CN112651161B - 基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车计算机辅助设计领域，更具体的说，涉及一种基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法。本发明提出的基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法，包括以下步骤：S1、对仪表板悬浮屏头部碰撞的初始仿真模型进行搭建；S2、通过悬浮屏刚度实验对悬浮屏初始仿真模型进行标定，生成标定后的悬浮屏模型；S3、将标定后的悬浮屏模型与仪表板初始仿真模型结合，进行静态头部碰撞仿真。本发明提升仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真精度，同时获取一个力学性能和实际性能相匹配的通用性较高的悬浮屏有限元模型，以便能被其他开发项目直接沿用。

Description

基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法

技术领域

本发明涉及汽车计算机辅助设计领域，更具体的说，涉及一种基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法。

背景技术

汽车仪表板是汽车内饰中最为重要的组成部分之一，是集安全性、功能性、舒适性和装饰性于一身的部件。

随着技术的发展，汽车仪表板也从最初的机械式仪表板发展为电气式仪表板，再到最新的全数字汽车仪表板，而悬浮屏能体现全数字化仪表板的简约流畅之美，已成为目前汽车内饰造型设计的一大趋势。

在汽车使用过程中，突发的碰撞等事故会导致乘员头部撞击包括悬浮屏在内的仪表板区域。包括悬浮屏在内的仪表板各区域需满足静态头部碰撞测试要求。

在《GB 11552-2009乘用车内部凸出物》中对包括悬浮屏在内的汽车内饰的吸能材料制成的构件做出了要求，以下简称静态头部碰撞要求。

静态头部碰撞加速度测量装置包含一个摆锤，其回转中心由球轴承支撑，摆锤在撞击中心处的折合质量为6.8千克。摆锤的下端是一个直径为165毫米的刚性锤头，其中心与摆锤的撞击中心重合。锤头上装有两个加速度传感器和一个速度传感器用以测定在撞击方向上的各种数据。

图1揭示了现有标准的摆锤加速度曲线图，锤头以24.1千米/小时的速度撞击实验构件，所获得的锤头加速度曲线如图1所示。GB11552法规规定，实验中锤头的减速度超过80g的持续时间不应超过3毫秒。

悬浮式导航屏与目前常见的内嵌式导航屏在结构上差异较大，导致此两种导航屏在静态头部碰撞过程中的表现有所差异。

图2揭示了内嵌式导航屏在静态头部碰撞过程中的变形示意图，如图2所示，对于内嵌式导航屏，在锤头105碰撞后，仪表板从仪表板头碰前位置103移动至仪表板头碰后位置101，内嵌式屏幕从嵌入式屏幕头碰前位置104移动至内嵌式屏幕头碰后位置102。

球头位移主要来源于仪表板的变形D1，说明球头减速度主要来源于仪表板的阻碍作用。

图3揭示了悬浮式导航屏在静态头部碰撞过程中的变形示意图，如图3所示，对于悬浮式导航屏，在锤头205碰撞后，仪表板从仪表板头碰前位置203移动至仪表板头碰后位置201，悬浮屏从悬浮屏头碰前位置204移动至悬浮屏头碰后位置202。

其头部碰撞过程中的锤头位移主要来源于悬浮屏悬臂结构的在冲击作用下的变形D2及仪表板整体的变形D1，说明球头减速度主要来源于仪表板及悬臂结构的阻碍作用。

因此，悬浮式屏幕和内嵌式屏幕在头部碰撞过程中锤头减速度产生的机理不同。

仪表板悬浮屏静态头部碰撞要求是车内乘员安全的重要保障，是仪表板研发必须满足的条件，许多企业和科研院所采用物理实验的方法判断仪表板悬浮屏幕的静态头部碰撞特性，但是通过实验的方法成本太大，而且往往是在仪表板开发阶段的后期才有零件开展实验，不容易在设计的早期阶段暴露问题。

