CN104951604A - 泡沫材料高速冲击完整应力-应变曲线的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种泡沫材料高速冲击完整应力-应变曲线的获取方法，包含以下处理步骤：a、测试数据导入；b、数据滤波及截取；c、应力、应变数值计算；d、应力-应变曲线生成；e、应力-应变曲线拟合；f、应力-应变偏导数曲线的生成；g、应力-应变X轴坐标等间隔曲线的生成；h、应力-应变延伸段曲线的生成；i、曲线的合并；最后曲线数据导出；以得到泡沫缓冲零件高速冲击性能CAE仿真分析的必要输入信息，实现仿真计算。

Description

泡沫材料高速冲击完整应力-应变曲线的获取方法

技术领域

本发明涉及一种高速冲击试验测试数据处理方法，尤其是一种一种泡沫材料高速冲击完整应力--应变曲线的获取方法，属于测量测试数据分析技术领域。

背景技术

在汽车碰撞安全技术领域，使用泡沫材料零件实现对碰撞作用力的缓冲，已经在汽车地毯、顶蓬得到了大量的应用，以减少对人体的伤害。而碰撞安全试验都是一次性的，做完一次碰撞试验后，试验后的零件只能报废，不能再用于其它试验，同时试验中需要使用完整的汽车、壁障、人体假人等设施，这些设施成本是非常高的，而且耗费的时间、人力、物力都是非常庞大的。因此设计这些泡沫缓冲零件采用多次碰撞试验验证的方式是不可行的，这样人们自然想到借助CAE(计算机辅助工程)技术来设计这些泡沫缓冲零件。在进行泡沫缓冲零件高速冲击性能CAE仿真分析时，在CAE仿真软件中需要输入完整的以不同速度冲击泡沫材料情况下的应力-应变曲线，即是要输入应变范围[0，0.99]完整区间应力--应变曲线，而处于安全考虑及对测试设备的保护—冲头与测试支撑平台必须留有一定的安全距离，以避免发生冲头与测试支撑平台硬碰硬的情况(会产生极大的撞击音，对人的耳膜有损伤风险，同时对设备损伤也非常大，有可能直接损坏测试设备)，实际中很难获取到应变在0.85以上的曲线数据。而完整的材料在不同冲击速度下应力--应变曲线数据是进行泡沫材料高速冲击CAE仿真性能分析必要输入信息，如果没有这个数据的话，是没办法进行分析的，数据中包含上千个数据点信息，不同的材料在不同的冲击速度条件下，数据点信息都是不同的，因此不可能从网络渠道找到参考数据，只能从冲击试验中获得。

因此，制定出一种可行的获取泡沫材料高速冲击完整应力--应变曲线方法，对于成功地实施泡沫材料高速冲击性能CAE仿真分析具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种泡沫材料高速冲击完整应力-应变曲线的获取方法，从而得到泡沫缓冲零件高速冲击性能CAE仿真分析的必要输入信息，以实现仿真计算。本发明采用的技术方案是：

一种泡沫材料高速冲击完整应力-应变曲线的获取方法，包括下述步骤：

步骤(a)，测试数据导入：启动处理软件，导入泡沫材料冲击测试得到的冲头加速度-时间曲线；

步骤(b)，数据滤波及截取：按照SAE J211标准对导入的冲头加速度-时间曲线进行滤波处理，分别采用SAE60和SAE180方法进行滤波处理，分别得到两条滤波后的曲线Curve1和Curve2，然后截取有效的曲线数据段，数据起点为加速度发生明显变化的时刻T₁，数据终点为加速度最大值的时刻T₂；

步骤(c)，应力、应变计算：将曲线Curve1截取后的曲线中的Y向坐标点数据乘以冲头的质量M，根据公式F＝Ma，a为冲头加速度，计算得到泡沫材料作用在冲头上的反力F，冲头与泡沫材料之间的作用面为S，再依据公式：应力σ＝F/S，计算得到应力-时间曲线Curve3；

将曲线Curve2截取后的曲线中的Y向坐标点数据对时间求一次积分，并用冲击初速度V₀减去这个积分值，得到冲击过程实时速度V的速度-时间曲线Curve4，再对速度-时间曲线进行积分，得到位移d，用公式：应变ε＝d/t，计算得到应变-时间曲线Curve5，t为泡沫材料厚度；

步骤(d)，应力-应变曲线生成：以步骤(c)中得到的应变ε为横坐标，应力σ为纵坐标，生成应力-应变曲线Curve6；

步骤(e)，应力-应变曲线拟合：对经过步骤(d)得到的应力-应变曲线Curve6进行拟合光顺处理，得到应力-应变拟合曲线Curve7；

步骤(f)，应力-应变偏导数曲线生成：对应力-应变拟合曲线Curve7求偏导数得到应力-应变偏导数曲线Curve8；

步骤(g)，应力-应变X轴坐标等间隔曲线生成：对应力-应变拟合曲线Curve7，采用重采样算法工具，得到X坐标每隔Δε取一个坐标点的新的拟合曲线，即应力-应变X轴坐标等间隔曲线Curve9；

