CN113343354A - 一种虚拟传感装置、仿真方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种虚拟传感装置、仿真方法及系统，属于计算机辅助设计领域，该虚拟传感装置用于动态冲击仿真中实物传感器的模拟，读取动态冲击仿真中实物的物理量及形变量，据此建立虚拟传感器，该虚拟传感器使用内部中空立方体单元模拟实物传感器外壳，内置四面体单元模拟传感器内部结构。使用时，将虚拟传感装置放置在动态冲击仿真模型中的被测量零件的预定位置，并建立一个包含虚拟传感装置立方体的一个面和被测量零件的粘贴集合；建立虚拟传感装置的局部坐标系，加载冲击条件进行动态冲击仿真，获取虚拟传感装置监测点输出的物理量及虚拟传感装置监测点在局部坐标系中发生的形变量。可直接测量加速度、速度、侵入量数据，且方便模型修改。
Description
技术领域
本发明属于计算机辅助设计领域，更具体地，涉及一种用于在仿真中模拟实物传感器、提取加速度、速度、侵入量等数据的虚拟传感装置及其使用方法。
背景技术
当前，随着计算机技术的发展，由于有限元仿真分析具有成本低、可重复性强、易于模拟各种试验工况等众多优点，被广泛应用于汽车产品开发的性能验证工作中。因此，准确、快速、便捷的获取仿真中预定位置的加速度、速度、位移等物理量，对评估方案的可行性具有重要作用。
现有方案主要针对碰撞仿真侵入量进行说明，在车身后部选取一个在碰撞过程中不变形的点为基础点，在基础点与测量点之间建立若干弹簧单元，通过测量弹簧单元的变形量得到目标测量点的侵入量。现有方案笼统的指出在不变形区选择一个基础点，未明确基础点选择的具体位置与方法，选择不同的基础点，由于轻微变形及整车翘尾、旋转等因素的影响，将导致侵入量测量存在一定的差异；弹簧单元只能测量侵入量数据，无法测量加速度、速度数据；弹簧单元的连接依赖于仿真模型中的网格节点，如修改模型，则需要重新连接，操作繁琐、易出错。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种虚拟传感装置、仿真方法及系统，可直接测量加速度、速度、侵入量数据，且方便模型修改。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种虚拟传感装置，用于动态冲击仿真中实物传感器的模拟，读取动态冲击仿真中实物的物理量及形变量，据此建立虚拟传感器，所述虚拟传感器使用内部中空立方体单元模拟实物传感器外壳，内置四面体单元模拟传感器内部结构。
在一些可选的实施方案中，所述四面体单元与所述立方体单元采用刚性连接，所述四面体单元直角顶点与所述立方体单元中心点重合。
在一些可选的实施方案中，所述立方体单元包括：正方体、长方体、多面体或圆柱体。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述虚拟传感装置的仿真方法，包括：
建立待测量物体的动态冲击仿真模型，将虚拟传感装置放置在动态冲击仿真模型中的被测量零件的预定位置，并建立一个包含虚拟传感装置立方体的一个面和被测量零件的粘贴集合；
建立虚拟传感装置的局部坐标系，加载冲击条件进行动态冲击仿真，获取虚拟传感装置监测点输出的物理量及虚拟传感装置监测点在局部坐标系中发生的形变量。
在一些可选的实施方案中，所述虚拟传感装置监测点为四面体单元的直角顶点。
在一些可选的实施方案中，所述局部坐标系的原点为所述虚拟传感装置监测点。
在一些可选的实施方案中，在对车辆的碰撞仿真中，在车辆后纵梁上设置三个虚拟传感装置，左侧两个为第一虚拟传感装置和第二虚拟传感装置，右侧一个为第三虚拟传感装置，所述第一虚拟传感装置和所述第二虚拟传感装置沿整车坐标系的X方向排列，Y、Z方向重合，所述第三虚拟传感装置与所述第二虚拟传感装置左右对称，以所述第一虚拟传感装置的监测点作为局部坐标系原点，X轴沿所述第一虚拟传感装置监测点指向所述第二虚拟传感装置监测点，在三个虚拟传感装置监测点形成的面内，经原点垂直于X轴指向所述第三虚拟传感装置一侧为Y轴，Z轴由右手定则确定。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述虚拟传感装置的仿真系统，包括：