在仪表板设计阶段开展悬浮屏的静态头部碰撞仿真不仅能提升研发效率，也能节省大量的人力物力。

目前使用的悬浮屏静态头部碰撞仿真方法是搭建悬浮屏和仪表板的有限元模型，然后划定悬浮屏头部碰撞区域，通过求解器进行计算求解，最后，读取3毫秒加速度计算结果。

现有的仿真方法，并未考虑悬浮屏模型刚度特性对静态头碰结果的影响，因此仿真精度比较低。

模型改进效率较低，仪表板模型涵盖零部件众多，模型内部连接复杂，各零部件及连接间存在复杂的耦合影响，改进仪表板模型时，难以知晓改进对象，需进行多次尝试，改进缺乏针对性，导致改进效率较低。

此外，现有的悬浮屏静态头部碰撞仿真方法搭建的悬浮屏模型缺乏通用性，考虑到悬浮屏通常为通用件，即同一款悬浮屏可能被多款车型使用，由于现有未对悬浮屏模型的静态受力性能进行标定，则模型也难以被其他仪表板开发项目直接沿用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法，解决现有技术的仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真精度低的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法，包括以下步骤：

S1、对仪表板悬浮屏头部碰撞的初始仿真模型进行搭建；

S2、通过悬浮屏刚度实验对悬浮屏初始仿真模型进行标定，生成标定后的悬浮屏模型；

S3、将标定后的悬浮屏模型与仪表板初始仿真模型结合，进行静态头部碰撞仿真。

在一实施例中，所述步骤S1，进一步包括以下步骤：

S11、搭建仪表板悬浮屏的初始仿真模型；

S12、搭建球头撞击装置的模型。

在一实施例中，所述步骤S11，进一步包括以下步骤：

对仪表板悬浮屏的初始仿真模型的各零件进行网格划分、连接设置、材料属性赋值、厚度属性赋值及边界条件设置操作；

其中，初始仿真模型的零件范围包括仪表板本体、空调总成以及悬浮屏；

所述仪表板本体为与刚度有关的组件，包含骨架、支架和蒙皮。

在一实施例中，所述步骤S12，进一步包括以下步骤：

通过壳单元绘制摆锤，模拟头部以预设撞击速度撞击仪表板表面；

球头撞击装置的球头，通过摆臂与旋转中心的铰接点链接，通过杆单元构建铰链，铰接点放置在座椅H点的位置上。

在一实施例中，所述步骤S2，进一步包括以下步骤：

S21、确定悬浮屏头部碰撞区域；

S22、选取头部碰撞撞击目标点，进行接触力仿真求解；

S23、通过悬浮屏刚度实验对悬浮屏刚度进行标定；

S24、比较仿真结果和实验结果的差异作为综合仿真误差，调整悬浮屏的仿真模型参数直至综合仿真误差满足预设阈值，更新生成标定后的悬浮屏模型。

在一实施例中，所述步骤S22，进一步包括以下步骤：

S221、通过“田”字形的划分方式，选取悬浮屏头部碰撞区域的9个点作为头部碰撞撞击目标点；

S222、在仪表板悬浮屏头部碰撞的初始仿真模型中创建锤头和悬浮屏间的接触力；

S223、利用摆锤单元撞击9个头部碰撞撞击目标点位进行仿真，通过有限元求解软件进行求解。

在一实施例中，所述步骤S23，进一步包括以下步骤：

S231、静态头部碰撞摆锤球头对悬浮屏的头部碰撞撞击目标点的加载点位，选取平行于屏幕法向和垂直于屏幕法向的冲击方向作为加载方向；

S232、基于静态头部碰撞仿真过程中锤头和屏幕间的接触力，确定加载点位的载荷，反映悬浮屏头部碰撞时的刚度表现。

在一实施例中，所述步骤S232，进一步包括以下步骤：

读取锤头和屏幕间的X向和Z向的接触力曲线；

对接触力曲线进行滤波；

选取接触力曲线的第一个波峰值作为加载点位的载荷值。

在一实施例中，所述步骤S24，综合仿真误差为各加载点位仿真误差的加权平均值，各加载点位的权重通过如下方式确定：

测量摆锤撞击方向和屏幕法向间的夹角θ；

对于单个头部碰撞撞击目标点其屏幕法线方向和法线垂直方向的权重分配为

及

作为三个头部碰撞撞击目标点沿屏幕法线垂直方向的加载点位，其权重为相应加载点位的累加。

在一实施例中，所述步骤S3之后还包括以下步骤：

S4、调整仪表板的仿真模型参数直至仿真误差满足条件，仿真结束。

在一实施例中，所述悬浮屏和/或仪表板的仿真模型参数，包括连接类型、约束类型、单元失效类型和网格尺寸。

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于刚度标定法的仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法，提升仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真精度，同时获取一个力学性能和实际性能相匹配的通用性较高的悬浮屏有限元模型，以便能被其他开发项目直接沿用。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1揭示了现有标准的摆锤加速度曲线图；

