CN111400648B - 一种用于量化评价汽车正面碰撞波形强度的方法 - Google Patents

一种用于量化评价汽车正面碰撞波形强度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于量化评价汽车正面碰撞波形强度的方法，包括：建立模型及微分方程、获取车身加速度数据进行处理、获取微分方程的解、获得车内乘员的x向加速度严重度曲线ASP及加速度严重度指标ASI。本发明所述的一种用于量化评价汽车正面碰撞波形强度的方法，可以通过对车身加速度数据采集及处理，建立模型及计算、直接量化汽车正面碰撞波形强度，不依赖于现有的依靠碰撞中车内假人伤害值进行评价的方法，为车辆开发前期的车身结构安全性能优劣提供量化评价，降低后期乘员约束系统匹配的难度和开发成本。

Description

一种用于量化评价汽车正面碰撞波形强度的方法
技术领域
本发明属于汽车碰撞安全领域，尤其是涉及一种用于量化评价汽车正面碰撞波形强度的方法。
背景技术
汽车碰撞试验是验证汽车安全性能最直接有效的测试分析方法，通过考核汽车碰撞试验中对乘员的保护情况来评价汽车安全性能的优劣。而影响汽车安全性的主要因素包括车身结构和乘员约束系统两方面，车身结构的作用是在碰撞过程中吸收碰撞能量并保护乘员舱的完整性，其决定了汽车安全性能的基础；而乘员约束系统，则根据车身加速度水平，匹配合适的气囊、安全带等约束系统参数，以使乘员保护性能达到最优解，其作用在于汽车安全性基础的条件下尽量优化对乘员的保护，而碰撞过程中车身加速度是直接反映汽车碰撞过程车身结构表现的一个重要参数，其与乘员伤害存在紧密关联。但在现有技术条件下，对于乘员保护的评价标准，都是基于碰撞中假人伤害值进行的，评价对象是车身结构和约束系统的整体，很难直接地量化车身结构对乘员伤害的相关性与严重性。但是在车辆开发过程中，通常都是先确定车身结构，后期再基于车身加速度匹配乘员约束系统参数，因此车辆开发前期对车身结构决定的正面碰撞波形强度的评估至关重要，通过量化评估正面碰撞波形强度，判定车身结构的优劣，能够尽早确定乘员约束系统匹配难度、最优解的优化程度，可以在开发参数冻结之前有针对性地调整车身结构，降低后期乘员约束系统匹配的难度和开发成本。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种用于量化评价汽车正面碰撞波形强度的方法，可以通过对车身加速度数据采集及处理，建立模型及计算、直接量化汽车正面碰撞波形强度，不依赖于现有的依靠碰撞中车内假人伤害值进行评价的方法，为车辆开发前期的车身结构安全性能优劣提供量化评价，降低后期乘员约束系统匹配的难度和开发成本。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于量化评价汽车正面碰撞波形强度的方法，包括：
步骤1：建立模型及微分方程：
以x向开始，将车身碰撞中车辆与车内乘员简化为质量弹簧模型，其中M为碰撞车辆质量，m为乘员质量，k为安全带刚度系数，s为乘员与约束系统的初始松弛量，x(t)为车辆碰撞过程运动方程，y(t)为车内乘员运动方程；定义碰撞初始时刻为0时刻，碰撞结束时刻为T时刻，则x(t)和y(t)的定义域为t∈[0，T]，定义边界条件x(0)＝0，y(0)＝0，x的二阶导数
Figure BDA0002388915220000021
为车辆车身加速度时间函数，对应实车碰撞中车身B柱加速度信号；y的二阶导数
Figure BDA0002388915220000022
为车内乘员的加速度时间函数，即x向加速度严重度曲线ASP；
进一步，根据几何关系和力学原理，分段函数如下：
Figure BDA0002388915220000023
令
Figure BDA0002388915220000024
则上式可转化为微分方程：
Figure BDA0002388915220000025
步骤2：获取车身加速度数据进行处理：
车身加速度并非关于时间的连续函数，而是离散数据点，因此可以将步骤1中的x(t)，
Figure BDA0002388915220000037
y(t)，
Figure BDA0002388915220000038
(t∈[0，T])，分别表示为Xdi，Xvi，Xai，Ydi，Yvi，Yai，(i＝0，1，...，fT)，其中f为采样频率，Xai为碰撞中车身加速度数据，由于采样频率f较高，并且碰撞时间T通常为0.1s～0.2s，二者之间相差三个数量级，因此可以认为车身加速度Xai和Xai+1之间的x(t)是线性的，利用数值积分可得：
Figure BDA0002388915220000031
步骤3：获取微分方程第一阶段的解：
在步骤1-2可知，Xdi的初值Xd0＝0，且碰撞前期Xdi递增，因此可以找到一点is，使得
Figure BDA0002388915220000035
且
Figure BDA0002388915220000036
因此步骤1中微分方程第一阶段的解，可以表示为：
Figure BDA0002388915220000032
步骤4：获取微分方程第二阶段的解：
在步骤2-3可知，微分方程第二阶段的边界初值，已在第一阶段末尾确定：
