汽车碰撞实验（共8篇）
汽车碰撞实验 篇1
0 引言
随着汽车保有量的增长,道路交通事故已成为世界性的问题,汽车被动安全性也成为汽车最首要的性能。汽车碰撞试验,因其结果更具有现实的说服力而被广泛重视。通常采用电测量方法,只能对部分试验结果作出定量的分析,信息量有限,而且不能有效记录试验的全过程。动态序列图像分析方法,可以有效记录碰撞的全过程,并可以对整个过程进行定性和定量的分析,因而成为汽车被动安全研究的一种不可替代的研究方法[1,2]。
摄像机标定,作为图像分析法的关键技术,对分析结果的有效性有着直接的影响。寻求一种对现场要求较低、同时却有着较高精度的标定方法,一直是相关研究的重点。
本文提出了一种摄像机的复合标定方法,标定点的高精度识别及自动匹配方法。在汽车碰撞实验中进行了应用,取得了较理想的效果。
1 摄像机模型
为了从二维的试验车辆图像中获取车身标识点的三维空间坐标,必须建立图像上像素点位置与相应物点空间坐标之间的关系。本文建立了基于透视投影,并包含畸变校正的完整摄像机模型。
1.1 线性摄像机模型
按照透视投影原理,并考虑到摄像机安装在应用环境中的任何位置,建立图像坐标系—摄像坐标系、摄像坐标系—世界坐标系的关系[7]:
其中f为焦距,dx,dy为X和Y方向的尺度因子;(u0,v0)为主点坐标;旋转矩阵R与平移向量T来描述摄像机坐标系与世界坐标系之间的关系。
由此得到像平面—物空间的映射,如式(1)所示:
其中M为3×4矩阵,为投影矩阵:M1中fx,fy,u0,v0只与摄像机内部结构有关,称为摄像机内部参数;M2中R与T由摄像机相对世界坐标系的方位决定,为摄像机外部参数。
1.2 畸变校正模型
为了保证基于摄像机成像模型的三维重建的高精度,必须控制误差在重建中扩散,因此引入畸变校正模型(径向畸变+离心畸变+薄棱镜畸变)如下[7]:
其中是像点到摄像机主点的距离,k1,k2是径向轴对称畸变误差系数,p1,p2是离心畸变参数,s1,s2是薄棱镜畸变参数。
实际应用中影响精度的最主要因素是径向畸变;Tsai指出,由于在考虑非线性畸变时对摄像机定标需要使用非线性最优化算法,引入过多的非线性参数往往不仅不能提高精度,反而引起解的不稳定。因此仅考虑镜头的径向畸变,即上述公式的第一项。
2 摄像机参数的复合标定法
传统的摄像机标定方法中,文献[8]的两步法没有标定主点坐标和尺度因子;文献[6]的平面法要求摄像机从多个角度拍摄标定物;自标定法[3]则需要控制摄像机做严格运动,对实验场所要求较高[5]。复合标定法,可以看成是对上述方法的综合及改进:基于共面点分步进行内外参数的全标定,同时由于标定物为共面点,摄像机无需运动,对现场要求较低,不但适用于汽车碰撞实验,更可以适用于各类交通监测现场;基于迭代优化的畸变参数的标定,则可有效提高标定精度。
2.1 基于共面点的内外参数标定
基于共面点,选择垂直于世界坐标系Z轴的平面为标定物所在平面,则Zw=0;选取位于图像中心位置附近的共面点作为计算对象,尽可能减轻畸变造成的影响。
(1)过渡参数的求解
令M=(mij)4×4,则由(1)式,消去Zc,整理可得:
方程组中共有九个变量,选取物平面与像平面对应的5对点,即可得到过渡参数。如果条件允许,可以选取n对点(n>5),建立超定方程组,以确保参数的精度。
(2)主点(u0,v0)的求解
保持摄像机光轴不变,改变焦距,不同焦距下对应于物平面上同一特征点在像平面上的投影分别为(u1,v1),(u2,v2),则:
选取多个特征点,运用最小二乘法,即可求出(u0,v0)。
(3)尺度因子的求解
对物平面上半径为r的圆,计算其在像平面上的投影在水平及垂直方向的半径rx,ry(像素单位),则:
(4)fx,fy,R,T的求解
令R=[R1R2R3]=(rij)3×3,T=[txtytz]T,由式(1):
由旋转矩阵的正交性,有:
结合式(5)~(7)即可以求得摄像机内外参数。
2.2 基于迭代的畸变参数的标定
将2.1节计算出来的内外参数作为初始值,然后选取所有的点,建立一个优化模型求得摄像机的内部参数、外部参数以及畸变参数的最优解。
由式(1)与式(2)可得:
因此,对每一幅图像中的每一点有:
给定n幅图像中的m个标定点,联立得到2mn个方程,写成矩阵形式:
其中,可用最小二乘法来求解该方程。一旦求出k的值,用式(8)进行迭代优化。
3 车身特定点的高精度识别
从采集的数字图像识别出车身上的特定点以及对特定点成像中心的精确定位,是实现摄像机精确标定和后续进行图像测量的前提和关键。
对于碰撞实验而言,由于车辆及环境是相对固定的,采用人工编码标志技术,即在标定物平面上或是车身上(物空间)需要关注的部位贴上具有唯一身份信息的圆形编码标志图,然后在图片中对每一个含编码信息的标志进行身份识别(即解码),再结合由图像处理得到的每个标志块在图片中的像素坐标,实现标志块的自动识别。
通常认为,通过对像平面上的椭圆(圆是椭圆的特例)曲线进行拟合得到的椭圆中心,就是空间椭圆中心在摄像机像平面上的准确二维像点。然而由于透视投影变换所固有的特性,只有在空间椭圆截面与摄像机像平面平行时,这种处理方法才是准确的。在大多数情形下,存在一定的偏差。必然在测量中引入误差[4]。
本文对编码元进行了改进,在圆形编码标志图中增加互相垂直的、交于圆心的两直线。实际应用中,运用基于颜色分量的过滤方法直接滤除背景,然后基于Hough变换检测直线,对取得的直线求交,得到编码元中心。直线检测对噪声更不敏感,鲁棒性更强,比圆心匹配更具优越性。
4 应用分析
