汽车_护栏碰撞的仿真模型.pdf

中国农业大学学报?!#?%&(#)!(+,!#(./!0(,12?345?364778汽车一护栏碰撞的仿真模型刘志斌?周一鸣冯联杰熊卫民?车辆工程学院?湖北工学院 摘要运用计算机仿 真技术,对汽车同护栏等路边设施的碰撞过程进 行了仿真分析,用欧拉法和拉格朗日法建立了汽车三维运动分析模型,确定了汽车一护栏的弹性碰撞模型并描述 了逻辑判断,提 出了汽车与护栏碰撞后汽车的接触面积、碰撞力和碰撞力矩的算法,给出的应用实例的仿真结果表 明,研制的仿真软件可用于路边设计和预测汽车的性能。关锐词汽车!路边护栏!碰撞模型!模拟中图分类号#%&!()%&+,./0 120.3445167348,3.,090445:501;3,5?4381.;8 53 555105516?9 04 4 3罗0=3534 316一1 3 3516,9 31658 15350163551?35(04/,3?153153 :5,/:,8?,3.565,84:548,50 183:018430,3 一8:3.:0,3:548,50181.8184/:5:0,358 3,0?3.33,534381.8:5168 53&34381.86816581513543:83:3.,03:,845:,38,38,53 840.340,335343,3 3一.531:501840,501&30.34030445:5013,534381.0 8.:5.3:5168 53%.33403.&340653 84.631,058 3,0?3.383.5:?:3.&38460 5,0,330 1,8 3,83 8,58 3,0 3 381.58 3,0 3,8:38(453.(051,0,303301,3 35343%(3:3 1,3.&51844/,38(453 8,50 13843:8 36531&3/5343!8 53!30445:50 1一闭34!:548,50 1由于计算机技术的发展,用计算机仿真技术对交通事故进行研究已显 示出巨大的优越性。对汽车一护栏碰撞过程的仿真 研究,既有助 于进行汽车的动态设计和分析,预 测汽车的安全性,也有助于进行护栏的合理设计,使护栏能有效地吸收碰撞能量,并借助本身的弹性,将汽车导入车道边。计算机仿真的基础是数学模型。数学模型考虑的因素越全面,计算机仿真的结果越逼真、越精确,但解决问题的难度也越大,所以笔者在建立数学模型时,对各种模型进行了一些简化。收稿日期%一%一#?刘志斌,北京清华东路%号中国农业大学?东校区#)信箱,%)第6期刘志斌等9汽车一护栏碰撞的仿真模型4汽车模型模型假设如下94:汽车模型限于具有独立悬架或非独立悬架的四轮汽车,悬架的柔度对转向和车轮外倾角的影响忽略不计;:转向系统本身没有模型,转向输入 和转向自由度直接与前轮的平均转向角相关;=:轮胎被处理成薄的圆盘,因而在陡坡 突变且车轮近似平行于 间断处的情况下,不考虑轮胎的横向包容性所导致的响应偏差;减振器特性曲线在压缩阶段和伸展阶段是对称的。在对汽车模型的分析中,采用套基本的坐标系9第4套为固结于 空间的右手坐标系,即空间坐标系;第轴向下,即指 向汽车底部,?轴则指向车辆前方,1轴指向汽车右侧,汽车坐标系原点在汽车簧上质量的质心。汽车分析模型是一个由=,6或个刚体组成的多刚体系统,这些刚体实际上是由簧上质量底盘和车身:和簧下质量车轮或车轴:组成的,这里用 了个 自由度川。路边护栏模型路边护栏是公路安全设施中最重要的一种,其基本形式有刚性护栏、弹性护栏又称半刚性护栏:和柔性护栏=种。护栏的作用是 当汽车与护栏碰撞时,在不被 破坏的情况下 吸收部分碰撞能量,并将汽车导入行车道,保证汽车不越过护栏冲进相对车道,或翻滚 下护坡,因此对护栏的要求,首先是具有足够的强度和适当的刚度,其次是具有较强的吸能特性和一定的导向能力。这里 主要讨论弹性护栏,分析汽车与护栏碰撞时护栏的受力和变形情况。