Figure BDA0002388915220000033
使用4阶Runge-Kutta方法求解其数值解如下：
Figure BDA0002388915220000034
Figure BDA0002388915220000041
步骤5：根据步骤3-4计算结果，获得车内乘员的x向加速度严重度曲线ASP，即Yai；
计算方法如下：
Figure BDA0002388915220000042
步骤6：进行ASP矢量合成；
选择使用其他方向车身加速度作为系统输入，重复步骤2-5，获得y和z方向的Yai，进行碰撞过程中车内乘员X、Y、Z三向加速度ASP矢量合成：
Figure BDA0002388915220000043
步骤7：加速度严重度指标ASI；
ASP矢量合成后的最大值作为加速度严重度指标ASI，用以量化评价汽车正面碰撞波形强度，实现车身结构产生的碰撞加速度对乘员伤害的严重水平预估；
ASI＝max(ASP)
进一步的，在步骤2中，Xai采用多点加速度传感器平均值，在车辆左侧B柱上方、左侧B柱下方、右侧B柱上方、右侧B下方，共计四个位置布置加速度传感器，分别表示为LUai，LLi，RUi，RLi，(I＝0，1，...，fT)，Xai取其平均值：
Xai＝Average(LUai，LLi，RUi，RLi)。
进一步的，在步骤2中，f＝10kHz，即离散数据点时间间距为δ＝0.0001s。
相对于现有技术，本发明所述的一种用于量化评价汽车正面碰撞波形强度的方法，具有以下优势：
本发明所述的一种用于量化评价汽车正面碰撞波形强度的方法，可以通过对车身加速度数据采集及处理，建立模型及计算、直接量化汽车正面碰撞波形强度，不依赖于现有的依靠碰撞中车内假人伤害值进行评价的方法，为车辆开发前期的车身结构安全性能优劣提供量化评价，降低后期乘员约束系统匹配的难度和开发成本。
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一种用于量化评价汽车正面碰撞波形强度的方法流程示意图；
图2为本发明实施例所述的一种用于量化评价汽车正面碰撞波形强度的方法步骤1示意图；
图3为本发明实施例所述的一种用于量化评价汽车正面碰撞波形强度的方法步骤2示意图。
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。
如图1-3所示，一种用于量化评价汽车正面碰撞波形强度的方法，包括：
步骤1：建立模型及微分方程：
以x向开始，将车身碰撞中车辆与车内乘员简化为质量弹簧模型，其中M为碰撞车辆质量，m为乘员质量，k为安全带刚度系数，s为乘员与约束系统的初始松弛量，x(t)为车辆碰撞过程运动方程，y(t)为车内乘员运动方程；定义碰撞初始时刻为0时刻，碰撞结束时刻为T时刻，则x(t)和y(t)的定义域为t∈[0，T]，定义边界条件x(0)＝0，y(0)＝0，x的二阶导数
Figure BDA0002388915220000071
为车辆车身加速度时间函数，对应实车碰撞中车身B柱加速度信号；y的二阶导数
Figure BDA0002388915220000072
为车内乘员的加速度时间函数，即x向加速度严重度曲线ASP；
进一步，根据几何关系和力学原理，分段函数如下：
Figure BDA0002388915220000073
令
Figure BDA0002388915220000074
则上式可转化为微分方程：
Figure BDA0002388915220000075
步骤2：获取车身加速度数据进行处理：
车身加速度并非关于时间的连续函数，而是离散数据点，因此可以将步骤1中的x(t)，
Figure BDA0002388915220000078
y(t)，
Figure BDA0002388915220000079
(t∈[0，T])分别表示为Xdi，Xvi，Xai，Ydi，Yvi，Yai，(i＝0，1，...，fT)，其中f为采样频率，Xai为碰撞中车身加速度数据，由于采样频率f较高，并且碰撞时间T通常为0.1s～0.2s，二者之间相差三个数量级，因此可以认为车身加速度Xai和Xai+1之间的x(t)是线性的，利用数值积分可得：
Figure BDA0002388915220000077
步骤3：获取微分方程第一阶段的解：
在步骤1-2可知，Xdi的初值Xd0＝0，且碰撞前期Xdi递增，因此可以找到一点is，使得
Figure BDA0002388915220000085
且
Figure BDA0002388915220000086
因此步骤1中微分方程第一阶段的解，可以表示为：
Figure BDA0002388915220000081
步骤4：获取微分方程第二阶段的解：
在步骤2-3可知，微分方程第二阶段的边界初值，已在第一阶段末尾确定：
Figure BDA0002388915220000082
使用4阶Runge-Kutta方法求解其数值解如下：
Figure BDA0002388915220000083
Figure BDA0002388915220000084
步骤5：根据步骤3-4计算结果，获得车内乘员的x向加速度严重度曲线ASP，即Yai；
