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利用计算机模拟和碰撞试验对车辆正面碰撞进行分析
摘要：车祸再现是一项复杂的工作，具有许多未知变量。在使用的参数中为了评估事故的严重性，在两辆车正面碰撞的情况下，速度的变化（delta-v）和能量等效速度（EES）。EES通常是根据变形来确定的。Delta-v可以从在进行碰撞试验时，使用事件数据记录器或基于加速计的碰撞记录器记录碰撞脉冲。本文介绍了两辆汽车正面碰撞的全尺寸碰撞试验。结果是使用不同的分析方法：直接应用模型，对实测碰撞脉冲进行处理，并进行计算机仿真。
关键词:正面碰撞，碰撞试验，碰撞脉冲，能量当量速度，Delta-v
命名法
EES:能量等效速度，m/s
S:动量，kg∙m/ S
Six,y:车辆i的动量，方向x或y
mix,y :车辆i的质量，方向x/y, kg
vix,y:车辆i的速度，方向x/y，碰撞前
vrsquo;ix,y:车辆i速度，方向x/y，碰撞后
SR:速比
1 介绍
碰撞试验在评估车辆安全性方面起着重要的作用。这些都是破坏性的过程，用于确定车辆与安全标准的兼容性，同时研究在发生碰撞时不同部件的强度和行为。
崩溃测试被配置来进行以下方面的研究:
bull;正面撞击:以一定速度撞击固体墙壁或其他车辆;
bull;部分正面碰撞(重叠):当一辆车的前部只有部分与障碍物或另一辆车相撞时;
横向碰撞:通常是车辆与车辆的碰撞，即车辆的前部与另一车辆的一侧发生碰撞;
bull;翻转:测试结构在动态冲击后抵抗自身重量的能力;
bull;车辆-行人:车辆前部与人偶之间的碰撞;
bull;汽车-自行车:汽车与两轮车之间的碰撞;
bull;车辆侧栏:测试车身和安全系统的行为，当车辆与道路侧保护元件、立柱或其他障碍物发生碰撞时。
崩溃测试也可以在计算机上使用专门的软件进行模拟。仿真可以帮助设计人员和研究人员优化车辆结构，或试验中使用的假人和障碍物。
当一辆汽车发生碰撞时，它的结构会发生变形，这会降低它的速度，直到它被另一辆汽车或障碍物停下来或撞开。金属板的变形会产生车辆的低减速脉冲，而较硬的部件，如底盘或发动机，则会产生高幅减速脉冲，传递到车辆的其余部分，并传递到乘员。撞击过程中记录的减速序列形成减速曲线，也称为撞击脉冲。车辆制造商的一个目标是获得较低的减速，以减少乘员损伤。车辆耐撞性包括识别控制能量和碰撞脉冲的技术解决方案。
2.碰撞分析方法
2.1。车辆碰撞的情况
用来描述飞机坠毁严重程度的参数是飞机重心的速度变化量(delta-v)
图1所示碰撞模型;S-momentum,速度
车辆与EES(能量等效速度)值(Robinette et al.， 1994)。EES是变形的量度，更确切地说，是变形转化为热能的动能，1980年由Burg and Zeidler(1980)和Zeidler et al.(1985)引入。在没有擦除的碰撞中，例如100%重叠的障壁碰撞，EES和delta-v值相似。当碰撞(部分重叠)发生擦除时，EES高于delta-v (Berg et al.， 1998)。在车辆碰撞的情况下，delta-v(∆v)具体为碰撞过程中的速度变化(碰撞时的速度与吸收能量后与目标车辆相互作用后的剩余速度之差)。它取决于相对碰撞速度，车辆的质量和恢复系数。Delta-v取决于相对碰撞速度、车辆重量和恢复系数，它可以作为预测乘员损伤的指标(Balint et al.， 2013)。
通过遵循Slibar模型(Slibar, 1964;(Steffan, 2009)，(图1)，假设施加动量后，车辆的运动在平移中分解，然后旋转。然后，由于金属在撞击过程中产生了挤压，所以应将其视为能量的损失，即变形能。
动量守恒原理:
(1)
(2)
(3)
(4)
其中m为车辆重量，v1x, v1y, v2x, v2y为车辆碰撞前的方向速度， v1x，v1y, v2x, v2y为车辆的方向速度
