专利名称：基于车身关键点三维变形的汽车碰撞事故再现方法
技术领域：
本发明涉及一种用于交通领域的事故再现方法，具体是一种基于车身关键点三维变形的汽车碰撞事故再现方法。
背景技术：
为了对汽车碰撞事故进行再现分析，通常从能量、动量等多个角度，根据碰撞阶段的特征参数(如车辆变形特性、回弹系数、接触面摩擦因数、碰撞中心等)以及从事故现场拍摄的图像，运用集中参数模型方法和多刚体系统动力学方法进行事故分析，目前国际上常用事故分析方法包括动量/能量分析方法和变形/能量分析方法。另外，抛撒物抛距分析方法、几何与时间分析方法及离心力分析方法等在特定的条件下也被予以应用。
经对现有技术的检索发现，裴剑平，吴卫东在《交通运输工程学报》2001，NO.1(4)75~78上发表地“交通事故再现碰撞模型综述”，该文中对国际通用的事故再现方法进行了说明。动量/能量分析方法主要依赖汽车刹车印迹，现在主流车型安装了ABS，因此很难得到清晰完整的刹车印迹，另外，驾驶员在事故发生后可能在无意识或精神紧张的情况下造成对事故现场的破坏，对于刹车痕迹等关键数据的准确性将造成破坏从而严重影响到交通事故的调查取证和公正处理，另一方面，对于事故现场，将可能受到天气(雨水)、过往车辆(人员)及人为方面的破坏。该文中还提及变形/能量分析方法，该方法从车身变形角度进行考虑，但是车身变形和运动速度之间的近似线性关系仅在一定范围内有效，而且车身变形量测量从外部轮廓进行二维测量，由于汽车碰撞环境的复杂性，外部轮廓的变形可能会受到很多偶然因素的影响，例如凹凸不平的接触表面、突出的砖石等，因此外部偶然因素的不同，可能会对测量结果造成较大的影响。
因此，在缺少刹车印迹或刹车印迹不清晰的情况下利用车身内部三维变形进行事故再现成为迫切需要解决的技术问题。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足和缺陷，提供一种基于车身关键点三维变形的汽车碰撞事故再现方法。使其解决没有刹车印迹或刹车印迹不清晰时对交通事故的再现分析。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤
(1)建立事故发生环境及事故中所涉及到车辆的有限元模型；
对于正面碰撞或斜碰撞，车身前部网格需要予以细化，单元长度必须小于10mm，对于车身后部网格则可以适当简化，同时各个车身零部件模型之间严格按照真实情况进行连接；
(2)对建立的整车有限元模型根据国家标准GB11551的要求进行50km/h正面碰撞试验验证以检验有限元模型的可靠性；
(3)选取适用于正面碰撞和斜碰撞的车身关键点并对数值模型中的孔进行处理；
车身关键点变形量测量中孔的选取主要集中于车身前部的挡泥板和前纵梁中的主要螺栓孔和定位孔，选择原因为挡泥板和前纵梁作为主要吸能部件不和被碰撞物发生直接接触，因此对于变形量的测量更具有客观性。在数值模型中，对于直径大于20mm的孔予以保留，通过圆孔周边三节点可以计算出圆心坐标；对于直径小于20mm的孔进行消隐处理，同时人工将节点落在螺栓孔的中心位置。
(4)对于确定的关键点位置，使用三坐标测量仪进行物理测量；
对于关键点三坐标实物测量的方法为首先通过车身设计图纸或同样型号的车测量关键点的坐标。然后使用三坐标测量仪测量发生碰撞事故车辆对应关键点的三维坐标。通过矢量减法可以知道各点的变形量，在具体计算时将不考虑矢量方向以便于计算。
(5)对于整车有限元模型，提出关键点的变形测量方法；
对于正面碰撞或斜碰撞，在车身后部几乎不发生变形，因此，首先在车身有限元模型后部作三个相互垂直的平面作为参考面。
假设某关键点q初始绝对坐标为(x1，y1，z1)，该点距相互垂直的参考面α，β和γ面的距离分别为l，m和n，当汽车运动时，由于车身后部不发生变形，可以认为原有的三个面依然保持互相垂直的关系，设稳定变形后此三面为α′，β′和γ′，可以分别通过确定三个参考面的九个节点得到变形后各点的绝对坐标，然后通过此九点构建相互垂直的新的三个参考面平面。而q点在车身发生变形后运动到q′点位置，假设q′距α′，β′和γ′的距离分别为l′，m′和n′。则可以认为关键点q在事故中的变形量d为
(6)通过多次迭代优化计算，得到在一定速度和碰撞角度条件下，关键点变形的数值模拟结果与真实碰撞测量结果一致，从而确定事故发生时刻准确的汽车速度和碰撞角度。
