CN114001974B - 一种评价车辆前部构件对乘员舱碰撞响应贡献的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种评价车辆前部构件对乘员舱碰撞响应贡献的方法，通过对车辆进行测力墙碰撞试验，采集车辆B柱加速度数据及测力墙单元的碰撞力数据，根据车辆前端各部件与测力墙单元的对应位置关系，得到总体碰撞力和各部件载荷路径碰撞力，计算乘员舱运动质量，根据乘员舱运动质量，计算各部件载荷路径运动速度，根据各部件载荷运动速度计算各部件载荷路径对乘员舱减速度的贡献值。本发明所述的方法通过采集车辆加速度及测力墙的碰撞力，实时监控该碰撞工况中车辆前端结构变形模式，无需辅助信号，不受仿真精度的限制，有效减小了检测误差，为进一步的安全车身优化提供分析基础，具有广泛的应用前景。

Description

一种评价车辆前部构件对乘员舱碰撞响应贡献的方法

技术领域

本发明属于汽车检测领域，尤其是涉及一种评价车辆前部构件对乘员舱碰撞响应贡献的方法。

背景技术

在汽车正面碰撞中，乘员舱减速度对乘员载荷有显著影响，而乘员舱减速度取决于车辆前部结构能量吸收特性。因此动态监控车辆前端碰撞部件的变形模式，以便控制乘员舱减速，在车辆碰撞结构设计阶段，具有重要的研究意义。

对于正面碰撞试验，前舱碰撞关键件(如前保横梁、吸能盒、前纵梁、前支撑板、副车架连接件、动力总成、副车架等)的变形模式和前舱零部件的空间布置是决定碰撞波形和侵入模式的关键因素，而试验过程难以监测这些零部件的动态变形过程。目前常用的监控手段是借助CAE仿真试验技术，截取试验动画来确定碰撞关键件的变形模式和变形时刻。通过CAE仿真来监控零部件运动过程和乘员舱变形模式的方式，还需借助布置在车辆发动机舱内的实车碰撞加速度信号，以及碰撞后的车辆前端变形照片等来进行辅助判定，通过推理来还原汽车正面碰撞试验前舱的运动变形情况。但受CAE精度的影响，这仅能为车辆结构设计提供有限的指导。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种评价车辆前部构件对乘员舱碰撞响应贡献的方法，以实时监控该碰撞工况中车辆前端结构变形模式，为进一步的安全车身优化提供分析基础，也可作为一种正碰工况通用化的分析方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种评价车辆前部构件对乘员舱碰撞响应贡献的方法，包括以下步骤：

(1)对车辆进行测力墙碰撞试验，采集车辆B柱加速度及测力墙单元的碰撞力；

(2)对加速度进行多元积分，得到乘员舱速度及位移；

(3)根据车辆前端各部件载荷路径与测力墙单元的对应位置关系对测力墙单元的碰撞力数据进行划区处理，得到总体碰撞力和各部件载荷路径碰撞力；

(4)进行碰撞过程中乘员舱运动质量计算与验证，根据乘员舱运动质量，计算各部件载荷路径减速度分量；

(5)计算各部件载荷路径速度，计算各部件载荷路径对乘员舱减速度的贡献值。

优选地，车辆前端包括以下部件中的至少一个：发盖、翼子板、前保横梁、散热器、吸能盒、前纵梁、动力总成、前支撑板、副车架及副车架连接件。

优选地，步骤(4)中乘员舱运动质量的计算方法如下：

根据车辆B柱加速度进行一次积分得到乘员舱速度，确定乘员舱碰撞反弹时刻T_r，计算T_r时间内车辆前端各部件所做功最大值E_max，根据E_max计算乘员舱的运动质量。

优选地，步骤(4)中进行碰撞过程中乘员舱运动质量计算与验证方法如下：

对车辆B柱加速度进行一次积分得到乘员舱速度，确定乘员舱碰撞反弹时刻T_r，

在碰撞开始至T_r的时间段内，如式1所示，计算车辆前端各部件所做功E：

E＝∫F_(t)·V 式1

其中F_(t)为t时刻车辆前端碰撞力，即步骤(3)中得到的总体碰撞力，V为乘员舱速度，如式2所示，得到在碰撞开始至T_r的时间段内车辆前端各部件所做功最大值E_max，

