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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rekonstruktion von Bewegungen und Verformungen an einem komplexen, aus mehreren Teilkörpern gebildeten, belasteten Körper, insbesondere bei Crashversuchen, wobei Zustandsgrößen der Anfangslage (Position, Geschwindigkeit und Orientierung) und zumindest teilweise der Endlage der Teilkörper vorbekannt sind, an den Teilkörpern Beschleunigungen in drei zueinander orthogonalen Richtungen über Beschleunigungsaufnehmer als Beschleunigungsvektoren in lokalen Systemen gemessen und inkrementelle Rotationsmatrizen bestimmt werden, wobei die Rotationsmatrizen durch Linksmultiplikation zu einer Gesamtrotationsmatrix zur Transformation der in den lokalen Systemen der Beschleunigungsaufnehmer gemessenen Beschleunigungsvektoren in ein Inertialsystem kumuliert werden.
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Die Erfassung und Wiedergabe von Bewegungen und Verformungen an komplexen, aus mehreren Teilkörpern gebildeten, belasteten Körpern, insbesondere bei Crashversuchen erfolgen mittels photometrischer Verfahren mit Hochgeschwindigkeitskameras. Dies setzt eine ungestörte Sicht der verwendeten Kameras auf die zu erfassenden Teilkörper des Körpers voraus. Weiter werden an den Teilkörpern des Körpers mittels Beschleunigungsaufnehmern die Beschleunigungen in drei zueinander orthogonalen Richtungen erfasst und gespeichert. Erfahren bei der Belastung (Crashtest) die Teilkörper des Körpers und damit die lokalen Koordinatensysteme der Beschleunigungsaufnehmer Rotationen, so setzt eine Transformation der gemessenen Beschleunigungsvektoren in ein ortsfestes Koordinatensystem (Inertialsystem) die Kenntnis der Größe dieser Rotationen voraus. Die Erfassung dieser Größen ist aber messtechnisch nicht oder nur mit erheblichem Aufwand möglich.
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Diese Transformation in das Inertialsystem wäre aber erforderlich, um durch Integration dieser vektoriellen Informationen Geschwindigkeit und Weg des Teilkörpers in einem ortsfesten Koordinatensystem zu berechnen. Daher wird gegenwärtig stattdessen eine Integration des Betrages des Beschleunigungsvektors durchgeführt, die zu Näherungswerten für Geschwindigkeit und Weg führt. Dies führt bei stärker gekrümmten Bahnkurven von Teilkörpern des Körpers, zum Beispiel Kopfbewegung eines Dummy im Crash, zu falschen Ergebnissen, die insbesondere keine Kollisionsbetrachtungen zulassen.
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Aus dieser Erkenntnis, dass eine exakte Erfassung des zeitlichen Verlaufes von Bewegungen und Deformationen von Teilkörpern eines Körpers, Bauteilen, Baugruppen oder Objekten, bei Crashversuchen mit optischen Mitteln nicht möglich ist, da diese zu beschreibenden Teilkörper insbesondere in kritischen Phasen nicht oder nur stark eingeschränkt sichtbar sind, wurde versucht die Bewegungen und Verformungen des Körpers zwischen einer bekannten Anfangslage und einer bekannten Endlage rekonstruieren zu können.
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In der Dissertation von Fabian Oliver Niestroj, 3D-Inertial-Messsysteme für Karosserie-Bewegungsanalysen in Kraftfahrzeug-Crashtests, Ruhr-Universität Bochum, 2014 ist ein Verfahren zur Rekonstruktion von Bewegungen und Verformungen an einem komplexen, belasteten Körper bei Crashversuchen mit den eingangs genannten Merkmalen bekannt. In diesem Verfahren wird jedoch jeder Messpunkt, an dem die Beschleunigungen in drei zueinander orthogonalen Richtungen gemessen werden, isoliert behandelt. Dabei werden die Drehwinkel aus der gesonderten Messung der Drehwinkelrate (Winkelgeschwindigkeit) mittels Drehratensensoren bestimmt. Entsprechend ist der messtechnische Aufwand nach diesem Verfahren erheblich. Es ist an den zu untersuchenden Körpern eine zusätzliche Ausrüstung mit aufwendiger Sensorik erforderlich, die den Einsatz aufgrund zusätzlicher Massen und erforderlicher Bauräume deutlich einschränkt.
