基于PC-Crash的車輛側(cè)翻事故再現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)

何烈云

(浙江警察學(xué)院 治安系, 浙江 杭州 310053)

基于PC-Crash的車輛側(cè)翻事故再現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)

何烈云

(浙江警察學(xué)院 治安系, 浙江 杭州 310053)

PC-Crash再現(xiàn)交通事故是根據(jù)交通現(xiàn)場勘查結(jié)果及事故調(diào)查結(jié)果,構(gòu)建交通事故現(xiàn)場場景并導(dǎo)入模型,設(shè)定模型的參數(shù)和初始運(yùn)動狀態(tài),對交通事故發(fā)生過程進(jìn)行模擬演示,將演示結(jié)果與實(shí)際交通事故進(jìn)行比較,分析是否存在差異并判斷存在差異的原因,進(jìn)一步調(diào)整模型的參數(shù)和初始運(yùn)動狀態(tài),直至演示結(jié)果與實(shí)際事故高度吻合。在分析引發(fā)車輛側(cè)翻事故各種可能因素的基礎(chǔ)上,著重介紹了PC-Crash軟件仿真車輛側(cè)翻事故的基本步驟。通過交通事故實(shí)例,演示了PC-Crash軟件變量參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整方法。

側(cè)翻交通事故； 交通事故再現(xiàn)； 仿真實(shí)驗(yàn)； PC-Crash

1 車輛側(cè)翻交通事故再現(xiàn)和PC-Crash

1.1 研究車輛側(cè)翻交通事故的意義

車輛側(cè)翻交通事故是一種常見的交通事故形態(tài),此類事故容易引發(fā)群死群傷,造成嚴(yán)重的后果,給人民生命和財(cái)產(chǎn)帶來巨大的損失。據(jù)來自公安部交管局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2012—2014年1季度,在全國發(fā)生的534起死亡5人以上的較大、特大道路交通事故中,車輛側(cè)翻(含側(cè)翻引發(fā)的二次交通事故)共有52起,因車輛側(cè)翻事故造成死亡人數(shù)的比例也逐年增加。僅在2014年1季度,車輛側(cè)翻竟然占特大交通事故的40%。

因此,加強(qiáng)對車輛側(cè)翻交通事故的研究,對于交通事故成因分析、交通事故預(yù)防、道路交通管理以及道路工程及汽車工程安全具有非常重要的意義。

1.2 PC-Crash簡介

PC-Crash是奧地利DSD(Dr.Steffan Datentechnik GmbH)公司開發(fā)的一款基于Kudlich-Slibar動量模型的交通事故再現(xiàn)分析軟件[1],也是目前比較成熟、廣泛應(yīng)用的交通事故再現(xiàn)分析軟件[2]。

運(yùn)用PC-Crash軟件能再現(xiàn)以下類型的交通事故:汽車-行人碰撞事故[3-5]、汽車-汽車碰撞事故[6-8]、汽車-兩輪車碰撞事故[9]、汽車的側(cè)滑事故[10]。從運(yùn)動力學(xué)分析,側(cè)翻事故主要有因離心力而引起的車輛轉(zhuǎn)向側(cè)翻事故和因外力作用(例如碰撞)引發(fā)的側(cè)翻。由于車輛側(cè)翻往往引起車輛的滾動,通常輪胎和車身會與路面發(fā)生多次接觸,所以車輛側(cè)翻事故的再現(xiàn)分析難度較大。

2 車輛轉(zhuǎn)向側(cè)翻事故的動力學(xué)分析

若將汽車簡化成剛體模型,當(dāng)汽車發(fā)生轉(zhuǎn)向側(cè)翻交通事故時(shí),可以看成以外側(cè)車輪與地面接觸點(diǎn)連線為轉(zhuǎn)動軸,如圖1所示。

圖1 車輛側(cè)翻力學(xué)分析圖

運(yùn)用“推箱子”模型,車輛發(fā)生臨界轉(zhuǎn)向側(cè)翻時(shí)各量滿足下面關(guān)系式:

