基于PC-Crash的汽车-骑车人事故再现研究

The8thInt.ForumofAutomotiveTrafficSafety(INFATS),Wuhu,China,December2010304Vehicle-CyclistAccidentReconstructionStudyBasedonPC-CrashDangXU1,XichanZHU1,YeFENG1,ZhixiongMA11.TongjiUniversity,Shanghai,[e-mail]：Avehicle-cyclistaccidentwasstudiedbyusingaccidentreconstructionsoftwarePC-Crash.Thecharacteristicparameterwasadjustedtomakeautomobile,bicycleandcyclist'sfinallocationmeetingtheresultofaccidentinvestigation.Bicycleandcyclist'sthrowingdistancewerevalidatedwiththerangeofthrowingdistanceofbicycle-vehiclevelocityandthrowingdistanceofcyclist-vehiclevelocitywhichobtainedfromGIDAS'slargenumberofexperimentalresult,andalsoanalyzingthedynamicsresponseofcyclist'sheadandlowerleg,verifyingthattheaccidentreconstructionmethodiseffective.Keywords:vehicle-cyclistaccident;accidentreconstruction;PC-Crash;finallocation;throwingdistance基于PC-Crash的汽车-骑车人事故再现研究徐荡1，朱西产1，丰烨1，马志雄11.同济大学，上海，中国，201804摘要:针对一起汽车-骑车人事故运用事故再现软件PC-Crash进行再现分析，通过调整特征参数，使事故参与方汽车、自行车、骑车人的最终位置满足事故勘察结果，通过自行车和骑车人的抛距验证本事故分析结果中汽车车速满足GIDAS经过统计大量实验结果得出的“两轮车抛距—车速表”、“骑车人抛距—车速表”的范围，并对骑车人头部、小腿处的动力学响应参数进行了分析，验证了该事故再现方法的有效性。关键词:汽车-骑车人事故，事故再现，PC-Crash软件，最终位置，抛距1引言汽车交通事故再现是在事故发生后，从汽车的昀终位置开始，运用按经验建立的运动学和动力学模型往回推算，即：碰撞后阶段-碰撞阶段-碰撞前阶段，在时间和空间上再现整个事故过程。描述汽车碰撞运动过程涉及到很多参数，如质量、位移、碰撞前速度、角速度等等，其中碰撞前速度是事故再现和责任判定昀重要的参数之一。事故再现软件PC-Crash是在大量的实车碰撞实验基础上,采用正向模拟、反复迭代的算法,通过验证模拟痕迹与实际的事故现场痕迹是否吻合来推断碰撞前后的速度。2事故案例描述当事人甲某驾驶帕萨特汽车沿某平直道路由南向北行驶，遭遇前方自右向左骑自行车的乙某，汽车右前侧与自行车左侧发生碰撞，事故造成帕萨特汽车、自行车损坏，乙某死亡。图1帕萨特汽车和自行车车损照片The8thInt.ForumofAutomotiveTrafficSafety(INFATS),Wuhu,China,December2010305对帕萨特汽车和自行车进行鉴定，汽车蒙皮和保险杠右侧有明显的刮擦痕迹，发动机罩完好无损，右侧A柱下端和侧围顶梁有凹坑。自行车三角架向右挤压变形，前挡泥板弯曲变形，左前叉和左脚踏板有明显刮擦痕迹，后轮完好无损，车损照片如图1所示。死者头部受伤严重构成致命伤。