基於車身關鍵點三維變形的汽車碰撞事故再現方法
2023-08-09 05:52:36 2
專利名稱：基於車身關鍵點三維變形的汽車碰撞事故再現方法
技術領域：
本發明涉及一種用於交通領域的事故再現方法，具體是一種基於車身關鍵點三維變形的汽車碰撞事故再現方法。
背景技術：
為了對汽車碰撞事故進行再現分析，通常從能量、動量等多個角度，根據碰撞階段的特徵參數(如車輛變形特性、回彈係數、接觸面摩擦因數、碰撞中心等)以及從事故現場拍攝的圖像，運用集中參數模型方法和多剛體系統動力學方法進行事故分析，目前國際上常用事故分析方法包括動量/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用。
經對現有技術的檢索發現，裴劍平，吳衛東在《交通運輸工程學報》2001，NO.1(4)75~78上發表地「交通事故再現碰撞模型綜述」，該文中對國際通用的事故再現方法進行了說明。動量/能量分析方法主要依賴汽車剎車印跡，現在主流車型安裝了ABS，因此很難得到清晰完整的剎車印跡，另外，駕駛員在事故發生後可能在無意識或精神緊張的情況下造成對事故現場的破壞，對於剎車痕跡等關鍵數據的準確性將造成破壞從而嚴重影響到交通事故的調查取證和公正處理，另一方面，對於事故現場，將可能受到天氣(雨水)、過往車輛(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行考慮，但是車身變形和運動速度之間的近似線性關係僅在一定範圍內有效，而且車身變形量測量從外部輪廓進行二維測量，由於汽車碰撞環境的複雜性，外部輪廓的變形可能會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，可能會對測量結果造成較大的影響。
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部三維變形進行事故再現成為迫切需要解決的技術問題。
發明內容
本發明針對現有技術中存在的上述不足和缺陷，提供一種基於車身關鍵點三維變形的汽車碰撞事故再現方法。使其解決沒有剎車印跡或剎車印跡不清晰時對交通事故的再現分析。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括以下步驟
(1)建立事故發生環境及事故中所涉及到車輛的有限元模型；
對於正面碰撞或斜碰撞，車身前部網格需要予以細化，單元長度必須小於10mm，對於車身後部網格則可以適當簡化，同時各個車身零部件模型之間嚴格按照真實情況進行連接；
(2)對建立的整車有限元模型根據國家標準GB11551的要求進行50km/h正面碰撞試驗驗證以檢驗有限元模型的可靠性；
(3)選取適用於正面碰撞和斜碰撞的車身關鍵點並對數值模型中的孔進行處理；
車身關鍵點變形量測量中孔的選取主要集中於車身前部的擋泥板和前縱梁中的主要螺栓孔和定位孔，選擇原因為擋泥板和前縱梁作為主要吸能部件不和被碰撞物發生直接接觸，因此對於變形量的測量更具有客觀性。在數值模型中，對於直徑大於20mm的孔予以保留，通過圓孔周邊三節點可以計算出圓心坐標；對於直徑小於20mm的孔進行消隱處理，同時人工將節點落在螺栓孔的中心位置。
(4)對於確定的關鍵點位置，使用三坐標測量儀進行物理測量；
對於關鍵點三坐標實物測量的方法為首先通過車身設計圖紙或同樣型號的車測量關鍵點的坐標。然後使用三坐標測量儀測量發生碰撞事故車輛對應關鍵點的三維坐標。通過矢量減法可以知道各點的變形量，在具體計算時將不考慮矢量方向以便於計算。
(5)對於整車有限元模型，提出關鍵點的變形測量方法；
對於正面碰撞或斜碰撞，在車身後部幾乎不發生變形，因此，首先在車身有限元模型後部作三個相互垂直的平面作為參考面。
假設某關鍵點q初始絕對坐標為(x1，y1，z1)，該點距相互垂直的參考面α，β和γ面的距離分別為l，m和n，當汽車運動時，由於車身後部不發生變形，可以認為原有的三個面依然保持互相垂直的關係，設穩定變形後此三面為α′，β′和γ′，可以分別通過確定三個參考面的九個節點得到變形後各點的絕對坐標，然後通過此九點構建相互垂直的新的三個參考面平面。而q點在車身發生變形後運動到q′點位置，假設q′距α′，β′和γ′的距離分別為l′，m′和n′。則可以認為關鍵點q在事故中的變形量d為
