1、四川师范大学成都学院本科毕业设计1碰撞交通事故的汽车车速计算与事故再现研究 1前言 随着社会不断的进步，在这个物质横流的汽车行业和交通运输业的超速发展下,道路交通已经成为全球危害性较高的一个点，在我国境内发生的大大小小交通事故中，车与物体碰撞占百分之六十九点九，人员受伤和死亡占百分之七十，佳通事故造成的经济损失占所有事故损失的三分之二，汽车碰撞本质上就是人们对车速控制的瞬间变化，致使交通事故成为现代路道事故交通的主要形态 2。各种重大交通事故的出现，使得汽车交通事故再现的研究成为现今必须解决的首要问题。在事故中,汽车和车碰撞是危害最大、最为严重的一项事故。是在一眨眼的功夫完成的,很多细节地方都
2、是无法用肉眼去扑捉的。因此，对汽车事故交通碰撞进行全面、系统的分析是我们莘莘学子首要研究的问题 3。四川师范大学成都学院本科毕业设计21 课题设计的背景、目的和意义1.1 设计的背景在车与路产生的年代，加上科技也进步了很多。而交通运输也是一个国家必不可少的。随着交通运输业的迅速崛起，车辆的增多导致交通堵塞、事故等等负面效应也渐渐地变多，并成为了全球的一个共同话题，也是必须解决的首要问题。人们对交通运输的日益依赖，有限的资源和日益恶化的环境，需要一股新的技术去替换或者去改变。智能交通系统正是在这种情况下产生。智能交通系统（ITS） ，随着信息技术、模式识别技术、计算机技术、数据通信传输技术、图像
3、处理技术等学科的迅猛发展，而且得到广大群众的认可，交通管理的智能化、科学化、规范化水平也得到了提高。特别是汽车事故还原技术的发展为提高交通系统智能化程度，也为减轻交通事故提供了一个手段。交通事故还原也成为是目前交通领域的重要研究课题之一。本文是“碰撞交通事故的汽车车速计算与事故再现研究” ，主要研究汽车发生交通事故后汽车的车速研究和情景的再现，其目的是提高交通管理的自动化、现代化水平。其中很多地方都是通过 MATLAB 独特的数字图像处理技术 4仿真实现的，本次研究设计也为今后的发展铺就一条道路，是这条道路上的危险大大降低。1.2 设计的目的和意义事故再现技术 5是当今国际一个人们话题，这门技
4、术运用计算强大的仿真理论、虚拟现实技术、三维动画技术与碰撞理论结合起来，在一个谁也摸不着的环境下的计算机仿真碰撞模型基础上实现对事故再现的计算机模拟分析，三维仿真系统完成对车辆碰撞事故再现。这也在事故再现中起到一个辅助作用，判定现在是那个人的责任，减少民事纠纷和为人们解决问题节约很多时间。国内外各种技术都有，但是最终目的是从人身安全出发，减少人们的纠纷事件，确认当事人为目的来开发各种软件、各种技术。但万事都有一个启发，事故再现、车速计算依赖什么？这对于我们是一个非常重要的课题研究，也是我们人生的一项骄傲的研究。不管成功与否，我们都是付出了，也收获了。四川师范大学成都学院本科毕业设计32 碰撞交
5、通事故理论论证 62.1 利用计算机仿真汽车碰撞 7现今社会人身财产安全保护是一大主流，而车辆速度的鉴定与情景的再现是迫在眉睫。在汽车领域主要是对安全的研究 ,而现今最为有效而且比较划算的一种分析方法就是计算机仿真,这种方法有精确度特别高、可以重复利用、相当经济、循环周期也相对较短等优点，本门技术也广泛应用于一些道路设施、车辆及其车上的安全设施和交通事故再现及车速计算中。而车辆行驶过程中速度的变化，特别是发生碰撞后就特别依赖这门技术对其进行计算机仿真，来有效地防治交通事故、提高人们自我保护有着前所未有的意义。由于现在电子发展快速，软件的竞争也越发激烈，而硬件也不甘落后，也纷纷挤入这个竞争市场。