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Daher ist es Aufgabe der Erfindung, dass eingangs geschilderte Verfahren so auszubilden, dass eine zusätzliche Instrumentierung mit nur wenigen, preiswerten und hochgradig miniaturisierten Beschleunigungsaufnehmern, wie sie bei Dummies ohnehin vorhanden sind, erforderlich ist, aber gleichwohl eine Bewegungs- und Verformungsberechnung zwischen einer bekannten Anfangs- und einer bekannten Endlage mit hoher Genauigkeit möglich ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1.
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Mit diesem Verfahren können Bewegungen und Verformungen an einem komplexen, belasteten Körper, insbesondere bei Crashversuchen von einer bekannten Anfangslage zu einer bekannten Endlage allein durch die gemessenen Beschleunigungen am Körper unter Zugrundelegung eines Kinematikmodells berechnet werden, so dass etwaige Sichtbarkeitsprobleme bei der üblichen Beobachtung von Crashversuchen mittels Hochgeschwindigkeitskameras überwunden werden können. Darüber hinaus ist es möglich, ein Geschehen durch (teilweise) Abbildung als virtuelle 3-dimensionale Gebilde aus allen Richtungen und Distanzen in einer sogenannten „Hawk-Eye-Visualisierung“ zu betrachten.
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Dabei werden zeitschrittweise die Position und Lage (Orientierung) aller Teilkörper des betrachteten Objektes (Körpers) aus den gemessenen Beschleunigungswerten berechnet. Dabei wird der Zusammenhang zwischen der Veränderung der Position und der Orientierung der Teilkörper und somit der Orientierung der lokalen Beschleunigungsaufnehmer problemspezifisch anhand eines geeigneten kinematischen Modells formuliert.
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Wenn aus den inkrementellen Rotationsmatrizen für jedes Element des Körpers die Bewegung von der Anfangslage bis zur Endlage zeitschrittweise abgeleitet wird, wird die Bewegung der den Gesamtkörper bildenden Teilkörper auch bei Verdrehungen untereinander sehr realitätsnah berechnet.
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Dadurch, dass im Inertialsystem die Bewegung eines jeden Teilkörpers des Körpers auf eine Finite-Elemente-Darstellung seiner Geometrie aufgeprägt und als animierte Darstellung ausgegeben wird, kann mit Hilfe von marktgängigen Postprocessing-Systemen für FEM-Simulationen die berechnete, komplexe Bewegung des Körpers und der Teilkörper bei freier Wahl der Perspektive, beliebiger Schnitte, Farbauswahl für die Objekte, mit detaillierten Abstandsberechnungen sowie überlagerte Darstellungen verschiedener Versuche dargestellt werden. Damit kann das Verfahren Größen liefern, die bei der Analyse der Versuchsergebnisse sehr hilfreich sein können, messtechnisch aber unter herkömmlicher Ermittlung erheblichen Aufwand erfordern würden.
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Falls nicht alle Zustandsgrößen (Position, Geschwindigkeit und Orientierung) aller am Prozess beteiligten Teilkörper bekannt sind, kann die Realitätsnähe der rekonstruierten Bewegungen und Verformungen - und damit die Übereinstimmung zwischen Versuch und Rekonstruktion - dadurch verbessert werden, dass bei der Bestimmung der Parameter des kinematischen Modells mit Hilfe einer Optimierung neben den Abweichungen der Zustandsgrößen im Endzeitpunkt die Größe der kumulierten Verformungsenergie zwischen Anfangs- und Endlage in der Zielfunktion berücksichtigt werden.
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Dadurch, dass die flexiblen Elemente des Kinematikmodells des Körpers verformbare Stäbe in der Form kubischer Raumkurven sind, wobei die Stäbe über deren Längserstreckung konstanten Querschnitt und einen konstanten E-Modul aufweisen, können elastisch miteinander verbundene Teilkörper, wie sie beispielsweise auch für Dummies vorliegen, realistisch mit einer relativ einfachen Rechenmethode simuliert werden.