乘用车侧门安全性试验台图像处理系统如图1所示,即视频采集、压缩、图像分析、数据处理及结果输出等管理系统(包括主机、压缩卡、刻录机(PHILIPS VI CDD 3610光盘刻录机)、彩色打印机和有关附件),控制摄像系统和照明系统(包括摄像头(miro VIDEO DC30视频采集设备)、同步继电器开关、同步闪光灯、信号线和照明灯等)。
为了能细致地了解车身(包括侧门)在撞击中的变形过程,在车身的特征点、典型点或关键点上综合人体工程学、力学原理以及车身制造工艺学等因素在侧门附近布置了若干个醒目的测点。
将本文的方法运用到对汽车碰撞的视频分析中,如表1所示,发现测点的绝对误差最大为5mm左右,测点的相对误差在1%之内,稳定性较好。
5 结论
本文提出了一种摄像机复合标定方法,对传统的二步法及平面法进行了综合与改进;标定点的识别中引入了编码元,实现了自动匹配,并改进了编码元中心点识别方法,确保了识别的精度。
以此为基础构建的图像测量系统,不仅可以对碰撞试验过程进行定性分析,而且可以进行定量分析,为研究汽车碰撞安全性提供了重要的参考。
摘要：提出了一种摄像机的复合标定方法:基于共面点分步标定摄像机的初始内外参数;基于最小二乘法求解径向畸变参数,进而迭代优化。标定点的识别中,中心点的识别采用了Hough直线检测及直线求交法,避免通常的Hough椭圆检测法带来的测量误差。应用于汽车碰撞过程的定性和定量分析,结果表明了其有效性与稳定性。
关键词：摄像机模型,摄像机标定,汽车碰撞实验
参考文献
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[3]Zou Fengjiao,Su Xianyu,Li Meiju.Camera linear calibration method with a coplanar target[J].Opto-Electronic Engineering,2005,32(4):70-74.
[4]魏振忠.透视投影变换中椭圆中心畸变误差模型及其仿真研究[J].仪器仪表学报,2003,24(2):160-164.
[5]邱茂林,马颂德,李毅.计算机视觉中摄像机定标综述[J].自动化学报,2000,26(1):43-55.
[6]Zhang Z.A flexible new technique for camera calibration[J].Pattern Analysis and Machine Intelligence,2000,22(11):1330-1334.
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汽车碰撞实验 篇2
汽车与行人碰撞事故再现仿真研究
通过对事故现场汽车损坏痕迹及行人伤亡情况的调查,使用交通事故再现软件PC-Crash建立汽车与行人碰撞模型,重建事故发生过程.分析事故发生前汽车与行人的`初始状态以及碰撞过程中行人的动力学响应和伤害,采用不同的车速,进行了大量的仿真实验,根据行人致伤特点,总结出汽车安全车速等指标,为改善汽车的行人安全性提供参考.
作 者：庹永恒 蒋工亮 黄勇 郝海生 作者单位：重庆交通大学,重庆,200092刊 名：北京汽车英文刊名：BEIJING AUTOMOTIVE ENGINEERING年，卷(期)：2010“”(1)分类号：U467.1+4关键词：事故再现 汽车行人碰撞 伤害 仿真
汽车碰撞过程的实证研究 篇3
一、事故简介
某轿车A由南向北行驶, 与相对方向向左转弯的轿车B相撞。A车前部变形严重, B车车身右侧严重变形, 事故车辆变形情况如图1所示, 事故现场两车碰撞前位置及停止位置如图2所示。
二、事故过程分析和计算
1. A车变形损失能量的计算
A车原始尺寸长/宽/高为4385/1674/1410mm。由在停车场对肇事的A车的补充检测数据可知:A车左侧车身长4205mm (压缩变形180mm) , 右侧车身长3735mm (压缩变形650mm) , 前面形成一个梯形的压缩变形区, 中部偏右受挤压变形, 前保险杠凹陷变形, 车辆前部有一处宽为1000mm、最大车体纵向变形深度为470mm的凹陷变形区, 计算时可将该变形区简化为一个等腰三角形。整体变形简图如图3所示 (虚线区域) 。
利用汽车碰撞过程中变形量的理论及计算方法进行计算, 可得:
A车平均刚度系数 (5次试验平均值) 为:CA=97647.27N/m2;CB=1202083.6N/m2。
变形力计算式为:F= (CA+CBx) Bx
式中:F为碰撞力;CA、CB为平均刚度系数;x为变形量;Bx为变形宽度。
将梯形区域分成一个矩形和两个直角三角形计算。
第一部分为矩形:Bx=1.0 (m) , 可得Edef1=37050.26J;
第二部分为两个直角三角形:Bx=-1.87x+0.337 (m) , 可得Edef2=10315.8J;
第三部分为等腰三角形:Bx=-1.06x+0.69 (m) , 可得Edef3=118187.7J。
A车前部总变形能量E1=37050.26+10315.8+118187.7=165553.76J。
2. A车碰撞结束后旋转能量的计算
A车碰撞结束后旋转约150°, 则旋转动能为:
式中:m为A车与乘客的总质量, L为轴距。
3. A车速度的计算
根据能量守恒定律, A车碰撞速度为:
由事故现场草图可见, 现场车轮制动痕迹长为15.6m, 汽车行驶路面为平整、干燥的沥青路面, 取附着系数φ=0.72, 汽车行驶速度约为:
所以, A车出现制动印迹时的行驶速度约为78.31km/h。
三、模拟分析