首先明确汽车速度和角度的初始范围，在此范围内以速度和角度作为自变量按照一定步长进行迭代计算，得到各模拟结果中各关键点的变形量，根据事故再现度公式比较实际测量结果与数值模拟结果，当数值模拟结果与真实事故结果中关键点的变形量最接近时，则认为此模拟结果对应的汽车速度和角度为真实的碰撞速度和角度。
事故再现度E公式，E＝1-(∑(xie-xic)2/(∑xie·xie))
其中，xie为关键点测得的实际变形量，xic为关键点位置通过数值模拟得到的变形量计算值。
上式中，E值越大，说明事故再现结果越接近真实情况。以事故再现度E为目标函数，将汽车碰撞前的运动速度大小和方向作为优化变量，通过选择适当的优化方法进行反复迭代运算，使E值达到最大。
由于数值模拟的局限性，仿真结果和真实碰撞结果之间不可能完全吻合，从E值的大小可以定性地反应出事故再现结果和真实结果之间的差距，同时反应出速度变化及角度变化对E值的影响趋势。对于E值的定义，当数值模拟结果靠近真实结果时，E值趋近于“1”。
E值所存在的变化区间为[a，1]，其中a可以为正值，也可以为负值，具体数值由仿真结果与真实碰撞事故的接近程度决定。
本发明通过车身关键点变形进行事故再现，具有如下优势1、可以解决刹车印迹等事故现场信息被破坏或不清晰的情况下，常用事故再现方法所不能解决的问题；2、应用有限元方法可以对车身关键吸能零部件在真实事故中的变形进行三维直观考察，可以为汽车设计部门提供参考；3、应用有限元事故再现方法可以对事故中人体所受伤害进行数值模拟和评价，为事故伤的鉴定提供理论依据和数值参考；4、传统方法只对车身外轮廓进行均匀采点测量，测量结果容易受到不同接触对象及砖石等突出物的干扰，而更主要的区别在于传统测量方法是二维测量，而本方法是对主要吸能部件的测量点进行三维测量，更具有客观性。
图1本发明实施例事故现场环境有限元模型
图2本发明实施例挡泥板及前纵梁关键点选取位置
具体实施例方式
本发明根据碰撞事故的特点(正面碰撞、侧面碰撞等)及碰撞对象的不同(车-车、车-人、车-固定物等)，选择车身变形测量关键点，给出事故评价指标x1，x2，……，xn。这些评价指标反映了主要吸能零部件中关键点在碰撞过程中的变形量。以正面碰撞和斜碰撞为例，选取车身前部前纵梁和挡泥板上的螺栓孔和定位孔作为测量的关键点。
根据事故现场调查和测量可以得到这些关键点的三坐标测量值x1e，x2e，……，xne。
通过计算机模拟可以得到相应点的数值模拟值x1c，x2c，……，xnc。
定义事故再现度E，如下列公式所示
E＝1-(∑(xie-xic)2/(∑xie·xie))
上式中，E值越大，说明事故再现结果越接近真实情况。以事故再现度E为目标函数，将汽车碰撞前的运动速度大小和方向作为优化变量，通过选择适当的优化方法进行反复迭代运算，使E值达到最大。
由于数值模拟的局限性，仿真结果和真实碰撞结果之间不可能完全吻合，从E值的大小可以定性地反应出事故再现结果和真实结果之间的差距，同时反应出速度变化及角度变化对E值的影响趋势。对于E值的定义，当数值模拟结果靠近真实结果时，E值趋近于“1”。
以下结合本发明的内容提供具体的实施例
以一起典型车—固定物碰撞事故为例，建立整车及碰撞环境的有限元模型，如图1所示，整车有限元模型的可靠性得到了实车正面碰撞刚性墙(v＝50km/h)的试验验证；
选取车身前部关键吸能零部件挡泥板上四个定位孔及前纵梁上七个螺栓孔作为变形量测量的关键点，在车身主要吸能零部件有限元模型上，孔的处理方法为对于直径大于20mm的孔予以保留，以孔的圆心位置作为测量关键点，这类点有四个，且均在挡泥板上，其节点编号分别为15090X，15091X，15167X，15179X。对直径小于20mm的孔及螺栓孔进行消隐处理，如前纵梁上七个点，其节点编号分别为156840，156841，156842，156843，156844，156845，156846。关键点选取，如图2所示；
对测量点的实际测量可以使用三坐标测量仪进行真实车身变形量的测量，三坐标测量仪测量结果如表1所示；
表1 事故发生前后关键点的坐标
通过事故现场可以判断，汽车与围墙之间的角度最大不超过53°，最小不小于5°。通过试算可以确定汽车碰撞墙体时刻的速度区间为30km/h～78km/h。
通过多次迭代计算得到当车与围墙角度为17°，碰撞接触时刻车速为50km/h情况下汽车变形数值模拟结果与真实事故结果最接近，此时E＝0.9985。本发明可以实现在没有刹车印迹或刹车印迹不清晰时对交通事故的再现分析。
权利要求
1、一种基于车身关键点三维变形的汽车碰撞事故再现方法，其特征在于