(6)通過多次迭代優化計算，得到在一定速度和碰撞角度條件下，關鍵點變形的數值模擬結果與真實碰撞測量結果一致，從而確定事故發生時刻準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範圍，在此範圍內以速度和角度作為自變量按照一定步長進行迭代計算，得到各模擬結果中各關鍵點的變形量，根據事故再現度公式比較實際測量結果與數值模擬結果，當數值模擬結果與真實事故結果中關鍵點的變形量最接近時，則認為此模擬結果對應的汽車速度和角度為真實的碰撞速度和角度。
事故再現度E公式，E＝1-(∑(xie-xic)2/(∑xie·xie))
其中，xie為關鍵點測得的實際變形量，xic為關鍵點位置通過數值模擬得到的變形量計算值。
上式中，E值越大，說明事故再現結果越接近真實情況。以事故再現度E為目標函數，將汽車碰撞前的運動速度大小和方向作為優化變量，通過選擇適當的優化方法進行反覆迭代運算，使E值達到最大。
由於數值模擬的局限性，仿真結果和真實碰撞結果之間不可能完全吻合，從E值的大小可以定性地反應出事故再現結果和真實結果之間的差距，同時反應出速度變化及角度變化對E值的影響趨勢。對於E值的定義，當數值模擬結果靠近真實結果時，E值趨近於「1」。
E值所存在的變化區間為[a，1]，其中a可以為正值，也可以為負值，具體數值由仿真結果與真實碰撞事故的接近程度決定。
本發明通過車身關鍵點變形進行事故再現，具有如下優勢1、可以解決剎車印跡等事故現場信息被破壞或不清晰的情況下，常用事故再現方法所不能解決的問題；2、應用有限元方法可以對車身關鍵吸能零部件在真實事故中的變形進行三維直觀考察，可以為汽車設計部門提供參考；3、應用有限元事故再現方法可以對事故中人體所受傷害進行數值模擬和評價，為事故傷的鑑定提供理論依據和數值參考；4、傳統方法只對車身外輪廓進行均勻採點測量，測量結果容易受到不同接觸對象及磚石等突出物的幹擾，而更主要的區別在於傳統測量方法是二維測量，而本方法是對主要吸能部件的測量點進行三維測量，更具有客觀性。
圖1本發明實施例事故現場環境有限元模型
圖2本發明實施例擋泥板及前縱梁關鍵點選取位置
具體實施例方式
本發明根據碰撞事故的特點(正面碰撞、側面碰撞等)及碰撞對象的不同(車-車、車-人、車-固定物等)，選擇車身變形測量關鍵點，給出事故評價指標x1，x2，……，xn。這些評價指標反映了主要吸能零部件中關鍵點在碰撞過程中的變形量。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量的關鍵點。
根據事故現場調查和測量可以得到這些關鍵點的三坐標測量值x1e，x2e，……，xne。
通過計算機模擬可以得到相應點的數值模擬值x1c，x2c，……，xnc。
定義事故再現度E，如下列公式所示
E＝1-(∑(xie-xic)2/(∑xie·xie))
上式中，E值越大，說明事故再現結果越接近真實情況。以事故再現度E為目標函數，將汽車碰撞前的運動速度大小和方向作為優化變量，通過選擇適當的優化方法進行反覆迭代運算，使E值達到最大。
由於數值模擬的局限性，仿真結果和真實碰撞結果之間不可能完全吻合，從E值的大小可以定性地反應出事故再現結果和真實結果之間的差距，同時反應出速度變化及角度變化對E值的影響趨勢。對於E值的定義，當數值模擬結果靠近真實結果時，E值趨近於「1」。
以下結合本發明的內容提供具體的實施例
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車正面碰撞剛性牆(v＝50km/h)的試驗驗證；
選取車身前部關鍵吸能零部件擋泥板上四個定位孔及前縱梁上七個螺栓孔作為變形量測量的關鍵點，在車身主要吸能零部件有限元模型上，孔的處理方法為對於直徑大於20mm的孔予以保留，以孔的圓心位置作為測量關鍵點，這類點有四個，且均在擋泥板上，其節點編號分別為15090X，15091X，15167X，15179X。對直徑小於20mm的孔及螺栓孔進行消隱處理，如前縱梁上七個點，其節點編號分別為156840，156841，156842，156843，156844，156845，156846。關鍵點選取，如圖2所示；
對測量點的實際測量可以使用三坐標測量儀進行真實車身變形量的測量，三坐標測量儀測量結果如表1所示；
表1 事故發生前後關鍵點的坐標
通過事故現場可以判斷，汽車與圍牆之間的角度最大不超過53°，最小不小於5°。通過試算可以確定汽車碰撞牆體時刻的速度區間為30km/h～78km/h。
通過多次迭代計算得到當車與圍牆角度為17°，碰撞接觸時刻車速為50km/h情況下汽車變形數值模擬結果與真實事故結果最接近，此時E＝0.9985。本發明可以實現在沒有剎車印跡或剎車印跡不清晰時對交通事故的再現分析。
權利要求