弹性护栏主要由横梁、立柱和地 基组成,当汽车与护栏碰撞时,这=个部分共同参与作用。笔者建立护栏模型时作了以下假设94:整个护栏系统为弹性支座连续梁,连续梁等截面,具有一致的弯曲刚度?:;:护栏足够长或无限长;=:护栏的立 柱间距为常数,即护栏跨度相同;6:护栏的立柱与其地基为一整体,共同作用效果近似一弹簧,弹性系数主 要与地基 的性质、立柱 材料、立 柱截面形状和 尺寸以及埋深有关,由试验确定。(444十=图4护栏模型根据以上假设,得 到如图4所示的 护栏模型。对于超静定梁的求解,计算方法很多,这里采用 内力和移位的转换矩阵法求解弹性支座连续梁。=汽车一护栏的碰撞过程=34汽车一 护栏的碰撞模型汽车与护栏碰撞 一般是指簧上质量车身:与护栏相碰。这里所讨论的碰撞仅限于簧上质中国农业大学学报47 78年量与护栏之间,而假定簧下质量与护栏之间、簧上质量与地面 之间并无接触图:。簧上质量简化成周 围均质、具有相同各向刚度的正六面体,护栏平行于 空间坐标轴?,它可以是刚性的或变形 的,具有无限宽或有限宽的垂直面。对于簧上质量与变形护栏碰撞的仿 真,不考虑护栏的惯性影 响,某一时刻的护栏挠度是在 汽车与护栏接触之前,通过对护图汽车一护栏碰摘模型栏逐渐增 加某一小挠度儿:来确 定的,当护栏挠度出现时,所需要的力一 定与汽车结构受挤压的力平衡。碰撞力的算法是基 于汽车挤压和结构“硬点”的变形,首先输入=个具有相同刚度的“硬点”之未变形位置;碰撞力就是以其变形量作为计算基础的。=3+:)?。,夕。,+:式 中9城二,买。,瑞:,?+。,1+。,+:分别是汽车棱角在空间坐标系和汽车坐标系中的坐标;?。,1。,+:是汽车坐标系原点在空 间坐标系中的坐标;)是从汽车坐标系到 空间坐标系的转换矩阵。取了。最大的棱角点,则该棱角上端点和下端点的坐标为?9,买,式,:?。,少。,+:)?+,夕。,。:?,买、,式、:?。,头,。:)?。,少叩。,+:设买二一#?买9,买,外为护栏在空间坐标系的横坐标,勿么为挠度增量。若勿么 买 一外:卜,则 汽车棱角与护栏无接触;若:)一?9,1么:、一19,一之这里1么:,1么:卜勿台:一(一4:勿各:(4,动,则+?0介、&。“育一/?0凡:,。凡:,一 4/?01:9/?01:卜么:9一 4:卜4厂/0/(一一?一一而!#呱门%&这里(盆)么+,!处./少么+,!凡0/1各+,!#2.+3由式+4 和+3 可得护栏垂直面的方程、,!处/夕、,!凡/1、,!几一(、)5垂直于 当前护栏平面且包有旋转轴的平面常数为(!,)2 ,!26/少2 ,!风/12 ,!#26为了便于讨论,将汽车的周 边 定义为7 8个“点”,如图3所示。汽车 与护栏的接 触点,同时在护栏切平面、汽车周边切平面 和 汽车旋转轴平面内,设接触点为+二,#二,二,其相对于空间坐标系的速度分量为+试,试,%二,则有州州州7 7 79:声声尾尾部:了了4 4 4沪:一;7 7 76 6 6洲尹尹 :一一卜卜:兰?3+对,刃,1 ,、7,?+犷刃,1.+9少:乙八、才砂4、2747&)&招?7?,左阳%!陌&阮6 !山这里)7,4,7 8,即汽车的周边“点”?,2,=,(,?.,2.,=.,(.是的表列函数。式+便是接触点的基本判断方程,式+9 是每个接触点相对于 空间坐标系的速度分量。汽车与护栏某切平面的接触面积由个或3个点决定,如图所示。设其坐标为+才,必,才,一7,4,3,图中的 或的方向分量+在下 面的推算中省略下标 则为?.+对,灵,1?+式,买,1.?3+沈#犷之?,+了,夕犷,1犷么?+犷,夕全,1罗?+了,式,1.)+#犷一#扣,!凡+1.一刁,!#2+1犷一1扣,!#2+犷一 图接触面积+和接触面积的形心+=52中国农业大学学报4778年一4若只存在=个点,则?犷一?约&#1犷一1约+?0凡一。,和。的长度分别由下式确定9,#?梦一?梦:少梦一:+梦一7:#”:一 梦一梦:#”。:一“,。一?卜?:1卜灵:;:“总的接触面积为)5 9:_:如表所示。