CN106124345A - 获取冲击测试中冲头局部受力情况的方法 - Google Patents

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阮静
黄威
田秀杰
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    • G01N3/30—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying a single impulsive force, e.g. by falling weight
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Abstract

本发明涉及一种获取冲击测试中冲头局部受力情况的方法，属于测量测试数据处理技术领域。其通过冲击测试准备、冲击测试实施、冲击过程总的受力F测试和位移S测试的计算、全局受力F测试‑S测试曲线创建以及局部受力与全局受力关系曲线获取得以实现。本发明借助CAE数值模拟计算工具，通过仿真计算找出局部受力与全局受力的比例关系，实现直接测试得到的数据向特定分析区域的转化，解决了现行冲击测试无法直接输出冲头局部区域受力情况的难题，满足了对冲击测试结果进行性能判定的需求，从而能更好的符合客户对产品的特定要求。

Description

获取冲击测试中冲头局部受力情况的方法
技术领域
本发明涉及一种获取冲击测试中冲头局部受力情况的方法，尤其是一种泡沫材料高速冲击时受力信息的获取方法，属于测量测试数据处理技术领域。
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、顶蓬等产品上得到了大量的应用，以减少对人体的伤害。在整车碰撞测试以前，一般都需要对由泡沫材料制作的用作冲击缓冲功能的单品零件(如地毯缓冲块，顶蓬缓冲块)进行冲击测试，从零件级的基础上对缓冲性能进行判定，在零件级满足要求的前提下，再进行整车碰撞测试。
地毯吸能块的冲击测试是模拟碰撞过程中人脚与吸能块之间的相互作用，因此冲头的形状为鞋型，但是顾客对该产品的性能判断分为脚跟，脚掌两部分的受力情况，脚跟，脚掌两部分的受力情况都需要满足性能要求(如图2～图7所示)。
实际测试时，采集的数据为鞋型冲头在碰撞过程中加速度a--时间t(a-t)变化曲线，以及初始冲击的速度V0，根据这些数据只能计算得到整个冲头在碰撞过程中的力F--时间t(F-t)曲线,以及冲头的位移S--时间t(S-t)曲线，因为冲击过程中鞋型冲头底面与吸能块之间接触的面积是不断变化的，图5中指定的区域4的实际的受力面积与总体的鞋型底面受力面积之间不是恒定的比值，因此从测试中很难分离出图5中区域4和区域5对应的整个冲击过程的受力情况，这样就无法对测试结果能否满足性能要求做出判定。
可以想到的解决方案是在泡沫块指定区域上安装一个应力传感器，然后通过应力乘以受力面积计算得到力。但是应力传感器只能测试线弹性变化范围的应力，而冲击过程泡沫变形是非线弹性的，应力传感器不适用于采集数据。另外的方案是直接采用力传感器，与应力传感器一样，同样测试的是零件在弹性变形范围的力，同时传感器需要粘贴到冲击物体上，由于冲击过程中产生的力一般都非常大，峰值会达到上百千牛(KN)，容易损坏传感器，从而无法测试数据，因此采用力传感器采集数据同样不可行。
综上所述，制定出一种可行的获取冲击测试中冲头局部受力情况的方法，对于泡沫吸能块缓冲性能的判定具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种获取冲击测试中冲头局部受力情况的方法，从而得到泡沫缓冲块高速冲击过程中局部受力信息，实现泡沫缓冲块缓冲吸能性能的判定。