仿真模型建立模块，用于建立待测量物体的动态冲击仿真模型；
虚拟传感放置模块，用于将虚拟传感装置放置在动态冲击仿真模型中的被测量零件的预定位置，并建立一个包含虚拟传感装置立方体的一个面和被测量零件的粘贴集合；
仿真测量模块，用于建立虚拟传感装置的局部坐标系，加载冲击条件进行动态冲击仿真，获取虚拟传感装置监测点输出的物理量及虚拟传感装置监测点在局部坐标系中发生的形变量。
按照本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供了一种可提取加速度、速度、变形量等物理量的虚拟传感装置，该虚拟传感装置结构简单、使用方便，能够准确的模拟试验中的实物传感器。
通过本发明的虚拟传感装置的布置方式及仿真方法，能够简单、准确的获得仿真分析中的加速度、速度、形变量等数据，用于在项目开发前期评估待测量物体性能，避免了开展不必要的试验来获得这些数据，节约了开发费用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种虚拟传感装置的基本结构图；
图2是本发明实施例提供的一种虚拟传感装置的监测点示意图；
图3是本发明实施例提供的一种基于虚拟传感装置的仿真方法的流程示意图；
图4是本发明实施例提供的一种虚拟传感装置的布置示意图；
图5是本发明实施例提供的一种整车碰撞仿真模型示意图；
图6是本发明实施例提供的一种车辆加速度变化曲线；
图7是本发明实施例提供的一种车辆速度变化曲线；
图8是本发明实施例提供的一种防火墙区域侵入量曲线；
图9是本发明实施例提供的一种加速度、速度曲线对比；
图10是本发明实施例提供的一种最大侵入量位置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明实例中，“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
如图1所示是本发明实施例提供的一种虚拟传感装置的基本结构图，如图2所示是本发明实施例提供的一种虚拟传感装置的监测点示意图，该虚拟传感装置，用于动态冲击仿真中实物传感器的模拟，读取动态冲击仿真中实物的物理量及形变量，据此建立虚拟传感器，该虚拟传感器使用内部中空立方体单元(与实物传感器一致)模拟实物传感器外壳，内置四面体单元模拟传感器内部结构(根据实际重量配重)，在使用过程中通过检测虚拟传感装置监测点的位移变化，来得到虚拟传感装置粘贴点的变形量、速度及加速度。
其中，虚拟传感装置的大小可以根据实际需要确定，本发明实施例不做唯一性限定。
进一步地，四面体单元与立方体单元采用刚性连接，四面体单元直角顶点与立方体单元中心点重合，作为虚拟传感装置监测点。
在本发明实施例中，虚拟传感器结构是根据实物传感器建立的模型，使用正方体模拟实物传感器的外壳，并提供传感器与被测量模型的连接面；内部的四面体单元用于在重量上模拟实物传感器内部的电阻等电器元件，在原理上，实物传感器是通过电阻、电容等元器件受振动导致电信号的变化来记录加速度信号；而虚拟传感器模型，不需要模拟电信号的变化，而是通过将传感器整体与被测量模型稳固的连接在一起，从而使其在虚拟环境中与被测模型保持同步运动，这样连续输出监测点每一微秒的加速度、速度等，即可获取被测量模型的物理量。
由于实物传感器的形状、尺寸较多，差异较大，因此选取试验中最普遍、使用最广泛的方形传感器作为原型，但虚拟传感器的模型不限于正方体加四面体的组合，也可根据实物及被测量模型变形为长方体+四面体、多面体+四面体、圆柱体+四面体等其他形状。
如图3所示是本发明实施例提供的一种基于虚拟传感装置的仿真方法的流程示意图，包括：
S1：建立待测量物体的动态冲击仿真模型，将虚拟传感装置放置在动态冲击仿真模型中的被测量零件的预定位置，并建立一个包含虚拟传感装置立方体的一个面和被测量零件的粘贴集合；
S2：建立虚拟传感装置的局部坐标系，加载冲击条件进行动态冲击仿真，获取虚拟传感装置监测点输出的物理量及虚拟传感装置监测点在局部坐标系中发生的形变量。