参照2车变形情况和事故现场草图及比例图, 将事故现场记录的数据输入模拟软件进行反复模拟, 直至两车模拟行驶轨迹以及停定位置与事故现场图行驶轨迹及停定位置吻合, 得到A车的速度。模拟运动过程如图4所示。
A车碰撞瞬间的速度约为:vA=54.36km/h;
A车出现制动痕迹时的速度约为:vA=75.0km/h;
B车在碰撞瞬间的速度约为:vB=28.7km/h;
B车在A车出现制动痕迹时的速度约为:vB=30.0km/h。
四、结论
汽车车架碰撞变形及安全改进措施 篇4
近年来,随着汽车工业的发展,汽车的碰撞安全性成为研究热点,而汽车的被动安全性是汽车安全性研究的重要环节。对于非承载式车身结构的车辆来说,车架是汽车碰撞中最主要的吸能元件,50%以上的撞击能量均为车架所吸收。那么车架一旦受撞击,它将以何种方式变形、变形后的判断依据是什么等等都是我们研究汽车被动安全性的关键问题,因此研究车架的变形特性有着重要的意义。
1 车架变形类型及判断依据
1.1 车架结构
车架式车身由车架及围接在其周围的可分解的部件组成,车架的前部和后部具有上弯的结构,碰撞时会变形,但可保持车架中部结构的完整。车身与车架间有橡胶垫间隔,橡胶垫能减缓从车架传至车身上的振动效应。遇到强烈振动时,橡胶垫上的螺栓可能会折弯,并导致车身与车架之间出现裂缝。碰撞时由于振动的大小和方向不同,车架可能遭受损坏而车身没有损坏。车架的中部较宽,可以抵挡侧面的碰撞冲击,保护乘员的安全。图1为越野车底部车架结构图。
1.2 车架变形类型
车架受撞时的变形大致可分为以下5种类型:
1.2.1 左右弯曲变形
当汽车一侧被碰撞时,应观察被撞一侧纵梁的内侧及未被撞一侧纵梁的外侧是否有皱起,车门长边上有无裂缝和短边上有无皱褶,或汽车被撞一侧是否有明显的碰撞损坏,车身和车顶盖是否有错位等情况,以此来确定是否有左右弯曲变形。图2为车架前部和后部的左右弯曲变形。
1.2.2 上下弯曲变形
汽车被撞后,若车身外壳表面比正常位置低,结构上也有后倾现象,则发生了上下弯曲变形(见图3)。直接碰撞汽车的前部或后部,会引起汽车上一侧或两侧发生上下弯曲。判断车架是否有上下弯曲变形的方法是:看翼子板与车门之间的缝隙是否在顶部变窄、在下部变宽;车门是否下垂。大多数车辆碰撞损坏中都会有上下弯曲变形,即使在车架上看不出折皱和扭曲。严重的上下弯曲变形也能破坏车架上车身钢板的准直。
1.2.3 断裂变形
汽车发生碰撞后,当观察到以下现象时说明车架上发生了断裂变形:发动机罩前移和后车窗后移;车身上的某些部件或车架元件的尺寸小于标准尺寸;车门可能吻合很好,但挡板、车身或车架的拐角处皱折或有其他严重的变形;车架在车轮挡板圆顶处向上提升,引起弹性外壳损坏和保险杠的一个非常微小的垂直位移。
1.2.4 菱形变形
当车辆前部(或后部)的任一侧角或偏心点受到撞击时,车架的一侧向后(或向前)移动,车架或车身歪斜近似平行四边形的形状,这种变形称作菱形变形。菱形变形是整个车架的变形,可以明显看到发动机罩及行李舱盖发生错位;在接近后车轮罩的相互垂直的钢板上或在垂直钢板接头的顶部可能出现皱折;在乘坐室及行李舱地板上也可能出现皱折和弯曲。此外,菱形变形还会附加有许多断裂及弯曲的组合损坏,但菱形变形很少会发生在整体式车身上。
1.2.5 扭转变形
当汽车高速撞击到路缘石或路中隔离栏或车身后侧角端发生碰撞时,就可能发生扭转变形(见图4)。发生扭转变形后,汽车的一角会比正常情况高,而相对的一角则会比正常情况低。若汽车的一角下垂接近地面,则应对汽车进行扭转损坏检查。需特别注意的是,扭转变形往往隐藏在底层,可能在钢板表面检查不出任何明显的损坏。
2 车架的改进性设计
由以上分析可以看出,车架纵梁的主要变形发生在纵梁前端和后端的两个拱形凸起处。拱形凸起处是纵梁结构的薄弱环节,当车架受到碰撞作用时,车架纵梁受到的压缩力使得纵梁发生上下弯曲、左右弯曲、菱形变形以及扭转变形。由于弯曲变形模式比褶皱式的叠缩变形模式吸能效果要差的多,因此原车纵梁在整车碰撞过程中并未起到应有的吸能效果,而是通过纵梁的弯曲变形直接将碰撞能量传递至汽车中部,导致车门及乘员舱变形严重,整车的被动安全性大大降低。因此如何对纵梁前段结构进行优化设计,以使纵梁前端在碰撞过程中吸收尽可能多的能量,是提高整车被动安全性的一个重点。下面介绍的是车架纵梁的几个改进性设计。
2.1 增加前纵梁长度并改变其结构形状
在前纵梁端部增加一段波纹加工过的碰撞吸能区域(如图5所示),并将该吸能区域用螺栓连接在纵梁上,在碰撞时可以充分吸收碰撞能量,并且在修理时可以迅速更换。前段纵梁越长吸能效果越好。
2.2 选用框式车架
框式车架的纵梁在其最大宽度处支撑着车身,在车身受到侧向冲击时可为乘员提供保护,在前车轮后面和后车轮前面的区域形成扭力箱结构。在正面碰撞中,分段区域可吸收大部分的能量。在侧向碰撞中,由于中心横梁靠近前面地板边侧构件,使乘坐室受到保护;同时因乘坐室地板低,从而质心降低、空间加大。在后尾碰撞中,由后横梁和上弯车架吸收冲击振动。框式车架如图6所示,其中黑色部分为扭力箱结构。
2.3 在纵梁内部增加防撞梁
纵梁钢板厚度是影响拱形梁吸能能力的重要因素。而拱形纵梁是采用冲压整体成型的,不易单独对某一段的截面厚度进行调整。这里采用在关键部位加加强板的方式来增加其截面厚度。加强板的形状与纵梁随型,采用电弧焊的方式进行连接。
3 结束语