E_max＝MAX(∫F_(t)·V) 式2

根据式3计算乘员舱的运动质量M：

M＝V²(E_max-∫F_(t)·V)/2 式3

由此得到乘员舱的运动质量，

通过F_(t)/M来计算乘员舱运动加速度，其中F_(t)为t时刻车辆前端碰撞力，即总体碰撞力，根据乘员舱运动加速度积分得到乘员舱运动速度，二次积分得到乘员舱运动位移，将乘员舱运动加速度、运动速度及运动位移分别与步骤(2)中的加速度、速度及位移对比，比较变化趋势是否一致，将计算所得运动速度为0时对应的时刻与由B柱测得的速度为0时对应的时刻相比较，当时间差在5ms以内时，则认为变化趋势一致，当变化趋势一致时，则认为运动质量正确。

优选地，步骤(4)中各部件载荷路径减速度分量的计算方法如下：

根据各部件载荷路径碰撞力除以乘员舱的运动质量计算各部件载荷路径减速度分量。

优选地，还包括以下步骤：将各部件载荷路径减速度分量加和得到等效减速度，将等效减速度积分得到乘员舱计算等效速度，将乘员舱计算等效速度与步骤(2)中的速度对比，确定是否遗漏加载路径。

相对于现有技术，本发明所述的评价车辆前部构件对乘员舱碰撞响应贡献的方法具有以下优势：

本发明所述的方法通过采集车辆加速度及测力墙的碰撞力，实时监控该碰撞工况中车辆前端结构变形模式，无需辅助信号，不受仿真精度的限制，有效减小了检测误差，为进一步的安全车身优化提供分析基础，具有广泛的应用前景。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的评价车辆前部构件对乘员舱碰撞响应贡献的方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所述的车辆前端结构示意图，其中a为车辆前端一侧结构示意图，b为车辆前端内部结构示意图，c为车辆前端底部结构示意图；

图3为本发明实施例所述的测力墙单元与车辆前端对应位置示意图；

图4为本发明实施例所述的乘员舱碰撞反弹时刻T_r确定示意图；

图5为本发明实施例所述的乘员舱运动质量示意图；

图6为本发明实施例所述的B柱加速度与计算得到的乘员舱运动加速度对比示意图；

图7为本发明实施例所述的乘员舱速度与计算得到的乘员舱运动速度对比示意图。

附图标记说明：

1、发盖；2、翼子板；3、前保横梁；4、散热器；5、吸能盒；6、前纵梁；7、动力总成；8、前支撑板；9、副车架；10、副车架连接件。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

步骤1：对车辆进行测力墙碰撞试验，采集车辆B柱加速度及测力墙单元的碰撞力

1)对车辆进行测力墙碰撞试验，通过测力墙单元采集(采集频率为10KHz)各单元在碰撞过程中的受力情况。

2)车身加速度传感器安装及信号采集

在车辆B柱下方，安装加速度传感器，采集加速度。

步骤2：对加速度进行多元积分，得到乘员舱速度及位移

通过对加速度传感器采集到的加速度进行多元积分，得到乘员舱速度和位移。

步骤3：根据车辆前端各部件载荷路径与测力墙单元的对应位置关系对测力墙单元的碰撞力数据进行划区处理，得到总体碰撞力和各部件载荷路径碰撞力

1)测力墙区域划分及碰撞力采集

图2为典型车辆前端碰撞结构，包括发盖1、翼子板2、前保横梁3、散热器4、吸能盒5、前纵梁6、动力总成7、前支撑板8、副车架9、副车架连接件10。根据车辆前端碰撞结构，确定测力墙单元划分区域。如图3所示，车型左纵梁单元对应区域为：G[3，4]+H[3，4]；右纵梁单元对应区域：G[13，14]+H[13，14]；横梁及副车架对应区域：G[5…12]+H[5…12]+I[5…12]；动力总成单元对应区域：C[4…8]+D[4…8]+E[4…8]+F[4…8]；前支撑板左侧对应区域：B[2…4]+C[2…4]+D[2…4]；前支撑板右侧对应区域：B[13…15]+C[13…15]+D[13…15]。根据车辆前端各部件载荷路径与测力墙单元的对应位置关系对测力墙单元的碰撞力数据进行划区处理，得到总体碰撞力和各部件载荷路径碰撞力。