其中，在使用虚拟传感装置时，将虚拟传感装置放置在被测量零件的预定位置(粘贴点)，然后建立一个包含虚拟传感装置中的一个面和被测量零件的粘贴集合，这样就在虚拟传感装置与被测量零件之间建立了一种牢固的连接关系。这种连接只需要建立一次、并且一旦建立不会因修改零件的结构形式而失效。由于虚拟传感装置与被测量零件是连接在一起的，在运动过程中，虚拟传感装置将跟随待测量物体上的被测量零件相对于地面一起运动，因此输出虚拟传感装置监测点的速度、加速度即是虚拟传感装置粘贴点的速度、加速度。同样的，当被测量零件发生塑性变形时，虚拟传感装置也将跟随被测量零件在建立的局部坐标系中发生位移，因此输出虚拟传感装置监测点的位移量即是粘贴点的变形量。综上，输出虚拟传感装置监测点的加速度、速度、位移，即可得到待测量物体被测量位置的加速度、速度、变形量数据，这与试验获取数据的方式保持一致。
其中，局部坐标系的定义方法如下：
如图4所示，针对加速度、速度的测量，局部坐标系原点即为监测点(即图2中虚拟传感装置监测点)，局部坐标系方向与四面体单元的直角边一致，如图1中所示。针对变形量的测量，在车辆后纵梁上设置三个虚拟传感器，左侧两个第一虚拟传感装置和第二虚拟传感装置，右侧一个第三虚拟传感装置，第一虚拟传感装置和第二虚拟传感装置沿整车坐标系的X方向排列，距离200mm以上，Y、Z方向重合，第三虚拟传感装置与第二虚拟传感装置左右对称。以第一虚拟传感装置的监测点作为局部坐标系原点，X轴沿第一虚拟传感装置监测点指向第二虚拟传感装置监测点，在三个传感器监测点形成的面内，经原点垂直于X轴指向第三虚拟传感装置一侧为Y轴，Z轴由右手定则确定。
定义局部坐标系的目的在于明确变形量测量的基础点以及方向，将此坐标系定义后，可将其他虚拟传感装置相对于此坐标系的位移输出，即可得到虚拟传感装置粘贴点的变形量。特别是在碰撞分析中，主要关注沿车头向车尾方向(即X方向)的变形量，因此需要明确定义坐标系。
以下应用该虚拟传感装置的碰撞仿真分析整体方案。
在某车型开发中，建立了如下图5所示的整车碰撞仿真模型，应用本发明的虚拟传感装置及仿真方法，在100％正面碰撞中获得加速度、速度、侵入量数据曲线如下图6、图7及图8所示。
将以上曲线峰值与开发目标进行对比，发现最大侵入量(150mm)较大，无法满足开发目标(120mm)。进而，增加前纵梁Y、Z方向尺寸各10mm，通过前纵梁变形吸收更多能量，达到减小侵入量的目的。
方案经修改后，满足了开发目标要求，后续经试验验证，具有较高的一致性。实际方案的仿真与试验结果对比如下图9及图10所示：
如图9所示，其中，图9中左侧为加速度曲线，右侧为速度曲线，100％正碰中仿真与试验的加速度曲线在趋势上能够较好的吻合，特别是20ms之前两曲线基本完全一致；速度曲线基本完全一致。
图10表示了试验后侵入量最大的位置，其侵入量为106mm，该处仿真值为113mm，考虑测量误差等因素的影响，精度非常高。
以上数据及结果证明，应用本发明中的虚拟传感装置及其仿真方法可实现对加速度、速度等物理量进行准确快速提取，为方案设计指明方向。
以上仅对本发明所定义的虚拟传感装置在车辆碰撞仿真中的应用进行说明，除此之外，还可以进行如下应用：
在手机等电子设备及白色家电行业，需要分析物体从高处跌落到地面所承受的冲击，评估设备的受损情况，使用本发明中的虚拟传感器，改变基础点及测量点的位置，即可获得垂直方向的加速度、速度，以及设备表面由于撞击地面导致的变形量。
在商用车领域，需要分析大客车发生翻滚事故时车辆的抗冲击能力，评估车辆翻转撞击到地面后的加速度以及车体本身的变形量，同样应用本发明的虚拟传感器及其方法可获得选定测量点的加速度等物理量。
在军用越野车领域，需要将车辆空投到指定区域完成作战任务，如果空投着陆过程中车辆受损严重，将影响正常使用。因此，要评估车辆着陆过程中所承受的冲击载荷，应用本发明，将可方便的获取空投车辆着陆过程中产生的加速度等物理量。
以上为本发明的一些典型应用场景，本发明的虚拟传感装置及其仿真方法针对动态冲击问题具有一定的普适性，可广泛应用于获取各类冲击问题的加速度、速度、变形量数据，具有操作简单可靠，数据与真实物理状态一致性好等优点。
