專利名稱：基于車身關(guān)鍵點(diǎn)三維變形的汽車碰撞事故再現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于交通領(lǐng)域的事故再現(xiàn)方法，具體是一種基于車身關(guān)鍵點(diǎn)三維變形的汽車碰撞事故再現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
為了對(duì)汽車碰撞事故進(jìn)行再現(xiàn)分析，通常從能量、動(dòng)量等多個(gè)角度，根據(jù)碰撞階段的特征參數(shù)(如車輛變形特性、回彈系數(shù)、接觸面摩擦因數(shù)、碰撞中心等)以及從事故現(xiàn)場(chǎng)拍攝的圖像，運(yùn)用集中參數(shù)模型方法和多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行事故分析，目前國(guó)際上常用事故分析方法包括動(dòng)量/能量分析方法和變形/能量分析方法。另外，拋撒物拋距分析方法、幾何與時(shí)間分析方法及離心力分析方法等在特定的條件下也被予以應(yīng)用。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，裴劍平，吳衛(wèi)東在《交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)》2001，NO.1(4)75~78上發(fā)表地“交通事故再現(xiàn)碰撞模型綜述”，該文中對(duì)國(guó)際通用的事故再現(xiàn)方法進(jìn)行了說(shuō)明。動(dòng)量/能量分析方法主要依賴汽車剎車印跡，現(xiàn)在主流車型安裝了ABS，因此很難得到清晰完整的剎車印跡，另外，駕駛員在事故發(fā)生后可能在無(wú)意識(shí)或精神緊張的情況下造成對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)的破壞，對(duì)于剎車痕跡等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性將造成破壞從而嚴(yán)重影響到交通事故的調(diào)查取證和公正處理，另一方面，對(duì)于事故現(xiàn)場(chǎng)，將可能受到天氣(雨水)、過(guò)往車輛(人員)及人為方面的破壞。該文中還提及變形/能量分析方法，該方法從車身變形角度進(jìn)行考慮，但是車身變形和運(yùn)動(dòng)速度之間的近似線性關(guān)系僅在一定范圍內(nèi)有效，而且車身變形量測(cè)量從外部輪廓進(jìn)行二維測(cè)量，由于汽車碰撞環(huán)境的復(fù)雜性，外部輪廓的變形可能會(huì)受到很多偶然因素的影響，例如凹凸不平的接觸表面、突出的磚石等，因此外部偶然因素的不同，可能會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成較大的影響。
因此，在缺少剎車印跡或剎車印跡不清晰的情況下利用車身內(nèi)部三維變形進(jìn)行事故再現(xiàn)成為迫切需要解決的技術(shù)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足和缺陷，提供一種基于車身關(guān)鍵點(diǎn)三維變形的汽車碰撞事故再現(xiàn)方法。使其解決沒(méi)有剎車印跡或剎車印跡不清晰時(shí)對(duì)交通事故的再現(xiàn)分析。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟
(1)建立事故發(fā)生環(huán)境及事故中所涉及到車輛的有限元模型；
對(duì)于正面碰撞或斜碰撞，車身前部網(wǎng)格需要予以細(xì)化，單元長(zhǎng)度必須小于10mm，對(duì)于車身后部網(wǎng)格則可以適當(dāng)簡(jiǎn)化，同時(shí)各個(gè)車身零部件模型之間嚴(yán)格按照真實(shí)情況進(jìn)行連接；
(2)對(duì)建立的整車有限元模型根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11551的要求進(jìn)行50km/h正面碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證以檢驗(yàn)有限元模型的可靠性；
(3)選取適用于正面碰撞和斜碰撞的車身關(guān)鍵點(diǎn)并對(duì)數(shù)值模型中的孔進(jìn)行處理；
車身關(guān)鍵點(diǎn)變形量測(cè)量中孔的選取主要集中于車身前部的擋泥板和前縱梁中的主要螺栓孔和定位孔，選擇原因?yàn)閾跄喟搴颓翱v梁作為主要吸能部件不和被碰撞物發(fā)生直接接觸，因此對(duì)于變形量的測(cè)量更具有客觀性。在數(shù)值模型中，對(duì)于直徑大于20mm的孔予以保留，通過(guò)圓孔周邊三節(jié)點(diǎn)可以計(jì)算出圓心坐標(biāo)；對(duì)于直徑小于20mm的孔進(jìn)行消隱處理，同時(shí)人工將節(jié)點(diǎn)落在螺栓孔的中心位置。