图2揭示了内嵌式导航屏在静态头部碰撞过程中的变形示意图；

图3揭示了悬浮式导航屏在静态头部碰撞过程中的变形示意图；

图4揭示了根据本发明一实施例的基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法流程图；

图5揭示了根据本发明一实施例的悬浮屏头部碰撞区域撞击点位示意图；

图6揭示了根据本发明一实施例的悬浮屏静态刚度实验装置示意图；

图7揭示了根据本发明一实施例的加载点载荷值选取的示意图；

图8揭示了根据本发明一实施例的摆锤撞击方向和屏幕法向间的夹角示意图；

图9揭示了根据本发明一实施例的屏幕刚度标定加载点3的实验过程中压头的力位移曲线图；

图10揭示了根据本发明一实施例的不同因素参数下屏幕刚度综合仿真误差的示意图；

图11揭示了根据本发明一实施例的加载点4号点的静态头部碰撞加速度曲线图。

图中各附图标记的含义如下：

101 仪表板头碰后位置；

102 内嵌式屏幕头碰后位置；

103 仪表板头碰前位置；

104 内嵌式屏幕头碰前位置；

105 锤头；

201仪表板头碰后位置；

202 悬浮屏头碰后位置；

203 仪表板头碰前位置；

204 悬浮屏头碰前位置；

205 锤头；

300 悬浮屏头部碰撞区域；

401 头部碰撞撞击目标点；

402 悬浮屏；

403 压头；

404 悬浮屏与仪表板连接部件；

405 固定点；

406 位移传感器；

407 力传感器；

408 主机；

501 转动中心。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释发明，并不用于限定发明。

根据上述分析可知，如果悬浮屏模型的刚度与零件实物的刚度不匹配，则极易导致头部碰撞仿真结果误差较大。本发明提出的基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法，在静态头部碰撞仿真前，校核悬浮屏模型的刚度，在设计阶段对悬浮屏静态头部碰撞结果进行准确预测，减少实验次数，为进一步通过仿真替代实验做铺垫。

图4揭示了根据本发明一实施例的基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法流程图，如图4所示，本发明提出的基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法，进一步包括以下步骤：