式中:v為車輛速度；b為輪距；h為重心高度；tanθ為超高設(shè)計(jì)值。

典型側(cè)翻事故的車輛首先是發(fā)生了側(cè)滑,然后是發(fā)生側(cè)翻,即滿足:

式中:g為重力加速度；r為行駛軌跡半徑；μ＇為橫向摩擦系數(shù)。

整理得

汽車的設(shè)計(jì)必須滿足該條件,以保證汽車在正常裝載和行駛時(shí)的安全。

當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎行駛時(shí),不發(fā)生側(cè)翻的穩(wěn)定性條件是

和

3 PC-Crash側(cè)翻交通事故再現(xiàn)基本流程

用PC-Crash軟件進(jìn)行事故再現(xiàn)的方法屬于正向推導(dǎo)方法,即根據(jù)交通事故現(xiàn)場的基本情況,先假定事故車輛側(cè)翻前運(yùn)動狀態(tài)已知,再推導(dǎo)出側(cè)翻后的運(yùn)動狀態(tài),然后不斷調(diào)整假設(shè)側(cè)翻前的運(yùn)動狀態(tài),直到所得側(cè)翻后運(yùn)動狀態(tài)與實(shí)際情況相吻合。側(cè)翻交通事故仿真可以按圖2所示流程進(jìn)行。

圖2 PC-Crash仿真車輛側(cè)翻事故的流程

3.1 構(gòu)建道路環(huán)境、車輛模型及其初始運(yùn)動狀態(tài)

在PC-Crash軟件中,道路環(huán)境最重要的參數(shù)是路面摩擦系數(shù)、縱向和橫向的坡度值。PC-Crash軟件提供了道路模型導(dǎo)入和設(shè)置命令,道路模型在交通事故仿真過程中還起到修飾美化作用,因?yàn)檐浖墓ぷ鲄^(qū)可視為道路環(huán)境。

發(fā)生側(cè)翻交通事故以面包車、大中型客車、廂式(含倉柵式)貨車、槽罐車型為主,這些車型的共同特點(diǎn)是重心高度與輪距比值較大,因此在設(shè)置車輛模型參數(shù)時(shí),重心高度和輪距設(shè)置非常重要。

在車輛側(cè)翻交通事故中,車輛運(yùn)動狀態(tài)的敏感參數(shù)主要有車輛的行駛速度、剎車參數(shù)、車輛的轉(zhuǎn)彎半徑、車輛轉(zhuǎn)向延遲，設(shè)置窗口如圖3所示。

3.2 車輛側(cè)翻現(xiàn)象判斷方法

車輛發(fā)生臨界側(cè)翻時(shí)的運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)值是研究車輛側(cè)翻交通事故的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。PC-Crash軟件通過二維、三維窗口直接觀察臨界側(cè)翻比較困難,通過分析系統(tǒng)輸出參數(shù)的方法判斷是否發(fā)生臨界側(cè)翻則更為準(zhǔn)確。

方法1:分析車輛速度變化。車輛在發(fā)生側(cè)翻后,速度圖像比較凌亂,如圖4所示:OA段是車輛勻速運(yùn)動,AB段是側(cè)滑運(yùn)動,BC段是側(cè)翻運(yùn)動過程。

方法2:分析車輪垂直受力。車輛在側(cè)翻時(shí),車輪受力情況如圖5所示:在AB段,內(nèi)側(cè)車輪的垂直受力逐漸減小,而外側(cè)車輪垂直受力增大,車輛處于側(cè)滑過程；在BC段,內(nèi)側(cè)車輪垂直受力為0,而外側(cè)車輪垂直受力不為0,車輛處于側(cè)翻過程；直到為在C點(diǎn)以后前后軸的車輪垂直受力變?yōu)?,車輛的4個車輪與地面脫離。

