實(shí)車正碰試驗(yàn)等效雙濾波器的研究

實(shí)車正碰試驗(yàn)等效雙濾波器的研究

正試驗(yàn)與實(shí)車碰撞減速度波形的關(guān)系模擬車輛碰撞測試是車輛限制系統(tǒng)開發(fā)中降低成本、節(jié)約開發(fā)時(shí)間的有效手段。在模擬正面碰撞的臺車試驗(yàn)中,臺車模擬的是車輛車體的減速度波形。最理想的臺車試驗(yàn)結(jié)果是模擬出的減速度波形與實(shí)車碰撞的車體減速度波形完全一致,但以目前現(xiàn)有的技術(shù)手段,即使是高性能(成本也高)的液壓伺服臺車試驗(yàn)裝置也不可能達(dá)到這一點(diǎn),更不用說使用以金屬棒材、鋼板等作為吸能材料的低成本的減速型臺車試驗(yàn)裝置了。關(guān)于正碰臺車試驗(yàn),目前業(yè)內(nèi)存在這樣的誤區(qū):過分強(qiáng)調(diào)模擬出的臺車試驗(yàn)減速度波形與實(shí)車碰撞減速度波形的一致性。而這一點(diǎn)很容易導(dǎo)致開發(fā)成本的增加和開發(fā)周期的延長。那么在正碰臺車試驗(yàn)中,模擬出的減速度波形是否一定要與實(shí)車碰撞試驗(yàn)車體減速度波形高度一致呢?文中提出了一種通過實(shí)車正碰試驗(yàn)車體減速度波形提取出相應(yīng)的等效雙梯形波的等效雙梯形波理論。臺車試驗(yàn)數(shù)學(xué)仿真表明,在等效雙梯形波下假人模型的各種傷害值響應(yīng)與相應(yīng)的實(shí)車碰撞波形下假人模型的各種傷害值響應(yīng)能很好地吻合,說明在正碰臺車試驗(yàn)中完全可以用等效雙梯形波代替相應(yīng)的實(shí)車正碰減速度波形進(jìn)行約束系統(tǒng)的開發(fā)等相關(guān)試驗(yàn),而等效雙梯形波很容易在普通的減速型臺車試驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)。1實(shí)車正拉/制定正拉定形式在車輛的正面碰撞試驗(yàn)中,發(fā)生變形的主要是車輛的前端結(jié)構(gòu),而B柱以后及中央通道在整個(gè)碰撞過程中幾乎不會發(fā)生變形,因此通常將B柱或中央通道上采集到的減速度信號作為車體的減速度進(jìn)行與之相關(guān)的分析。在模擬實(shí)車正面碰撞的臺車試驗(yàn)中,臺車系統(tǒng)需要模擬的實(shí)車減速度波形即源于實(shí)車正面碰撞時(shí)在B柱或中央通道上采集到的減速度信號。圖1所示曲線Pulse_CFC60是一典型的實(shí)車正面碰撞試驗(yàn)車體減速度經(jīng)濾波通道頻率等級為60(channelfrequencyclass60,簡稱CFC60)的巴特沃茲低通濾波器濾波后的波形,可見實(shí)車正碰減速度波形是非常復(fù)雜的。盡管實(shí)車正碰減速度波形很復(fù)雜,但經(jīng)更低頻率等級的濾波后發(fā)現(xiàn)其可以分為較為明顯的2個(gè)臺階(圖1中曲線CFC40和CFC20)。結(jié)合對實(shí)車正碰過程運(yùn)動圖像的分析發(fā)現(xiàn):第1個(gè)臺階為從碰撞開始到發(fā)動機(jī)前部空間被完全壓潰;第2個(gè)臺階為發(fā)動機(jī)開始碰撞直至碰撞結(jié)束。2等雙梯度波理論2.1edtch模型等效雙梯形波(equivalentdual-trapeziawave,EDTW)即根據(jù)實(shí)車正面碰撞車體減速度波形的某些特征提取出的2個(gè)疊加的梯形(如圖2所示折線ABCDEF與時(shí)間軸圍成的圖形),它應(yīng)能反映車體減速度波形的這些特征。