S1、对仪表板悬浮屏头部碰撞的初始仿真模型进行搭建；

S2、通过悬浮屏刚度实验对悬浮屏初始仿真模型进行标定，生成标定后的悬浮屏模型；

S3、将标定后的悬浮屏模型与仪表板初始仿真模型结合，进行静态头部碰撞仿真。

设置坐标系为车身坐标系，定义坐标Z向为车高方向，向上为正，Y向为车宽方向，向右为正，X向为车长方向，向后为正。所谓车身纵向为Y向，车身横向为X向。

下面详细对每一步骤进行说明。

步骤S1：对仪表板悬浮屏头部碰撞的初始仿真模型进行搭建。

静态头部碰撞仿真工况是参照静态头部碰撞实验(吸能性实验)搭建的。

步骤S11，搭建仪表板悬浮屏的初始仿真模型。

对仪表板悬浮屏的初始仿真模型的各零件进行网格划分、连接设置、材料属性赋值、厚度属性赋值及边界条件设置等操作。

初始仿真模型包括仪表板初始模型和悬浮屏初始模型。

初始仿真模型的零件范围包括仪表板本体、空调总成以及悬浮屏。

仪表板本体包含骨架、支架和蒙皮等与刚度有关的组件。

初始仿真模型，与车身的安装点处的6个方向的自由度全部约束，保证仪表板内部和与车身的连接与实际一致。

步骤S12，搭建球头撞击装置的模型。

通过壳单元绘制摆锤来模拟头部以预设撞击速度来撞击仪表板表面。

球头撞击装置的球头通过摆臂与旋转中心的铰接点链接，通过杆单元构建铰链。

铰接点放置在座椅H点的位置上。

在本实施例中，摆锤为一个直径165mm，质量为6.8kg的圆球，预设撞击速度为24.1km/h。

汽车座椅的H点是评判座椅舒适度的重要指标。H点，指三维装置的躯干线和大腿中心线的交点。

步骤S2、通过悬浮屏刚度实验对悬浮屏初始仿真模型进行标定，生成标定后的悬浮屏模型。

步骤S2进一步包括以下步骤：

步骤S21，确定悬浮屏头部碰撞区域。

头部碰撞区域主要指驾驶员及副驾驶员的头部可碰区域。

此区域具体定义可参考《GB 11552-2009乘用车内部凸出物》。

本发明采用Generator4软件划分仪表板悬浮屏的头部碰撞区域。

步骤S22，选取头部碰撞撞击目标点，进行接触力仿真求解。

在头部碰撞区域内，选取最为危险的几个点作为头部碰撞分析的打击点，即头部碰撞撞击目标点，进行仿真计算求解。

由于法规规定悬浮屏上任意一点均需满足连续3ms加速度不超过80g的要求，因此，在头部碰撞区域中选取的头部碰撞撞击目标点，需能全方位覆盖头部碰撞区域的要求。

图5揭示了根据本发明一实施例的悬浮屏头部碰撞区域撞击点位示意图，如图5所示的步骤S22，头部碰撞撞击目标点选取及接触力仿真计算求解，进一步包括以下步骤：

S221、通过“田”字形的划分方式，选取悬浮屏头部碰撞区域300的9个点作为头部碰撞撞击目标点；

S222、在仪表板悬浮屏头部碰撞的初始仿真模型中创建锤头和悬浮屏间的接触力(SECFO)，以便于在仿真结果中读取锤头和悬浮屏间的接触力；

S223、利用摆锤单元撞击这9个头部碰撞撞击目标点位进行仿真，通过有限元求解软件进行求解。

在本实施例中，有限元求解软件为Pamcrash软件。

S23、通过悬浮屏刚度实验对悬浮屏刚度进行标定。

悬浮屏刚度对锤头减速度影响显著，为判断所搭建的初始仿真模型是否能准确全面的反映头部碰撞过程中屏幕的各向刚度，本发明的实施例设计悬浮屏刚度标定实验对仿真结果进行对标。

所述步骤S23，进一步包括以下步骤：

S231、静态头部碰撞摆锤球头对悬浮屏的头部碰撞撞击目标点的加载点位，选取平行于屏幕法向和垂直于屏幕法向的冲击方向作为加载方向。

与传统嵌入式屏幕相比，悬浮屏电子设备与屏幕间呈垂直悬臂式布置，屏幕对其法线方向上的加载较为敏感，在悬浮屏法线上加载更能反映悬浮屏结构的特异性。

同时，静态头部碰撞摆锤球头对悬浮屏的加载可分解为平行于屏幕法向和垂直于屏幕法向的冲击，因此，选取这两方向作为加载方向，进行悬浮屏刚度实验。

图6揭示了根据本发明一实施例的悬浮屏静态刚度实验装置示意图，如图6所示的悬浮屏静态刚度实验装置，悬浮屏402通过悬浮屏与仪表板连接部件404连接到仪表板的固定点405上。

通过“田”字形的划分方式，选取悬浮屏402的头部碰撞区域的9个点作为头部碰撞撞击目标点401。

压头403，为尺寸50mm*20mm的矩形压头。

位移传感器406，测量压头403的位移数据后发送至主机408进行处理。

力传感器407，测量压头403的压力数据后发送至主机408进行处理。

加载点位如表1所示，共12个加载点位。

其中，加载点位1到9分别对应沿悬浮屏法线方向(X向)按压1到9号头部碰撞撞击目标点，加载点10到12对应沿垂直于悬浮屏法向(Z向)按压1到3号头部碰撞撞击目标点，加载速度5mm/s。

表1悬浮屏静态刚度加载点位及其加载方向

加载点位	头部碰撞撞击目标点	加载方向
			1	1	X
2	2	X
			3	3	X
4	4	X
			5	5	X
6	6	X
			7	7	X
8	8	X
			9	9	X
10	1	Z
			11	2	Z
12	3	Z