6、在这之前二十年以来，计算机仿真在汽车碰撞中也告诉的崛起。进入八十年代，欧美等国家首先推出了一种仿真软件包，比较有影响的 LSO DYNA3D 、SMAC、PAMCRASH 和 MADYMO 等。这些强大的软件对车身保护有着智能化的功能，而且还可以进行事故鉴定分析以及事故再现中发挥着很大的作用。2.2 事故再现的模型当发生事故后，第一步肯定是需要当时的碰撞场景，也就是说要尽快进行事故再现,运用各种技术和采取各种手段进行往前还原,即:碰撞后阶段、碰撞阶段/碰撞前阶段,在空间上把整个过程和事件进行还原。再将事故通过软件进行模型还原,让事故变得清晰的一种手段。如图 2.1-1 所示。图 2.1-1 事
7、故再现的理论与技术四川师范大学成都学院本科毕业设计42.3 事故再现的计算机软件 8专家在计算机软件的辅助下 6，可以准确的对事故收集、分析以及处理，并快速而节约成本的前提下，对事故进行还原。这样专家才能找到事故造成的原因,来找到避免事故重复发生的途径。而软件是死的，需要专家对其点化，这也不能缺少有经验的专家。而这些分析软件通常具有以下功能:事故收集、事故再现、事故过程分析。图 2.3-1 人车环境系统 ( HOVOE) 事故再现仿真模型随着科技的不断进步，计算机功能的不断强大，各种版本的处理软件也不断的更新,而且功能也不断地趋于强大,让事故再现技术迫于推广与应用成为一种趋势。2.4 事故再现
8、的关键问题想快速而精准的判定交通之故的车速和让事故再现技术是一项很大的工程，也是一个长期的工程，可谓是工程浩大。不仅是软件分析很复杂，系统建模也是相当的麻烦，它不但需要采集各种交通事故信息，还要对各种事故进行分析个建模，这些都是准备工作,而且还要需要大量的人力财力，不仅需要一批又经验的专家还得依靠国家的扶持。四川师范大学成都学院本科毕业设计53 碰撞交通事故再现计算 103.1 汽车碰撞形式的确定 刚体碰撞汽车碰撞一般车辆的损伤不是很大，除了非常严重的事故，只是局部可能会有那么一点损坏。而这部分损坏的地方就是原本车辆能量的损失，不过，既然不是很严重的碰撞，能量肯定损失也较小，小的我们可以直接忽
9、略这个能量，汽车这种有较小能量损失的碰撞过程就叫做刚体碰撞。通过大量的研究表明，刚体碰撞仅仅局限于低速的碰撞而造成的可以忽略不计的能量损失过程。 塑性碰撞当两辆车在高速而进行的非常厉害的碰撞以后，两架车都没有发生位移，这种汽车碰撞就可以看成为塑性碰撞。试验表明，当汽车的速度达到一定的高度时发生的碰撞就属于塑性碰撞。 弹塑性碰撞在汽车碰撞的过程中，汽车发生变形，即使是恢复变形或者不能及时恢复的变形，这种碰撞就属于弹塑性碰撞。 一维碰撞 迎面正碰两辆车在X轴发生碰撞，也就是一架车朝左，一个车朝右，在不注意间就发生了碰撞和一个人跑去撞墙的效果是一样的。两架车发生迎面正碰时，这中间相互作用是很短很短的
10、时间，但是他们之间产生的力确实很大很大的，这样碰撞过后除了车自身的力外，其余的外力都可以不用计算。恢复系数为：e=0.574exP(一168X) 追尾正碰同在X轴，朝向相同方向行驶，后车由于速度过快与前车发生碰撞。e比正面碰撞的e要小得多。因为汽车的前部一般都有一个发动机，而发动机的硬度较大，而后面就没有那么硬了，所以碰撞过后，前车的能量损失是后车能量损失的2倍。 二维碰撞在X、Y空间发生碰撞，不在同一条直线，可能是后车撞到前车的侧面而产生的碰撞叫汽车二维碰撞，不管是纵向还是横向还是直接的碰撞都是二维碰撞。二维碰撞能量损失为:四川师范大学成都学院本科毕业设计6E=1/1-M1M2M3M31/2
11、M1V1V1(1-E1E1)+M2V2V2*(1-E2E2)+M1M2M3V1V2(1-E1E2)3.2 汽车碰撞过程中的分析。3.2.1 刚体碰撞刚体碰撞也属于一维碰撞，遵循能量守恒定律:M1M10+M2M20=M1V1+M2V2 (3.2.1-1)1/2M1V10+1/2M2V20=1/2M1V1+1/2M2V2 （3.2.1-2）通过联立 1,2 两式，可以求解出 V1=V10-M2/M1+M2(V10-V20) （3.2.1-3） V2=V20+M1/M1+M2(V10-V20) （3.2.1-4）从而推出 V1=M2/M1+M2（V10-V20)式中 M1,M2 V10 V20 V1
