面向乘员损伤的大客车碰撞事故再现研究与应用

论文摘要

随着我国的工业化和城市化进入高速发展阶段,“公交优先”已经成为目前城市建设的根本策略之一。大客车作为公交系统的重要载体之一,其事故安全性方面的研究正受到国内外学者越来越多的关注。基于计算机仿真的大客车碰撞事故再现具有准确性高、客观性强和分析全面等优点,能够为事故鉴定、事故的防范和乘员损伤机理等方面的研究提供科学依据,因而具有重要的社会意义和实用价值。针对研究现状和实际需要,本文对大客车碰撞事故所涉及的两个主要过程分别进行研究,即外部车辆碰撞过程和车内二次碰撞过程。通过将车辆碰撞运动参数作为这两个过程仿真再现的联系纽带,对大客车碰撞事故进行全面分析。对于外部车辆碰撞过程,主要是根据事故现场信息的采集记录情况,针对制动印迹、路面散落物和车辆外部变形等信息,采用基于轨迹优化的动量/冲量方法和能量/变形方法建立车辆与环境耦合的碰撞仿真系统模型,由车辆碰撞后的现场位置信息反推碰撞过程,进而反推车辆碰撞前的运动状态。通过对车辆仿真运动轨迹与实际路面痕迹之间的吻合程度以及车辆变形仿真结果与实际变形之间的接近程度进行分析,不断调整碰撞仿真系统模型的输入参数并进行仿真计算,得到与实际情况最为接近的车辆外部碰撞仿真过程。对于车内二次碰撞过程,主要根据事故现场调查情况、勘察笔录以及法医鉴定结果,针对乘员搭乘位置、人体痕迹和车内结构变形等信息,利用外部车辆碰撞运动参数,采用多刚体动力学方法进行仿真再现,进而对人体损伤的形成原因和乘员的受伤害程度进行分析。考虑到乘员与车辆内部结构的耦合方式以及相关结构部件会发生变形的特点,本文采用多刚体与有限元耦合的建模方法,分别建立具有手部抓握力的混合假人模型和车内结构精细模型,并通过接触定义、空间位置调整和铰链约束设置等方式建立车辆内部结构与乘员耦合的碰撞仿真系统模型。由于导致车内乘员损伤的原因较为复杂,本文通过一系列仿真试验分析了多种因素变化对人体损伤仿真结果的影响,研究了三种标准碰撞工况下车内乘员的碰撞运动和损伤特点,从而为真实事故案例的实际应用提供参考和指导。最后,将本文的研究成果应用于实际案例的事故再现。通过对3起真实的大客车碰撞事故进行仿真研究,结合实际应用详细介绍此类事故再现的方法和过程,并且通过事故调查数据验证数值模型和仿真方法的可行性和实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 大客车外部碰撞再现研究现状与分析
• 1.2.2 车内乘员的损伤模拟研究现状与分析
• 1.3 国内外相关标准
• 1.3.1 正面碰撞试验法规及方法
• 1.3.2 追尾碰撞试验法规及方法
• 1.3.3 侧面碰撞试验法规及方法
• 1.3.4 我国大客车安全标准现状
• 1.4 课题来源
• 1.5 本文研究目标和主要内容
• 第二章 碰撞仿真理论与人体损伤力学基础
• 2.1 引言
• 2.2 基于轨迹优化的碰撞仿真方法
• 2.2.1 冲量/动量仿真方法
• 2.2.2 变形/能量仿真理论基础
• 2.2.3 车辆轨迹优化模型
• 2.3 多刚体动力学方法
• 2.3.1 多刚体动力学基础
• 2.3.2 多刚体碰撞接触算法
• 2.3.3 多刚体与有限元耦合算法
• 2.3.4 仿真数值计算方法
• 2.4 乘员伤害调查及损伤力学基础
• 2.4.1 国外乘员损伤特征统计调查
• 2.4.2 国内乘员损伤特征统计调查
• 2.4.3 冲击载荷下的人体损伤机理
• 2.4.3.1 头部损伤机理
• 2.4.3.2 颈部损伤机理
• 2.4.3.3 胸部损伤机理
• 2.4.4 人体损伤指标与耐受极限
• 2.4.4.1 头部损伤指标和耐受极限
• 2.4.4.2 颈部损伤指标和耐受极限
• 2.4.4.3 胸部损伤指标和耐受极限
• 2.5 本章小结
• 第三章 车内二次碰撞仿真系统建模方法
• 3.1 引言
• 3.2 乘员数值仿真假人模型
• 3.2.1 标准数值假人模型的特点及缺陷
• 3.2.2 基于体型特征的假人缩放技术
• 3.2.3 人体上肢有限元精细模型建立
• 3.2.4 组合式数值仿真假人建模技术
• 3.3 大客车车内结构模型
• 3.3.1 车内乘员座椅建模
• 3.3.2 车内栏杆结构建模
• 3.3.3 车内整体结构建模
• 3.4 车—人耦合系统建模
• 3.4.1 坐姿乘客与车辆的耦合模型建立
• 3.4.2 驾驶员与大客车的耦合模型建立
• 3.4.3 站姿乘客与车辆的耦合模型建立
• 3.5 本章小结
• 第四章 典型类型碰撞仿真试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 车—环境耦合系统建模
• 4.2.1 大客车几何模型建立
• 4.2.2 车辆动力学模型建立
• 4.2.3 碰撞仿真环境模型
• 4.2.4 标准碰撞试验建模
• 4.3 标准碰撞仿真试验
• 4.3.1 整体仿真试验设计方法
• 4.3.2 外部车辆碰撞仿真试验
• 4.3.2.1 正面碰撞仿真结果
• 4.3.2.2 追尾碰撞仿真结果
• 4.3.2.3 侧面碰撞仿真结果
• 4.3.3 车内二次碰撞仿真试验
• 4.3.3.1 坐姿乘客的碰撞仿真结果
• 4.3.3.2 驾驶员的碰撞仿真结果
• 4.3.3.3 站姿乘客的碰撞仿真结果
• 4.4 乘员人体损伤试验结果分析
• 4.4.1 坐姿乘客的人体损伤分析
• 4.4.2 驾驶员的人体损伤分析
• 4.4.3 站姿乘客的人体损伤分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 案例分析
• 5.1 引言
• 5.2 案例1
• 5.2.1 勘查与描述
• 5.2.2 仿真模型与方法
• 5.2.3 仿真结果与分析
• 5.3 案例2
• 5.3.1 勘查与描述
• 5.3.2 仿真模型与方法
• 5.3.3 仿真结果与分析
• 5.4 案例3
• 5.4.1 勘查与描述
• 5.4.2 仿真模型与方法
• 5.4.3 仿真结果与分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参与课题及发表论文情况