S232、基于静态头部碰撞仿真过程中锤头和屏幕间的接触力，确定加载点位的载荷，反映悬浮屏头部碰撞时的刚度表现。

为准确反映悬浮屏头部碰撞时的刚度表现，加载点位的载荷基于静态头部碰撞仿真过程中锤头和屏幕间的接触力确定，加载点载荷值选取的确定方法如下：

在后处理软件A4中读取锤头和屏幕间的X向和Z向的接触力曲线；

利用CFC600滤波器对接触力曲线进行滤波；

选取接触力曲线第一个波峰值作为加载点位的载荷值。

图7揭示了根据本发明一实施例的加载点载荷值选取的示意图，如图7所示为加载点位的载荷值的选取示意。

之所以选择第一个波峰值作为载荷，是因为接触力第一个峰值表征此时悬浮屏在头部碰撞过程中自身变形达到最大，后续仪表板发生变形，仪表板对球头阻挡作用减小，球头受力减小，当仪表板变形达到最大后，球头受力转而增加，因此选取第一个球头和悬浮屏力-时间的接触力曲线的第一个峰值作为载荷。

S24、比较仿真结果和实验结果的差异作为综合仿真误差，调整悬浮屏的仿真模型参数直至综合仿真误差满足预设阈值，更新生成标定后的悬浮屏模型。

在仿真软件Pamcrash中对悬浮屏刚度实验的工况开展模拟仿真，并比较仿真结果和实验结果的差异。

仿真结果和实验结果的差异通过综合仿真误差进行表征，综合仿真误差为各加载点位的仿真误差的加权平均值。

各加载点位的权重通过如下方式确定：

通过有限元前处理软件ANSA测量摆锤撞击方向和屏幕法向间的夹角θ。图8揭示了根据本发明一实施例的摆锤撞击方向和屏幕法向间的夹角示意图，如图8所示，摆锤沿转动中心501撞击屏幕，撞击方向和屏幕法向间的夹角θ。

确定权重时，认为头部碰撞区域中的9个头部碰撞撞击目标点地位同等，则每个头部碰撞撞击目标点的相关的加载点位的误差权重之和为1/9。

此外，由锤头绕铰链中心旋转时，其相对于悬浮屏法线方向和法线垂直方向的位移分别占总位移的sinθ和cosθ。

因此，对于单个头部碰撞撞击目标点其屏幕法线方向和法线垂直方向的权重分配为

及

此外，对于加载点位10，11和12，其同时可作为三个头部碰撞撞击目标点，沿屏幕法线垂直方向的加载点位，因此其权重也为相应累加，最终设定的各加载点的权重如表2所示。

表2各加载点位权重系数

通过比较实验结果及仿真结果计算悬浮屏模型的综合仿真误差β，如果综合仿真误差β值小于所预设阈值，则可认为悬浮屏有限元(CAE)模型的刚度与真实工件刚度相匹配；

如果综合仿真误差大于预设阈值，则调整悬浮屏的仿真模型参数，对悬浮屏进行有限元模型进行改进，直至综合仿真误差满足预设阈值，更新生成标定后的悬浮屏模型。

阈值的设定可根据研发要求进行设定，在本实施例中，预设阈值为10％。

S3、将标定后的悬浮屏模型与仪表板初始仿真模型结合，进行静态头部碰撞仿真。

将标定好的悬浮屏模型替换步骤S1中搭建的悬浮屏的初始仿真模型，与仪表板初始仿真模型结合展开静态头部碰撞仿真。

更进一步的，本发明提出的基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法，在步骤S3之后进一步包括：

S4、调整仪表板初始仿真模型直至仿真误差满足条件，仿真结束。

在图4所示的实施例中，展开静态头部碰撞仿真，进行Pamcrash求解及3ms加速度读取，判断仿真误差是否满足预设阈值，如果不满足预设阈值，则调整仪表板的仿真模型参数直至仿真误差满足条件，仿真结束。

影响悬浮屏和/或仪表板有限元模型计算结果的因素众多，合理的选择这些因素，不仅能提升仿真的准确性，也能提高计算过程的经济性。

在本实施例中，对悬浮屏和/或仪表板有限元仿真模型进行调整改进，调整的仿真模型参数包括：

1)连接类型及约束类型设置：悬浮屏内部各零件间存在大量的卡扣连接，这些连接往往直接使用刚性连接，导致屏幕刚度较真实情况偏大，因此，对于卡扣连接开通过绘制更加精确的且与CAD数据更加贴合的网格，通过定义接触的形式来模拟这类连接。