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Insbesondere bei der Rekonstruktion von Verformungen (siehe Beispiele) hängt die Zahl und Position der erforderlichen Aufnehmer von den zu erwartenden Verformungen ab. Ist eine FEM-Simulation der zu betrachtenden Baugruppe unter der entsprechenden Belastung verfügbar, so kann die Mindestzahl und die Lage der erforderlichen Aufnehmer vor Durchführung des Versuchs bestimmt werden, indem man das Verfahren mit aus der FEM-Simulation zu entnehmenden Werten für die lokalen Beschleunigungen durchführt und die Ergebnisse der Rekonstruktion mit der FEM-Simulation vergleicht.
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Beim Crashversuch werden in erster Linie Daten von Beschleunigungsaufnehmern erfasst, die an verschiedenen Punkten des Fahrzeugs und des Dummies befestigt sind. Im Allgemeinen wird dabei die Beschleunigung in drei zueinander orthogonalen Richtungen entsprechend der Befestigung des Aufnehmers am Objekt und u.U. dessen Positionierung (Dummy) erfasst. Das (lokale) Koordinatensystem des Aufnehmers ist gegenüber dem „globalen“ Hallenkoordinatensystem nicht nur verschoben sondern auch verdreht.
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Möchte man nun aus den gemessenen Beschleunigungen die Geschwindigkeiten oder Wege durch Integration gewinnen, so ist neben der Anfangsposition und -geschwindigkeit auch die jeweilige Lageinformation (Verdrehung der lokalen Koordinatensysteme gegen ein Inertialsystem) durch entsprechende Transformationen zu berücksichtigen.
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Dies stellt bei Crashversuchen insofern ein Problem dar, als es sich dabei im Allgemeinen aufgrund von Deformationen oder Bewegungen um zeitabhängige Größen handelt. Für eine Rekonstruktion der Bewegungsinformation aus den gemessenen Beschleunigungen muss folglich in jedem Zeitschritt neben der neuen Position auch die Veränderung der Lage (Verdrehung) des lokalen Koordinatensystems bestimmt werden. Dies ist nur dann möglich, wenn die Messgrößen, die Komponenten der Beschleunigung von mehreren Beschleunigungsaufnehmern miteinander verknüpft werden, deren Bewegungen in einer bekannten Beziehung zueinander stehen.
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So lässt sich z.B. die Bewegung eines starren Körpers (Motorblock) rekonstruieren, wenn an diesem 3 nicht auf einer Geraden liegende Beschleunigungsaufnehmer angebracht werden. Die Tatsache, dass die Verdrehungen der drei Systeme identisch sind und die Abstände zwischen den Ursprüngen der lokalen Systeme sich nicht verändern, führen zu einem Gleichungssystem, um die Veränderung der Lage aus der Veränderung der Position der drei Punkte zu berechnen.
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Gleichungssysteme, um die Lageveränderungen aus den Positionsveränderungen zu berechnen, kann man auch für andere Formen kinematischer Kopplungen ableiten. Voraussetzung hierfür ist, dass die Art der kinematischen Kopplung derart in Gleichungen gefasst wird, dass die Lageinformation eindeutig berechnet werden kann.
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Gegenüber anderen Möglichkeiten, (globale) Bewegungsinformationen beim Crashversuch zu erfassen (Crashvideos, photometrische Auswertungen), besitzt die Rekonstruktion aus lokalen Beschleunigungsmessungen zwei große Vorteile: Sie ist unabhängig von der Sichtbarkeit des zu erfassenden Objekts und die Informationen werden mit der gleichen zeitlichen Auflösung bestimmt wie die Beschleunigungsinformation. Letzteres gestattet die Ableitung weiterer Größen, z.B. Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung, die sehr hilfreich bei der Analyse der Versuchsergebnisse sein können.
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Die Herausforderung besteht folglich darin, geeignete kinematische Modelle zu finden, um in jedem Zeitschritt die sich aus den Verschiebungen zwischen den Teilkörpern aufgrund der kinematischen Kopplung ergebenden inkrementellen Verdrehungen abzuleiten.