步骤4：进行碰撞过程中乘员舱运动质量计算与验证，根据乘员舱运动质量，计算各部件载荷路径减速度分量

1)对车辆B柱加速度进行一次积分得到乘员舱速度V，确定乘员舱碰撞反弹时刻T_r，即乘员舱速度为0的时刻，如图4所示。

2)在碰撞开始至T_r的时间段内，如式1所示，计算车辆前端各部件所做功E：

E＝∫F_(t)·V 式1

其中F_(t)为t时刻车辆前端碰撞力，即步骤3中得到的总体碰撞力，V为乘员舱速度，如式2所示，得到在碰撞开始至T_r的时间段内车辆前端各部件所做功最大值E_max，

E_max＝MAX(∫F_(t)·V) 式2

3)计算乘员舱运动质量M。

根据式3计算乘员舱的运动质量：

M＝V²(E_max-∫F_(t)·V)/2 式3

由此得到乘员舱的运动质量，如图5所示。

4)运动质量验证

通过F_(t)/M来计算乘员舱运动加速度，其中F_(t)为t时刻车辆前端碰撞力，通过测力墙总体碰撞力测得。根据运动加速度积分得到运动速度，二次积分得到运动位移。将计算所得运动加速度、运动速度和运动位移与由B柱测得的加速度、速度、位移进行对比，比较曲线变化趋势是否一致，将计算所得运动速度为0时对应的时刻与由B柱测得的速度为0时对应的时刻相比较，当时间差在5ms以内时，则认为变化趋势一致，当变化趋势一致时，则认为运动质量正确，如图6及图7所示。

5)各部件载荷路径减速度分量计算与验证

根据运动质量和各部件载荷路径碰撞力，计算每个部件载荷路径的减速度分量。对于部件i的载荷路径，减速度分量由式4计算获得：

a_i＝F_i/M 式4

其中a_i为部件i的载荷路径的减速度分量，F_i为部件i载荷路径碰撞力，M为乘员舱运动质量，将各部件载荷路径减速度分量加和得到等效减速度，将等效减速度积分得到乘员舱计算等效速度。将计算等效速度与由B柱传感器加速度信号一次积分获得的速度，分别根据式5-7计算各自斜率k后，两组数据计算得到的k差值在±2g内，其中g为重力加速度，则认为没有遗漏加载路径，否则，认为存在加载路径的遗漏。

V₀-k(t-t₁)＝V_(t2) 式7

式5-7中V₀为车辆初始速度，V_(t)为乘员舱在t时刻的速度，t₁为虚拟乘员相对车辆位移0.065m对应时刻，t₂为虚拟乘员相对车辆位移0.235m的时刻，k为t₁至t₂时刻速度曲线斜率。

步骤5：计算各部件载荷路径速度，计算各部件载荷路径对乘员舱减速度的贡献值

假定车辆初始速度为V₀。部件i(1，…，n)的质量、载荷路径速度和内能分别为m_i、v_i和U_i。乘员舱的运动质量、位移、速度和内能分别为M、X、V和U。在乘员舱(加载阶段)达到最大位移前，乘员舱动能的变化表示如式8所示：

式8中E_i为部件i的机械能。将式8微分得到式9：

因此，乘员舱减速度如式10所示：

由于dX＝Vdt，由式10可以得到部件i对乘员舱减速度的贡献A_i如式11所示：

部件对乘员舱减速度的贡献也可表示为式12所示，其中χ_i为部件i的位移：

部件i碰撞力F_i由惯性力和变形力组成，如式13所示，可以用机械能E_i表示：

其中，为部件i的减速度，将式13代入式12，得到式14：

其中A_i为部件i的载荷路径对乘员舱减速度贡献值，F_i为部件i载荷路径碰撞力，v_i为部件i的载荷路径速度，由等效减速度积分得到，M为乘员舱的运动质量，根据式3得到，V为乘员舱的速度，根据B柱加速度传感器测得的加速度积分得到。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种评价车辆前部构件对乘员舱碰撞响应贡献的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对车辆进行测力墙碰撞试验，采集车辆B柱加速度及测力墙单元的碰撞力；