1、一種基於車身關鍵點三維變形的汽車碰撞事故再現方法，其特徵在於
(1)建立事故發生環境及事故中所涉及到車輛的有限元模型；
(2)驗證有限元模型的可靠性；
(3)選取適用於正面碰撞和斜碰撞的車身關鍵點並對數值模型中的孔進行處理；
(4)對於確定的關鍵點位置，使用三坐標測量儀進行物理測量；
(5)對於整車有限元模型，採用關鍵點的變形測量方法；
(6)通過多次迭代優化計算，得到在一定速度和碰撞角度條件下，關鍵點變形的數值模擬結果與真實碰撞測量結果一致，從而確定事故發生時刻準確的汽車速度和碰撞角度。
2、根據權利要求1所述的基於車身關鍵點三維變形的汽車碰撞事故再現方法，其特徵是，所述的步驟(1)，具體指對於正面碰撞或斜碰撞，車身前部網格需要細化，單元長度必須小於10mm，對於車身後部網格則可簡化，同時各個車身零部件模型之間嚴格按照真實情況進行連接。
3、根據權利要求1所述的基於車身關鍵點三維變形的汽車碰撞事故再現方法，其特徵是，所述的步驟(2)，具體指對建立的整車有限元模型根據國家標準GB11551的要求進行50km/h正面碰撞試驗驗證以檢驗有限元模型的可靠性。
4、根據權利要求1所述的基於車身關鍵點三維變形的汽車碰撞事故再現方法，其特徵是，所述的步驟(3)，具體指車身關鍵點變形量測量中孔的選取主要集中於車身前部的擋泥板和前縱梁中的主要螺栓孔和定位孔，在數值模型中，對於直徑大於20mm的孔予以保留，通過圓孔周邊三節點計算出圓心坐標；對於直徑小於20mm的孔進行消隱處理，同時人工將節點落在螺栓孔的中心位置。
5、根據權利要求1所述的基於車身關鍵點三維變形的汽車碰撞事故再現方法，其特徵是，所述的步驟(4)，具體指首先通過車身設計圖紙或同樣型號的車測量關鍵點的坐標，然後使用三坐標測量儀測量發生碰撞事故車輛對應關鍵點的三維坐標，通過矢量減法得到各點的變形量。
6、根據權利要求1所述的基於車身關鍵點三維變形的汽車碰撞事故再現方法，其特徵是，所述的步驟(5)，具體實現如下
首先在車身有限元模型後部作三個相互垂直的平面作為參考面，設某關鍵點q初始絕對坐標為x1，y1，z1，該點距相互垂直的參考面α、β和γ面的距離分別為l、m和n，當汽車運動時，設穩定變形後此三面為α′，β′和γ′，分別通過確定三個參考面的九個節點得到變形後各點的絕對坐標，然後通過此九點構建相互垂直的新的三個參考面平面，而q點在車身發生變形後運動到q′點位置，設q′距α′，β′和γ′的距離分別為l′，m′和n′，則關鍵點q在事故中的變形量d為
7、根據權利要求1所述的基於車身關鍵點三維變形的汽車碰撞事故再現方法，其特徵是，所述的步驟(6)，具體指首先明確汽車速度和角度的初始範圍，在此範圍內以速度和角度作為自變量進行迭代計算，得到各模擬結果中各關鍵點的變形量，根據事故再現度E公式比較實際測量結果與數值模擬結果，當數值模擬結果與真實事故結果中關鍵點的變形量最接近時，則認為此模擬結果對應的汽車速度和角度為真實的碰撞速度和角度。
8、根據權利要求7所述的基於車身關鍵點三維變形的汽車碰撞事故再現方法，其特徵是，所述的事故再現度E公式，具體如下
E＝1-(∑(xie-xic)2/(∑xie·xie))
xie為關鍵點測得的實際變形量，xic為關鍵點位置通過數值模擬得到的變形量計算值，E值越大，說明事故再現結果越接近真實情況。
9、根據權利要求8所述的基於車身關鍵點三維變形的汽車碰撞事故再現方法，其特徵是，所述的E值，當數值模擬結果靠近真實結果時，E值趨近於「1」，E值所存在的變化區間為[a，1]，其中a為正值或者負值，具體數值由仿真結果與真實碰撞事故的接近程度決定。
全文摘要
一種用於交通領域的基於車身關鍵點三維變形的汽車碰撞事故再現方法，步驟為建立事故發生環境及事故中所涉及到車輛的有限元模型；驗證有限元模型的可靠性；選取適用於正面碰撞和斜碰撞的車身關鍵點並對數值模型中的孔進行處理；對於確定的關鍵點位置，使用三坐標測量儀進行物理測量；對於整車有限元模型，採用關鍵點的變形測量方法；通過多次迭代優化計算，得到在一定速度和碰撞角度條件下，關鍵點變形的數值模擬結果與真實碰撞測量結果一致，從而確定事故發生時刻準確的汽車速度和碰撞角度。本發明可以實現剎車印跡等事故現場信息被破壞或不清晰情況下的事故再現，對主要吸能部件的測量點進行三維測量，更具有客觀性。
文檔編號G01P3/00GK1724971SQ200510027720
公開日2006年1月25日 申請日期2005年7月14日 優先權日2005年7月14日
發明者金先龍, 張曉雲, 李淵印, 李治, 曹源 申請人:上海交通大學