本文对某越野车车架碰撞变形趋势进行了深入的研究和分析,在此基础上提出了几点增加车架被动安全性的改进方法,大幅度提高了车架在碰撞中的吸能能力,有效保护了驾乘人员的生命安全。车架碰撞安全性研究是一项非常复杂的课题,涉及到的内容很多。由于受到各方面条件的限制,本文的研究仅仅是其中的很小一部分,还有很多相关的工作要进一步开展。例如:要将车架与车身抗撞性结合起来,车架的优化设计最终还是要提高整车的被动安全性,因此有必要将车架的抗撞性与整车的抗撞性联系起来,寻求它们之间的关系。
摘要：对某越野车车架碰撞安全性问题进行了判断与分析。从汽车的前部正面碰撞、前部侧面碰撞、中部碰撞和后部碰撞等几个方面研究了汽车车架的变形倾向以及判断方法,随后提出几项增加车架被动安全性的改进设计。
关键词：车架变形,变形类型,安全设计,汽车
参考文献
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汽车侧面碰撞的CAE仿真分析 篇5
1 侧面碰撞仿真模型建立
根据企业建模标准并结合GB 20071-2006《侧面碰撞的成员保护》的要求, 建立汽车侧碰模型, 如图1所示:
1.1 模型建模
根据实车数模分别对白车身、底盘、动力、CCB、转向、排气、冷却、开闭件、座椅等系统进行网格划分、材料属性定义、连接设置、建立各总成的碰撞模型。在LS-DYNA软件中, 考虑多应变率的影响, 材料类型主要采用MAT24, 根据BOM选择不同牌号并赋予属性。实际碰撞中发动机、变速箱、轮毂等刚度较大, 较其他部件变形较小, 采用MAT20材料定义为刚体, 缩减计算量。根据连接类型, 点焊采用MAT100 HEXA, 二保焊采用RB2连接, 玻璃胶、结构胶、减震胶分别进行设置, 并建立运动件的各类铰接关系[2]。
1.2 整车搭建
各分总成模型建立后, 根据号段规则对节点、部件等分别编号, 最后采用PATCH方式, 建立总成间的连接。整车模型接触主要包括, 整车自接触以及MDB壁障与整车模型的接触, 焊接、涂胶等接触特性在各分总成里面各自设置。通过区域配重调整仿真模型与整车质心基本一致, 根据实车碰撞标准进行轿车与壁障碰撞姿态调整, 由此建立整车侧面碰撞模型。
1.3 边界及输出定义
跟据GB20071-2006侧面碰撞的乘员保护, 定义壁障的初速度为13.89m/s, 即50Km/h;建立B柱相对应区域的加速度计, 来输出碰撞过程中相应的变形数据;根据碰撞实际计算时间控制在150ms。
2 仿真实例分析
侧面碰撞基本过程较短, 车体基本在数秒内停止运动, 而与车体碰撞变形、假人损伤相关的时间基本在150ms内, 因此对碰撞结果主要在此区间进行评价。
2.1 碰撞结果分析
侧面碰撞过程中, 车辆静止, 壁障以50Km/h速度, 以R点为中心横向冲击车辆侧面, 伴随门、B柱等的侵入逐步增大, 整车开始运动, 直至与壁障速度相同, 达到侵入极值。对于乘员假人, 相当于从静止状态, 受到门、B柱饰板等的挤压开始运动, 直至达到门饰板侵入极值的过程。由时序分析可知, 整车速度极值与门侵入极值是不一样的, 在此过程中, 与假人直接相关的便是门、B柱饰板等的侵入量, 考虑实车测量、门与B柱变形的相应关系, 取B柱上相应特征区域点作为指标进行评价[3,4]。
根据碰撞动画进行时序分析, 0ms, 移动壁障刚好接触到汽车;20ms, 门侵入速度达到极值, 侵入量持续增大;30ms, 车体侵入速度快速上升, 门相对侵入量基本达到最大;40ms, 车体侵入速度达到极值;55ms, 车体相对侵入量达到极值;80ms, 门、车体速度反弹, 整车侵入量保持稳定, 车身变形基本停止。此后, 整车仿真碰撞过程稳定, 直至结束。
将CAE仿真计算结果记录在表1中, 可以发现该款车型B柱相对假人各指标区域, 变形较大, 侵入速度较高。如此, 无法保障侧面碰撞中假人的生存空间, 对损伤值影响较大, 约束系统匹配开发的基础条件较差。
2.2 碰撞结构优化
针对碰撞变形情况, 需要对B柱、门槛、座椅安装横梁、后地板横梁等进行优化加强。主要方法有:
(1) 对B柱顶端, 顶棚横梁搭接区域适当加强, 上部形成有效支撑。
(2) B柱中部过早折弯是整体胸部、腹部变形量大的主要因素, 因此需要对B柱补强板适当优化加强, 使B柱加强板在壁障撞击下整体挤压, 变形连续不发生突变。
(3) 从变形动画可见, 门槛地板区域侵入较大, 影响主驾座椅姿态, 需要对门槛梁适当加强, 并通过后地板横梁、座椅安装横梁等结构优化, 材料提升来形成对门槛的有效支撑, 使冲击力非碰撞区域有效传递。
通过结构优化, 仿真计算结果见表2, 对比原模型与优化模型, 相对侵入量与绝对侵入速度均有明显改善。
3 结语
本文根据侧碰法规, 建立汽车侧面碰撞模型, 通过CAE仿真分析, 针对车体变形情况进行分析评价, 通过结构优化达到提升车体结构耐撞性的效果。CAE对缩短车体结构设计周期, 降低项目开发成本效果明细, 优化方案可为汽车被动安全开发提供参考。
摘要：汽车被动安全开发, 需要进行大量的整车碰撞和SRS验证, 周期较长, 过程复杂。随着GB、C-NCAP等评价要求的提高, 往往需要投入高昂的开发费用, 而进行汽车碰撞安全的CAE仿真计算, 并进行结构优化模拟, 逐步成为研究汽车耐撞性的必然选择。本文对汽车侧碰进行建模, 根据仿真结果对基础车型进行评价, 并通过结构优化提升车体结构耐撞性, 为后续开发提供参考。
关键词：汽车,侧面碰撞,CAE仿真分析
参考文献
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[2]胡远志, 曾必强, 谢书港.基于LS-DYNA和Hyper Works的汽车安全仿真与分析[M].北京:清华大学出版社, 2011.