对于转动运动，可以表示为:
(5）
(6)
omega;1, omega;2旋转速度、偏航速度 r1x, r1y, r2x, r2y 罕见的两辆车的旋转半径,S1x, S1y, S2x, S2y 动量,中定义的上面的方程，和J1, J2是纵轴的转动惯量。 类似的方程可以写的旋转(旋转速度 omega;1, omega;2),考虑到这是开始的旋转。碰撞过程中能量的损失，包括平移和旋转，为:
（7）
（8）
其中(i为车辆索引):
（9）
（10）
也就是说，变形能等于碰撞前的动能，减去碰撞后的动能。通过引入EES(能量等效速度)，变形能可以表示为动能:
(11)
EES就像速度一样，用m∙s表示。
对于单一车辆，在没有自旋运动的情况下，被固定的、不可变形的障碍物压碎，其变形能为:
(12)
车辆重量为，初速度为v。由于车辆碰撞后停车，速度变化(delta-v)与初速度v相等。
Delta-v是飞行器在撞击过程中重心的速度变化量。这通常与EES不同。在没有旋转运动的特殊情况下，通过对车辆在x方向(与车辆纵轴平行)的减速积分，可以计算出delta-v。一般情况下，应考虑所有的减速元件。控制参数是delta-v与EES比率，定义为“速比”(Rabek and Sachl, 2001):
(13)
其中∆v为delta-v(碰撞过程中速度的变化)，i为车辆的指标。
SR的值取决于碰撞类型，应该是:0.9 lt; SR lt; 1.2对于无尾距的碰撞，0.75 lt; SR lt; 0.9对于初始尾距，SR lt; 0.75对于有尾距的碰撞。
2.2 碰撞脉冲
碰撞脉冲是碰撞过程中的减速曲线，其特征是形状、幅度和持续时间。利用积分法计算了车辆的速度变化和动态压溃。车辆碰撞脉冲与乘员损伤有关，它应该是衡量乘员损伤严重程度的客观指标(Park and Kan, 2010)。一些指标可以从碰撞脉冲中扣除，包括:最大加速度、移动平均加速度(用于计算加速度严重指数)(Gabauer和Gabler, 2005)、delta-v、时间到零速度、位移、颠簸(加速度导数)、能量密度、能量、功率、功率密度(Huang, 2002)。
Delta-v被认为是衡量交通碰撞严重程度的标准(Shelby, 2011)。自1970年以来，它被用于事故重建，并与碰撞重建程序一起进行评估，如碰撞(高速公路事故速度的Calspan重建)。然而，德尔塔-v，单独，不能描述的严重程度的崩溃，因为相同的变化速度可以获得不同的时间间隔。到目前为止，用于建立车辆速度变化的常用算法是CRASH3 (Neades and Smith, 2011)，它是在最常用的事故重建计算机软件中实现的。
在真实的道路赛事中，碰撞脉冲是用事件数据记录器(EDR)测量的，在碰撞测试中，则用专用的数据采集系统测量。利用分析方法，根据在特定碰撞试验中测量到的碰撞脉冲，可以确定各种严重程度的碰撞脉冲。为此，脉冲的形状是用公认的形状来近似表示的。使用的形状的例子有:haversine (sin)， sin，方波，三角形(Varat和Husher, 2003)。2在其他研究中，使用特征值分析对脉冲进行参数化，并使用多元线性回归来确定冲击变量对脉冲的影响(Iraeus and Lindquist, 2015)。
对碰撞脉冲积分得到delta-v;它本质上是，加速度与时间曲线下的面积。根据两辆车的方向，或者车辆与固定障碍物的关系，可以只考虑一个方向上的加速度，或者考虑所有的加速度分量(x, y, z)。
3 实验研究
3.1 碰撞试验
碰撞试验是这样进行的(图2):一辆车以35km /h的速度加速，与静止的另一辆车发生正面碰撞。这辆移动的车辆被一根长缆绳拖着，缆绳系在一辆卡车上。就在撞击发生前，缆绳从拖曳车上松开。
碰撞阶段如图3所示:碰撞前、碰撞后和碰撞后。正如在照片中所看到的，撞击不是100%重叠的。
图2.车辆碰撞的场景
图3碰撞阶段
