汽车正面碰撞交通事故分析专家系统

姜松

摘 要：应用非线性有限元分析软件对小型客车正面碰撞变形进行数值仿真，分析碰撞变形、速度、加速度和能量等参数的变化规律，根据不同车型的车身正面碰撞变形和速度的关系，建立汽车正面碰撞事故分析专家系统，为交通事故的责任鉴定提供理论依据。

关键词：汽车碰撞；交通事故；专家系统

1 引言

汽车碰撞安全性是汽车车身设计的重要内容。随着我国汽车保有量的不断增加，交通事故带来的人身伤亡和财产损失使人们越来越重视汽车的安全性。

在当前交通事故分析中，主要依据制动的印迹，采用传统的经验来再现交通事故过程。随着计算机仿真技术的不断发展，凭借动力学理论和有限元模拟的方法，开始对典型的交通事故进行仿真分析和研究[1]。交通事故分析专家系统，通过计算机仿真模拟的方法，能够再现汽车碰撞过程的关键参数，为交通事故的责任认定提供理论依据。

本文采用ANSYS/LS-DYNA软件，通过对车身正面碰撞的有限元模拟仿真，分析汽车正面碰撞过程中关键参数的变化规律，建立汽车正面碰撞事故分析专家系统，为交通事故的责任认定提供一定的理论参考。

2 汽车碰撞仿真

本文采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对某系列小型客车的车身进行正面碰撞的模拟计算。

2.1 仿真计算

某车型的车身几何模型，如图1所示。对该车身进行网格划分，采用4节点的Shell 163壳单元，最小尺寸为4mm，接触类型采用自动单面接触算法。

车身材料采用钢材料材料，弹性模量E=202GPa，泊松比=0.3，屈服强度σy=207MPa，抗拉强度σt=230Mpa。刚性强采用刚体单元，约束全部自由度。整车以不同的初始速度正面撞击刚性墙。

车身建模是模拟仿真中一个复杂而繁琐的过程。对于交通事故的分析，需要对不同类型的车身进行仿真计算，其工作量极其巨大。为了提高计算效率，本文简化了汽车的车身模型，不考虑碰撞过程中对车身变形影响小的部件，而将其作为集中质量点加载在车身上。改变车身部分的主要结构尺寸，从而获得不同类型车身的几何模型。

2.2 结果分析

本文对不同结构刚度的轿车车身进行正面碰撞的仿真计算，整车分别以30km/h、48.3km/h、72.4km/h、96.6km/h、120km/h和160km/h多种初始速度进行正面碰撞，并对计算结果进行分析。以48.3km/h速度正面撞击刚性强的变形，如图2所示。

（1）能量。汽车碰撞过程是一个能量守恒的过程，汽车的动能被车身、车架、保险杠等部件的变形所吸收[2]。碰撞开始时，车身与刚性墙接触，变形开始逐渐增加，而后车身回弹，直至整车运动停止。研究结果表明，车身发生的最大变形及其发生的时间均与碰撞速度有关。碰撞速度越高，最大变形出现的时刻越提前，而此时整车的动能已经衰减95%以上。碰撞过程的能量变化特征，是车体碰撞变形计算的理论依据[3]。

（2）加速度。汽车碰撞后的加速度的峰值，主要取决于碰撞的初始速度。而加速度的平均值大致与车身质量成反比，却与加速度的峰值却相差甚远。

（3）车身变形。研究表明，汽车碰撞后的车身变形，主要取决于汽车结构的刚度、碰撞初始速度和撞击位置与方向[2]。为了研究碰撞变形与初始速度之间的规律，本文将汽车进行分类，研究不同车体长度和碰撞初始速度下，汽车正面碰撞的变形。为了验证有限元模拟计算模型的有效性，本文根据美国NHTSA提出的小型客车分类标准，对不同类型汽车的正面碰撞变形进行对比验证。结果表明，当碰撞速度低于16.7km/h时，碰撞变形与美国NHTSA提出的線性假设求解结果相符；当碰撞速度高于16.7km/h时，碰撞变形逐渐呈现出明显的非线性特征。通过与大量疑难交通事故的测量结果进行对比，本文得出的碰撞速度与变形规律与交通事故实例非常接近[4]。

3 正面碰撞交通事故分析专家系统

通过对碰撞变形和初始速度的曲线拟合发现，碰撞初始速度和变形的关系，在特定坐标下为弹道方程：

y=xtgT| （1）

对于不同刚度的汽车，对应不同的特征方程，称之为判速方程[5]：

d=aiv-biv2 （2）

式中，d表示速度，v表示塌陷变形。

汽车正面碰撞交通事故分析专家系统，以车身刚度分析法为理论基础，通过碰撞变形来预测碰撞速度。在研究中发现，采用美国NHTSA确定的汽车分类方法来预测碰撞初始速度的误差较大。通过对我国小型客车的类型和刚度特征进行分析，本文采用了新的汽车刚度分类方法，如表1所示[5]。

通过仿真模拟计算的验证结果分析，对不同类别的汽车，可以根据车身或车架的厚度和刚度，对汽车的类别进行修正。对于某类车型，如果车身或车架的厚度或刚度较大，则可以采用比现有类别高一级的判速方程对碰撞变形进行预测。

4 结语

（1）汽车正面碰撞交通事故分析专家系统，对不同类型的小型客车进行的大量模拟计算，通过结果对比验证了有限元模型的有效性。

（2）汽车碰撞过程中的能量变化规律，是汽车正面碰撞交通事故分析的理论依据。汽车车身的刚度，随着汽车变形的不断增加而改变。碰撞变形与碰撞初始速度有关，在特定的坐标下符合抛物线方程。汽车正面碰撞的判速方程，可根据碰撞变形预测碰撞初始速度，能够快速地为交通事故责任认定提供理论依据和参考。

参考文献：

[1]陶沙，于长吉.汽车安全行驶于事故分析[M].大连：大连理工大学出版社，1997.

[2]李卓森.汽车正面碰撞方程式及其应用[J]. 汽车技术，1989，8：8-19.

[3]孙宏图，刘学术，宋振寰等.汽车碰撞变形计算机模拟研究[J].大连理工大学学报，2002：42（6）：680-683.

[4]孙宏图，汽车碰撞分析专家系统[D]，大连理工大学，2002.

[5]于长吉，孙宏图.用于交通事故分析的汽车碰撞计算机模拟方法[J].交通与计算机.2001，19：36-39.