2)单元失效类型设置：挤压屏幕时，压力较大会导致屏幕玻璃破裂，进而影响屏幕刚度，因此在赋予玻璃屏幕材料属性时，需合理地设置单元失效。

3)网格尺寸绘制：网格尺寸会同时影响屏幕的刚度及计算时间，需合理的选择网格尺寸，保证屏幕刚度计算的准确性及计算时间的经济性。

为验证本发明提出的基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法的有效性，下面举例将此方法应用于某车型悬浮屏静态头部碰撞工况仿真中。

该悬浮屏中间金属支架材料为铝合金，屏幕为玻璃材质共8层。

此悬浮屏为平台件，会在多款车型上采用，因此，完成此悬浮屏刚度标定后，此模型可直接被后续仪表板开发项目调用，减少项目仿真工作量。

S1、对仪表板悬浮屏头部碰撞的初始仿真模型进行搭建。

基于有限元前处理软件ANSA搭建悬浮屏CAE模型，仿真模型参数包括：网格平均尺寸4mm，各卡扣间采用刚性连接，同时多层屏幕使用体网格建模。

S2、对悬浮屏刚度进行标定，生成标定后的悬浮屏模型。

为了对悬浮屏CAE模型进行刚度标定，使用尺寸为50mm*20mm的压头在图5所示的9个点位加载450N作用力。

使用软件Pamcrash对所搭建的初始仿真模型进行求解，时间步长设置为0.5μs。

对悬浮屏开展与CAE仿真相同加载工况的悬浮屏刚度实验。

图9为屏幕刚度标定加载点3的实验过程中压头的力位移曲线，表3为悬浮屏静态刚度CAE仿真及实验结果。

通过仿真结果和实验结果计算得出的综合仿真误差为23.32％，大于10％，需对悬浮屏仿真模型进行修正。

表3悬浮屏静态刚度CAE仿真及实验结果

加载点位	1	2	3	……	11	12	综合仿真误差
								实验结果/mm	5.2	6.8	8.0	……	7.5	8.3
仿真结果/mm	4.2	4.8	6.1	……	5.8	6.2
								权重	0.06	0.05	0.06	……	0.16	0.17
仿真误差	5.77％	2.94％	7.13％	……	2.27％	2.53％	23.32％

对悬浮屏的有限元模型进行调整改进，调整改进的仿真模型参数包括连接类型、约束类型、单元失效类型和网格尺寸。

选取悬浮屏网格尺寸、屏幕玻璃建模形式、悬浮屏卡扣连接形式及屏幕失效类型为因素，开展单因素仿真，分析这些因素对悬浮屏刚度的影响。

表4列举了刚度标定的因素及各因素所选参数，其中屏幕玻璃建模可选择多层壳单元的建模形式，通过小厚度壳单元模拟屏幕多层玻璃，各层壳单元间采用绑定(tied)的形式连接。

悬浮屏卡扣连接，选择刚性连接(Rigid)和设置接触(CNTAC)进行连接。

屏幕失效模式，选择以应变或单元减薄为标准，即应变超过某一值或单元减薄超过某一值时，屏幕单元失效。

表4某车型悬浮屏刚度标定因素表

不同参数下屏幕刚度综合仿真误差如图10所示。图10揭示了根据本发明一实施例的不同因素参数下屏幕刚度综合仿真误差的示意图，从图10中可知，悬浮屏网格尺寸越小，则综合仿真误差越小，但影响较小。

屏幕采用多层壳单元建模时、将悬浮屏内部卡扣结构调整为CNTAC后及屏幕失效模式选择单元减薄后，屏幕刚度减小，综合仿真误差减小。

考虑到综合网格尺寸对综合仿真误差影响较小，并且较小的网格尺寸需较大的计算时间成本，因此，模型选择网格尺寸8mm，屏幕玻璃建模形式选择多层壳单元，悬浮屏卡扣选择CNTAC，屏幕失效模式选择单元减薄，重新计算屏幕刚度如表5所示，此建模参数下屏幕刚度的综合仿真误差为9.54％，小于10％要求，认为屏幕CAE模型刚度与屏幕零件刚度相匹配，可用于静态头部碰撞计算。