事故现场如图2所示。图2事故现场图3PC-Crash基本原理及分析方法PC-Crash是基于动量、能量守恒方法建立的事故再现软件。动量冲量法主要是基于动量守恒原理和回弹系数来模拟汽车碰撞。以二维车对车碰撞模型为例,每辆汽车以一个集中质量表示，包含2个平移自由度和1个横摆转动自由度。以碰撞中心为原点定义局部坐标系，t轴与碰撞平面法线方向重合。如图所示，1212,,,nntt是用来定位两车相对位置的参数。图3两车碰撞模型根据动量守恒原理，Steffan[5]推导出如下关系式：013TTvvcTcN=+−(式1)032NNvvcTcN=−+(式2)其中：22121121211zZnncmmII=+++(式3)22122121211zZttcmmII=+++(式4)1122312zZtntncII=+(式5)The8thInt.ForumofAutomotiveTrafficSafety(INFATS),Wuhu,China,December2010306式中，12,mm分别为两车质量，1,2zZII分别为两车的横摆转动惯量，,TNvv分别为碰撞后的两车相对速度沿碰撞平面切向和法向上的分量；00,TNvv分别为碰撞前的两车相对速度分量；,TN分别为碰撞冲量在沿碰撞平面切向和法向上的分量。由上式可知，只要给定两车的碰撞前速度，就能得到车辆的运动轨迹和碰撞后速度。因此，利用事故现场勘察的制动痕迹、车辆昀终位置进行仿真计算就可得到比较符合实际的结果。一般情况下，汽车和汽车的碰撞问题即可简化为平面内的两个质量点的动力学问题。而汽车-行人、汽车-骑车人的碰撞就不能采取如此简化，人体是一个复杂的多体系统。其运动时由多节骨骼和附着在其上的骨骼肌通过运动关节链接在一起而完成的。为了研究人体各部位在碰撞过程中的运动状态和生物力学数值，通常把人体作为一个由有限刚体铰接组成的多刚体系统进行研究。PC-Crash中的行人模型是一个由16个刚体通过15个铰链构成的多刚体系统。其中，刚体呈椭球状，分别代表人体不同部位（头部、躯干、骨盆、大腿等）；铰链代表人体不同关节。各刚体都分别定义几何参数、质量和转动惯量、刚度系数、阻尼系数和摩擦系数等属性；同时，定义刚体与刚体之间的连接特性以及刚体与刚体、刚体与汽车之间的接触特性。在多刚体系统中，刚体的运动方程可由牛顿-欧拉方程可知，系统内某一刚体i的力和力矩方程为：iiiiiiiimrFJJTωωω=⋅+×⋅=(式6)式6中，im为刚体的质量；iJ为刚体相对于质心的惯性矩；iω为角速度向量；iF为力向量；ir为位移向量；iT为相对惯性中心的力矩向量。通过虚功原理，可以得到无阻尼的多刚体系统运动方程：01[()()]0niiiiiiiiiiidrmrFdJJTωωωω=⋅−++×⋅−=∑(式7)式7中：ir、0ω分别为刚体i的位移和初始角速度。通过拉格朗日或矩阵变换方法对系统方程进行求解，可得到系统内个刚体的动力学数值。用PC-Crash软件进行事故再现时，首先将事故现场勘察得到的数据绘制成事故现场图，并将其生成DXF文件导入PC-Crash软件，从PC-Crash车辆库中调用相应的车辆模型，定义车辆碰撞前速度、制动减速度、采取制动的时间等事故参数进行事故再现仿真，仿真结果与现场制动痕迹、车辆昀终位置进行对比，若满足则输出事故再现结果，若不满足继续调整事故参数并进行反复迭代仿真，直至事故再现结果符合现场勘察结果。PC-Crash事故再现的流程如图4所示。图4事故再现流程图4PC-Crash仿真建模及分析4.1仿真模型建立利用PC-Crash软件自带的车辆库和多体系统建立汽车模型、自行车及骑车人模型，调整车辆外形尺寸使车辆信息和事故勘察结果相同。设置下列初始参数：碰撞的初始位置、碰撞时帕萨特汽车的车速、自行车的车速、碰撞时自行车与汽车的角The8thInt.ForumofAutomotiveTrafficSafety(INFATS),Wuhu,China,December2010307度、碰撞时骑车人的坐姿、轿。