一下万一,蕊一万再云瓦弃万而云不可以认为在汽车与护栏的碰撞中,汽车挤1_1,户1 一1:、肠:压变形引起的碰撞力垂直于护栏,并作用于“等二;二,二、一:岛:效”作用点。等效作 用点可用下式计算9艺,一命菩告仁)二,)二,一告一一:艺二,一礁睿告9,4二:,4二:卜49告一一4:艺二,一#咨言巨4二八二一、一套告仁)二,汁)二,一告一一式中由式4:求得。=3=碰撞力和力矩这里将采用一种新的算法来计算碰撞力。碰撞力由个部分组成9一部分是 由汽车结构受挤压引起的;另一部分是由汽车结构“硬点”变形引起的。在计算碰撞力之前,先讨论变形护栏的载荷特征。护栏变形包括弹性和 塑性变形,其载荷特性曲线是非线性的,如图所示9随着载荷增加,载荷与凡变形的关系 表现 为变形 和变 形 速 度 的多 项 式函数;随着载荷减小,载荷与变形的关系表现为变形的抛物线函数。加载时的关系式 为一“4七“,“:厂召民含:万“8:加载卸载式 中9为加载次数;氏:。变形的速度。卸载时的关系式为为护栏变形;占:,为护栏图护栏的载荷特性曲线第6期刘志斌等9汽车一护栏碰撞的仿真模型。宁。,十 宁,占。:。宁,占:三式中泞。,宁,宁是与人和专有关的因数9几为永久变形与最大变形之比,即又 占工超 0,。:,(一4,会丁。:丁一?。,1。,。:)?0丁,。,10,。,0。:。如果未变形的“硬点”的横向坐标小于 护栏垂 直面的横向坐标,或者“硬点”的横向速度为零,则可认为由“硬点”变形产生的对 护栏的力是零二=二,即当砖丁,。夕台或.盆,。?时,尸0,。?。这里 全丁,。,。会,。,生丁。:)一少0,。0,。,.?0丁,。一 0 。,夕0。一?0,。:而 当送9。:。且砖,。夕叙时,0丁。一0 外,。一外:,其中0,为结构 硬点”的刚度系数,而此时变形“硬点”在汽车坐标系中的位置为?0,。,1 0,。,0(。:)?抓。一城,砖、。一买,谕。一式:,因此,总的碰撞力为、一、:,艺5 0丁、护栏的变形 为占。一皿:一 皿:。一、,由式8:和:计算出,如果一5/。,则重新运算。这里95为护栏的塑性变形初始值为零:;己为允许误差。汽车上“等效”作用点和结构“硬点”的速度分量为诚,.义,袅:一)一13 3,.?一尸9,一尸1一?,:丁,这里二艺二;:,1,艺1_:,艺;:,?,1,?0。,1二。,0。丁,(,=,6。汽车对护栏的切间速度为刃一0 义:吴,:义,:“汽车与护栏的摩擦力为产0、,0.,#9.,#,镇.,#,.戈一一%(式中95为碰撞力;产。为汽车与护栏的摩擦因数;9,为摩擦滞后。有 0 5一5:,凡5一 05,(沂二、一?沂。、:艺,一艺?沂,一1(一,:中国农业大学学报477 8年6汽车与路边护栏碰撞的实例汽车与路边护栏碰撞运行的设置,是在汽车直线行驶时某一时刻给一个转向输入,直到汽车与护栏碰撞,汽车回复到直线行驶。例中9汽车为独立式前悬架、非独立式后悬架式,汽车与护栏的摩擦因数为3=,护栏横梁的刚度系数为3 5,支座的弹性系数为6 5一,仿真时间从。至,汽车初始前进速度为 一。图8给出了仿真过程中汽车的运动图像。尸尸们户户兮、产卜 产、门门门门洲洲洲曰叫恻匀匀叹妇戈戈 纷纷纷纷纷组3升诵栩日如州州止丈丈图8汽车与护栏碰摘运动图像俯视:结束语通过汽车一护栏碰撞的仿真研究,可以认为,通过合理地选择护栏的材料和截面几何形状,当以某一车速行驶的汽车偏离公路撞击护栏时,护栏能有效地吸收碰撞能量,并借助本身的弹性将汽车导入车道边。本文作者研究的仿真软件,可用于路边设计,如护栏、边坡等,也可用于 汽车的动态辅助设计和分析,以预 测汽车的特性。参考文献0(#3&?,/!0(#,(?%#,?(/?止0(?!/?0,!/,(?%#/(/,03),47,47?/13/)&/?,/!?!#%?!#/(/,!/?0,!/,(?3),47=,8刘志斌3汽车一护栏碰撞仿真系统的研究与应用9学位论文3北京9北京农业工程大学,4776