(4)對(duì)于確定的關(guān)鍵點(diǎn)位置，使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行物理測(cè)量；
對(duì)于關(guān)鍵點(diǎn)三坐標(biāo)實(shí)物測(cè)量的方法為首先通過(guò)車身設(shè)計(jì)圖紙或同樣型號(hào)的車測(cè)量關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)。然后使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量發(fā)生碰撞事故車輛對(duì)應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)的三維坐標(biāo)。通過(guò)矢量減法可以知道各點(diǎn)的變形量，在具體計(jì)算時(shí)將不考慮矢量方向以便于計(jì)算。
(5)對(duì)于整車有限元模型，提出關(guān)鍵點(diǎn)的變形測(cè)量方法；
對(duì)于正面碰撞或斜碰撞，在車身后部幾乎不發(fā)生變形，因此，首先在車身有限元模型后部作三個(gè)相互垂直的平面作為參考面。
假設(shè)某關(guān)鍵點(diǎn)q初始絕對(duì)坐標(biāo)為(x1，y1，z1)，該點(diǎn)距相互垂直的參考面α，β和γ面的距離分別為l，m和n，當(dāng)汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于車身后部不發(fā)生變形，可以認(rèn)為原有的三個(gè)面依然保持互相垂直的關(guān)系，設(shè)穩(wěn)定變形后此三面為α′，β′和γ′，可以分別通過(guò)確定三個(gè)參考面的九個(gè)節(jié)點(diǎn)得到變形后各點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)，然后通過(guò)此九點(diǎn)構(gòu)建相互垂直的新的三個(gè)參考面平面。而q點(diǎn)在車身發(fā)生變形后運(yùn)動(dòng)到q′點(diǎn)位置，假設(shè)q′距α′，β′和γ′的距離分別為l′，m′和n′。則可以認(rèn)為關(guān)鍵點(diǎn)q在事故中的變形量d為
(6)通過(guò)多次迭代優(yōu)化計(jì)算，得到在一定速度和碰撞角度條件下，關(guān)鍵點(diǎn)變形的數(shù)值模擬結(jié)果與真實(shí)碰撞測(cè)量結(jié)果一致，從而確定事故發(fā)生時(shí)刻準(zhǔn)確的汽車速度和碰撞角度。
首先明確汽車速度和角度的初始范圍，在此范圍內(nèi)以速度和角度作為自變量按照一定步長(zhǎng)進(jìn)行迭代計(jì)算，得到各模擬結(jié)果中各關(guān)鍵點(diǎn)的變形量，根據(jù)事故再現(xiàn)度公式比較實(shí)際測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果，當(dāng)數(shù)值模擬結(jié)果與真實(shí)事故結(jié)果中關(guān)鍵點(diǎn)的變形量最接近時(shí)，則認(rèn)為此模擬結(jié)果對(duì)應(yīng)的汽車速度和角度為真實(shí)的碰撞速度和角度。
事故再現(xiàn)度E公式，E＝1-(∑(xie-xic)2/(∑xie·xie))
其中，xie為關(guān)鍵點(diǎn)測(cè)得的實(shí)際變形量，xic為關(guān)鍵點(diǎn)位置通過(guò)數(shù)值模擬得到的變形量計(jì)算值。
上式中，E值越大，說(shuō)明事故再現(xiàn)結(jié)果越接近真實(shí)情況。以事故再現(xiàn)度E為目標(biāo)函數(shù)，將汽車碰撞前的運(yùn)動(dòng)速度大小和方向作為優(yōu)化變量，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法進(jìn)行反復(fù)迭代運(yùn)算，使E值達(dá)到最大。
由于數(shù)值模擬的局限性，仿真結(jié)果和真實(shí)碰撞結(jié)果之間不可能完全吻合，從E值的大小可以定性地反應(yīng)出事故再現(xiàn)結(jié)果和真實(shí)結(jié)果之間的差距，同時(shí)反應(yīng)出速度變化及角度變化對(duì)E值的影響趨勢(shì)。對(duì)于E值的定義，當(dāng)數(shù)值模擬結(jié)果靠近真實(shí)結(jié)果時(shí)，E值趨近于“1”。
E值所存在的變化區(qū)間為[a，1]，其中a可以為正值，也可以為負(fù)值，具體數(shù)值由仿真結(jié)果與真實(shí)碰撞事故的接近程度決定。