车与自行车碰撞后汽车采取制动的时间。进行碰撞仿真分析，使帕萨特汽车、自行车及骑车人的碰撞痕迹及昀终位置满足事故勘察结果。图5骑车人和自行车模型图6汽车模型4.2碰撞时刻骑车人坐姿分析首先选取骑车人坐姿为正常坐姿，调整其他参数进行仿真使得帕萨特汽车、自行车及骑车人的碰撞痕迹和昀终位置满足事故勘察结果，发现碰撞后骑车人的昀终位置总是在自行车的后方，这与事故勘察结果相悖。根据该结果可知，在与帕萨特汽车发生碰撞时，骑车人由于采取制动和躲避措施，身体有明显的前移和侧偏现象，故推想碰撞时刻，骑车人坐姿为非正常坐姿。将骑车人相对于自行车正常坐姿的水平方向偏移量和数值方向偏移量作为仿真的初始参数之一。图7骑车人正常坐姿和非正常坐姿4.3碰撞仿真分析针对骑车人非正常坐姿按照如下初始碰撞条件进行仿真：自行车与水平线夹角为23.7°，骑车人水平方向偏移0.25m，竖直方向偏移0.12m，自行车初始速度为11km/h。帕萨特汽车与水平线夹角为13.7°。帕萨特质心距右车道线1.65m，距左车道线1.85m，距昀终位置距离为43.1m，帕萨特初始速度为80km/h。在碰撞后0.8s时帕萨特驾驶员采取制动措施，初始昀大制动减速度为7.13m/s²，经过3.75s帕萨特汽车停止。图8事故参数图图9昀终位置对比仿真得到的帕萨特汽车、骑车人、自行车的昀终位置均与事故现场勘察结果非常吻合。昀终位置如图9所示。4.3.1抛距对比分析仿真得到的自行车抛距和骑车人抛距分别为34.95m和39.47m，将其与GIDAS（德国深入事故研究组织）经过统计多次试验结果得到的“两轮车抛距与车速表”，“骑车人抛距与车速表”进行对比，车速为80km/h时两轮车的抛距为30m-68m，骑车人的抛距为28m-46m，发现仿真得到抛距均在其范围之内。The8thInt.ForumofAutomotiveTrafficSafety(INFATS),Wuhu,China,December2010308图10骑车人和自行车抛距定义图11两轮车抛距-车速表图12骑车人抛距-车速表4.3.2骑车人头部、小腿动力学响应分析仿真得到的头部合成加速度曲线如图14所示：头部合成加速度峰值出现在0.055s，此时头部与帕萨特汽车左侧A柱下端接触，骑车人头部合成加速度达到了3946.82m/s²,HIC为5673，远远大于1000，导致骑车人颅脑严重受伤，骑车人死亡。仿真得到的小腿剪切力曲线如图15所示：小腿剪切力第一个峰值4.68KN出现在0.02s，此时骑车人小腿与帕萨特汽车蒙皮右前侧发生碰撞。Nyquist[6]认为男性胫骨骨折的碰撞力峰值为4.7±1.4KN,此次碰撞可能会导致骑车人小腿骨折。由于小腿与地面的接触导致小腿剪切力出现第二次和第三次峰值。图13骑车人头部合成加速度图14骑车人小腿剪切力通过昀终位置、伤害值、抛距的对比表明了本案中PC-Crash事故再现方法的有效性。The8thInt.ForumofAutomotiveTrafficSafety(INFATS),Wuhu,China,December20103095结论1.本文针对一起汽车-骑车人事故运用事故再现软件PC-Crash进行再现分析，通过调整事故特征参数，使事故参与方汽车、自行车、骑车人的昀终位置满足事故勘察结果，并通过自行车和骑车人的抛距验证本起事故分析结果中汽车车速满足GIDAS经过统计大量实验结果得出的“两轮车抛距—车速表”、“骑车人抛距—车速表”的范围，验证了PC-Crash事故再现方法的有效性。2.研究内容启示汽车-骑车人事故可以通过事故再现软件得到理论依据和数值参考，对事故鉴定和法律诉讼具有积极作用。3.由于人为因素和环境因素导致事故现场勘察获取的数据往往是不精确的。事故再现算法中各输入量存在不同程度的不确定度，这些不确定度经过传播与累积带来计算结果值的不确定。本文中尚未对事故再现结果进行不确定度分析研究，这是接