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Der folgende Algorithmus beschreibt die Berechnung der Bewegungsgrößen im globalen Koordinatensystem für einen Zeitabschnitt eines Versuchs unter der Annahme, dass die Teilkörper/-strukturen des zu beschreibenden Systems über verformbare Stäbe in der Form kubischer Raumkurven zwischen den Positionen der Beschleunigungsaufnehmer (Ursprung der lokalen Koordinatensysteme) miteinander verbunden sind. Die Stäbe besitzen über die Länge konstanten Querschnitt und E-Modul. Weiter wird vorausgesetzt - was z.B. bei Crashversuchen gewährleistet ist -, dass die Beschleunigungsmesswerte in hoher zeitlicher Auflösung vorliegen.
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Die Tangentenrichtungen der kubischen Polynome zum Startzeitpunkt können zunächst willkürlich gewählt werden. Sie sind Parameter eines überlagerten Optimierungsverfahrens, um die bestmögliche Abbildung zu gewährleisten. Weitere Optimierungsparameter ergeben sich aus Annahmen zur Lagerung des Systems.
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A0: Zum Startzeitpunkt des Zeitabschnittes bekannt sein müssen Position und Lage der Teilkörper des Systems (Beschleunigungsaufnehmer) sowie die Vektoren der Geschwindigkeit im globalen System. Aus den Lageinformationen werden Rotationsmatrizen zur Transformation aus den lokalen in das globale Koordinatensystem abgeleitet.
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Für jeden Zeitschritt bis zum Erreichen des Endpunktes des Zeitabschnittes werden die folgenden Schritte durchlaufen:
- A1: Im Zeitpunkt i werden die gemessenen Beschleunigungen in das globale System transformiert. Durch Integration werden Positionen und Geschwindigkeiten der Teilkörper im globalen System im Zeitpunkt i+1 ermittelt.
- A2: Die in A1 ermittelten Größen liefern die inkrementelle Starrkörpertranslation des Gesamtsystems sowie die Relativbewegungen der Teilkörper zu einander.
- A3: Daraus ergeben sich die Elemente eines linearen Gleichungssystems zur Bestimmung der Kräfte, die an den Befestigungspunkten der Beschleunigungsaufnehmer angreifen. Das lineare Gleichungssystem ergibt sich aus der Forderung, dass die sich aus der Wirkung der Kräfte ergebenden inkrementellen Verschiebungen und Rotationen zu den in A2 ermittelten Relativbewegungen führen. Da die Zeitinkremente und damit die Verschiebungen sehr klein sind, kann von Hookschem Materialverhalten ausgegangen werden. Die aus der Verformung der kubischen Verbindungsstäbe resultierenden Verschiebungen und Rotationen können daher nach dem Satz von Castigliano (mit den Kräften als Unbekannte) gewonnen werden.
- A4: Die aus der Lösung des Gleichungssystems gewonnenen Kraftgrößen liefern wiederum mit Hilfe des Satzes von Castigliano die inkrementellen Verdrehungen der Teilkörper. Aus diesen ergeben sich inkrementelle Rotationsmatrizen für die lokalen Koordinatensysteme.
- A5: Durch Linksmultiplikation der Rotationsmatrizen mit den inkrementellen Rotationsmatrizen ergeben sich die kumulierten Rotationsmatrizen für den Zeitpunkt i+1 und damit die Matrizen zur Transformation von Größen aus dem lokalen Koordinatensystem in das globale System.
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Für den oben angenommenen Fall deformierbarer Verbindungselemente zwischen den Teilkörpern/-strukturen, ist es kaum möglich, die Parameter des kinematischen Modells - hier die Tangentenrichtung der kubischen Polynome und die Lagerungs-bedingungen - auf Anhieb so zu wählen, dass eine ausreichend genaue Reproduktion der Bewegung/Verformung des Systems erfolgt. In solchen Fällen kann eine Variation der freien Systemparameter helfen, ein geeignetes (d.h. die Bewegung gut approximierendes) System zu finden, wenn es Kriterien gibt, die Qualität der Bewegungsabbildung zu beurteilen.