(1)建立事故发生环境及事故中所涉及到车辆的有限元模型；
(2)验证有限元模型的可靠性；
(3)选取适用于正面碰撞和斜碰撞的车身关键点并对数值模型中的孔进行处理；
(4)对于确定的关键点位置，使用三坐标测量仪进行物理测量；
(5)对于整车有限元模型，采用关键点的变形测量方法；
(6)通过多次迭代优化计算，得到在一定速度和碰撞角度条件下，关键点变形的数值模拟结果与真实碰撞测量结果一致，从而确定事故发生时刻准确的汽车速度和碰撞角度。
2、根据权利要求1所述的基于车身关键点三维变形的汽车碰撞事故再现方法，其特征是，所述的步骤(1)，具体指对于正面碰撞或斜碰撞，车身前部网格需要细化，单元长度必须小于10mm，对于车身后部网格则可简化，同时各个车身零部件模型之间严格按照真实情况进行连接。
3、根据权利要求1所述的基于车身关键点三维变形的汽车碰撞事故再现方法，其特征是，所述的步骤(2)，具体指对建立的整车有限元模型根据国家标准GB11551的要求进行50km/h正面碰撞试验验证以检验有限元模型的可靠性。
4、根据权利要求1所述的基于车身关键点三维变形的汽车碰撞事故再现方法，其特征是，所述的步骤(3)，具体指车身关键点变形量测量中孔的选取主要集中于车身前部的挡泥板和前纵梁中的主要螺栓孔和定位孔，在数值模型中，对于直径大于20mm的孔予以保留，通过圆孔周边三节点计算出圆心坐标；对于直径小于20mm的孔进行消隐处理，同时人工将节点落在螺栓孔的中心位置。
5、根据权利要求1所述的基于车身关键点三维变形的汽车碰撞事故再现方法，其特征是，所述的步骤(4)，具体指首先通过车身设计图纸或同样型号的车测量关键点的坐标，然后使用三坐标测量仪测量发生碰撞事故车辆对应关键点的三维坐标，通过矢量减法得到各点的变形量。
6、根据权利要求1所述的基于车身关键点三维变形的汽车碰撞事故再现方法，其特征是，所述的步骤(5)，具体实现如下
首先在车身有限元模型后部作三个相互垂直的平面作为参考面，设某关键点q初始绝对坐标为x1，y1，z1，该点距相互垂直的参考面α、β和γ面的距离分别为l、m和n，当汽车运动时，设稳定变形后此三面为α′，β′和γ′，分别通过确定三个参考面的九个节点得到变形后各点的绝对坐标，然后通过此九点构建相互垂直的新的三个参考面平面，而q点在车身发生变形后运动到q′点位置，设q′距α′，β′和γ′的距离分别为l′，m′和n′，则关键点q在事故中的变形量d为
7、根据权利要求1所述的基于车身关键点三维变形的汽车碰撞事故再现方法，其特征是，所述的步骤(6)，具体指首先明确汽车速度和角度的初始范围，在此范围内以速度和角度作为自变量进行迭代计算，得到各模拟结果中各关键点的变形量，根据事故再现度E公式比较实际测量结果与数值模拟结果，当数值模拟结果与真实事故结果中关键点的变形量最接近时，则认为此模拟结果对应的汽车速度和角度为真实的碰撞速度和角度。
8、根据权利要求7所述的基于车身关键点三维变形的汽车碰撞事故再现方法，其特征是，所述的事故再现度E公式，具体如下
E＝1-(∑(xie-xic)2/(∑xie·xie))
xie为关键点测得的实际变形量，xic为关键点位置通过数值模拟得到的变形量计算值，E值越大，说明事故再现结果越接近真实情况。
9、根据权利要求8所述的基于车身关键点三维变形的汽车碰撞事故再现方法，其特征是，所述的E值，当数值模拟结果靠近真实结果时，E值趋近于“1”，E值所存在的变化区间为[a，1]，其中a为正值或者负值，具体数值由仿真结果与真实碰撞事故的接近程度决定。
全文摘要
一种用于交通领域的基于车身关键点三维变形的汽车碰撞事故再现方法，步骤为建立事故发生环境及事故中所涉及到车辆的有限元模型；验证有限元模型的可靠性；选取适用于正面碰撞和斜碰撞的车身关键点并对数值模型中的孔进行处理；对于确定的关键点位置，使用三坐标测量仪进行物理测量；对于整车有限元模型，采用关键点的变形测量方法；通过多次迭代优化计算，得到在一定速度和碰撞角度条件下，关键点变形的数值模拟结果与真实碰撞测量结果一致，从而确定事故发生时刻准确的汽车速度和碰撞角度。本发明可以实现刹车印迹等事故现场信息被破坏或不清晰情况下的事故再现，对主要吸能部件的测量点进行三维测量，更具有客观性。
文档编号G01P3/00GK1724971SQ200510027720
公开日2006年1月25日 申请日期2005年7月14日 优先权日2005年7月14日
发明者金先龙, 张晓云, 李渊印, 李治, 曹源 申请人:上海交通大学