汽车与两轮车碰撞事故的仿真研究及应用

论文摘要

在各种类型的交通碰撞事故中,汽车与自行车、摩托车等两轮车发生的碰撞事故占有较大比例,各国学者正积极开展相关方面的研究。在我国汽车与两轮车碰撞事故频繁发生,造成了大量的人员伤亡和财产损失,迫切需要大力展开这方面的事故研究和防范工作。目前,计算机仿真技术已经成为辅助事故研究分析的主要手段。事故发生的整个过程在计算机上被准确地仿真重现,解决了事故快速处理中遇到的疑难问题,为交通事故的准确鉴定提供了客观的科学依据。本文通过分析目前国内外汽车与两轮车碰撞事故的研究现状,尤其针对我国此类交通碰撞事故的实际特点,基于计算机仿真技术对汽车与自行车、摩托车等两轮车发生的碰撞事故展开研究,并结合到真实的碰撞事故进行应用。研究的主要方面包括:在两轮车骑车人仿真假人模型的研究方面,通过分析现有数值假人的建模特点和其用于对骑车人进行仿真模拟上存在的问题,根据本文研究的需要,提出组合式定制假人建模技术建立适合于两轮车碰撞事故研究的骑车人数值仿真假人。组合式骑车人数值仿真假人在将人体进行模块化的基础上,采用有限元建模方法建立详细的人体上肢生物力学模型,然后将其和多刚体身体部分进行组合装配,生成完整的数值仿真假人。该数值仿真假人模型具有较高的生物逼真度,对两轮车骑车人的模拟更加准确。在两轮车仿真模型的研究方面,本文着重于实际情况将两轮车、骑车人和路面视为一个力学耦合系统进行分析,基于此提出了人-车-路耦合系统的建模方法。在建立两轮车仿真模型时,考虑到两轮车的类型和骑车人的坐骑姿态,针对自行车和摩托车的特点分别建立了四种两轮车仿真模型,便于后续工作较为全面地展开分析。通过仿真试验确定组合式骑车人数值仿真假人的手部抓握特性,突出骑车人与两轮车之间的相互作用力,两轮车的行驶惯性和其轮胎与地面之间的耦合力,从而建立了骑车人-两轮车-路面耦合系统仿真模型。为了客观地反映出两轮车和骑车人之间运动的关联性和一致性,基于不同的仿真试验进行了分析说明。通过两轮车在不同行驶速度下与前障碍物碰撞的仿真试验,说明了骑车人的运动特点以及与两轮车的运动关联性。通过两轮车行驶动力学仿真试验,表明在侧向干扰作用力下两轮车和骑车人具有较好的运动一致性。由此从不同角度论证了在事故研究中将两轮车、骑车人和路面作为一个整体进行分析的正确性和必要性。考虑到汽车与两轮车碰撞事故发生的复杂性,本文通过仿真试验研究两轮车碰撞事故的分析方法,同时研究多种因素变化对碰撞仿真结果的影响。根据对碰撞事故中主要肇事车型的分析,建立了长头型轿车和平头型大客车仿真模型。然后,全面地分析两轮车骑车人的碰撞运动和损伤特点,能够为对真实碰撞事故的研究提供参考和指导。在上述大量研究工作的基础上,将本文研究成果用于进行真实汽车与两轮车碰撞事故的仿真研究。通过在5起真实碰撞事故上的应用,说明了事故研究的仿真分析方法,从多个角度重现了碰撞事故发生的整个过程,仿真结果与事故勘查情况符合,论证了数值模型的可靠性和研究方法的实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景、意义和课题来源
• 1.1.1 课题研究背景和意义
• 1.1.2 课题来源
• 1.2 国内外研究现状与分析
• 1.2.1 汽车与两轮车碰撞事故仿真研究现状与分析
• 1.2.2 两轮车骑车人碰撞损伤模拟研究现状与分析
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 碰撞仿真数值计算方法与损伤生物力学基础
• 2.1 引言
• 2.2 多刚体动力学理论
• 2.2.1 多刚体动力学原理
• 2.2.2 单个刚体的运动学
• 2.2.3 多个刚体的运动学
• 2.2.4 多刚体运动方程
• 2.2.5 多刚体数值解法
• 2.3 显式有限元计算理论
• 2.3.1 显式积分算法
• 2.3.2 显式算法的时步控制
• 2.3.3 沙漏控制
• 2.4 两轮车骑车人流行病学特征分析
• 2.4.1 国外两轮车骑车人流行病学特征
• 2.4.2 国内两轮车骑车人流行病学特征
• 2.5 人体冲击损伤生物力学
• 2.5.1 冲击损伤机理
• 2.5.2 人体冲击损伤指标
• 2.6 本章小结
• 第三章 人－车－路耦合系统建模方法
• 3.1 引言
• 3.2 骑车人数值仿真假人
• 3.2.1 建模特点
• 3.2.2 模型缺陷
• 3.3 骑车人上肢生物力学建模
• 3.3.1 上肢结构
• 3.3.2 上肢有限元模型建立
• 3.4 组合式定制骑车人数值假人模型
• 3.4.1 组合式定制假人建模技术
• 3.4.2 组合式定制骑车人数值假人建立
• 3.5 两轮车动力学系统模型
• 3.5.1 两轮车仿真模型
• 3.5.2 轮胎－路面耦合模型
• 3.6 人－车－路动态耦合系统建模
• 3.6.1 基于抓握力的骑车人数值仿真假人
• 3.6.2 人－车－路耦合系统模型建立
• 3.7 本章小结
• 第四章 人－车－路耦合系统仿真分析
• 4.1 引言
• 4.2 耦合接触算法
• 4.2.1 接触面建立
• 4.2.2 接触穿透量计算
• 4.2.3 接触力计算
• 4.3 人车系统碰撞响应仿真
• 4.3.1 自行车－骑车人碰撞响应分析
• 4.3.2 摩托车－骑车人碰撞响应分析
• 4.4 人车系统行驶动力学仿真
• 4.5 本章小结
• 第五章 汽车与两轮车多因素碰撞仿真试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验分析方法
• 5.3 汽车碰撞仿真模型
• 5.4 碰撞仿真试验结果与分析
• 5.4.1 汽车碰撞车型影响分析
• 5.4.2 汽车碰撞速度影响分析
• 5.4.3 两轮车行驶速度影响分析
• 5.4.4 骑车人抓握力影响分析
• 5.4.5 两轮车初始位置影响分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 真实碰撞事故应用研究
• 6.1 引言
• 6.2 长头型轿车与普通自行车碰撞事故
• 6.2.1 事故信息
• 6.2.2 仿真模型及依据
• 6.2.3 仿真结果分析
• 6.3 平头型大客车与普通自行车碰撞事故
• 6.3.1 事故信息
• 6.3.2 仿真模型及依据
• 6.3.3 仿真结果分析
• 6.4 平头型大客车与电动自行车碰撞事故
• 6.4.1 事故信息
• 6.4.2 仿真模型及依据
• 6.4.3 仿真结果分析
• 6.5 长头型轿车与轻便摩托车碰撞事故
• 6.5.1 事故信息
• 6.5.2 仿真模型及依据
• 6.5.3 仿真结果分析
• 6.6 长头型轿车与赛车摩托车碰撞事故
• 6.6.1 事故信息
• 6.6.2 仿真模型及依据
• 6.6.3 仿真结果分析
• 6.7 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 论文创新点
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间参与科研项目及发表论文情况