计算方法如下：
Figure BDA0002388915220000091
步骤6：进行ASP矢量合成；
选择使用其他方向车身加速度作为系统输入，重复步骤2-5，获得y和z方向的Yai，进行碰撞过程中车内乘员X、Y、Z三向加速度ASP矢量合成：
Figure BDA0002388915220000092
步骤7：加速度严重度指标ASI；
ASP矢量合成后的最大值作为加速度严重度指标ASI，用以量化评价汽车正面碰撞波形强度，实现车身结构产生的碰撞加速度对乘员伤害的严重水平预估；
ASI＝max(ASP)
如图3所示，在步骤2中，Xai采用多点加速度传感器平均值，在车辆左侧B柱上方、左侧B柱下方、右侧B柱上方、右侧B下方，共计四个位置布置加速度传感器，分别表示为LUai，LLi，RUi，RLi，(i＝0，1，...，fT)，Xai取其平均值：
Xai＝Average(LUai，LLi，RUi，RLi)。
进一步的，在步骤2中，f＝10kHz，即离散数据点时间间距为δ＝0.0001s。
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)

1.一种用于量化评价汽车正面碰撞波形强度的方法，其特征在于：包括：
步骤1：建立模型及微分方程：
以x向开始，将车身碰撞中车辆与车内乘员简化为质量弹簧模型，其中M为碰撞车辆质量，m为乘员质量，k为安全带刚度系数，s为乘员与约束系统的初始松弛量，x(t)为车辆碰撞过程运动方程，y(t)为车内乘员运动方程；定义碰撞初始时刻为0时刻，碰撞结束时刻为T时刻，则x(t)和y(t)的定义域为t∈[0，T]，定义边界条件x(0)＝0，y(0)＝0，x的二阶导数
Figure FDA0002388915210000011
为车辆车身加速度时间函数，对应实车碰撞中车身B柱加速度信号；y的二阶导数
Figure FDA0002388915210000012
为车内乘员的加速度时间函数，即x向加速度严重度曲线ASP；
进一步，根据几何关系和力学原理，分段函数如下：
Figure FDA0002388915210000013
令
Figure FDA0002388915210000014
则上式可转化为微分方程：
Figure FDA0002388915210000015
步骤2：获取车身加速度数据进行处理：
车身加速度并非关于时间的连续函数，而是离散数据点，因此可以将步骤1中的
Figure FDA0002388915210000016
分别表示为Xdi，Xvi，Xai，Ydi，Yvi，Yai，(i＝0，1，...，fT)，其中f为采样频率，Xai为碰撞中车身加速度数据，由于采样频率f较高，并且碰撞时间T通常为0.1s～0.2s，二者之间相差三个数量级，因此可以认为车身加速度Xai和Xai+1之间的x(t)是线性的，利用数值积分可得：
Figure FDA0002388915210000021
步骤3：获取微分方程第一阶段的解：
在步骤1-2可知，Xdi的初值Xd0＝0，且碰撞前期Xdi递增，因此可以找到一点is，使得
Figure FDA0002388915210000022
且
Figure FDA0002388915210000023
因此步骤1中微分方程第一阶段的解，可以表示为：
Figure FDA0002388915210000024
步骤4：获取微分方程第二阶段的解：
在步骤2-3可知，微分方程第二阶段的边界初值，已在第一阶段末尾确定：
Figure FDA0002388915210000025
使用4阶Runge-Kutta方法求解其数值解如下：
Figure FDA0002388915210000026
Figure FDA0002388915210000027
步骤5：根据步骤3-4计算结果，获得车内乘员的x向加速度严重度曲线ASP，即Yai；
计算方法如下：
Figure FDA0002388915210000031
步骤6：进行ASP矢量合成；
选择使用其他方向车身加速度作为系统输入，重复步骤2-5，获得y和z方向的Yai，进行碰撞过程中车内乘员X、Y、Z三向加速度ASP矢量合成：
Figure FDA0002388915210000032
步骤7：加速度严重度指标ASI；
ASP矢量合成后的最大值作为加速度严重度指标ASI，用以量化评价汽车正面碰撞波形强度，实现车身结构产生的碰撞加速度对乘员伤害的严重水平预估；
ASI＝max(ASP)。
2.根据权利要求1所述的一种用于量化评价汽车正面碰撞波形强度的方法，其特征在于：在步骤2中，Xai采用多点加速度传感器平均值，在车辆左侧B柱上方、左侧B柱下方、右侧B柱上方、右侧B下方，共计四个位置布置加速度传感器，分别表示为LUai，LLi，RUi，RLi，(i＝0，1，...，fT)，Xai取其平均值：
Xai＝Average(LUai，LLi，RUi，RLi)。
3.根据权利要求1所述的一种用于量化评价汽车正面碰撞波形强度的方法，其特征在于：在步骤2中，f＝10kHz，即离散数据点时间间距为δ＝0.0001s。
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