步骤(h)，应力-应变延伸段曲线生成：

应力-应变延伸段曲线的Y轴坐标应力σ_n+1用下面的公式(h1)和(h2)计算：

${\mathrm{\σ}}_{n+1}={\mathrm{\σ}}_n+\frac{\∂\mathrm{\σ}}{\∂\mathrm{\ϵ}}{|}_{\mathrm{\ϵ}1}{\left(\frac{1-{\mathrm{\ϵ}}_1}{1-{\mathrm{\ϵ}}_n}\right)}^m\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ},$ 其中ε_n>ε₁  (h1)

$m=\ln \left(\right({\mathrm{\σ}}_2-{\mathrm{\σ}}_1)/\frac{\∂\mathrm{\σ}}{\∂\mathrm{\ϵ}}{|}_{\mathrm{\ϵ}1}\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ})/ln\left(\frac{1-{\mathrm{\ϵ}}_1}{1-{\mathrm{\ϵ}}_2}\right),$ 其中ε₂>ε₁  (h2)

其中，n为正整数，m是一个系数，(ε₁,σ₁)和(ε₂,σ₂)为应力-应变X轴坐标等间隔曲线Curve9的最后两个间隔点，同时(ε₂,σ₂)又作为应力-应变延伸段曲线的第一个点；通过应力-应变偏导数曲线Curve8求得；应力-应变延伸段曲线的X轴坐标从ε₂开始取值，每隔Δε取一个点，用上述公式(h1)和(h2)计算得到Y轴坐标值，生成应力-应变延伸段曲线Curve10；

步骤(i)，曲线合并：将步骤(g)和步骤(h)中得到的应力-应变X轴坐标等间隔曲线Curve9和应力-应变延伸段曲线Curve10进行合并，即得到完整的应变变化区间的应力-应变曲线Curve11。

进一步地，所述步骤(e)中拟合光顺处理的方法是，采用多项式拟合，采用4～7阶多项式拟合，直接调用有限元后处理软件hypergraph中的curvefit工具，输入拟合的阶数，即可得到应力-应变拟合曲线。

进一步地，步骤(g)中，Δε＝0.01。

本发明的优点：本发明提供了一种可行的获取泡沫材料高速冲击完整应力-应变曲线方法，对于成功地实施泡沫材料高速冲击性能CAE仿真分析具有非常重要的意义。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明曲线延伸处理方法的示意图。

图3为本发明实施例加速度-时间曲线。

图4为本发明实施例加速度-时间滤波曲线。

图5为本发明实施例加速度-时间截断曲线。

图6为本发明实施例应力-时间曲线。

图7为本发明实施例速度-时间曲线。

图8为本发明实施例应变-时间曲线。

图9为本发明实施例应力-应变曲线。

图10为本发明实施例应力-应变拟合曲线。

图11为本发明实施例应力-应变偏导数曲线。

图12为本发明实施例应力-应变X轴坐标等间隔曲线。

图13为本发明实施例应力-应变延伸段曲线。

图14为本发明实施例完整应力-应变曲线。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

一种EPS泡沫材料冲击测试完整应力--应变曲线生成过程，包含以下步骤：

本例中，冲头质量M＝13kg，冲头的冲击初速度V₀＝8.04m/s，冲击作用区域面积s＝0.007056m²，被冲击材料(即泡沫材料)的厚度t＝0.05m；

步骤(a)，测试数据导入：启动有限元后处理软件hypergraph，导入泡沫材料冲击测试得到的冲头加速度(a)--时间(T)曲线，如图3所示；横坐标为时间；

步骤(b)，数据滤波及截取：按照SAE J211标准对导入的冲头加速度-时间曲线进行滤波处理，分别采用SAE60和SAE180方法进行滤波处理，分别得到两条滤波后的曲线Curve1和Curve2，如图4所示；然后截取有效的曲线数据段，数据起点为加速度发生明显变化的时刻T₁，数据终点为加速度最大值的时刻T₂，如图5所示；加速度发生明显变化是指加速度变化率超过一个设定阈值的情况，或加速度大小超过一个设定阈值的情况；