本发明还提供了一种基于上述虚拟传感装置的仿真系统，包括：
仿真模型建立模块，用于建立待测量物体的动态冲击仿真模型；
虚拟传感放置模块，用于将虚拟传感装置放置在动态冲击仿真模型中的被测量零件的预定位置，并建立一个包含虚拟传感装置立方体的一个面和被测量零件的粘贴集合；
仿真测量模块，用于建立虚拟传感装置的局部坐标系，加载冲击条件进行动态冲击仿真，获取虚拟传感装置监测点输出的物理量及虚拟传感装置监测点在局部坐标系中发生的形变量。
其中，各模块的具体实施方式可以参考上述基于虚拟传感装置的仿真方法的描述，此处不再复述。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述基于虚拟传感装置的仿真方法的步骤。
本发明所定义的虚拟传感装置可应用于结构承受各类冲击载荷的仿真分析中，包括碰撞、跌落、翻滚、空投等各种形式的工况。本发明设置的虚拟传感装置可直接测量加速度、速度、侵入量数据，无需计算转化。针对基础点选择的问题，本发明明确规定了基础点的选择方法，如在碰撞问题分析中，选择在车辆后纵梁上设置三个虚拟传感装置，以第一个虚拟传感装置的中心点作为基础点，避免设计方案修改过程中基础点选择不一致，导致测量误差的问题。本发明中虚拟传感装置与待测量零部件采用粘贴方式连接，是面与面的连接，与网格节点无关，方便模型修改，操作简便，正确率高。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种虚拟传感装置，其特征在于，用于动态冲击仿真中实物传感器的模拟，读取动态冲击仿真中实物的物理量及形变量，据此建立虚拟传感器，所述虚拟传感器使用内部中空立方体单元模拟实物传感器外壳，内置四面体单元模拟传感器内部结构。
2.根据权利要求1所述的虚拟传感装置，其特征在于，所述四面体单元与所述立方体单元采用刚性连接，所述四面体单元直角顶点与所述立方体单元中心点重合。
3.根据权利要求1或2所述的虚拟传感装置，其特征在于，所述立方体单元包括：正方体、长方体、多面体或圆柱体。
4.一种基于权利要求1至3任一项所述的虚拟传感装置的仿真方法，其特征在于，包括：
建立待测量物体的动态冲击仿真模型，将虚拟传感装置放置在动态冲击仿真模型中的被测量零件的预定位置，并建立一个包含虚拟传感装置立方体的一个面和被测量零件的粘贴集合；
建立虚拟传感装置的局部坐标系，加载冲击条件进行动态冲击仿真，获取虚拟传感装置监测点输出的物理量及虚拟传感装置监测点在局部坐标系中发生的形变量。
5.根据权利要求4所述的仿真方法，其特征在于，所述虚拟传感装置监测点为四面体单元的直角顶点。
6.根据权利要求5所述的仿真方法，其特征在于，所述局部坐标系的原点为所述虚拟传感装置监测点。
7.根据权利要求6所述的仿真方法，其特征在于，在对车辆的碰撞仿真中，在车辆后纵梁上设置三个虚拟传感装置，左侧两个为第一虚拟传感装置和第二虚拟传感装置，右侧一个为第三虚拟传感装置，所述第一虚拟传感装置和所述第二虚拟传感装置沿整车坐标系的X方向排列，Y、Z方向重合，所述第三虚拟传感装置与所述第二虚拟传感装置左右对称，以所述第一虚拟传感装置的监测点作为局部坐标系原点，X轴沿所述第一虚拟传感装置监测点指向所述第二虚拟传感装置监测点，在三个虚拟传感装置监测点形成的面内，经原点垂直于X轴指向所述第三虚拟传感装置一侧为Y轴，Z轴由右手定则确定。
8.一种基于上述虚拟传感装置的仿真系统，其特征在于，包括：
仿真模型建立模块，用于建立待测量物体的动态冲击仿真模型；
虚拟传感放置模块，用于将虚拟传感装置放置在动态冲击仿真模型中的被测量零件的预定位置，并建立一个包含虚拟传感装置立方体的一个面和被测量零件的粘贴集合；
仿真测量模块，用于建立虚拟传感装置的局部坐标系，加载冲击条件进行动态冲击仿真，获取虚拟传感装置监测点输出的物理量及虚拟传感装置监测点在局部坐标系中发生的形变量。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求4至7任一项所述仿真方法的步骤。
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