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汽车碰撞实验 篇6
近些年,我国汽车保有量持续增加,其中引发的一个问题就是道路交通安全事故的频繁发生[1],为了辅助鉴定事故当事人的责任,准确、快速事故再现有着非常重要的现实意义[2]。针对应用情况,交通事故再现的方法分为反推法与正推法[1];从体系来分,交通事故再现方法包括理论计算以及软件模拟与分析[3,4];从手段来分,交通事故再现方法包括经验公式与数值模拟[5]由于在道路交通安全事故中,人车事故再现受到较多学者同僚的研究,而有关车辆间碰撞的研究少之又少。所以,对车辆见碰撞的研究有一定的现实意义。
本文旨在根据车辆碰撞位置和停止位置以及车体上碰撞位置的形变特性,采用反推算法,结合现场勘查得到的数据,进行科学的分析,经过大量的案例分析对比,利用力学知识研究分析汽车碰撞,建立汽车正面碰撞的物理、数学模型,构建正面碰撞事故中车辆相关参数及道路条件与车速的函数关系,并基于VB平台搭建车速预测模型并进行实测验证。
1、模型的初步建立
车辆间的碰撞事故属随机事件,全部过程时间仅有0.1～0.2s[1],因而无论当事人或目击者,都很难准确详实地说明事故发生的全过程。只有通过车辆本身的参数,通过现场勘查得到的数据,进行科学的分析,经过大量的案例分析对比,才能得到切合实际的分析模型。
1.1 数据采集
事故现场的数据采集部分主要包括以下部分:
1)汽车基本参数:包括车身外廓尺寸、载质量、是否装备ABS等;
2)汽车碰撞接触变形量:包括碰撞变形部位的凹陷深度、左右侧剩余长度、剩余宽度及事故后汽车剩余轴距等;
3)洒落物情况:包括撒落物名称(如风档玻璃、大灯玻璃、转向灯或小灯玻璃或塑料块、保险杠等)及其洒落分布情况。
4)道路情况及路面遗留痕迹:包括路面摩擦系数(由路面种类、新旧情况及天气情况等推算)、制动拖印、碰撞造成的制动拖印转折、因碰撞或转弯形成的弧状横滑擦痕、车体与路面的划痕等。
1.2 事故再现的方法
碰撞速度是事故处理和鉴定的一项重要指标,每一种事故再现方法都是以某一特殊前提和特定假设为依据的。事故再现方法可以分为碰撞计算(反推算法)、运动方程计算(前推算法)以及以碰撞计算为理论基础的图解法三种方法。通常,车辆碰撞事故再现技术一般可按下述步骤进行:
本文采用反推算法。利用反推算法确定碰撞速度的计算方法的基本物理定律包括:动量守恒定律,角动量守恒定律和能量守恒定律。计算碰撞速度所必需的数据包括:碰撞后车辆最终静止位置、事故印迹、损坏、碰撞后运动距离、碰撞状态、碰撞前制动和滑移印迹。这些数据能够给出车辆碰撞前的运动状态的大致变化范围,从而可以得到碰撞前速度的一个大致变化范围。
1.3 制动距离与车速关系
汽车在正常行驶过程中,驱动力F必须大于行驶阻力,在小于或等于附着力时,轮胎无滑转,当驱动力大于附着力时,地面施加于汽车的驱动力等于附着力,而剩余的力通过轮胎与地面之间的滑转摩擦所消耗,故可列出下列等式:
式中:m—汽车的质量kg;a—汽车的加速度m/s2;μf一滚动阻力系数;Wr—驱动轴荷重N;W一车辆总重N;k—驱动轴占总轴数比(后轴驱动时k≈0.5,全轮驱动时k=1)。
据相关研究,当时间为0-1.2s,a=1.63t(m/s);1.2s后,a=1.96 (m/s)。基于此,经相关理论及数学变换,可得到:
2、模型构建
2.1 正面碰撞等效模型
设正面碰撞的两车是同型车,即质量m1=m2。此时,碰撞后两车的运动状态和变形量是相同的,两车在对称面上,各点的运动均为零,这样就可将对称面完全等效为刚性墙壁。
如果两车不是同型车,即m1≠m2,A车和B车碰撞时速度分别为v01、v02,可得到碰撞后两车的速度:
式中ve1和ve2为有效碰撞速度。
2.2 正面碰撞前后的车速
汽车正面碰撞时,相互作用的时间极短,而冲击力却极大,故其他外力的作用可以忽略不计。根据动量守恒定律可求得碰撞后的速度:
由式(5)和(6)可得到事故车辆正面碰撞速度,其步骤如下图所示:
3、模型应用实例
利用Visual Basic构建汽车交通事故速度再现系统。该系统可根据事故现场所采取的相关数据及正面碰撞等效模型,推算出正面碰撞前两车的运行车速。其界面如图3所示。
根据相关事故数据报告,进行仿真验证,得到结果如下:
4、结论
(1)文中车对车碰撞事故再现系统采用Visual Basic计算机语言编写,可在Windows操作系统下直接运行,环境适应性强。
(2)文中所构建模型设置参数包括事故车辆的载质量、制动印迹长度、附着系数、塑形变形量和制动轮数,这些参数可有效的描述事故现场,为事故还原奠定基础。
(3)文中所构建模型的平均预测误差为12.70%,可有效用于正面碰撞事故的车速预测研究。
摘要：为了能有效准确地根据事故现场情况预测出碰撞前车辆的运行车速情况,文章利用反推算法,遵循相关物理定律,构建正面碰撞事故中车辆相关参数及道路条件与车速的函数关系,并基于Visual Basic平台搭建车速预测模型并进行实测验证。结果表明,所构建模型的误差率较低,所构建模型、系统是正确高效的,可用于正面碰撞事故的车速预测研究工作。
关键词：事故再现,汽车交通事故,Visual Basic,速度再现
参考文献
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[4]袁泉,李一兵.车辆碰撞事故再现技术研究的现状与发展方向[J].公路交通科技.2002,19(2):11-12.