SAE J211标准是美国汽车工程学会标准，而SAE60和SAE180是SAE J211标准中规定的滤波方法。

步骤(c)，应力、应变计算：将曲线Curve1截取后的曲线中的Y向坐标点数据乘以冲头的质量M＝13kg，根据公式F＝Ma，a为冲头加速度，计算得到泡沫材料作用在冲头上的反力F，冲头与泡沫材料之间的作用面S为0.007056m²，再依据公式应力σ＝F/S计算得到应力-时间曲线Curve3(如图6)；

将曲线Curve2截取后的曲线中的Y向坐标点数据对时间求一次积分，并用冲击初速度V₀减去这个积分值，得到冲击过程实时速度V的速度-时间曲线Curve4(如图7)，再对速度-时间曲线进行积分，得到位移d，用公式应变ε＝d/t计算得到应变-时间曲线Curve5(如图8)，泡沫材料厚度t＝0.05m；

步骤(d)，应力-应变曲线生成：以步骤(c)中得到的应变ε为横坐标，应力σ为纵坐标，生成应力σ-应变ε曲线Curve6(如图9)；Curve6的横坐标是应变ε，纵坐标是应力σ；

步骤(e)，应力-应变曲线拟合：在CAE数值模拟计算过程中，要求所有输入的材料应力-应变曲线不能出现交叉，同时输入的曲线是连续平滑的，否则无法实施计算；而经过步骤(d)得到的曲线不平滑，而且因为实验过程非理想条件，存在一些干扰信号，曲线会有波动存在，必须进行拟合光顺处理，得到应力-应变拟合曲线Curve7(如图10)；

步骤(f)，应力-应变偏导数曲线生成：对应力-应变拟合曲线Curve7求偏导数得到应力-应变偏导数曲线Curve8(如图11)；待用；

步骤(g)，应力-应变X轴坐标等间隔曲线生成：对应力-应变拟合曲线Curve7，采用重采样算法工具，比如resample，取频率为100，得到X坐标每隔Δε＝0.01取一个坐标点的新的拟合曲线，即应力-应变X轴坐标等间隔曲线Curve9(如图12)；

步骤(h)，应力-应变延伸段曲线生成：

应力-应变延伸段曲线的Y轴坐标应力σ_n+1用下面的公式(h1)和(h2)计算：

${\mathrm{\σ}}_{n+1}={\mathrm{\σ}}_n+\frac{\∂\mathrm{\σ}}{\∂\mathrm{\ϵ}}{|}_{\mathrm{\ϵ}1}{\left(\frac{1-{\mathrm{\ϵ}}_1}{1-{\mathrm{\ϵ}}_n}\right)}^m\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ},$ 其中ε_n>ε₁  (h1)

$m=\ln \left(\right({\mathrm{\σ}}_2-{\mathrm{\σ}}_1)/\frac{\∂\mathrm{\σ}}{\∂\mathrm{\ϵ}}{|}_{\mathrm{\ϵ}1}\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ})/ln\left(\frac{1-{\mathrm{\ϵ}}_1}{1-{\mathrm{\ϵ}}_2}\right),$ 其中ε₂>ε₁  (h2)

其中，n为正整数，m是一个系数，(ε₁,σ₁)和(ε₂,σ₂)为应力-应变X轴坐标等间隔曲线Curve9的最后两个间隔的点，同时(ε₂,σ₂)又作为应力-应变延伸段曲线的第一个点；通过应力-应变偏导数曲线Curve8求得；应力-应变延伸段曲线的X轴坐标从ε₂开始取值，每隔Δε取一个点，用上述公式(h1)和(h2)计算得到Y轴坐标值，生成应力-应变延伸段曲线Curve10；

本例中，取应力-应变X轴坐标等间隔曲线Curve9的最后两个间隔的点作为公式(h1)和(h2)的输入点：

ε₁＝0.74，σ₁＝8.7017；

ε₂＝0.75，σ₂＝10.288

Δε＝0.01， $\mathrm{\ξ}=\frac{\∂\mathrm{\σ}}{\∂\mathrm{\ϵ}}{|}_{\mathrm{\ϵ}1}=144.651;$

可计算得到m＝2.352086；

然后应力-应变延伸段曲线的X轴坐标从0.75开始取值，每隔0.01取一个点，用公式计算得到Y轴坐标值，生成应力-应变延伸段曲线Curve10(如图13所示)；

步骤(i)，曲线合并：将步骤(g)和步骤(h)中得到的应力-应变X轴坐标等间隔曲线Curve9和应力-应变延伸段曲线Curve10进行合并，即得到完整的应变变化[0,0.99]区间的应力-应变曲线Curve11(如图14所示)；

最后可将完整的应变变化区间的应力-应变曲线Curve11为*.dat格式，即可供后续CAE仿真计算输入用。

所述步骤(a)中加速度(a)--时间(T)曲线文件为csv格式或dat格式。

所述步骤(e)中拟合光顺处理的方法是，采用多项式拟合，一般采用4～7阶多项式拟合，直接调用hypergraph中的curvefit工具，输入拟合的阶数，即可得到拟合曲线。或者采用现有技术中的其它的对曲线光顺处理的方法。