本發(fā)明通過(guò)車身關(guān)鍵點(diǎn)變形進(jìn)行事故再現(xiàn)，具有如下優(yōu)勢(shì)1、可以解決剎車印跡等事故現(xiàn)場(chǎng)信息被破壞或不清晰的情況下，常用事故再現(xiàn)方法所不能解決的問(wèn)題；2、應(yīng)用有限元方法可以對(duì)車身關(guān)鍵吸能零部件在真實(shí)事故中的變形進(jìn)行三維直觀考察，可以為汽車設(shè)計(jì)部門提供參考；3、應(yīng)用有限元事故再現(xiàn)方法可以對(duì)事故中人體所受傷害進(jìn)行數(shù)值模擬和評(píng)價(jià)，為事故傷的鑒定提供理論依據(jù)和數(shù)值參考；4、傳統(tǒng)方法只對(duì)車身外輪廓進(jìn)行均勻采點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果容易受到不同接觸對(duì)象及磚石等突出物的干擾，而更主要的區(qū)別在于傳統(tǒng)測(cè)量方法是二維測(cè)量，而本方法是對(duì)主要吸能部件的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行三維測(cè)量，更具有客觀性。


圖1本發(fā)明實(shí)施例事故現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有限元模型
圖2本發(fā)明實(shí)施例擋泥板及前縱梁關(guān)鍵點(diǎn)選取位置
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明根據(jù)碰撞事故的特點(diǎn)(正面碰撞、側(cè)面碰撞等)及碰撞對(duì)象的不同(車-車、車-人、車-固定物等)，選擇車身變形測(cè)量關(guān)鍵點(diǎn)，給出事故評(píng)價(jià)指標(biāo)x1，x2，……，xn。這些評(píng)價(jià)指標(biāo)反映了主要吸能零部件中關(guān)鍵點(diǎn)在碰撞過(guò)程中的變形量。以正面碰撞和斜碰撞為例，選取車身前部前縱梁和擋泥板上的螺栓孔和定位孔作為測(cè)量的關(guān)鍵點(diǎn)。
根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和測(cè)量可以得到這些關(guān)鍵點(diǎn)的三坐標(biāo)測(cè)量值x1e，x2e，……，xne。
通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬可以得到相應(yīng)點(diǎn)的數(shù)值模擬值x1c，x2c，……，xnc。
定義事故再現(xiàn)度E，如下列公式所示
E＝1-(∑(xie-xic)2/(∑xie·xie))
上式中，E值越大，說(shuō)明事故再現(xiàn)結(jié)果越接近真實(shí)情況。以事故再現(xiàn)度E為目標(biāo)函數(shù)，將汽車碰撞前的運(yùn)動(dòng)速度大小和方向作為優(yōu)化變量，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法進(jìn)行反復(fù)迭代運(yùn)算，使E值達(dá)到最大。
由于數(shù)值模擬的局限性，仿真結(jié)果和真實(shí)碰撞結(jié)果之間不可能完全吻合，從E值的大小可以定性地反應(yīng)出事故再現(xiàn)結(jié)果和真實(shí)結(jié)果之間的差距，同時(shí)反應(yīng)出速度變化及角度變化對(duì)E值的影響趨勢(shì)。對(duì)于E值的定義，當(dāng)數(shù)值模擬結(jié)果靠近真實(shí)結(jié)果時(shí)，E值趨近于“1”。
以下結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容提供具體的實(shí)施例
以一起典型車—固定物碰撞事故為例，建立整車及碰撞環(huán)境的有限元模型，如圖1所示，整車有限元模型的可靠性得到了實(shí)車正面碰撞剛性墻(v＝50km/h)的試驗(yàn)驗(yàn)證；
選取車身前部關(guān)鍵吸能零部件擋泥板上四個(gè)定位孔及前縱梁上七個(gè)螺栓孔作為變形量測(cè)量的關(guān)鍵點(diǎn)，在車身主要吸能零部件有限元模型上，孔的處理方法為對(duì)于直徑大于20mm的孔予以保留，以孔的圓心位置作為測(cè)量關(guān)鍵點(diǎn)，這類點(diǎn)有四個(gè)，且均在擋泥板上，其節(jié)點(diǎn)編號(hào)分別為15090X，15091X，15167X，15179X。對(duì)直徑小于20mm的孔及螺栓孔進(jìn)行消隱處理，如前縱梁上七個(gè)點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)編號(hào)分別為156840，156841，156842，156843，156844，156845，156846。關(guān)鍵點(diǎn)選取，如圖2所示；