圖3 PC-Crash運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)設(shè)置窗口

圖4 車輛發(fā)生側(cè)翻時(shí)的路程-速度圖像

圖5 車輛發(fā)生側(cè)翻時(shí)車輪垂直受力圖

除以上2種方法外,還可以用分析內(nèi)外側(cè)輪胎的側(cè)向受力的變化、車輛的橫擺等方法判斷車輛是否發(fā)生側(cè)滑。

4 事故實(shí)例仿真及結(jié)論

4.1 案例簡介

2013年10月21日晚上,王某駕駛“大運(yùn)”牌重型倉柵式貨車(車型DYX5310CCQ46WPD3)沿207省道線由南向北行駛,當(dāng)行至正安縣境內(nèi)一下坡右轉(zhuǎn)彎路段時(shí),車輛發(fā)生側(cè)翻,貨廂將對向行駛的2輛兩輪摩托車砸翻至道路邊緣,造成兩輛摩托車駕乘人員6人死亡的較大道路交通事故。事故發(fā)生時(shí)貨車實(shí)載40 t化肥,屬于嚴(yán)重超載。事故路段施劃有中心黃色實(shí)線,道路呈南北下坡右轉(zhuǎn)彎走向,縱坡度2%,彎道半徑103 m,彎道內(nèi)高差0.25 m,道路兩側(cè)施劃有白色機(jī)非分道線。

4.2 事故道路場景構(gòu)建

根據(jù)事故現(xiàn)場道路情況,設(shè)置道路基本參數(shù),取Y方向?yàn)楸狈较?Y向坡度值為-2%,參數(shù)設(shè)置窗口如圖6所示。

4.3 車輛模型導(dǎo)入

PC-Crash系統(tǒng)車庫中不含國產(chǎn)品牌車輛,根據(jù)“大運(yùn)”牌(車型DYX5310CCQ46WPD3)的參數(shù),選取系統(tǒng)中DAF-F75.29CF卡車作為實(shí)驗(yàn)車輛,并對參數(shù)進(jìn)行修改,提高實(shí)驗(yàn)車型與實(shí)際事故車型的吻合度。參數(shù)設(shè)置窗口如圖7所示。

圖6 道路參數(shù)設(shè)置窗口

圖7 實(shí)驗(yàn)車輛基本參數(shù)設(shè)置窗口

4.4 變量參數(shù)的初設(shè)和調(diào)整

本案例交通事故仿真實(shí)驗(yàn)中,車輛轉(zhuǎn)向半徑可近似認(rèn)為與所在車道道路曲線半徑是一致的,因此在實(shí)驗(yàn)中，變量參數(shù)主要有路面的附著系數(shù)、車輛行駛速度、車輛重心高度,在實(shí)驗(yàn)中主要通過不斷調(diào)整這3個參數(shù)再現(xiàn)此起交通事故。

4.5 仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

在實(shí)驗(yàn)中,可以通過控制變量法仿真實(shí)驗(yàn)車輛側(cè)翻的場景。表1是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄情況,圖8為發(fā)生側(cè)翻時(shí)的二維和三維畫面效果截圖。

表1 車輛在不同重心高度和附著系數(shù)下的側(cè)翻臨界速度記錄 m/s

圖8 二維和三維畫面?zhèn)确Ч疽饨貓D

4.6 仿真結(jié)論

當(dāng)路面附著系數(shù)大于0.5時(shí),車輛側(cè)翻臨界速度主要與車輛重心高度有關(guān),基本上不受路面附著系數(shù)影響。該案例事故發(fā)生道路為混凝土路面,附著系數(shù)0.5～0.8[11],故路面附著系數(shù)與本起事故沒有直接關(guān)系。

事故車輛在空載、靜態(tài)狀態(tài)下,向左側(cè)和右側(cè)傾斜最大側(cè)傾穩(wěn)定角應(yīng)大于等于35°[12],將車輛近似為剛體,空車重心高度應(yīng)滿足

該事故車所裝載的化肥包裝袋規(guī)格為70 cm×45 cm×15 cm,每袋重50 kg,結(jié)合事故車輛的車廂尺寸,40 t化肥堆積高度應(yīng)達(dá)1.9 m以上,根據(jù)車輛的整備質(zhì)量和靜態(tài)時(shí)重心高度,事故發(fā)生時(shí)貨車重心應(yīng)該在0.85 m以上。此時(shí)車輛的臨界側(cè)翻速度不足30.2 km/h,小于該段道路的設(shè)計(jì)時(shí)速40 km/h[13]。

