实车正碰试验等效双滤波器的研究

实车正碰试验等效双滤波器的研究

正试验与实车碰撞减速度波形的关系模拟车辆碰撞测试是车辆限制系统开发中降低成本、节约开发时间的有效手段。在模拟正面碰撞的台车试验中,台车模拟的是车辆车体的减速度波形。最理想的台车试验结果是模拟出的减速度波形与实车碰撞的车体减速度波形完全一致,但以目前现有的技术手段,即使是高性能(成本也高)的液压伺服台车试验装置也不可能达到这一点,更不用说使用以金属棒材、钢板等作为吸能材料的低成本的减速型台车试验装置了。关于正碰台车试验,目前业内存在这样的误区:过分强调模拟出的台车试验减速度波形与实车碰撞减速度波形的一致性。而这一点很容易导致开发成本的增加和开发周期的延长。那么在正碰台车试验中,模拟出的减速度波形是否一定要与实车碰撞试验车体减速度波形高度一致呢?文中提出了一种通过实车正碰试验车体减速度波形提取出相应的等效双梯形波的等效双梯形波理论。台车试验数学仿真表明,在等效双梯形波下假人模型的各种伤害值响应与相应的实车碰撞波形下假人模型的各种伤害值响应能很好地吻合,说明在正碰台车试验中完全可以用等效双梯形波代替相应的实车正碰减速度波形进行约束系统的开发等相关试验,而等效双梯形波很容易在普通的减速型台车试验上实现。1实车正拉/制定正拉定形式在车辆的正面碰撞试验中,发生变形的主要是车辆的前端结构,而B柱以后及中央通道在整个碰撞过程中几乎不会发生变形,因此通常将B柱或中央通道上采集到的减速度信号作为车体的减速度进行与之相关的分析。在模拟实车正面碰撞的台车试验中,台车系统需要模拟的实车减速度波形即源于实车正面碰撞时在B柱或中央通道上采集到的减速度信号。图1所示曲线Pulse_CFC60是一典型的实车正面碰撞试验车体减速度经滤波通道频率等级为60(channelfrequencyclass60,简称CFC60)的巴特沃兹低通滤波器滤波后的波形,可见实车正碰减速度波形是非常复杂的。尽管实车正碰减速度波形很复杂,但经更低频率等级的滤波后发现其可以分为较为明显的2个台阶(图1中曲线CFC40和CFC20)。结合对实车正碰过程运动图像的分析发现:第1个台阶为从碰撞开始到发动机前部空间被完全压溃;第2个台阶为发动机开始碰撞直至碰撞结束。2等双梯度波理论2.1edtch模型等效双梯形波(equivalentdual-trapeziawave,EDTW)即根据实车正面碰撞车体减速度波形的某些特征提取出的2个叠加的梯形(如图2所示折线ABCDEF与时间轴围成的图形),它应能反映车体减速度波形的这些特征。EDTW反映出的相应减速度波形的特征即为EDTW所应满足的边界条件。2.2edtch试验边界条件图2中t1、t2、t3、t4、t5、t6为双梯形波上特征点A、B、C、D、E、F所对应的时间点,t7为碰撞结束时的时间点。同时,t1为实车碰撞减速度波形上a点所对应的时间点,t3为发动机前部被完全压溃的时间点,t5为初速度减为0的时间点。图3为与图2中实车正碰波形abcdef对应的车体变形量时间历程。图3中C为发动机前端空间压缩量,D为最大动态压缩量即碰撞速度减为0时的车体变形量。根据运动学定律,在实车正碰试验中车体变形量c为c=v0t+∫∫a(t)dtdt=∫v(t)dt式中v0为碰撞发生前的初速度,a(t)为车体相对地面的加速度,v(t)为车体相对地面的速度。将t3和t5分别代入上式即得发动机前端空间的压缩量C为以及最大动态压缩量D为令aequal(t)为车体相对地面的等效加速度,vequal(t)为车体相对地面的等效速度。EDTW所应满足的边界条件为:(1)发动机前端空间相等,即令Δv1为梯形BCt3t1的面积,即EDTW在t1到t3间的速度变化量。由式(1)和式(3)得(2)最大动态压缩量相等,即令Δv2为多边形CDEt5t3的面积,即EDTW在t3到t5间的速度变化量。