按照本发明提供的技术方案，一种获取冲击测试中冲头局部受力情况的方法，步骤如下：
(1)冲击测试准备：将泡沫缓冲块固定，并将加速度传感器固定到冲头上，在跌落冲击导轨上在冲击点的位置附近固定激光速度传感器；
(2)冲击测试实施：冲头自设定的高度自由落体运动，与泡沫缓冲块发生碰撞，用加速度传感器记录冲击过程的加速度a，用速度传感器记录冲击冲头开始接触泡沫缓冲块瞬间的速度V0；
(3)冲击过程总的受力F测试和S测试的计算：利用公式F测试＝Ma，计算受力，利用公式来计算冲击过程位移，其中t0为冲击碰撞开始时间，t为冲击过程中的某一个时间；
(4)全局受力F测试-S测试曲线创建：以步骤(3)中得到的S测试为横坐标，F测试为纵坐标，创建F测试-S测试曲线；
(5)局部受力与全局受力关系曲线获取：
a、冲击测试CAE建模：启动CAE建模软件hypermesh，导入泡沫缓冲块及冲头的几何3D数据，按照测试条件，设定边界约束条件及冲击速度，建立冲击分析CAE模型；
b、冲击测试仿真分析：在CAE模型中，分别建立冲头整体与泡沫缓冲块之间的总接触，以及冲头整体与泡沫缓冲块指定的计算区域1和2之间的子接触1和子接触2；随后在CAE输出设置中，设定输出总接触，子接触1和子接触2的受力时间历程曲线F-t、F1-t和F2-t以及冲头的位移曲线S-t，提交求解运算；
c、局部与全局受力比例曲线计算：利用CAE分析后处理软件hypergraph,输出步骤b中设置的F-t、F1-t、F2-t及S-t，截取曲线有效的分析区域，然后以位移S为横坐标，力为纵坐标，分别作出F-S、F1-S和F2-S曲线，最后作出局部受力对位移的比例曲线(F1/F)-S及(F2/F)-S；
d、比例关系曲线重采样：对经过步骤c得到的局部受力对位移的比例曲线(F1/F)-S及(F2/F)-S进行重采样，得到重采样曲线(F1/F)1-S1及(F2/F)1-S1；
(6)测试冲头全局受力曲线重采样：对步骤(4)中得到的F测试-S测试曲线重采样，采样频率取与步骤(5)-d中采样频率相同，得到重采样曲线(F测试)1-(S测试)1，以保证(S测试)1与步骤(5)-d的横坐标S能相对应；
(7)局部受力计算：用步骤(5)-d中得到的曲线(F1/F)1-S1及(F2/F)1-S1与步骤(6)得到的曲线F测试)1-(S测试)1相乘，即可得到冲头局部受力曲线F1测试-(S测试)1及F2测试-(S测试)1；
(8)性能判定及曲线导出：将步骤(7)所得曲线F1测试-(S测试)1及F2测试-(S测试)1与客户的性能要求曲线进行比较，可根据需要对坐标轴进行必要的变换，若性能要求曲线中横坐标为Stroke(％)，则依公式Stroke(％)＝S测试/h，其中h为缓冲材料在冲击区域对应的厚度，即可实施性能判定；
本发明的有益效果：本发明提供了一种可行的冲击测试中冲头局部受力情况的方法，对于泡沫吸能块缓冲性能的判定具有非常重要的意义。本发明借助CAE数值模拟计算工具，通过仿真计算找出局部受力与全局受力的比例关系，实现直接测试得到的数据向特定分析区域的转化，解决了现行冲击测试无法直接输出冲头局部区域受力情况的难题，满足了对冲击测试结果进行性能判定的需求，从而能更好的符合客户对产品的特定要求。
附图说明
图1为本发明局部受力情况获取流程图。
图2为本发明鞋型冲头示意图。
图3为冲击测试示意图。
图4为冲击测试受力分析区域示意图。
图5为区域1性能要求曲线示意图。
图6为区域2性能要求曲线示意图。
图7为本发明实施例例力F-时间t曲线。
图8为本发明实施例位移S-时间t曲线。
图9为本发明实施例力F-位移S曲线。
图10为本发明实施例(F1/F)-S及(F2/F)-S曲线。
图11为本发明实施例重采样(F1/F)1-S1及(F2/F)1-S1曲线。