图4 在移动车辆上测量的变形
车辆在碰撞阶段的速度变化与初始速度不相等(如与固定障碍物碰撞时)，因为在两车分离后，车辆仍在运动。两辆车的变形是用撞击后的航拍照片测量的(图4和图5)。
碰撞后车辆变形的确定在事故的重建中是至关重要的，特别是使用专门的程序。在实测变形的基础上，利用CRASH3算法对碰撞参数进行估计，并在PC-Crash软件中实现。EES的计算值为:运动车辆为17.9 km/h，静止车辆为13.9 km/h。
图5.在固定车辆上测量的变形
3.2 数据采集与处理
两辆车都安装了数据采集装置:三轴加速度计和GPS记录器(用于速度测量)。加速度计的测量范围为plusmn;200 g，带宽为1.6 kHz。所使用的设备是PicDAQ，来自DSD(2017):一个记录动态数据的数据采集平台，其中加速度和角速度描述了运动(用于车辆驾驶性能、制动测试和车辆碰撞测试)。使用采样率为5hz的GPS记录器(Covaciu和Dima, 2017)测量和记录速度。数据使用专用的Windows软件应用程序进行处理(图6 - x轴上的0为影响时间)。
使用GPS接收机记录的速度相当准确，因为它不是通过推导连续位置之间的距离来计算，而是使用通过NMEA 0183序列导出的值，其中速度是根据多普勒效应计算的。碰撞速度估计为每小时34公里。速度下降约20公里/小时，应相应的德尔塔-v的移动车辆。该图中的加速度计算为速度导数，并受采样率的影响，采样率与冲击持续时间相比太小(5hz)，测量的速度将作为参考。
图6。使用GPS设备测量速度
图7。运动车辆上测量的加速度(过滤器:CFC 60)
图8.在固定车辆上测量的加速度(过滤器:CFC 60)
按照SAE J211标准(1995)的建议，使用CFC 60过滤器对采样率为1khz的加速度进行过滤。在移动车辆上测量的纵向和横向加速度以及由此产生的加速度如图7所示(其中x轴上的零为撞击时间)。忽略Z方向上的加速度，用三角形近似碰撞脉冲的形状，确定速度变化为19.5 km/h(最大加速度约为10 g，脉冲长度为110 ms)。
对于静止车辆，使用纵向和横向加速度确定的碰撞脉冲如图8所示。用简单的几何图形来近似脉冲的形状，估计的delta-v为12.4 km/h。对给定时间间隔(碰撞脉冲的长度)上的测量加速度进行积分，也得到了同样的结果。使用GPS设备测量的最大速度为12公里/小时(仅作为参考值，用于移动的车辆)。
4 计算和结果
了解了车辆的最终位置和碰撞速度后，利用该模型计算了EES值。输入电子商务计算的数据和结果。输入数据和结果如表1所示。
表1 输入电子商务计算的数据和结果
输入数据
lt;
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|
Weight of vehicle 1 |
1100 |
kg |
||
|
Weight of vehicle 2 |
1900 |
kg |
||
|
Energy lost in collision, veh. 1 |
14100 |
J |
||
|
Energy lost in collision, veh. 2 |
14100 |
J |
||
|
Post-collision speed, veh. 1 |
3 |
m/s |
10.8 |
km/h |
|
Post-collision speed, veh. 2 |
3 |
m/s |
10.8 |
km/h |
|
Angle of post-collision velocity 1 |
0.017453 |
radians |
1 |
degree |
|
Angle of post-collision velocity 2 |
3.141593 |
radians |
||
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