基于PC-Crash的车辆侧翻事故再现仿真实验

何烈云

(浙江警察学院 治安系, 浙江 杭州 310053)

基于PC-Crash的车辆侧翻事故再现仿真实验

何烈云

(浙江警察学院 治安系, 浙江 杭州 310053)

PC-Crash再现交通事故是根据交通现场勘查结果及事故调查结果,构建交通事故现场场景并导入模型,设定模型的参数和初始运动状态,对交通事故发生过程进行模拟演示,将演示结果与实际交通事故进行比较,分析是否存在差异并判断存在差异的原因,进一步调整模型的参数和初始运动状态,直至演示结果与实际事故高度吻合。在分析引发车辆侧翻事故各种可能因素的基础上,着重介绍了PC-Crash软件仿真车辆侧翻事故的基本步骤。通过交通事故实例,演示了PC-Crash软件变量参数的设置和调整方法。

侧翻交通事故； 交通事故再现； 仿真实验； PC-Crash

1 车辆侧翻交通事故再现和PC-Crash

1.1 研究车辆侧翻交通事故的意义

车辆侧翻交通事故是一种常见的交通事故形态,此类事故容易引发群死群伤,造成严重的后果,给人民生命和财产带来巨大的损失。据来自公安部交管局的统计数据,2012—2014年1季度,在全国发生的534起死亡5人以上的较大、特大道路交通事故中,车辆侧翻(含侧翻引发的二次交通事故)共有52起,因车辆侧翻事故造成死亡人数的比例也逐年增加。仅在2014年1季度,车辆侧翻竟然占特大交通事故的40%。

因此,加强对车辆侧翻交通事故的研究,对于交通事故成因分析、交通事故预防、道路交通管理以及道路工程及汽车工程安全具有非常重要的意义。

1.2 PC-Crash简介

PC-Crash是奥地利DSD(Dr.Steffan Datentechnik GmbH)公司开发的一款基于Kudlich-Slibar动量模型的交通事故再现分析软件[1],也是目前比较成熟、广泛应用的交通事故再现分析软件[2]。

运用PC-Crash软件能再现以下类型的交通事故:汽车-行人碰撞事故[3-5]、汽车-汽车碰撞事故[6-8]、汽车-两轮车碰撞事故[9]、汽车的侧滑事故[10]。从运动力学分析,侧翻事故主要有因离心力而引起的车辆转向侧翻事故和因外力作用(例如碰撞)引发的侧翻。由于车辆侧翻往往引起车辆的滚动,通常轮胎和车身会与路面发生多次接触,所以车辆侧翻事故的再现分析难度较大。

2 车辆转向侧翻事故的动力学分析

若将汽车简化成刚体模型,当汽车发生转向侧翻交通事故时,可以看成以外侧车轮与地面接触点连线为转动轴,如图1所示。

图1 车辆侧翻力学分析图

运用“推箱子”模型,车辆发生临界转向侧翻时各量满足下面关系式:

式中:v为车辆速度；b为轮距；h为重心高度；tanθ为超高设计值。

典型侧翻事故的车辆首先是发生了侧滑,然后是发生侧翻,即满足:

式中:g为重力加速度；r为行驶轨迹半径；μ＇为横向摩擦系数。

整理得

汽车的设计必须满足该条件,以保证汽车在正常装载和行驶时的安全。

当车辆转弯行驶时,不发生侧翻的稳定性条件是

和

3 PC-Crash侧翻交通事故再现基本流程

用PC-Crash软件进行事故再现的方法属于正向推导方法,即根据交通事故现场的基本情况,先假定事故车辆侧翻前运动状态已知,再推导出侧翻后的运动状态,然后不断调整假设侧翻前的运动状态,直到所得侧翻后运动状态与实际情况相吻合。侧翻交通事故仿真可以按图2所示流程进行。

图2 PC-Crash仿真车辆侧翻事故的流程

3.1 构建道路环境、车辆模型及其初始运动状态

在PC-Crash软件中,道路环境最重要的参数是路面摩擦系数、纵向和横向的坡度值。PC-Crash软件提供了道路模型导入和设置命令,道路模型在交通事故仿真过程中还起到修饰美化作用,因为软件的工作区可视为道路环境。

发生侧翻交通事故以面包车、大中型客车、厢式(含仓栅式)货车、槽罐车型为主,这些车型的共同特点是重心高度与轮距比值较大,因此在设置车辆模型参数时,重心高度和轮距设置非常重要。

在车辆侧翻交通事故中,车辆运动状态的敏感参数主要有车辆的行驶速度、刹车参数、车辆的转弯半径、车辆转向延迟，设置窗口如图3所示。

3.2 车辆侧翻现象判断方法

车辆发生临界侧翻时的运动状态参数值是研究车辆侧翻交通事故的关键数据。PC-Crash软件通过二维、三维窗口直接观察临界侧翻比较困难,通过分析系统输出参数的方法判断是否发生临界侧翻则更为准确。

方法1:分析车辆速度变化。车辆在发生侧翻后,速度图像比较凌乱,如图4所示:OA段是车辆匀速运动,AB段是侧滑运动,BC段是侧翻运动过程。

方法2:分析车轮垂直受力。车辆在侧翻时,车轮受力情况如图5所示:在AB段,内侧车轮的垂直受力逐渐减小,而外侧车轮垂直受力增大,车辆处于侧滑过程；在BC段,内侧车轮垂直受力为0,而外侧车轮垂直受力不为0,车辆处于侧翻过程；直到为在C点以后前后轴的车轮垂直受力变为0,车辆的4个车轮与地面脱离。