EDTW反映出的相應(yīng)減速度波形的特征即為EDTW所應(yīng)滿足的邊界條件。2.2edtch試驗(yàn)邊界條件圖2中t1、t2、t3、t4、t5、t6為雙梯形波上特征點(diǎn)A、B、C、D、E、F所對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn),t7為碰撞結(jié)束時(shí)的時(shí)間點(diǎn)。同時(shí),t1為實(shí)車碰撞減速度波形上a點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn),t3為發(fā)動機(jī)前部被完全壓潰的時(shí)間點(diǎn),t5為初速度減為0的時(shí)間點(diǎn)。圖3為與圖2中實(shí)車正碰波形abcdef對應(yīng)的車體變形量時(shí)間歷程。圖3中C為發(fā)動機(jī)前端空間壓縮量,D為最大動態(tài)壓縮量即碰撞速度減為0時(shí)的車體變形量。根據(jù)運(yùn)動學(xué)定律,在實(shí)車正碰試驗(yàn)中車體變形量c為c=v0t+∫∫a(t)dtdt=∫v(t)dt式中v0為碰撞發(fā)生前的初速度,a(t)為車體相對地面的加速度,v(t)為車體相對地面的速度。將t3和t5分別代入上式即得發(fā)動機(jī)前端空間的壓縮量C為以及最大動態(tài)壓縮量D為令aequal(t)為車體相對地面的等效加速度,vequal(t)為車體相對地面的等效速度。EDTW所應(yīng)滿足的邊界條件為:(1)發(fā)動機(jī)前端空間相等,即令Δv1為梯形BCt3t1的面積,即EDTW在t1到t3間的速度變化量。由式(1)和式(3)得(2)最大動態(tài)壓縮量相等,即令Δv2為多邊形CDEt5t3的面積,即EDTW在t3到t5間的速度變化量。由式(1)、式(2)和式(4)得因?yàn)檐囕v達(dá)到最大動態(tài)變形量時(shí)的速度為0,所以結(jié)合式(4)和式(6)即得v0=Δv1+Δv2(7)(3)整個(gè)碰撞過程的速度變化量相等令Δv為雙梯形波與時(shí)間軸圍成的面積,即EDTW的速度變化量,則令Δv3為三角形Et6t5的面積,即EDTW在t5到t6間的速度變化量,由式(4)、式(6)和式(8)得由上述推導(dǎo)過程可知式(4)、式(6)、式(7)和式(9)即為EDTW應(yīng)滿足的邊界條件。此外,雙梯形上邊AB和CD的斜率s1和s2可由實(shí)車碰撞減速度曲線上ab和cd段的一階最小二乘法擬合得到。2.3b點(diǎn)的坐標(biāo)EDTW特征參數(shù)為其各特征點(diǎn)的坐標(biāo)值。(1)特征點(diǎn)A的坐標(biāo)xA和yAh1=-(t2-t1)s1(11)Δv1=[BC+(t3-t1)]h1/2(12)式中h1為ΔBt2t1的高。由式(10)、式(11)和式(12)即可得到t2和h1,從而獲得B點(diǎn)的坐標(biāo)值。DH=h2-h1=-(t4-t3)s2(14)Δv2=[DE+(t5-t3)]DH/2+(t5-t3)h1(15)式中h2為ΔEt6t5的高。由式(13)、式(14)和式(15)即可得到t4和h2,從而獲得D點(diǎn)的坐標(biāo)值。Δv3=(t6-t5)h2/2(16)由式(16)即可得到t6,從而獲得F點(diǎn)的坐標(biāo)值。3計(jì)算與分析3.1車試數(shù)學(xué)仿真模型圖4是某車型在某次實(shí)車正面碰撞試驗(yàn)中車體的減速度波形,碰撞速度為48km/h,表1是通過式(6)~式(9)計(jì)算得到的相應(yīng)的雙梯形波上各特征點(diǎn)的坐標(biāo)值,一階最小二乘法擬合得到AB和CD的斜率s1和s2分別為-13703和-11813。