汽车碰撞实验 篇7
安全气囊[1]作为一种有效的缓冲吸能装置[2]已经广泛的应用于现代汽车中。汽车碰撞冲击瞬间, 安全气囊由于承受载荷囊内气体被压缩产生变形, 气囊的这种可压缩性被用来吸收运动物体的冲击能量, 直到稳定, 从而达到减小冲击过载, 保护乘员的目的。但是, 当安全气囊在防止汽车乘员发生严重碰撞损伤和死亡的同时, 也有可能造成乘员的伤害, 因此气囊缓冲特性的优化和控制受到越来越多的研究者关注。在以往的安全气囊设计中, 只能通过试验凑试法来确定, 安全性低, 研制成本高, 试验周期长, 设计结果也不理想。所以本文利用MADYMO软件建立了某型汽车后碰撞乘员约束系统计算机仿真模型, 并利用该模型对人体的损伤响应特性进行研究, 同时采用一种多目标优化策略, 对影响气囊缓冲效果的关键参数进行优化, 从而提高乘员的安全性, 达到预期的效果。
二、乘员约束系统数值模型的建立
本文使用MADYMO软件建立了某型汽车乘员约束系统数值模型, 如图1所示。整个模型包括HybridⅢ假人、安全气囊、安全带、乘员座椅及相关汽车内饰。其中, HybridⅢ假人、座椅和内饰由MADYMO软件中的多刚体构成。安全气囊采用均匀压力模型, 气袋用三节点线性膜单元—MEM3单元进行网格划分, 材料为尼龙66材料。安全带则采用混合三点式安全带模型, 结合使用了一维多刚体安全带模型和二维膜单元有限元安全带模型。
在乘员约束系统数值模型中, 接触形式主要分为以下三大类:1) 假人与汽车内饰以及自身接触 (刚体——刚体) ;2) 假人与安全气囊、安全带的接触 (刚体——有限元) ;3) 安全气囊与安全带的接触以及气囊自身的接触 (有限元——有限元) 。前两种接触力的大小取决于接触表面的穿透量和刚体的接触刚度特性, 通过穿透量大小和定义的加载、卸载曲线及迟滞模型来确定刚体接触所产生的非线性弹性力、粘滞阻尼力。
三、汽车碰撞过程中的人体损伤响应评价
3.1头部损伤评价
碰撞冲击下的头部伤害属于闭合性脑损伤, 主要有头骨骨折和脑损伤 (脑震荡和脑挫裂伤) 等。本文采用如下公式进行头部损伤 (head injury criterion, HIC) 评价[3]:
式 (1) 中a (t) 表示碰撞过程中头部质心合成加速度;t2-t1表示HIC达到最大值时的时间间隔, 在实际应用中最大时间间隔取36ms;HIC值的耐受限度为1000。
3.2胸部损伤CONTIGUOUS_3MS值
胸部是继头部之后的另外一个最重要的需要保护的器官。在碰撞冲击过程中, 乘员胸部主要受到安全带 (有约束时) 的勒紧力, 加上人体自身的惯性力, 可能会造成肋骨断裂、肝脏破损以及锁骨的脱位或破裂。通常所说的人体胸部受伤严重程度的容限水平是指作用在上胸部重心处的线性加速度超过60g的时间不超过3ms。至少持续3毫秒内的最大的加速度水平叫作CONTIGUOUS_3MS (连续3毫秒) 损伤指标[4]。因此, 这个指标并不是基于单个的线性加速度, 而是线性加速度的持续时间级别。
四、安全气囊缓冲特性多目标优化
4.1气囊缓冲特性多目标优化问题的描述
针对汽车正面碰撞过程中人体易损伤的部位, 目标函数选为两个:一个是头部损伤HIIC值, 另一个是胸部损伤CONTIGUOUS_3MS值。考虑到气囊缓冲特性是由充气速率和充气时间的样条曲线所决定, 所以把充气速率缩放系数和充气时间缩放系数作为设计变量, 则多目标优化问题可描述如下:
式中, fN表示颈部损伤NIC值;fT表示胸部损伤的CONTIGUOUS_3MS值;设计变量xs为安全气囊充气速率缩放系数, ys为充气时间缩放系数。
4.2微型多目标遗传算法
多目标优化问题的解通常是一系列无法简单进行相互比较的解, 称作为非支配解或Pareto解[5]。多目标遗传算法较之传统多目标算法具有在单次优化过程中找到多个Pareto最优解的能力, 并且还可以处理所有类型的目标函数和约束, 而不需要许多数学上的必备条件。微型多目标遗传算法是在微型遗传算法[6]基础上提出的一种基于非支配分级的多目标优化算法, 采用小规模种群, 具有较高的计算效率。
4.3优化结果及分析
采用微型多目标遗传算法 (μMOGA) 对式 (2) 所描述的多目标优化问题进行求解。μMOGA的参数设置如下:种群大小N=5, 交叉概率pc=0.6, 变异概率pm=0.05, 重启动判断代数M=3。图2为迭代200次后目标函数值所获得的Pareto最优解集在目标空间中的象点。由图2可以看出, 所得到的Pareto最优解分布比较均匀, 头部损伤HIC值在400～560之间, 胸部损伤CONTIGUOUS_3MS值在200m/s2～450m/s2之间。
表1列出了安全气囊缓冲特性多目标优化的Pareto最优解。迭代200次后, μMOGA求得的Pareto最优解集中, 头部损伤HIC值最小可为401.88, 此时胸部损伤CONTIGUOUS_3MS值为409.27m/s2;而胸部损伤CONTIGUOUS_3MS值最小可为209.47 m/s2, 但此时HIC值为551.51。从表1中可以看出, 五个解均为可行解, 工程人员可根据经验或偏好选择其中的某一个解作为最优解。
五、结论