图3 PC-Crash运动状态参数设置窗口

图4 车辆发生侧翻时的路程-速度图像

图5 车辆发生侧翻时车轮垂直受力图

除以上2种方法外,还可以用分析内外侧轮胎的侧向受力的变化、车辆的横摆等方法判断车辆是否发生侧滑。

4 事故实例仿真及结论

4.1 案例简介

2013年10月21日晚上,王某驾驶“大运”牌重型仓栅式货车(车型DYX5310CCQ46WPD3)沿207省道线由南向北行驶,当行至正安县境内一下坡右转弯路段时,车辆发生侧翻,货厢将对向行驶的2辆两轮摩托车砸翻至道路边缘,造成两辆摩托车驾乘人员6人死亡的较大道路交通事故。事故发生时货车实载40 t化肥,属于严重超载。事故路段施划有中心黄色实线,道路呈南北下坡右转弯走向,纵坡度2%,弯道半径103 m,弯道内高差0.25 m,道路两侧施划有白色机非分道线。

4.2 事故道路场景构建

根据事故现场道路情况,设置道路基本参数,取Y方向为北方向,Y向坡度值为-2%,参数设置窗口如图6所示。

4.3 车辆模型导入

PC-Crash系统车库中不含国产品牌车辆,根据“大运”牌(车型DYX5310CCQ46WPD3)的参数,选取系统中DAF-F75.29CF卡车作为实验车辆,并对参数进行修改,提高实验车型与实际事故车型的吻合度。参数设置窗口如图7所示。

图6 道路参数设置窗口

图7 实验车辆基本参数设置窗口

4.4 变量参数的初设和调整

本案例交通事故仿真实验中,车辆转向半径可近似认为与所在车道道路曲线半径是一致的,因此在实验中，变量参数主要有路面的附着系数、车辆行驶速度、车辆重心高度,在实验中主要通过不断调整这3个参数再现此起交通事故。

4.5 仿真实验数据记录

在实验中,可以通过控制变量法仿真实验车辆侧翻的场景。表1是实验数据记录情况,图8为发生侧翻时的二维和三维画面效果截图。

表1 车辆在不同重心高度和附着系数下的侧翻临界速度记录 m/s

图8 二维和三维画面侧翻效果示意截图

4.6 仿真结论

当路面附着系数大于0.5时,车辆侧翻临界速度主要与车辆重心高度有关,基本上不受路面附着系数影响。该案例事故发生道路为混凝土路面,附着系数0.5～0.8[11],故路面附着系数与本起事故没有直接关系。

事故车辆在空载、静态状态下,向左侧和右侧倾斜最大侧倾稳定角应大于等于35°[12],将车辆近似为刚体,空车重心高度应满足

该事故车所装载的化肥包装袋规格为70 cm×45 cm×15 cm,每袋重50 kg,结合事故车辆的车厢尺寸,40 t化肥堆积高度应达1.9 m以上,根据车辆的整备质量和静态时重心高度,事故发生时货车重心应该在0.85 m以上。此时车辆的临界侧翻速度不足30.2 km/h,小于该段道路的设计时速40 km/h[13]。

综上所述,造成此次车辆侧翻事故的主要原因是车辆超载而使重心过高,并且没有控制好车速。

5 结束语

运用“推箱子”理论分析车辆侧翻事故原因与事故实况有较大差距,而运用PC-Crash软件仿真车辆侧翻道路交通事故,仿真结果与实况则比较吻合。PC-Crash软件可以较好地再现车辆侧翻交通事故、分析事故形成的原因,在道路交通事故鉴定、预防侧翻交通事故中有重要的意义。

References)

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

[2] 张诗波,黄海波,李平飞.基于PC-Crash的公路避险车道事故动力学仿真方法[J].公路,2013(9):9-13.

[3] 朱路生,潘公宇,张学荣.基于PC-Crash车人碰撞事故再现研究[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2014,33(2):113-117.

[4] 林庆峰,许洪国.基于PC-Crash的轿车行人高速碰撞仿真模型[J].汽车工程,2007,29(7):562-565.

[5] 邹铁方,余志,蔡铭,等.基于PC-Crash的车-人事故再现[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2011,30(3):215-219.

[6] 王晓宇,马其华,顾卓卿,等.基于PC-Crash现场零信息下汽车碰撞事故分析[J].上海工程技术大学学报,2012,33(2):113-117.

[7] 曹弋,裴玉龙,付川云.事故车辆三维翻滚运动的轨迹模型[J].西南交通大学学报,2013,48(3):513-519.

[8] 朱建武,黄家城,李文勇.基于车辆变形的事故再现反推方法研究[J].公路与汽运,2014(6):60-63.

[9] 许骏,李一兵.汽车-自行车碰撞事故中骑车人头部损伤仿真分析[J].汽车工程,2008,30(8):667-670.

[10] 邹铁方,张勇刚,陈元新.基于PC-Crash的车辆侧滑事故再现方法[J].中国安全科学学报,2013,23(1):77-82.

[11] 公安部道路交通管理标准化技术委员会.GA/T643—2006典型交通事故形态车辆行驶速度技术鉴定[S].北京:中国标准出版社,2006.

[12] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB7258—2012机动车运行安全技术条件[S].北京:中国标准出版社,2012.

[13] 交通运输部.JTGB01—2014公路工程技术标准[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

浙江省重点科技创新团队项目(2013TD09)资助

何烈云(1976—),男,浙江杭州,在职硕士研究生,助教,主要研究方向为道路交通事故再现、道路交通组织优化.

E-mail：helieyun@qq.com

TP391.9；U491.31

A

1002-4956(2015)12- 0135- 05