由式(1)、式(2)和式(4)得因为车辆达到最大动态变形量时的速度为0,所以结合式(4)和式(6)即得v0=Δv1+Δv2(7)(3)整个碰撞过程的速度变化量相等令Δv为双梯形波与时间轴围成的面积,即EDTW的速度变化量,则令Δv3为三角形Et6t5的面积,即EDTW在t5到t6间的速度变化量,由式(4)、式(6)和式(8)得由上述推导过程可知式(4)、式(6)、式(7)和式(9)即为EDTW应满足的边界条件。此外,双梯形上边AB和CD的斜率s1和s2可由实车碰撞减速度曲线上ab和cd段的一阶最小二乘法拟合得到。2.3b点的坐标EDTW特征参数为其各特征点的坐标值。(1)特征点A的坐标xA和yAh1=-(t2-t1)s1(11)Δv1=[BC+(t3-t1)]h1/2(12)式中h1为ΔBt2t1的高。由式(10)、式(11)和式(12)即可得到t2和h1,从而获得B点的坐标值。DH=h2-h1=-(t4-t3)s2(14)Δv2=[DE+(t5-t3)]DH/2+(t5-t3)h1(15)式中h2为ΔEt6t5的高。由式(13)、式(14)和式(15)即可得到t4和h2,从而获得D点的坐标值。Δv3=(t6-t5)h2/2(16)由式(16)即可得到t6,从而获得F点的坐标值。3计算与分析3.1车试数学仿真模型图4是某车型在某次实车正面碰撞试验中车体的减速度波形,碰撞速度为48km/h,表1是通过式(6)~式(9)计算得到的相应的双梯形波上各特征点的坐标值,一阶最小二乘法拟合得到AB和CD的斜率s1和s2分别为-13703和-11813。图5所示的台车试验数学仿真模型源于碰撞分析软件MADYMO的模型库。文中利用该模型,以图4所示的实车碰撞减速度波形以及相应的双梯形波作为台车试验的目标波形,对两个波形造成的假人各主要伤害值进行了对比分析,并以此来评价将EDTW理论应用于正碰台车试验的可行性。选择台车试验的数学仿真模型进行双梯形波理论的正碰台车试验的可行性分析,主要基于如下考虑:(1)真实的物理试验中总是不可避免地存在一些对试验结果产生一定影响的不可控制的因素;(2)不可能将两次物理试验配置的完全一样;(3)数学仿真模型可以克服上述不足;(4)数学仿真模型即使存在一定误差,对试验结果的影响也是同向的。3.2模型求解结果欧美等国的汽车正面碰撞法规ECER94和FMVSS208以及国标CMVDR294均规定:模拟实车正面碰撞试验的台车试验的减速度波形经CFC180滤波后积分得到的速度曲线与实车正碰试验的速度曲线的偏差应在±1m/s内。图6所示的两条虚线分别是对某车型按照图4所示的减速度曲线进行台车试验时,台车速度的上下限,实线是按照相应EDTW进行台车试验时的速度曲线。可见EDTW下的速度曲线在台车试验所要求的速度上下限内,并且与实车碰撞的速度曲线偏差仅为-0.23~+0.32m/s,因此按照EDTW进行台车试验可以满足欧美以及国标等试验法规的要求。对比MADYMO求解后的动画文件,发现整个模拟过程中50百分位HybridⅢ假人的运动姿态非常一致。图7是模型运行到50ms和80ms时假人的运动姿态,图中左图为实车波形下假人的运动姿态,右图为EDTW下假人的运动姿态。从图中看,两种减速度波形下假人的运动姿态几乎没有任何差异。图8和图9对两种减速度波形下假人的头部和胸部的合成加速度时间历程进行了比较。图10和图11对两种减速度波形下假人的颈部张力以及颈部剪力的持续时间进行了比较。表2对假人的其它主要伤害值进行了比较。根据图8~图11以及表2,按照实车正碰车体减速度波形和相应EDTW进行的台车试验得到的假人伤害值,无论头胸部加速度的时间历程还是颈部受力的持续时间以及单个的假人伤害值,特别是与约束系统如气囊、安全带等高度相关的HIC、T3MS、CheatDeflection等伤害值,两者都吻合的相当好,可见用EDTW代替实车正碰减速度波形进行台车试验是完全可行的。4实车试验仿真结果分析根据等效双梯形波理论,可从实车正面碰撞试验的车体减速