側滑事故再現方法[J].中國安全科學學報,2013,23(1):77-82.

[11] 公安部道路交通管理標準化技術委員會.GA/T643—2006典型交通事故形態車輛行駛速度技術鑒定[S].北京:中國標準出版社,2006.

[12] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB7258—2012機動車運行安全技術條件[S].北京:中國標準出版社,2012.

[13] 交通運輸部.JTGB01—2014公路工程技術標準[S].北京:人民交通出版社,2014.

Research on reappearance simulation experiments based on PC-Crash software rollover accident

He Lieyun

(Department of Public Security, Zhejiang Police College, Hangzhou 310053, China)

The PC-Crash reappearance accident is based on the field exploration and transportation accident investigation as a result, the construction of traffic accident scene into the model, and parameters and initial movement condition of the model,to simulate the process of traffic accident and demonstration, will demonstrate the results compared with the actual traffic accidents, analyze whether there is difference and determine the cause of the differences, so as to further adjust the model parameters and the initial motion, straight to demonstrate highly consistent results with the actual accident. On the analysis of the cause of vehicle rollover accidents, on the basis of various possible factors, this article introduces the PC-Crash software simulation rolled over the basic steps of traffic accidents. Taking the traffic accident as an example, this article demonstrates the PC-Crash software variable parameter setting and adjustment method.

rollover traffic accidents;traffic accident reconstruction;simulation experiment；PC-Crash

2015- 04- 05 修改日期：2015- 06- 01

浙江省重點科技創新團隊項目(2013TD09)資助

何烈云(1976—),男,浙江杭州,在職碩士研究生,助教,主要研究方向為道路交通事故再現、道路交通組織優化.

E-mail：helieyun@qq.com

TP391.9；U491.31

A

1002-4956(2015)12- 0135- 05