對(duì)測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量可以使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行真實(shí)車身變形量的測(cè)量，三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果如表1所示；
表1 事故發(fā)生前后關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)
通過(guò)事故現(xiàn)場(chǎng)可以判斷，汽車與圍墻之間的角度最大不超過(guò)53°，最小不小于5°。通過(guò)試算可以確定汽車碰撞墻體時(shí)刻的速度區(qū)間為30km/h～78km/h。
通過(guò)多次迭代計(jì)算得到當(dāng)車與圍墻角度為17°，碰撞接觸時(shí)刻車速為50km/h情況下汽車變形數(shù)值模擬結(jié)果與真實(shí)事故結(jié)果最接近，此時(shí)E＝0.9985。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)在沒(méi)有剎車印跡或剎車印跡不清晰時(shí)對(duì)交通事故的再現(xiàn)分析。
權(quán)利要求
1、一種基于車身關(guān)鍵點(diǎn)三維變形的汽車碰撞事故再現(xiàn)方法，其特征在于
(1)建立事故發(fā)生環(huán)境及事故中所涉及到車輛的有限元模型；
(2)驗(yàn)證有限元模型的可靠性；
(3)選取適用于正面碰撞和斜碰撞的車身關(guān)鍵點(diǎn)并對(duì)數(shù)值模型中的孔進(jìn)行處理；
(4)對(duì)于確定的關(guān)鍵點(diǎn)位置，使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行物理測(cè)量；
(5)對(duì)于整車有限元模型，采用關(guān)鍵點(diǎn)的變形測(cè)量方法；
(6)通過(guò)多次迭代優(yōu)化計(jì)算，得到在一定速度和碰撞角度條件下，關(guān)鍵點(diǎn)變形的數(shù)值模擬結(jié)果與真實(shí)碰撞測(cè)量結(jié)果一致，從而確定事故發(fā)生時(shí)刻準(zhǔn)確的汽車速度和碰撞角度。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于車身關(guān)鍵點(diǎn)三維變形的汽車碰撞事故再現(xiàn)方法，其特征是，所述的步驟(1)，具體指對(duì)于正面碰撞或斜碰撞，車身前部網(wǎng)格需要細(xì)化，單元長(zhǎng)度必須小于10mm，對(duì)于車身后部網(wǎng)格則可簡(jiǎn)化，同時(shí)各個(gè)車身零部件模型之間嚴(yán)格按照真實(shí)情況進(jìn)行連接。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于車身關(guān)鍵點(diǎn)三維變形的汽車碰撞事故再現(xiàn)方法，其特征是，所述的步驟(2)，具體指對(duì)建立的整車有限元模型根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11551的要求進(jìn)行50km/h正面碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證以檢驗(yàn)有限元模型的可靠性。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于車身關(guān)鍵點(diǎn)三維變形的汽車碰撞事故再現(xiàn)方法，其特征是，所述的步驟(3)，具體指車身關(guān)鍵點(diǎn)變形量測(cè)量中孔的選取主要集中于車身前部的擋泥板和前縱梁中的主要螺栓孔和定位孔，在數(shù)值模型中，對(duì)于直徑大于20mm的孔予以保留，通過(guò)圓孔周邊三節(jié)點(diǎn)計(jì)算出圓心坐標(biāo)；對(duì)于直徑小于20mm的孔進(jìn)行消隱處理，同時(shí)人工將節(jié)點(diǎn)落在螺栓孔的中心位置。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于車身關(guān)鍵點(diǎn)三維變形的汽車碰撞事故再現(xiàn)方法，其特征是，所述的步驟(4)，具體指首先通過(guò)車身設(shè)計(jì)圖紙或同樣型號(hào)的車測(cè)量關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，然后使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量發(fā)生碰撞事故車輛對(duì)應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過(guò)矢量減法得到各點(diǎn)的變形量。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于車身關(guān)鍵點(diǎn)三維變形的汽車碰撞事故再現(xiàn)方法，其特征是，所述的步驟(5)，具體實(shí)現(xiàn)如下