(2)对加速度进行多元积分，得到乘员舱速度及位移；

(3)根据车辆前端各部件载荷路径与测力墙单元的对应位置关系对测力墙单元的碰撞力数据进行划区处理，得到总体碰撞力和各部件载荷路径碰撞力；

(4)进行碰撞过程中乘员舱运动质量计算与验证，根据乘员舱运动质量，计算各部件载荷路径减速度分量；

(5)计算各部件载荷路径速度，计算各部件载荷路径对乘员舱减速度的贡献值，

步骤(4)中乘员舱运动质量的计算方法如下：

根据车辆B柱加速度进行一次积分得到乘员舱速度，确定乘员舱碰撞反弹时刻T_r，计算T_r时间内车辆前端各部件所做功最大值E_max，根据E_max计算乘员舱的运动质量，

步骤(4)中各部件载荷路径减速度分量的计算方法如下：

根据各部件载荷路径碰撞力除以乘员舱的运动质量计算各部件载荷路径减速度分量，将各部件载荷路径减速度分量加和得到等效减速度，将等效减速度积分得到乘员舱计算等效速度，将乘员舱计算等效速度与步骤(2)中的速度对比，确定是否遗漏加载路径，

步骤(5)的具体操作方法如下：

假定车辆初始速度为V₀，部件i(1，…，n)的质量、载荷路径速度和内能分别为m_i、v_i和U_i，乘员舱的运动质量、位移、速度和内能分别为M、X、V和U，在乘员舱(加载阶段)达到最大位移前，乘员舱动能的变化表示如式8所示：

式8中E_i为部件i的机械能，将式8微分得到式9：

因此，乘员舱减速度如式10所示：

由于dX＝Vdt，由式10可以得到部件i对乘员舱减速度的贡献A_i如式11所示：

部件对乘员舱减速度的贡献也可表示为式12所示，其中χ_i为部件i的位移：

部件i碰撞力F_i由惯性力和变形力组成，如式13所示，可以用机械能E_i表示：

其中，为部件i的减速度，将式13代入式12，得到式14：

其中A_i为部件i的载荷路径对乘员舱减速度贡献值，F_i为部件i载荷路径碰撞力，v_i为部件i的载荷路径速度，由等效减速度积分得到，M为乘员舱的运动质量，V为乘员舱的速度，根据B柱加速度传感器测得的加速度积分得到。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：车辆前端包括以下部件中的至少一个：发盖、翼子板、前保横梁、散热器、吸能盒、前纵梁、动力总成、前支撑板、副车架及副车架连接件。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中进行碰撞过程中乘员舱运动质量计算与验证方法如下：

对车辆B柱加速度进行一次积分得到乘员舱速度，确定乘员舱碰撞反弹时刻T_r，

在碰撞开始至T_r的时间段内，如式1所示，计算车辆前端各部件所做功E：

E＝∫F_(t)·V 式1

其中F_(t)为t时刻车辆前端碰撞力，即步骤(3)中得到的总体碰撞力，V为乘员舱速度，如式2所示，得到在碰撞开始至T_r的时间段内车辆前端各部件所做功最大值E_max，

E_max＝MAX(∫F_(t)·V) 式2

根据式3计算乘员舱的运动质量M：

M＝V²(E_max-∫F_(t)·V)/2 式3

由此得到乘员舱的运动质量，

通过F_(t)/M来计算乘员舱运动加速度，其中F_(t)为t时刻车辆前端碰撞力，即总体碰撞力，根据乘员舱运动加速度积分得到乘员舱运动速度，将计算所得乘员舱运动速度为0时对应的时刻与由B柱测得的速度为0时对应的时刻相比较，当时间差在5ms以内时，则认为变化趋势一致，当变化趋势一致时，则认为运动质量正确。