图12为本发明实施例测试重采样F测试-S测试曲线。
图13为本发明实施例F1测试-(S测试)1及F2测试-(S测试)1曲线。
图14性能判定曲线示例1。
图15性能判定曲线示例2。
图16性能判定曲线示例3。
附图标记说明：1、鞋型冲头；2、泡沫缓冲块；3、分析区域1；4、分析区域2。
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。
一种冲击测试中冲头局部受力情况的方法，如图1所示，包含以下步骤：
本例中，冲头质量M＝9kg，冲头的冲击初速度V0＝4.714m/s，冲击作用区域1和区域2的尺寸大小为84mm×84mm，冲击对象为某一副驾驶侧地毯下吸能块；
(1)冲击测试准备：将地毯缓冲块2固定，并将加速度传感器固定到冲头1上，在跌落冲击导轨上在冲击点的位置附近固定激光速度传感器；
(2)冲击测试实施：冲头自设定的高度自由落体运动，与地毯缓冲块2发生碰撞，用加速度传感器记录冲击过程的加速度a，用速度传感器记录冲击冲头开始接触泡沫缓冲块瞬间的速度V0；
(3)冲击过程总的受力F测试和S测试的计算：利用公式F测试＝Ma，计算受力，利用公式来计算冲击过程位移，其中t0为冲击碰撞开始时间，t为冲击过程中的某一个时间；
(4)全局受力F测试-S测试曲线创建：以步骤(3)中得到的S测试为横坐标，F测试为纵坐标，创建F测试-S测试曲线；
(5)局部受力与全局受力关系曲线获取，包含如下步骤：
a、冲击测试CAE建模：启动CAE建模软件hypermesh，导入地毯缓冲块及冲头的几何3D数据，按照测试条件，设定边界约束条件及冲击速度，建立冲击分析CAE模型；
b、冲击测试仿真分析：在CAE模型中，分别建立冲头整体与泡沫缓冲块之间的总接触(interface),以及冲头整体与泡沫指定的计算区域1和计算区域2之间的子接触1(sub-interface)和子接触2，随后在CAE输出设置中，设定输出总接触，子接触1和子接触2的受力时间历程曲线F-t、F1-t和F2-t以及冲头的位移曲线S-t,提交求解运算；
c、局部与全局受力比例曲线计算：利用CAE分析后处理软件hypergraph,输出步骤b中设置的F-t、F1-t、F2-t(图7)及S-t(图8)，截取曲线有效的分析区域，然后以位移S为横坐标，力为纵坐标，分别作出F-S,F1-S,F2-S(图9)曲线，最后作出局部受力对位移的比例曲线(F1/F)-S及(F2/F)-S(图10)；
d、比例关系曲线重采样(resample)：对经过步骤c得到的局部受力对位移的比例曲线(F1/F)-S及(F2/F)-S进行重采样，得到重采样曲线(F1/F)1-S1及(F2/F)1-S1(图11)；
(6)测试冲头全局受力曲线重采样：对测试全局受力曲线F测试-S测试重采样，采样频率取与步骤(5)-d中相同的采样频率，得到重采样曲线(F测试)1-(S测试)1(图12)，以保证(S测试)1与步骤(d)的横坐标S能相对应；
(7)计算局部受力曲线计算情况：用步骤(5)-d中得到的曲线(F1/F)1-S1及(F2/F)1-S1与步骤e得到的曲线相乘，即可得到冲头局部受力曲线F1测试-(S测试)1及F2测试-(S测试)1(图13)；
(8)性能判定及曲线导出：将步骤(7)所得曲线F1测试-(S测试)1及F2测试-(S测试)1与客户的性能要求曲线进行比较(图14～16)，可根据需要对坐标轴进行必要的变换，若性能要求曲线中横坐标为Stroke(％)，则依公式Stroke(％)＝S测试/h，其中h为缓冲材料在冲击区域对应的厚度，即可实施性能判定：
图14所示例1中，从曲线比较看，材料在变形达到30％时，受力仍未达到下限值，因此性能判定不合格；
