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原文传递汽车三维碰撞事故再现分析模型及方法研究

论文题名：	汽车三维碰撞事故再现分析模型及方法研究
关键词：	事故再现;碰撞动力学模型;棱柱翻滚轨迹模型;有限元仿真;汽车单次三维碰撞
摘要：	自汽车问世以来，世界各国的道路交通运输事业就开始了飞速的发展，但随之而来的道路交通事故却成为“双刃剑”中的另一面，威胁着人们的生命财产安全。在交通视频监控设施尚未覆盖的道路上，交通事故一旦发生，将不可能真实重演。正是由于道路交通事故的这种不可逆特性，使得事故发生后，诸如车辆事故前行驶速度、行驶方向或碰撞点位置等因素难以准确确定，甚至可能出现当事人对于事故发生情节各执一词的情况。在各类道路交通事故中，伴随车辆翻滚运动的三维碰撞事故，属于运动形式复杂、理论分析困难、计算较为繁琐的事故类型之一。因此，如何利用相关理论，构建适用于再现分析汽车三维碰撞事故的模型与方法，实现该类碰撞事故发生过程的仿真再现，是事故再现分析领域的重要课题。　　目前国内对于汽车三维碰撞事故的分析手段主要是依赖国外进口的事故再现软件进行分析，或将其简化为二维碰撞事故进行理论计算。前者往往受到国外技术条件的约束，后者的计算精度较差且不能完整再现事故的发生过程。论文主要依托国家高技术研究发展计划(863计划)专题课题“道路交通运行安全仿真评价与事故再现分析系统”，以再现汽车三维碰撞事故的发生过程为研究目的，探讨该类碰撞事故的再现分析模型与方法，在正确处理交通事故、明确划分事故责任、公正维护事故当事人的切身利益等方面具有重要的实际应用价值；为进一步探讨多次三维碰撞等复杂事故类型的再现分析模型与方法，奠定了理论基础。　　针对汽车与汽车单次三维碰撞事故类型的碰撞瞬间运动参数求解问题开展研究。在分析该类碰撞事故动力学特点并借鉴已有的二维碰撞运动参数动力学计算模型的基础上，将碰撞冲量扩展至三维空间。基于经典力学原理，推导了汽车三维运动临界条件。基于经典动力学理论，建立了计算汽车碰撞分离瞬间的竖向速度、纵向倾覆角速度及横向翻滚角速度三个三维运动参数的动力学模型，实现了根据汽车碰撞接触瞬间的运动状态参数推算碰撞分离瞬间的运动状态参数，及其逆向运算。　　针对汽车与汽车碰撞事故类型，借鉴汽车无转向运动的质心二维运动轨迹模型，构建了汽车转向行驶状态下的质心二维运动轨迹模型，并分析指出该模型也同样适用于描述汽车与二轮车碰撞事故类型中，汽车的运动轨迹。借鉴两轴汽车二维运动轮胎轨迹模型，推导了三轴汽车二维运动轮胎轨迹模型。考虑事故发生地点的纵向与横向坡度，提出了汽车三维运动临界状态倾斜度的计算公式。以碰撞分离瞬间汽车的三维运动状态参数为初始条件，基于经典运动学理论，给出了无地面反力状态下的汽车三维运动质心轨迹模型。在已有汽车滚筒模型的基础上，构建了地面反力作用下的，汽车三维运动的四棱柱翻滚轨迹模型与六棱柱翻滚轨迹模型。　　针对汽车与二轮车碰撞事故类型开展碰撞动力学模型与轨迹模型的研究。在分析汽车与二轮车碰撞动力学特点的基础上，构建了碰撞瞬间二轮车三维运动参数动力学计算模型。分别构建二轮车翻滚阶段与滑移阶段的质心运动轨迹模型。在此基础上，推导了二轮车平面运动状态下，特征点运动轨迹模型。针对汽车正面碰撞二轮车侧面与二轮车正面碰撞汽车侧面两种情况，提出了分析二轮车“人车分离”现象的简化模型。　　对基于经典力学原理构建的汽车三维碰撞动力学模型及轨迹模型，在道路交通事故再现分析工作中的应用进行了研究。在实际事故再现工作过程中，总结了事故现场勘察及数据采集的内容。针对两起汽车与汽车三维碰撞事故案例及一起汽车与二轮车碰撞事故案例，分别利用论文提出的再现分析模型与PC-Crash软件进行事故再现分析，对比分析了二者的再现结果，同时也将事故再现分析结果与实际案例中车辆静止位置、翻滚方式及路面痕迹等因素进行了对比分析。　　根据基于经典力学原理构建的汽车碰撞事故再现分析模型在实际事故案例中的应用情况，分析总结了碰撞事故再现经典力学法的应用局限性。提出了碰撞事故再现经典力学与有限元结合法的理论框架。在该框架的指导下，结合一起实际事故案例，利用ANSYS有限元分析软件，分别构建了轿货车与面包车的有限元模型，并进行了碰撞过程仿真实验。通过有限元碰撞仿真，分析了汽车碰撞过程中的速度与加速度变化规律、动能转化规律、变形形成过程与应力分布状态，从而弥补了经典力学方法在事故再现分析领域中的应用局限性。
作者：	曹弋
专业：	交通运输规划与管理
导师：	裴玉龙
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文