綜上所述,造成此次車輛側(cè)翻事故的主要原因是車輛超載而使重心過高,并且沒有控制好車速。

5 結(jié)束語

運(yùn)用“推箱子”理論分析車輛側(cè)翻事故原因與事故實(shí)況有較大差距,而運(yùn)用PC-Crash軟件仿真車輛側(cè)翻道路交通事故,仿真結(jié)果與實(shí)況則比較吻合。PC-Crash軟件可以較好地再現(xiàn)車輛側(cè)翻交通事故、分析事故形成的原因,在道路交通事故鑒定、預(yù)防側(cè)翻交通事故中有重要的意義。

References)

[1] Steffan Datentechnik. PC-Crash Manual Version 9.0 [M].Linz,Austria:mea forensic,2010.

[2] 張?jiān)姴?黃海波,李平飛.基于PC-Crash的公路避險(xiǎn)車道事故動力學(xué)仿真方法[J].公路,2013(9):9-13.

[3] 朱路生,潘公宇,張學(xué)榮.基于PC-Crash車人碰撞事故再現(xiàn)研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014,33(2):113-117.

[4] 林慶峰,許洪國.基于PC-Crash的轎車行人高速碰撞仿真模型[J].汽車工程,2007,29(7):562-565.

[5] 鄒鐵方,余志,蔡銘,等.基于PC-Crash的車-人事故再現(xiàn)[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,30(3):215-219.

[6] 王曉宇,馬其華,顧卓卿,等.基于PC-Crash現(xiàn)場零信息下汽車碰撞事故分析[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,33(2):113-117.

[7] 曹弋,裴玉龍,付川云.事故車輛三維翻滾運(yùn)動的軌跡模型[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2013,48(3):513-519.

[8] 朱建武,黃家城,李文勇.基于車輛變形的事故再現(xiàn)反推方法研究[J].公路與汽運(yùn),2014(6):60-63.

[9] 許駿,李一兵.汽車-自行車碰撞事故中騎車人頭部損傷仿真分析[J].汽車工程,2008,30(8):667-670.

[10] 鄒鐵方,張勇剛,陳元新.基于PC-Crash的車輛側(cè)滑事故再現(xiàn)方法[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2013,23(1):77-82.

[11] 公安部道路交通管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GA/T643—2006典型交通事故形態(tài)車輛行駛速度技術(shù)鑒定[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

[12] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB7258—2012機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

[13] 交通運(yùn)輸部.JTGB01—2014公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:人民交通出版社,2014.

Research on reappearance simulation experiments based on PC-Crash software rollover accident

He Lieyun

(Department of Public Security, Zhejiang Police College, Hangzhou 310053, China)

The PC-Crash reappearance accident is based on the field exploration and transportation accident investigation as a result, the construction of traffic accident scene into the model, and parameters and initial movement condition of the model,to simulate the process of traffic accident and demonstration, will demonstrate the results compared with the actual traffic accidents, analyze whether there is difference and determine the cause of the differences, so as to further adjust the model parameters and the initial motion, straight to demonstrate highly consistent results with the actual accident. On the analysis of the cause of vehicle rollover accidents, on the basis of various possible factors, this article introduces the PC-Crash software simulation rolled over the basic steps of traffic accidents. Taking the traffic accident as an example, this article demonstrates the PC-Crash software variable parameter setting and adjustment method.

rollover traffic accidents;traffic accident reconstruction;simulation experiment；PC-Crash

2015- 04- 05 修改日期：2015- 06- 01

浙江省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2013TD09)資助

何烈云(1976—),男,浙江杭州,在職碩士研究生,助教,主要研究方向?yàn)榈缆方煌ㄊ鹿试佻F(xiàn)、道路交通組織優(yōu)化.

E-mail：helieyun@qq.com

TP391.9；U491.31

A

1002-4956(2015)12- 0135- 05