各附图中，ε表示应变，σ表示应力。

Claims (3)

1.一种泡沫材料高速冲击完整应力-应变曲线的获取方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤(a)，测试数据导入：启动处理软件，导入泡沫材料冲击测试得到的冲头加速度-时间曲线；

步骤(b)，数据滤波及截取：按照SAE J211标准对导入的冲头加速度-时间曲线进行滤波处理，分别采用SAE60和SAE180方法进行滤波处理，分别得到两条滤波后的曲线Curve1和Curve2，然后截取有效的曲线数据段，数据起点为加速度发生明显变化的时刻T₁，数据终点为加速度最大值的时刻T₂；

步骤(c)，应力、应变计算：将曲线Curve1截取后的曲线中的Y向坐标点数据乘以冲头的质量M，根据公式F＝Ma，a为冲头加速度，计算得到泡沫材料作用在冲头上的反力F，冲头与泡沫材料之间的作用面为S，再依据公式：应力σ＝F/S，计算得到应力-时间曲线Curve3；

将曲线Curve2截取后的曲线中的Y向坐标点数据对时间求一次积分，并用冲击初速度V₀减去这个积分值，得到冲击过程实时速度V的速度-时间曲线Curve4，再对速度-时间曲线进行积分，得到位移d，用公式：应变ε＝d/t，计算得到应变-时间曲线Curve5，t为泡沫材料厚度；

步骤(d)，应力-应变曲线生成：以步骤(c)中得到的应变ε为横坐标，应力σ为纵坐标，生成应力-应变曲线Curve6；

步骤(e)，应力-应变曲线拟合：对经过步骤(d)得到的应力-应变曲线Curve6进行拟合光顺处理，得到应力-应变拟合曲线Curve7；

步骤(f)，应力-应变偏导数曲线生成：对应力-应变拟合曲线Curve7求偏导数得到应力-应变偏导数曲线Curve8；

步骤(g)，应力-应变X轴坐标等间隔曲线生成：对应力-应变拟合曲线Curve7，采用重采样算法工具，得到X坐标每隔Δε取一个坐标点的新的拟合曲线，即应力-应变X轴坐标等间隔曲线Curve9；

步骤(h)，应力-应变延伸段曲线生成：

应力-应变延伸段曲线的Y轴坐标应力σ_n+1用下面的公式(h1)和(h2)计算：

${\mathrm{\σ}}_{n+1}={\mathrm{\σ}}_n+\frac{\∂\mathrm{\σ}}{\∂\mathrm{\ϵ}}{|}_{\mathrm{\ϵ}1}{\left(\frac{1-{\mathrm{\ϵ}}_1}{1-{\mathrm{\ϵ}}_n}\right)}^m\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ},$ 其中ε_n>ε₁   (h1)

$m=ln\left(\right({\mathrm{\σ}}_2-{\mathrm{\σ}}_1)/\frac{\∂\mathrm{\σ}}{\∂\mathrm{\ϵ}}{|}_{\mathrm{\ϵ}1}\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ})/ln\left(\frac{1-{\mathrm{\ϵ}}_1}{1-{\mathrm{\ϵ}}_2}\right),$ 其中ε₂>ε₁   (h2)

其中，n为正整数，m是一个系数，(ε₁,σ₁)和(ε₂,σ₂)为应力-应变X轴坐标等间隔曲线Curve9的最后两个间隔点，同时(ε₂,σ₂)又作为应力-应变延伸段曲线的第一个点；通过应力-应变偏导数曲线Curve8求得；应力-应变延伸段曲线的X轴坐标从ε₂开始取值，每隔Δε取一个点，用上述公式(h1)和(h2)计算得到Y轴坐标值，生成应力-应变延伸段曲线Curve10；

步骤(i)，曲线合并：将步骤(g)和步骤(h)中得到的应力-应变X轴坐标等间隔曲线Curve9和应力-应变延伸段曲线Curve10进行合并，即得到完整的应变变化区间的应力-应变曲线Curve11。

2.如权利要求1所述的泡沫材料高速冲击完整应力-应变曲线的获取方法，其特征在于：

所述步骤(e)中拟合光顺处理的方法是，采用多项式拟合，采用4～7阶多项式拟合，直接调用有限元后处理软件hypergraph中的curvefit工具，输入拟合的阶数，即可得到应力-应变拟合曲线。

3.如权利要求1所述的泡沫材料高速冲击完整应力-应变曲线的获取方法，其特征在于：

步骤(g)中，Δε＝0.01。