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Es hängt von der Art der verfügbaren Informationen ab, ob und wie erfolgreich eine derartige Parameterbestimmung (in der Regel mit Hilfe mathematischer Optimierungsverfahren) sein kann. Solche Informationen können z.B. Crashvideos, Photometrische Auswertungen, Daten aus Rückvermessung nach einem Versuch, weitere Versuchsdaten und Simulationsergebnisse sein.
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Die Zielfunktion für eine Optimierung ist in Abhängigkeit von den verfügbaren Informationen zu formulieren. Sie kann z.B. die Minimierung der Abweichungen von gemessenen Größen zum Ziel haben oder auch die Minimierung von aus den transformierten Daten abgeleiteten Größen z.B. von Größen, die äquivalent sind zur Bewegungs- oder Verformungsenergie.
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In jedem Fall ist die Qualität der Bewegungsrekonstruktion von vielen Faktoren abhängig und es ist empfehlenswert, sich schon vor Durchführung eines Versuchs intensiv mit diesem Aspekt auseinanderzusetzen, z.B.
- - Aufbau des kinematischen Modells,
- - Zahl, Art und Position der Aufnehmer,
- - Kriterien zur Bewertung der Qualität der Bewegungsabbildung,
- - Vermessung und Dokumentation der Ausgangssituation und
- - Rückvermessung, insbesondere Lageveränderungen von Aufnehmern relativ zueinander.
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Gerade die beiden letzten aufgeführten Aspekte, nämlich die Einmessung zur Bestimmung und Dokumentation der Ausgangssituation (s. Punkt A0 des Algoritthmus) als auch die Rückvermessung, also die Bestimmung der Position und der Lage der Aufnehmer relativ zueinander in der Endposition, sind wesentlich für die Qualität der Reproduktion der Kinematik.
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Nachfolgend werden zwei Beispiele zur Anwendung des Verfahrens zur Rekonstruktion von Bewegungen und Verformungen beschrieben, die sich im Grad der Komplexität des verwendeten Kinematikmodells bzw. des Umfanges der erforderlichen Berechnungen unterscheiden. Zu den Beispielen sind Figuren beigefügt.
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Darin zeigt:
- 1 einen Dummy (schematisch) mit den Positionen der Beschleunigungsaufnehmer,
- 2 ein Ersatzmodel für den Dummy gemäß 1 und
- 3 ein Modell zur Rekonstruktion einer B-Säulen-Deformation.
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Beispiel 1: Bewegung eines Dummies im Frontalcrash (Fig. 1 und 2)
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Von besonderem Interesse ist die Bewegung des Oberkörpers des Dummy, da der hierfür zur Verfügung stehende Weg wesentlich ist für die resultierende Belastung. Der meist verwendete Dummy, Hybrid III, ist mit Beschleunigungsaufnehmern im Kopf, in der Brust und im Becken ausgestattet.
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1 zeigt einen Dummy 1 mit den Sensorpositionen und zu bewertenden Insassenbelastungsgrößen. Der in 1 dargestellte Dummy 1 bildet mit seinen Teilkörpern, Becken, Brustbereich, Kopfbereich und deren elastisch verformbarer Verbindungen unter Berücksichtigung der einem menschlichen Körper nachgebildeten Massenverteilung ein Instrument zur Ermittlung der Belastungen an einem menschlichen Körper bei einem Autounfall. Im Dummy 1 sind ein erster Tri-Axialer-Beschleunigungsaufnehmer 11 im Kopf, ein zweiter Tri-Axialer-Beschleunigungsaufnehmer 12 im Brustbereich und ein dritter Tri-Axialer-Beschleunigungsaufnehmer 13 im Becken angeordnet. Aufgrund der Flexibilität der Verbindungen zwischen Kopf und Brust sowie zwischen Brust und Becken lässt sich die kinematische Kopplung zwischen den drei Teilkörpern Kopf, Brust und Becken nicht durch eine kinematische Kette mit einfachen Verbindungselementen beschreiben. Frühere Ansätze, die Kinematik mit Hilfe zwischengeschalteter einfacher Gelenke zu beschreiben, führten zu keinem befriedigenden Ergebnis.