圖5所示的臺車試驗(yàn)數(shù)學(xué)仿真模型源于碰撞分析軟件MADYMO的模型庫。文中利用該模型,以圖4所示的實(shí)車碰撞減速度波形以及相應(yīng)的雙梯形波作為臺車試驗(yàn)的目標(biāo)波形,對兩個(gè)波形造成的假人各主要傷害值進(jìn)行了對比分析,并以此來評價(jià)將EDTW理論應(yīng)用于正碰臺車試驗(yàn)的可行性。選擇臺車試驗(yàn)的數(shù)學(xué)仿真模型進(jìn)行雙梯形波理論的正碰臺車試驗(yàn)的可行性分析,主要基于如下考慮:(1)真實(shí)的物理試驗(yàn)中總是不可避免地存在一些對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定影響的不可控制的因素;(2)不可能將兩次物理試驗(yàn)配置的完全一樣;(3)數(shù)學(xué)仿真模型可以克服上述不足;(4)數(shù)學(xué)仿真模型即使存在一定誤差,對試驗(yàn)結(jié)果的影響也是同向的。3.2模型求解結(jié)果歐美等國的汽車正面碰撞法規(guī)ECER94和FMVSS208以及國標(biāo)CMVDR294均規(guī)定:模擬實(shí)車正面碰撞試驗(yàn)的臺車試驗(yàn)的減速度波形經(jīng)CFC180濾波后積分得到的速度曲線與實(shí)車正碰試驗(yàn)的速度曲線的偏差應(yīng)在±1m/s內(nèi)。圖6所示的兩條虛線分別是對某車型按照圖4所示的減速度曲線進(jìn)行臺車試驗(yàn)時(shí),臺車速度的上下限,實(shí)線是按照相應(yīng)EDTW進(jìn)行臺車試驗(yàn)時(shí)的速度曲線。可見EDTW下的速度曲線在臺車試驗(yàn)所要求的速度上下限內(nèi),并且與實(shí)車碰撞的速度曲線偏差僅為-0.23~+0.32m/s,因此按照EDTW進(jìn)行臺車試驗(yàn)可以滿足歐美以及國標(biāo)等試驗(yàn)法規(guī)的要求。對比MADYMO求解后的動畫文件,發(fā)現(xiàn)整個(gè)模擬過程中50百分位HybridⅢ假人的運(yùn)動姿態(tài)非常一致。圖7是模型運(yùn)行到50ms和80ms時(shí)假人的運(yùn)動姿態(tài),圖中左圖為實(shí)車波形下假人的運(yùn)動姿態(tài),右圖為EDTW下假人的運(yùn)動姿態(tài)。從圖中看,兩種減速度波形下假人的運(yùn)動姿態(tài)幾乎沒有任何差異。圖8和圖9對兩種減速度波形下假人的頭部和胸部的合成加速度時(shí)間歷程進(jìn)行了比較。圖10和圖11對兩種減速度波形下假人的頸部張力以及頸部剪力的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了比較。表2對假人的其它主要傷害值進(jìn)行了比較。根據(jù)圖8~圖11以及表2,按照實(shí)車正碰車體減速度波形和相應(yīng)EDTW進(jìn)行的臺車試驗(yàn)得到的假人傷害值,無論頭胸部加速度的時(shí)間歷程還是頸部受力的持續(xù)時(shí)間以及單個(gè)的假人傷害值,特別是與約束系統(tǒng)如氣囊、安全帶等高度相關(guān)的HIC、T3MS、CheatDeflection等傷害值,兩者都吻合的相當(dāng)好,可見用EDTW代替實(shí)車正碰減速度波形進(jìn)行臺車試驗(yàn)是完全可行的。4實(shí)車試驗(yàn)仿真結(jié)果分析根據(jù)等效雙梯形波理論,可從實(shí)車正面碰撞試驗(yàn)的車體減速