汽车碰撞理论4

浅谈汽车碰撞理论与仿真方法

摘要：本文主要介绍了汽车碰撞理论基本内容以及仿真方法。首先，概述了汽车碰撞理论的特点、基本原理，着重阐述了汽车碰撞的基本形式，对其中包括汽车对刚体的碰撞、汽车对汽车的正面碰撞、汽车对汽车的追尾碰撞，汽车对汽车的侧面碰撞等内容，对如何鉴别区分这几种碰撞形式做了简单的方法分析。特别对刚体碰撞、正面碰撞、追尾碰撞等做了详细的介绍，重点在于阐明了碰撞速度的基本计算方法。其次，片面的描述了汽车碰撞仿真方法，以汽车正面碰撞有限元仿真模拟、汽车侧面碰撞仿真方法为例，简单介绍了它们的语运用步骤。

关键词：碰撞原理；碰撞形式；碰撞速度；碰撞模拟

1.引言：汽车结构安全设计和交通事故的科学分析都要求掌握汽车肇事特征与碰撞的基本规律。问题的难点在于，在碰撞过程中，汽车在瞬态力的作用下车身结构产生快速的非线性大变形，单单从刚体运动学、动力学来推断碰撞前的车速是不可能的，必须深入研究在碰撞过程中汽车结构的弹塑性性能及相关的变形、能量、速度、加速度及撞击力的变化规律，从而确定这些特征参量与碰撞速度的非线性关系。研究汽车碰撞过程中碰撞速度与结构变形的关系是汽车改型、开发及设计中十分重要的基础性研究，它对于现代道路交通事故鉴定分析的重要性逐渐引起人们的关注。美国国家道路安全局从！台汽车碰撞试验中给出汽车的刚度系数及其变形计算方法，日本著名的汽车交通事故鉴定专家林洋先生多次指明：“汽车车身作为碰撞物体的特性至关重要，这是因为必须根据汽车车身的损坏状态反推出碰撞事故的产生过程。”在他的著作中给出了汽车典型碰撞过程的汽车变形与碰撞速度的经验公式。美、日汽车试验研究成果中给出低速下汽车碰撞速度与汽车车身变形的线性关系。它的重要价值不仅指出几个典型碰撞下车速判别定量依据，更重要的指明了汽车碰撞速度与结构变形的深入研究方向的重要意义，这也是本课题系统研究的指导原则。

2.汽车碰撞理论基本概述

2.1汽车碰撞的特点

碰撞是瞬间物理过程,碰撞时间极短,它携带碰撞体的很多信息[]1。严格的讲，汽车碰

撞具有以下特点：

1）是车辆之间相互交换运动能量的现象；

2）是相互挤压、通过车身的损坏和固定物的损坏来消耗一部分运动能量；

3）是部分相互损坏而另一部分相互推斥的现象；

4）不仅有运动能量的交换，有时还伴有将部分运动能量转换成角运动的现象；

5）车辆与乘员之间有剧烈的相对运动，这就是乘员的二次碰撞，即乘员受伤害的原因之一；

6）碰撞过程及其短，一般在0.1-0.2s时间内发生。

乘员的运动，以摩擦功的形式消耗掉。碰撞后的运动时间一般为数秒。碰撞与碰撞后的运动是人力根本无法左右的纯物理现象，碰撞与碰撞后的运动结果，将造成车辆损失、

乘员受伤并留下路面痕迹(胎痕、车身的碰擦痕、路面上散落物和固定物体的损坏)等。

2.2碰撞的基本原理

汽车事故中的碰撞现象，是一种比较复杂的力学过程，就汽车本身力学性质而言，即有钢铁结构所具有的刚性较大的一面，又有在一定撞击力作用下产生塑性变形的后果。同时由于碰撞中的汽车质量、速度、汽车结构和外形上的差异，对汽车碰撞后的损坏程度以及运动状况都将有很大的差别：但其碰撞的基本原理仍可归纳为以下几方面：

1）碰撞是一种动量交换现象，对于相撞的A 、B 来讲即有如下动量关系：

2211202101v m v m v m v m +=+（1）

即在碰撞后，动量的总量不变。

2）碰撞是一种反弹现象，汽车作为碰撞物体是一种部分弹性碰撞物体，根据公式(1),反弹系数公式为

20

1012v v v v e --=（2） 即可以导出碰撞后速度的公式为

)1()1(1)1()1(12201220102021102

12010101e v v e m m v v v v e v v e m m v v v v e e ++=++--=+-=++--=（3）

式中：e v 1—A （肇事车）的有效碰撞速度；

e v 2—B （被撞车）的有效碰撞速度。

3）碰撞是一种消耗部分动能的现象，即碰撞前两辆车的动能合计=碰撞后两车的动能合计+塑性变形功碰撞损失的动能，其公式为

2201022121))(1()

(2v v e m m m m E c --+=（4） 4）碰撞时所作用的力伟挤压力或挤压力加上摩擦力，假设两车如下图一所示向心二维碰撞，根据库仑定律有以下公式：

2221R V V R V

R R F F F F F μ

μ+=+⨯=(5)

式中：

F—对A、B车的拖拉摩擦力；

R

F—A对B的挤压力；

V

—摩察系数。

R

A车

图一 B车

5）挤压力作用在相对碰撞速度上。

1.3碰撞形式

1）汽车对刚体的正面碰撞；

2）汽车对汽车的正面碰撞；

3）汽车对汽车的追尾碰撞；

4）汽车对汽车侧面碰撞。

3.汽车的碰撞事故分析

3.1汽车对刚体的正面碰撞（如图二所示）

图二

汽车对刚体的正面碰撞如上图所示，即由以下公式可求汽车行驶速度：

m k x v ⨯=0（6） 式中：x —车体的塑性变形量；

k —无质量塑性弹簧变形系数；

m —汽车的质量。

经过大量的计算，发现汽车碰撞刚性障碍壁时速度耗量为碰撞前速度的30%左右，汽车碰撞刚性障碍壁时碰撞过程中损失的能量为总能量55%的左右[]2。

3.2汽车对汽车碰撞类型的确定

在碰撞发生后，首先要确定以下几点事实：

1）碰撞地点；

2）碰撞发生后，根据通行原则，首先要搞清是事故车行车状况，可通过以下手段确定：

（1）轮胎痕迹的变化

轮胎的印痕是事故现场留下的最有说服力的证据，可以说是最主要的证据。印痕的长度、排列、形状实际上有很多种。滑痕图形见图三：

图三 事故现场往往留有路面上的滑痕。根据轮胎在路面上的滑痕可以表明以下几个问题 a.滑痕的轨迹说明了驾驶状态；

b.在碰撞地点，滑痕有异变；