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Stattdessen wird ein kinematisches Ersatzmodell konstruiert, bei dem die Beschleunigungsaufnehmer in der gleichen Position und mit gleicher Orientierung wie beim Dummy 1 liegen, die Verbindung zwischen ihnen aber durch elastische Stäbe in Form kubischer Raumkurven gebildet werden. Im Folgenden wird der Fall einer zweidimensionalen Bewegung betrachtet.
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2 zeigt ein entsprechendes Modell. Die auf den Dummy 1 wirkenden Kräfte werden als Einzelkräfte dargestellt, die an den Positionen der Beschleunigungsaufnehmer angreifen, nämlich FK als am Kopfbereich angreifende Einzelkraft, FBr als im Brustbereich wirkende Einzelkraft und FBe als am Becken wirkende Einzelkraft. Die Form der Kopplungselemente wird durch die Winkel der Tangenten in den Endpunkten gegenüber der geradlinigen Verbindung bestimmt. Diese vier Winkel der Kopplung Brust-Becken 16 und der Kopplung Kopf-Brust 17 sowie die Steifigkeit einer Torsionsfeder 15 zur Aufnahme der auf das Becken wirkenden Momente sind freie Parameter, für die zunächst „beliebige“ Anfangswerte gewählt werden (Erfahrungswerte) und die durch eine nachfolgende Optimierung bestimmt werden.
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Für den Beginn der Bewegungsrekonstruktion müssen die folgenden Größen bekannt sein:
- - Position der Aufnehmer der drei Teilkörper im Inertialsystem,
- - Orientierung der Aufnehmer im Inertialsystem,
- - Größe und Richtung der Geschwindigkeit der drei Teilkörper im Inertialsystem.
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Für jeden Satz von Werten für die fünf freien Parameter können beginnend mit der bekannten Ausgangslage folgende Schritte für jeden Zeitschritt des zu beschreibenden Zeitintervalls durchgeführt werden:
- - Berechnung der Rotationsmatrizen für die drei Teilkörper aufgrund der bekannten Orientierung der Aufnehmer,
- - Transformation der Beschleunigungsvektoren in das Inertialsystem,
- - Berechnung der Geschwindigkeitsvektoren für die drei Teilkörper durch Integration der Beschleunigungen im Inertialsystem,
- - Berechnung der Verschiebungsvektoren der drei Teilkörper für den Zeitschritt im Inertialsystem,
- - Berechnung der Koeffizienten des linearen Gleichungssystems 6. Grades, das sich aus der Beziehung zwischen Kräften und Verschiebungen nach dem Satz von Castigliano ergibt,
- - Lösung des linearen Gleichungssystems,
- - Berechnung der auf die drei Teilkörper wirkenden Momente,
- - Berechnung der inkrementellen Rotationen der Teilkörper (und damit der Aufnehmer) aufgrund der Beziehung zwischen Momenten und den Drehwinkeln nach dem Satz von Castigliano sowie
- - Berechnung der Orientierung der Aufnehmer für den nächsten Zeitschritt.
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Zur Bestimmung der fünf freien Parameter ist es erforderlich, quantifizierbare Kriterien zu finden, um die Qualität der Bewegungsrekonstruktion zu bewerten. Idealer Weise sind Position, Geschwindigkeit und Orientierung der Teilkörper - und damit der Aufnehmersysteme - zum Endzeitpunkt des zu rekonstruierenden Zeitintervalls (z.B. aus photometrischen Auswertungen von Crashvideos) bekannt. Die Minimierung der Abweichungen zwischen den sich aus der rechnerischen Rekonstruktion ergebenden Größen mit den derart ermittelten Größen ist in jedem Fall das wichtigste Optimierungsziel. Auch wenn nicht alle 15 Größen (je zwei Koordinaten für die Position, zwei Geschwindigkeitskomponenten sowie ein Winkel für die Orientierung) im Endzeitpunkt ermittelt werden können (eingeschränkte Sicht auf das Becken im Fahrzeugversuch), kann eine entsprechende Zielfunktion formuliert werden.