图15所示例2中，从曲线比较看，材料在变形达到60％时，受力也未达到下限值，因此性能判定同样不合格；
图16所示例3中，从曲线比较看，材料变形在15％以上时，受力曲线夹在性能要求上下限期间，在变形在70％时，未超出上限，综合对能量吸收的要求的计算，最终判定性能是合格的；
所述步骤(3)～(7)中曲线的横纵坐标必须采用相同的单位制，推荐力的单位为KN，位移的单位为mm，时间的单位为ms；
所述步骤(5)-d中步骤(6)中对曲线重采样时，必须采用同样的采样频率，推荐采样频率为10Hz，这样可以得到位移每增加0.1情况下力的变化情况；采样频率取太高，会产生过多的数据点，导致计算速度下降，采样频率太低，会降低计算精度，同时有数据丢失的风险。

Claims (2)

1.获取冲击测试中冲头局部受力情况的方法，其特征是步骤如下：
(1)冲击测试准备：将泡沫缓冲块固定，并将加速度传感器固定到冲头上，在跌落冲击导轨上在冲击点的位置附近固定激光速度传感器；
(2)冲击测试实施：冲头自设定的高度自由落体运动，与泡沫缓冲块发生碰撞，用加速度传感器记录冲击过程的加速度a，用速度传感器记录冲击冲头开始接触泡沫缓冲块瞬间的速度V0；
(3)冲击过程总的受力F测试和位移S测试的计算：利用公式F测试＝Ma，计算受力，利用公式来计算冲击过程位移，其中t0为冲击碰撞开始时间，t为冲击过程中的某一个时间；
(4)全局受力F测试-S测试曲线创建：以步骤(3)中得到的S测试为横坐标，F测试为纵坐标，创建F测试-S测试曲线；
(5)局部受力与全局受力关系曲线获取：
a、冲击测试CAE建模：启动CAE建模软件hypermesh，导入泡沫缓冲块及冲头的几何3D数据，按照测试条件，设定边界约束条件及冲击速度，建立冲击分析CAE模型；
b、冲击测试仿真分析：在CAE模型中，分别建立冲头整体与泡沫缓冲块之间的总接触，以及冲头整体与泡沫缓冲块指定的计算区域1和2之间的子接触1和子接触2；随后在CAE输出设置中，设定输出总接触，子接触1和子接触2的受力时间历程曲线F-t、F1-t和F2-t以及冲头的位移曲线S-t，提交求解运算；
c、局部与全局受力比例曲线计算：利用CAE分析后处理软件hypergraph,输出步骤b中设置的F-t、F1-t、F2-t及S-t，截取曲线有效的分析区域，然后以位移S为横坐标，力为纵坐标，分别作出F-S、F1-S和F2-S曲线，最后作出局部受力对位移的比例曲线(F1/F)-S及(F2/F)-S；
d、比例关系曲线重采样：对经过步骤c得到的局部受力对位移的比例曲线(F1/F)-S及(F2/F)-S进行重采样，得到重采样曲线(F1/F)1-S1及(F2/F)1-S1；
(6)测试冲头全局受力曲线重采样：对步骤(4)中得到的F测试-S测试曲线重采样，采样频率取与步骤(5)-d中采样频率相同，得到重采样曲线(F测试)1-(S测试)1，以保证(S测试)1与步骤(5)-d的横坐标S能相对应；
(7)局部受力计算：用步骤(5)-d中得到的曲线(F1/F)1-S1及(F2/F)1-S1与步骤(6)得到的曲线F测试)1-(S测试)1相乘，即可得到冲头局部受力曲线F1测试-(S测试)1及F2测试-(S测试)1；
(8)性能判定及曲线导出：对对所得数据进行后期的计算处理及性能的判定。
2.如权利要求1所述获取冲击测试中冲头局部受力情况的方法，其特征是步骤(8)具体处理过程为：将步骤(7)所得曲线F1测试-(S测试)1及F2测试-(S测试)1与所需性能要求曲线进行比较，可根据需要对坐标轴进行必要的变换，若性能要求曲线中横坐标为Stroke(％)，则依公式Stroke(％)＝S测试/h，其中h为缓冲材料在冲击区域对应的厚度，即可实施性能判定。
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