首先在車身有限元模型后部作三個(gè)相互垂直的平面作為參考面，設(shè)某關(guān)鍵點(diǎn)q初始絕對(duì)坐標(biāo)為x1，y1，z1，該點(diǎn)距相互垂直的參考面α、β和γ面的距離分別為l、m和n，當(dāng)汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穩(wěn)定變形后此三面為α′，β′和γ′，分別通過(guò)確定三個(gè)參考面的九個(gè)節(jié)點(diǎn)得到變形后各點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)，然后通過(guò)此九點(diǎn)構(gòu)建相互垂直的新的三個(gè)參考面平面，而q點(diǎn)在車身發(fā)生變形后運(yùn)動(dòng)到q′點(diǎn)位置，設(shè)q′距α′，β′和γ′的距離分別為l′，m′和n′，則關(guān)鍵點(diǎn)q在事故中的變形量d為
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于車身關(guān)鍵點(diǎn)三維變形的汽車碰撞事故再現(xiàn)方法，其特征是，所述的步驟(6)，具體指首先明確汽車速度和角度的初始范圍，在此范圍內(nèi)以速度和角度作為自變量進(jìn)行迭代計(jì)算，得到各模擬結(jié)果中各關(guān)鍵點(diǎn)的變形量，根據(jù)事故再現(xiàn)度E公式比較實(shí)際測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果，當(dāng)數(shù)值模擬結(jié)果與真實(shí)事故結(jié)果中關(guān)鍵點(diǎn)的變形量最接近時(shí)，則認(rèn)為此模擬結(jié)果對(duì)應(yīng)的汽車速度和角度為真實(shí)的碰撞速度和角度。
8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于車身關(guān)鍵點(diǎn)三維變形的汽車碰撞事故再現(xiàn)方法，其特征是，所述的事故再現(xiàn)度E公式，具體如下
E＝1-(∑(xie-xic)2/(∑xie·xie))
xie為關(guān)鍵點(diǎn)測(cè)得的實(shí)際變形量，xic為關(guān)鍵點(diǎn)位置通過(guò)數(shù)值模擬得到的變形量計(jì)算值，E值越大，說(shuō)明事故再現(xiàn)結(jié)果越接近真實(shí)情況。
9、根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于車身關(guān)鍵點(diǎn)三維變形的汽車碰撞事故再現(xiàn)方法，其特征是，所述的E值，當(dāng)數(shù)值模擬結(jié)果靠近真實(shí)結(jié)果時(shí)，E值趨近于“1”，E值所存在的變化區(qū)間為[a，1]，其中a為正值或者負(fù)值，具體數(shù)值由仿真結(jié)果與真實(shí)碰撞事故的接近程度決定。
全文摘要
一種用于交通領(lǐng)域的基于車身關(guān)鍵點(diǎn)三維變形的汽車碰撞事故再現(xiàn)方法，步驟為建立事故發(fā)生環(huán)境及事故中所涉及到車輛的有限元模型；驗(yàn)證有限元模型的可靠性；選取適用于正面碰撞和斜碰撞的車身關(guān)鍵點(diǎn)并對(duì)數(shù)值模型中的孔進(jìn)行處理；對(duì)于確定的關(guān)鍵點(diǎn)位置，使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行物理測(cè)量；對(duì)于整車有限元模型，采用關(guān)鍵點(diǎn)的變形測(cè)量方法；通過(guò)多次迭代優(yōu)化計(jì)算，得到在一定速度和碰撞角度條件下，關(guān)鍵點(diǎn)變形的數(shù)值模擬結(jié)果與真實(shí)碰撞測(cè)量結(jié)果一致，從而確定事故發(fā)生時(shí)刻準(zhǔn)確的汽車速度和碰撞角度。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)剎車印跡等事故現(xiàn)場(chǎng)信息被破壞或不清晰情況下的事故再現(xiàn)，對(duì)主要吸能部件的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行三維測(cè)量，更具有客觀性。
文檔編號(hào)G01P3/00GK1724971SQ200510027720
公開(kāi)日2006年1月25日 申請(qǐng)日期2005年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月14日
發(fā)明者金先龍, 張曉云, 李淵印, 李治, 曹源 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)