本文建立了汽车正面碰撞乘员约束系统数值模型来研究人体的损伤响应, 并运用微型多目标遗传算法对安全气囊动态特性参数进行优化匹配, 优化结果表明:该方法不仅能为安全气囊的优化设计提供特征参数, 减少汽车碰撞实验的次数, 降低昂贵的实验成本, 同时还能为工程人员提供多种方案以满足不同产品要求, 而且在汽车碰撞安全技术领域也具有一定的实际工程意义。
摘要：本文利用MADYMO软件建立了汽车正面碰撞乘员约束系统数值模型, 并利用该模型对人体的损伤响应进行研究。运用微型多目标遗传算法对安全气囊的动态特性参数进行优化, 结果表明该方法不但能减少汽车碰撞试验次数与昂贵的试验成本, 而且还能为工程人员提供多种方案以满足不同产品要求, 在汽车碰撞安全技术领域具有一定的实际工程意义。
关键词：汽车正面碰撞,安全气囊,微型多目标遗传算法,优化设计
参考文献
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汽车碰撞实验 篇8
侧面碰撞事故在每个国家发生机率都很高, 根据中国道路交通统计, 2007年上半年, 在我国侧面碰撞造成了9604人死亡, 占交通事故死亡总人数的26%[1], 因此, 提高对汽车侧面碰撞的保护性能的研究有着重要的意义, 改善汽车侧面碰撞安全性可以从车体侧面结构能量吸收[2,3]及乘员约束系统[4—5]两方面考虑。对于车辆侧面碰撞而言, 其侧面结构强度相对较弱, 可变形空间较小, 对乘员的伤害也较其他类型的碰撞更为严重。在车辆侧面碰撞仿真分析中, 由于乘员和被撞车身之间的距离非常近, 人体响应滞后的时间很短, 在整个碰撞过程中人体的响应和车身的变形是一个相互影响的耦合过程, 仅根据车身变形不能完全真实反应碰撞中人的伤害值, 也很难直接应用在正面碰撞模拟分析中经常使用的分离计算的方法, 即先利用碰撞有限元软件如LS-dyna计算车身变形, 得到相应的加速度后再利用MADYMO软件进行约束系统和人体响应的计算[6]。采用有限元方法, 建立带乘员及约束系统汽车侧面碰撞仿真模型就能更真实完整的模拟出乘员的运动响应, 因此建立一个符合《汽车侧面碰撞的乘员保护》 (GB 20071-2006) 要求的侧面碰撞仿真工具即有限元假人及移动变形壁障模型就显得非常必要。
1 侧面碰撞试验假人介绍
为满足汽车侧面碰撞标准法规要求, 在美国运输部的支持下, 美国密执安大学于1980 年开发了侧面碰撞假人 SID。此外, 在欧洲经济共同体试验车辆委员会 (EEVC) 的资助下, 欧洲经济共同体多国政府和荷兰 TNO 联合开发了侧碰撞假人 EUROSID。1986 年 EEVC 组织开发侧碰假人 EUROSID-Ⅰ, 为了达到世界一致化要求, EEVC 于 2000 年在 EUROSID-Ⅰ 的基础上开发出新的侧碰假人EUROSID-Ⅱ。目前我国汽车侧碰法规中要求采用的假人是EUROSID-Ⅰ 或者EUROSID-Ⅱ假人, 本文采用的是EUROSID-Ⅱ假人。
2 EUROSID-Ⅱ有限元模型
EUROSID-Ⅱ假人的大小和质量代表——无下臂的成年男子, 制作假人的材料由金属和塑料骨架外罩模拟肌肉的橡胶、塑料和泡沫构成。假人的组成主要包括头部、颈部、肩部、胸部、上臂、腰椎、腹部、骨盆、腿和外衣。建立一个有限元假人, 除了熟练掌握有限元建模工具外, 还需要具备大量的资料, 例如假人各部分尺寸, 材料, 及实验数据。因此建立一个假人模型需要投入大量的人力和物力。现建立的EUROSID-Ⅱ假人是按某非商业EUROSID-Ⅱ假人构造的, 根据国标对假人的标定要求作了某些改进, 如图1所示。
该假人模型外形与标准假人有少许不同, 例如测量得到的臀部背面至前膝盖的尺寸没有达到法规要求, 故将大腿的尺寸及位置进行了适当的调整;另外由于假人头部至H点的高度也不符合要求而进行了适当的修改。该假人模型主要部件的质量与标准假人质量有些出入, 于是需要通过增加质量点或调整材料密度对假人模型的质量进行调整, 最终使得各主要部件的质量以及总质量均符合法规要求。调整后的假人总质量为72.9 kg, 法规为72±1.2 kg。
3 EUROSID-Ⅱ模型标定
为了建立符合要求的假人模型, 对规定的头部、颈部、肩部、胸部、腹部、腰椎和骨盆分别进行了标定仿真, 本文只介绍与法规要求的伤害值相关的头部、胸部、腹部和骨盆的标定仿真。根据我国靠右行驶的规定, 确定假人的标定侧为左侧。
3.1 头部标定模型及标定结果
头部总成从200 mm高处下落在刚性平面上, 碰撞台为刚性水平面, 碰撞表面与头部中分面成 35°, 以冲击假人头部上侧。由头部传感器位置的节点输出头部的3向加速度值, 通过合成加速度验证头部模型是否合格。改变仿肌肉与头骨间的摩擦特性的办法可以调节头部加速度输出。头部标定仿真模型如图2所示。
头部合成加速度经过CFC1000滤波后如图3所示, 头部从开始释放到接触刚性面的时间为203.2 ms, 在接触3.8 ms后达到最大值102.42 g, 符合国标100～150 g的要求。
3.2 胸部标定模型及标定结果
胸部肋骨模型及其标定仿真模型如图4所示, 肋骨组件模型由外覆聚氨酯泡沫的钢制肋骨、活塞组件、液压减振器、位移传感器和刚性阻尼弹簧构件组成。固定肋骨的活塞组件, 限制其所有自由度。直径150 mm, 质量7.78 kg的冲击块模型轴线通过活塞模型中心线, 下落高度分别为815 mm、459 mm和204 mm, 对应的碰撞速度分别为4.0 m/s、3.0 m/s、和2.0 m/s, 通过位移传感器处节点得到不同下落高度下肋骨的变形。通过调节肋骨组件柱体内的扭杆弹簧刚度以满足标定要求。