表5某车型悬浮屏刚度标定后刚度仿真及实验结果

S3、将标定后的悬浮屏模型与仪表板初始仿真模型结合，进行静态头部碰撞仿真。

本实施例中，采用某具体车型的仪表板CAE模型，进行网格划分后，共有壳单元662414个，其中四边形620190个，大于95％，节点总数677902个。

将仪表板模型分别与刚度标定前后的悬浮屏模型进行整合，建立连接和接触。

头部碰撞分析中，接触定义主要有焊点与钣金件的Tie连接、悬浮屏与仪表板的刚性连接、摆锤球头与仪表板的接触和自接触。

设置计算时间为20ms，时间步长为0.5×10^-3ms。

将不同打击点位的模型提交Pamcrash进行仿真计算，头部碰撞撞击目标点的位置如图5所示。

将带有刚度标定前后的悬浮屏模型的静态头部碰撞仿真计算结果与静态头部打击实验的结果进行比较。

以4号点加速度曲线为例，图11揭示了根据本发明一实施例的加载点4号点的静态头部碰撞加速度曲线图，如图11所示，从加速度曲线波形可以看出，标定前后的仿真曲线与实验曲线总体趋势相似，均存在两个波峰。

两波峰之间的波谷是由于仪表板在撞击至一定位置时，零件变形达到失效临界，发生撕裂，无法继续提供足够的抵抗作用，摆锤球头受到的反作用力瞬间减小，于是反向加速度值瞬间跌落。

随着球头继续挤压悬浮屏，仪表板变形空间有限，无法继续向后溃缩，因此球头所受阻力再次增大，因此，曲线出现了第二个峰值。

对比标定前后的仿真曲线，可以发现，悬浮屏刚度标定后的曲线波形整体上更接近实验中加速度传感器输出的波形。

在撞击初期，标定后的曲线的第一个波峰低于标定前曲线。这是由于标定后的悬浮屏刚度低于标定前，即更接近实际刚度，故球头打在较“软”的屏上，其所受的瞬时阻力也较小，导致反向加速度较小。

因此，球头在此阶段性损失的能量低于标定前。由于球头在撞击前总的动能是定值，这就导致了更多的能量需要依靠仪表板的变形来消耗。

然而，仪表板的变形空间有限，为了消耗球头的动能，其作用给球头的抵抗力会更大，反映在加速度波形上即表现为标定后曲线的第二个波峰高于标定前。

此外，加速度峰值与连续3ms加速度值(满足持续时间等于3ms连续曲线段的最大加速度阈值)也是反映波形信息重要指标。

通过对比三条加速度曲线这两个指标，如表6所示，可以发现如下结论：

在峰值方面，标定后的值普遍高于标定前，其原因与曲线第二个波峰的升高相关；

在连续3ms加速度值方面，也呈现出类似的变化，曲线波峰的抬高使得满足持续时间等于3ms连续曲线段的位置也相应升高。

对于不同的点位，越靠近屏幕上边缘的点则加速度曲线对刚度变化的响应越发敏感，因此，峰值与连续3ms加速度值的变化更为明显。

5号点因所处位置受悬浮屏整体刚度影响不大，其两个指标的变化没有跟随1、2、4号点。

总体来看，经过刚度标定，仿真与实验获得的曲线峰值平均误差从标定前的7.03％下降至标定后的5％。连续3ms加速度值平均误差也从12.89％下降至5.6％。

因此，刚度标定后的加速度曲线峰值以及连续3ms加速度值总体上更接近实验结果。

表6实验与仿真加速度曲线峰值与连续3ms加速度值

通过以上对比分析可以发现，经过刚度对标的悬浮屏模型在进行静态头部碰撞仿真时，能更准确实际地反映摆锤在打击过程中遭遇抵抗的动力学响应。

本发明提供的基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法，具体具有以下有益效果：

1)考虑了悬浮屏模型自身结构刚度对其头部碰撞性能的影响，能更准确的对悬浮屏头部碰撞进行仿真分析；

2)合理选择调整仿真模型参数，对悬浮屏头部碰撞结果进行标定时更加高效，能更加有针对性的对悬浮屏及仪表板模型进行改进；

3)所获得的悬浮屏模型具有通用性，可直接应用于其他同平台的车型中。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (10)

