汽車正面碰撞交通事故分析專家系統

姜松

摘 要：應用非線性有限元分析軟件對小型客車正面碰撞變形進行數值仿真，分析碰撞變形、速度、加速度和能量等參數的變化規律，根據不同車型的車身正面碰撞變形和速度的關系，建立汽車正面碰撞事故分析專家系統，為交通事故的責任鑒定提供理論依據。

關鍵詞：汽車碰撞；交通事故；專家系統

1 引言

汽車碰撞安全性是汽車車身設計的重要內容。隨著我國汽車保有量的不斷增加，交通事故帶來的人身傷亡和財產損失使人們越來越重視汽車的安全性。

在當前交通事故分析中，主要依據制動的印跡，采用傳統的經驗來再現交通事故過程。隨著計算機仿真技術的不斷發展，憑借動力學理論和有限元模擬的方法，開始對典型的交通事故進行仿真分析和研究[1]。交通事故分析專家系統，通過計算機仿真模擬的方法，能夠再現汽車碰撞過程的關鍵參數，為交通事故的責任認定提供理論依據。

本文采用ANSYS/LS-DYNA軟件，通過對車身正面碰撞的有限元模擬仿真，分析汽車正面碰撞過程中關鍵參數的變化規律，建立汽車正面碰撞事故分析專家系統，為交通事故的責任認定提供一定的理論參考。

2 汽車碰撞仿真

本文采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA對某系列小型客車的車身進行正面碰撞的模擬計算。

2.1 仿真計算

某車型的車身幾何模型，如圖1所示。對該車身進行網格劃分，采用4節點的Shell 163殼單元，最小尺寸為4mm，接觸類型采用自動單面接觸算法。

車身材料采用鋼材料材料，彈性模量E=202GPa，泊松比=0.3，屈服強度σy=207MPa，抗拉強度σt=230Mpa。剛性強采用剛體單元，約束全部自由度。整車以不同的初始速度正面撞擊剛性墻。

車身建模是模擬仿真中一個復雜而繁瑣的過程。對于交通事故的分析，需要對不同類型的車身進行仿真計算，其工作量極其巨大。為了提高計算效率，本文簡化了汽車的車身模型，不考慮碰撞過程中對車身變形影響小的部件，而將其作為集中質量點加載在車身上。改變車身部分的主要結構尺寸，從而獲得不同類型車身的幾何模型。

2.2 結果分析

本文對不同結構剛度的轎車車身進行正面碰撞的仿真計算，整車分別以30km/h、48.3km/h、72.4km/h、96.6km/h、120km/h和160km/h多種初始速度進行正面碰撞，并對計算結果進行分析。以48.3km/h速度正面撞擊剛性強的變形，如圖2所示。

（1）能量。汽車碰撞過程是一個能量守恒的過程，汽車的動能被車身、車架、保險杠等部件的變形所吸收[2]。碰撞開始時，車身與剛性墻接觸，變形開始逐漸增加，而后車身回彈，直至整車運動停止。研究結果表明，車身發生的最大變形及其發生的時間均與碰撞速度有關。碰撞速度越高，最大變形出現的時刻越提前，而此時整車的動能已經衰減95%以上。碰撞過程的能量變化特征，是車體碰撞變形計算的理論依據[3]。

（2）加速度。汽車碰撞后的加速度的峰值，主要取決于碰撞的初始速度。而加速度的平均值大致與車身質量成反比，卻與加速度的峰值卻相差甚遠。

（3）車身變形。研究表明，汽車碰撞后的車身變形，主要取決于汽車結構的剛度、碰撞初始速度和撞擊位置與方向[2]。為了研究碰撞變形與初始速度之間的規律，本文將汽車進行分類，研究不同車體長度和碰撞初始速度下，汽車正面碰撞的變形。為了驗證有限元模擬計算模型的有效性，本文根據美國NHTSA提出的小型客車分類標準，對不同類型汽車的正面碰撞變形進行對比驗證。結果表明，當碰撞速度低于16.7km/h時，碰撞變形與美國NHTSA提出的線性假設求解結果相符；當碰撞速度高于16.7km/h時，碰撞變形逐漸呈現出明顯的非線性特征。通過與大量疑難交通事故的測量結果進行對比，本文得出的碰撞速度與變形規律與交通事故實例非常接近[4]。

3 正面碰撞交通事故分析專家系統

通過對碰撞變形和初始速度的曲線擬合發現，碰撞初始速度和變形的關系，在特定坐標下為彈道方程：

y=xtgT| （1）

對于不同剛度的汽車，對應不同的特征方程，稱之為判速方程[5]：

d=aiv-biv2 （2）

式中，d表示速度，v表示塌陷變形。

汽車正面碰撞交通事故分析專家系統，以車身剛度分析法為理論基礎，通過碰撞變形來預測碰撞速度。在研究中發現，采用美國NHTSA確定的汽車分類方法來預測碰撞初始速度的誤差較大。通過對我國小型客車的類型和剛度特征進行分析，本文采用了新的汽車剛度分類方法，如表1所示[5]。

通過仿真模擬計算的驗證結果分析，對不同類別的汽車，可以根據車身或車架的厚度和剛度，對汽車的類別進行修正。對于某類車型，如果車身或車架的厚度或剛度較大，則可以采用比現有類別高一級的判速方程對碰撞變形進行預測。

4 結語

（1）汽車正面碰撞交通事故分析專家系統，對不同類型的小型客車進行的大量模擬計算，通過結果對比驗證了有限元模型的有效性。

（2）汽車碰撞過程中的能量變化規律，是汽車正面碰撞交通事故分析的理論依據。汽車車身的剛度，隨著汽車變形的不斷增加而改變。碰撞變形與碰撞初始速度有關，在特定的坐標下符合拋物線方程。汽車正面碰撞的判速方程，可根據碰撞變形預測碰撞初始速度，能夠快速地為交通事故責任認定提供理論依據和參考。

參考文獻：

[1]陶沙，于長吉.汽車安全行駛于事故分析[M].大連：大連理工大學出版社，1997.

[2]李卓森.汽車正面碰撞方程式及其應用[J]. 汽車技術，1989，8：8-19.

[3]孫宏圖，劉學術，宋振寰等.汽車碰撞變形計算機模擬研究[J].大連理工大學學報，2002：42（6）：680-683.

[4]孫宏圖，汽車碰撞分析專家系統[D]，大連理工大學，2002.

[5]于長吉，孫宏圖.用于交通事故分析的汽車碰撞計算機模擬方法[J].交通與計算機.2001，19：36-39.