表1列出了不同下落高度下, 肋骨标定要求及仿真结果。通过与标定要求比较, 符合国标要求。
3.3 腹部标定模型及标定结果
按照标定的方法及要求, 如图5所示, 假人坐在水平无靠背支撑的刚性平面上, 上臂和腿部水平放置, 胸部竖直。质量为23.4 kg, 直径为152.4 mm以及圆角半径为12.7 mm的摆锤以4.0 m/s的碰撞速度自由碰撞假人的腹部, 摆锤上装有质量为1.0 kg的水平“手臂支撑”冲击面。该刚性手臂支撑高70 mm, 宽150 mm, 摆锤的中心线与手臂支撑的中心线重合。摆锤碰撞方向垂直于假人前后轴线, 摆锤的轴线通过腹部中间力传感器的中心。通过定义摆锤中心位置节点输出得到冲击锤的减速度, 由腹部定义的三个接触输出腹部合力, 通过调整材料的弹性模量来改变腹部力输出。法规要求: (1) 摆锤减速度信号经CFC180滤波后乘以摆锤和手臂支撑的质量, 得到摆锤受力峰值应在4.0 kN～4.8 kN之间并且发生在10.6 ms～13.0 ms内。 (2) 腹部力—时间历程由3个腹部力传感器合成并经CFC600滤波获得。其合成力峰值应在2.2 kN～2.7 kN之间并且发生在10.0 ms～12.3 ms内。
仿真得到的摆锤力-时间曲线, 其峰值力为4.01 kN, 发生时间为10.7 ms, 满足要求。腹部合力-时间曲线, 其峰值力为2.49 kN, 发生时间为10.9 ms, 满足法规要求。
3.4 骨盆标定模型及标定结果
按照标定的方法及要求, 如图6所示, 假人坐在水平无靠背支撑的刚性平面上, 上臂和腿部水平放置, 胸部保持竖直。质量为23.4 kg, 直径为152.4 mm以及圆角半径为12.7 mm的摆锤以4.3 m/s的速度自由碰撞假人的骨盆。碰撞方向垂直于假人前后轴线。摆锤的轴线与H点的中心成以一直线。由位于趾骨合力传感器位置的一个梁单元输出趾骨合力。通过调节骨盆处某些部件材料的弹性模量, 应力应变曲线和接触摩擦系数, 使得耻骨合力、摆锤力符合国标要求。法规要求: (1) 将采集到的摆锤减速度信号经CFC180 滤波后乘以摆锤质量, 得到的摆锤受力峰值应在4.4 kN～5.4 kN之间且发生在10.3 ms～15.5 ms内。 (2) 骨盆处耻骨合力经CFC600 滤波, 应在1.04 kN～1.64 kN之间且发生在9.9 ms～15.9 ms内。
仿真得到的摆锤力-时间曲线, 其峰值力为5.39 kN, 发生时间为13.8 ms, 满足要求。耻骨合力-时间曲线, 其峰值力为1.32 kN, 发生时间为15.0 ms, 满足法规要求。
4 移动变形壁障有限元模型的建立
依据GB20071—2006对移动变形壁障结构尺寸的要求, 利用三维CATIA软件建立了几何模型。然后划分网格, 定义各个部件的材料特性以及部件间的连接关系, 建立了移动变形壁障有限元模型, 如图7所示。并按照法规移动变形壁障动态验证试验的要求验证了移动变形壁障模型的正确性。
5 整车侧面碰撞仿真分析
以某轿车为研究对象, 其三维CAD模型由CATIA软件完成, 网格划分由HYPERMESH软件完成, 加上发动机、悬架、车轮、座椅模型, 最后的整车模型包含单元443 162个, 节点42 8662个。将验证过的EUROSID-Ⅱ假人模型及移动壁障模型引入整车, 按照GB20071—2006试验要求, 确立三者之间的关系, 定义三者自身和相互之间的接触。并调整假人的H点及坐姿与试验时一致。在导入假人模型时, 同时建立了安全带有限元模型, 包括织带, 卷收器传感器, 集成为整车-乘员-约束系统模型 (图8, 隐去了顶盖等部件) 。侧面碰撞仿真时速度设置与试验时一致, 为49.9 km/h, 计算软件采用LS—dyna, 仿真时间为100 ms。限于篇幅, 仅给出假人头部合成加速度仿真结果与实验结果的对比曲线 (图9) , 从图9可看出, 仿真模拟和试验结果取得了较好的一致, 结合未列出的假人肋骨变形量, 腹部力峰值及趾骨结合点力峰值与试验的对比, 说明整车-乘员-约束系统有限元模型是可靠的。
6 结论
(1) 改进后的EUROSID-Ⅱ假人一方面具有身体结构的拟人性, 即假人的外形尺寸、质量分布代表了GB20071—2006要求的一个无下臂的第50百分位的成年男子。另一方面具有力学性能的拟人性, 即假人在汽车侧面碰撞中, 身体各主要部位机械响应特性与人体相同部位在碰撞中的生物力学响应相似, 碰撞特性符合GB20071—2006要求。
(2) 针对某轿车建立了其有限元模型, 依据法规要求进行了侧面碰撞仿真研究.仿真和试验结果取得了较好的一致, 一方面说明了本文建立的车体有限元模型是可靠的, 从另外一方面表明本文所建的侧面碰撞仿真工具即假人、移动变形壁障有限元模型是有效的。
(3) 整车-乘员-约束系统侧面碰撞耦合计算模型, 能更真实、完整地模拟出碰撞时乘员的运动响应, 使得车辆侧面安全性能更直观、可靠地在乘员安全性指标中反映出来。
参考文献
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