12、 V2 V1 V2 依次为汽车 1 和汽车 2 的质量，而其他是碰撞前、中、后的速度变化。3.2.2 塑性碰撞当汽车发生一定碰撞以后，若两车没有发生相对的运动，这样的汽车碰撞可以看作是塑性碰撞。塑性碰撞中出现能量损失，式 3.2.1-1 和 3.2.1-2 可以改写为（3.2.2-1）（3.2.2-2）两车碰撞后的速度相等就可以认为是塑性碰撞。式（3.2.2-1）可以改写为：（3.2.2-3）有：（3.2.2-4）（3.2.2-5）四川师范大学成都学院本科毕业设计7（3.2.2-6）同理有：（3.2.2-7）（3.2.2-8）3.2.3 弹塑性碰撞车在碰撞中，汽车发生变形，即使是恢复变形或者不
13、能及时恢复的变形，这种碰撞就属于弹塑性碰撞。引入恢复系数e,联立式3.2.2-1,3.2.2-2（3.2.3-1）（3.2.3-2）（3.2.3-3）（3.2.3-4）同（3.2.3-5）同理弹塑性碰撞的能量损失为四川师范大学成都学院本科毕业设计8（3.2.3-6）根据 3.2.3-6 弹塑性碰撞能量损失与汽车质量，汽车碰撞前相对速度和汽车碰撞性质有关，当 e=1 时，EL=0，碰撞为完全弹性碰撞，当 E=0 时，碰撞为塑性碰撞，因此弹塑性能量碰撞的损失范围为3.2.4 一维碰撞汽车发生碰撞时，他们碰撞角度很小，也就是他们矢量角不大于 10 度的汽车碰撞。 正面碰撞当两辆车迎面正碰，不产生夹角
14、的情况下，发生一定的形变且暂时不能恢复的碰撞。汽车正面碰撞时，用数学公式表达为：e=0.574.exp(-0.0369.vc). (3.2.4-1)联立 X=0.0096Vc 和 3.2.4-1，可以得到 e=0.574.exp(-4.168.X),式中 X 为碰撞变形量，vc 为有效碰撞速度， 追尾碰撞同在X轴，朝向相同方向行驶，后车由于速度过快与前车发生碰撞。e比正面碰撞的e要小得多。因为汽车的前部一般都有一个发动机，而发动机的硬度较大，而后面就没有那么硬了，所以碰撞过后，前车的能量损失是后车能量损失的2倍。当两辆车发生有效碰幢时，速度达到二十公里每小时以上时，e近似为零，见图3.2.4-
15、1。碰撞车停止后，有时车会由于惯性被碰摊车还会继续向前跑一小段距离。四川师范大学成都学院本科毕业设计9图 3.2.4-1 追尾碰撞中，碰撞速度和恢复系数的关系 在牛顿力学中，除了两车碰撞时方向一样且速度相同外，剩下的碰撞基本都是和正面碰撞差不多。根据图 3.2.4-1 可知，当后车与前车发生的碰撞速度超过二十公里每小时时，e在无限接近于零的时候，这种碰撞也是所有碰撞中比较严重的一张碰撞，在这种情况下碰撞，后车会带着前车朝着同一个方向运动。= （3.2.4-2）12（ 1+2） 2112式中， 为附着系数；L1 为移动距离。如知道追尾碰撞中的前车后面的刚度设为 C2，追尾前车的尾部变形量设为 X
16、2，这这次碰撞的能量损失就为 M2C2X2，即3.2.5 二维碰撞在 X、Y 空间发生碰撞，不在同一条直线，可能是后车撞到前车的侧面而产生的碰撞叫汽车二维碰撞，不管是纵向还是横向还是直接的碰撞都是二维碰撞。四川师范大学成都学院本科毕业设计10图 3.2.5-1 汽车碰撞的二维模型图 3.2.5-1 以碰撞中心为原点建立 X、Y 坐标系， Y 方向设定为两车垂直的接触面，在设定一个切向量与接触面相互平行。根据动量守恒定理可以建立下面关系： 式中M1，M2，V1N、V2N、V10、V2N0、依次为汽车 1 和汽车 2 的碰撞后 Y 方向速度、碰撞前Y 方向速度、碰撞后 X 方向速度、碰撞前 X 方向速度;PN 和 PR 分别为碰撞过程中法向、切向的冲量。根据角动量守恒定律可以得到以下式子：