1.一种基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对仪表板悬浮屏头部碰撞的初始仿真模型进行搭建；

S2、通过悬浮屏刚度实验对悬浮屏初始仿真模型进行标定，生成标定后的悬浮屏模型；

S3、将标定后的悬浮屏模型与仪表板初始仿真模型结合，进行静态头部碰撞仿真；

其中，所述步骤S2，进一步包括以下步骤：

S21、确定悬浮屏头部碰撞区域；

S22、选取头部碰撞撞击目标点，进行接触力仿真求解；

S23、通过悬浮屏刚度实验对悬浮屏刚度进行标定；

S24、比较仿真结果和实验结果的差异作为综合仿真误差，调整悬浮屏的仿真模型参数直至综合仿真误差满足预设阈值，更新生成标定后的悬浮屏模型。

2.根据权利要求1所述的基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法，其特征在于，所述步骤S1，进一步包括以下步骤：

S11、搭建仪表板悬浮屏的初始仿真模型；

S12、搭建球头撞击装置的模型。

3.根据权利要求2所述的基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法，其特征在于，所述步骤S11，进一步包括以下步骤：

对仪表板悬浮屏的初始仿真模型的各零件进行网格划分、连接设置、材料属性赋值、厚度属性赋值及边界条件设置操作；

其中，初始仿真模型的零件范围包括仪表板本体、空调总成以及悬浮屏；

所述仪表板本体为与刚度有关的组件，包含骨架、支架和蒙皮。

4.根据权利要求2所述的基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法，其特征在于，所述步骤S12，进一步包括以下步骤：

通过壳单元绘制摆锤，模拟头部以预设撞击速度撞击仪表板表面；

球头撞击装置的球头，通过摆臂与旋转中心的铰接点链接，通过杆单元构建铰链，铰接点放置在座椅H点的位置上。

5.根据权利要求1所述的基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法，其特征在于，所述步骤S22，进一步包括以下步骤：

S221、通过“田”字形的划分方式，选取悬浮屏头部碰撞区域的9个点作为头部碰撞撞击目标点；

S222、在仪表板悬浮屏头部碰撞的初始仿真模型中创建锤头和悬浮屏间的接触力；

S223、利用摆锤单元撞击9个头部碰撞撞击目标点位进行仿真，通过有限元求解软件进行求解。

6.根据权利要求1所述的基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法，其特征在于，所述步骤S23，进一步包括以下步骤：

S231、静态头部碰撞摆锤球头对悬浮屏的头部碰撞撞击目标点的加载点位，选取平行于屏幕法向和垂直于屏幕法向的冲击方向作为加载方向；

S232、基于静态头部碰撞仿真过程中锤头和屏幕间的接触力，确定加载点位的载荷，反映悬浮屏头部碰撞时的刚度表现。

7.根据权利要求6所述的基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法，其特征在于，所述步骤S232，进一步包括以下步骤：

读取锤头和屏幕间的X向和Z向的接触力曲线；

对接触力曲线进行滤波；

选取接触力曲线的第一个波峰值作为加载点位的载荷值。

8.根据权利要求1所述的基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法，其特征在于，所述步骤S24的综合仿真误差，为各加载点位仿真误差的加权平均值，各加载点位的权重通过如下方式确定：

测量摆锤撞击方向和屏幕法向间的夹角θ；

对于单个头部碰撞撞击目标点其屏幕法线方向和法线垂直方向的权重分配为

及

作为三个头部碰撞撞击目标点沿屏幕法线垂直方向的加载点位，其权重为相应加载点位的累加。

9.根据权利要求1所述的基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法，其特征在于，所述步骤S3之后还包括以下步骤：

S4、调整仪表板的仿真模型参数直至仿真误差满足条件，仿真结束。

10.根据权利要求1或9所述的基于刚度标定法的汽车仪表板悬浮屏静态头部碰撞仿真方法，其特征在于，所述悬浮屏和/或仪表板的仿真模型参数，包括连接类型、约束类型、单元失效类型和网格尺寸。

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