姜松

摘 要：應(yīng)用非線性有限元分析軟件對小型客車正面碰撞變形進行數(shù)值仿真，分析碰撞變形、速度、加速度和能量等參數(shù)的變化規(guī)律，根據(jù)不同車型的車身正面碰撞變形和速度的關(guān)系，建立汽車正面碰撞事故分析專家系統(tǒng)，為交通事故的責(zé)任鑒定提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：汽車碰撞；交通事故；專家系統(tǒng)

1 引言

汽車碰撞安全性是汽車車身設(shè)計的重要內(nèi)容。隨著我國汽車保有量的不斷增加，交通事故帶來的人身傷亡和財產(chǎn)損失使人們越來越重視汽車的安全性。

在當(dāng)前交通事故分析中，主要依據(jù)制動的印跡，采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗來再現(xiàn)交通事故過程。隨著計算機仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，憑借動力學(xué)理論和有限元模擬的方法，開始對典型的交通事故進行仿真分析和研究[1]。交通事故分析專家系統(tǒng)，通過計算機仿真模擬的方法，能夠再現(xiàn)汽車碰撞過程的關(guān)鍵參數(shù)，為交通事故的責(zé)任認(rèn)定提供理論依據(jù)。

本文采用ANSYS/LS-DYNA軟件，通過對車身正面碰撞的有限元模擬仿真，分析汽車正面碰撞過程中關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律，建立汽車正面碰撞事故分析專家系統(tǒng)，為交通事故的責(zé)任認(rèn)定提供一定的理論參考。

2 汽車碰撞仿真

本文采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA對某系列小型客車的車身進行正面碰撞的模擬計算。

2.1 仿真計算

某車型的車身幾何模型，如圖1所示。對該車身進行網(wǎng)格劃分，采用4節(jié)點的Shell 163殼單元，最小尺寸為4mm，接觸類型采用自動單面接觸算法。

車身材料采用鋼材料材料，彈性模量E=202GPa，泊松比=0.3，屈服強度σy=207MPa，抗拉強度σt=230Mpa。剛性強采用剛體單元，約束全部自由度。整車以不同的初始速度正面撞擊剛性墻。

車身建模是模擬仿真中一個復(fù)雜而繁瑣的過程。對于交通事故的分析，需要對不同類型的車身進行仿真計算，其工作量極其巨大。為了提高計算效率，本文簡化了汽車的車身模型，不考慮碰撞過程中對車身變形影響小的部件，而將其作為集中質(zhì)量點加載在車身上。改變車身部分的主要結(jié)構(gòu)尺寸，從而獲得不同類型車身的幾何模型。

2.2 結(jié)果分析

本文對不同結(jié)構(gòu)剛度的轎車車身進行正面碰撞的仿真計算，整車分別以30km/h、48.3km/h、72.4km/h、96.6km/h、120km/h和160km/h多種初始速度進行正面碰撞，并對計算結(jié)果進行分析。以48.3km/h速度正面撞擊剛性強的變形，如圖2所示。

（1）能量。汽車碰撞過程是一個能量守恒的過程，汽車的動能被車身、車架、保險杠等部件的變形所吸收[2]。碰撞開始時，車身與剛性墻接觸，變形開始逐漸增加，而后車身回彈，直至整車運動停止。研究結(jié)果表明，車身發(fā)生的最大變形及其發(fā)生的時間均與碰撞速度有關(guān)。碰撞速度越高，最大變形出現(xiàn)的時刻越提前，而此時整車的動能已經(jīng)衰減95%以上。碰撞過程的能量變化特征，是車體碰撞變形計算的理論依據(jù)[3]。

（2）加速度。汽車碰撞后的加速度的峰值，主要取決于碰撞的初始速度。而加速度的平均值大致與車身質(zhì)量成反比，卻與加速度的峰值卻相差甚遠(yuǎn)。

（3）車身變形。研究表明，汽車碰撞后的車身變形，主要取決于汽車結(jié)構(gòu)的剛度、碰撞初始速度和撞擊位置與方向[2]。為了研究碰撞變形與初始速度之間的規(guī)律，本文將汽車進行分類，研究不同車體長度和碰撞初始速度下，汽車正面碰撞的變形。為了驗證有限元模擬計算模型的有效性，本文根據(jù)美國NHTSA提出的小型客車分類標(biāo)準(zhǔn)，對不同類型汽車的正面碰撞變形進行對比驗證。結(jié)果表明，當(dāng)碰撞速度低于16.7km/h時，碰撞變形與美國NHTSA提出的線性假設(shè)求解結(jié)果相符；當(dāng)碰撞速度高于16.7km/h時，碰撞變形逐漸呈現(xiàn)出明顯的非線性特征。通過與大量疑難交通事故的測量結(jié)果進行對比，本文得出的碰撞速度與變形規(guī)律與交通事故實例非常接近[4]。

3 正面碰撞交通事故分析專家系統(tǒng)

通過對碰撞變形和初始速度的曲線擬合發(fā)現(xiàn)，碰撞初始速度和變形的關(guān)系，在特定坐標(biāo)下為彈道方程：

y=xtgT| （1）

對于不同剛度的汽車，對應(yīng)不同的特征方程，稱之為判速方程[5]：

d=aiv-biv2 （2）

式中，d表示速度，v表示塌陷變形。

汽車正面碰撞交通事故分析專家系統(tǒng)，以車身剛度分析法為理論基礎(chǔ)，通過碰撞變形來預(yù)測碰撞速度。在研究中發(fā)現(xiàn)，采用美國NHTSA確定的汽車分類方法來預(yù)測碰撞初始速度的誤差較大。通過對我國小型客車的類型和剛度特征進行分析，本文采用了新的汽車剛度分類方法，如表1所示[5]。

通過仿真模擬計算的驗證結(jié)果分析，對不同類別的汽車，可以根據(jù)車身或車架的厚度和剛度，對汽車的類別進行修正。對于某類車型，如果車身或車架的厚度或剛度較大，則可以采用比現(xiàn)有類別高一級的判速方程對碰撞變形進行預(yù)測。

4 結(jié)語

（1）汽車正面碰撞交通事故分析專家系統(tǒng)，對不同類型的小型客車進行的大量模擬計算，通過結(jié)果對比驗證了有限元模型的有效性。

（2）汽車碰撞過程中的能量變化規(guī)律，是汽車正面碰撞交通事故分析的理論依據(jù)。汽車車身的剛度，隨著汽車變形的不斷增加而改變。碰撞變形與碰撞初始速度有關(guān)，在特定的坐標(biāo)下符合拋物線方程。汽車正面碰撞的判速方程，可根據(jù)碰撞變形預(yù)測碰撞初始速度，能夠快速地為交通事故責(zé)任認(rèn)定提供理論依據(jù)和參考。

參考文獻：

[1]陶沙，于長吉.汽車安全行駛于事故分析[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，1997.

[2]李卓森.汽車正面碰撞方程式及其應(yīng)用[J]. 汽車技術(shù)，1989，8：8-19.

[3]孫宏圖，劉學(xué)術(shù)，宋振寰等.汽車碰撞變形計算機模擬研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報，2002：42（6）：680-683.

[4]孫宏圖，汽車碰撞分析專家系統(tǒng)[D]，大連理工大學(xué)，2002.

[5]于長吉，孫宏圖.用于交通事故分析的汽車碰撞計算機模擬方法[J].交通與計算機.2001，19：36-39.