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Bei ungenügender Kenntnis der Situation zum Endzeitpunkt, kann - ergänzend - die über das gesamte Zeitintervall aufzuwendende Verformungsarbeit in die Zielfunktion aufgenommen werden, da diese bei der Berechnung der Koeffizienten des linearen Gleichungssystems (s.o.) mit geringem Aufwand für jeden Zeitschritt ermittelt werden kann.
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Für die animierte Darstellung der Bewegung werden die ermittelten Bewegungsgrößen Starrkörpern aufgeprägt, deren Geometrie der des realen Dummy-Kopfes und der Dummy-Brust entsprechen (CAD oder FEM).
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Beispiel 2: Rekonstruktion des Deformationsverhaltens der B-Säule im Seitencrash (3).
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Die B-Säule eines Pkw ist im Seitencrash von zentraler Bedeutung bei der Lastverteilung, der Energieaufnahme als auch bezüglich der Interaktion zwischen Struktur und Insasse. Das Problem besteht nun darin, dass eine direkte Beobachtung des zeitlichen Verlaufes der Verformung des Bauteils im Crash nicht möglich ist.
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Zwar bietet die FEM-Simulation heute schon sehr gute Möglichkeiten zur Bewertung struktureller Veränderungen. Ein Abgleich zwischen Simulation und Versuchsrealität kann aber nur anhand des Endzustandes nach dem Crash erfolgen. Wünschenswert wäre eine Visualisierung des zeitlichen Verformungsverlaufes zumindest von Teilen der B-Säule, sowohl zur Analyse der Interaktion Insasse mit Struktur als auch zum Abgleich Versuch-Simulation.
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Von besonderem Interesse sind unter den oben genannten Gesichtspunkten der Bereich der B-Säule in Höhe des Kopfes des Fahrers als auch der Bereich in Höhe der Türbrüstung. Geht man von dem Fall aus, dass keine wesentliche Torsion der B-Säule eintritt, so kann das Problem mit einem zweidimensionalen Modell bearbeitet werden. Ein einfaches Modell zur Rekonstruktion der Kinematik ist in 3 skizziert. Dabei bezeichnet 20 als Linie ein B-Säulen-Modell. Dies reicht vom Knoten am Dachrahmen 21 bis zum Knoten am Schweller 24, wobei hier jeweils ein 2-achsiger Beschleunigungsaufnehmer und eine Torsionsfeder realisiert sind. Zwischen diesen beiden Knoten 21 und 24 erstreckt sich die B-Säule 20 über einen Aufnehmer in Höhe des Dummy-Kopfes (Aufnehmer Kopf 22) und einen Aufnehmer in Höhe der Türbrüstung (Aufnehmer Türbrüstung 23), die jeweils 2-achsige Beschleunigungsaufnehmer enthalten.
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Das Modell besteht aus vier Teilkörpern, drei Verbindungselementen in Form kubischer Polynome und zwei Torsionsfedern zur Aufnahme der Momente in den Endpunkten. Es gibt acht freie Parameter, die durch eine überlagerte Optimierung zu bestimmen sind.
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Die Vorgehensweise entspricht der in Beispiel 1. Der Grad des linearen Gleichungssystems erhöht sich auf acht. Für die animierte Darstellung des zeitlichen Verlaufes der Deformation können die Bewegungsdaten der Aufnehmer 22 und 23 entsprechenden Abschnitten eines FEM-Modells der B-Säule.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dummy
- 11
- 3-achsiger Beschleunigungsaufnehmer Kopfbereich
- 12
- 3-achsiger Beschleunigungsaufnehmer Brustbereich
- 13
- 3-achsiger Beschleunigungsaufnehmer Becken
- 15
- Torsionsfeder
- 16
- Kopplung Brust-Becken
- 17
- Kopplung Kopf-Brust
- 20
- B-Säulen-Modell
- 21
- Knoten am Dachrahmen
- 22
- Aufnehmer Kopf
- 23
- Aufnehmer Türbrüstung
- 24
- Knoten am Schweller
- FBe
- Einzelkraft am Becken
- FBr
- Einzelkraft im Brustbereich
- FK
- Einzelkraft am Kopfbereich
