SE514790C2

SE514790C2 - Method and apparatus for actively controlling deformation patterns for structural elements

Info

Publication number: SE514790C2
Application number: SE9903280A
Authority: SE
Inventors: Mats Gustavsson
Original assignee: Saab Ab
Priority date: 1999-09-15
Filing date: 1999-09-15
Publication date: 2001-04-23
Also published as: WO2001019666A1; SE9903280D0; SE9903280L; AU7464900A

Abstract

This invention relates to a method and a device for actively controlling the deformation shape on deformation of a structural element (1), such as a beam in a vehicle, where the invention involves imposing controllable dynamic forces on the structural element (1) so as to force it, in association with deformation, to vibrate according to an imposed oscillation, so that deformation of the structural element (1) is determined entirely or partly according to the imposed vibration.

Description

20 25 30 5 1 4 7 9 0 2 mala mekaniska begränsningar. En sådan aktiv balkanordning är känd exempelvis genom skrif- ten US 4 050 537. I närnnda skrift utnyttjas en krutladdning för att vid kollision förändra en lådbalks tvärsnitt på sådant sätt att dess styvhet och därmed dess energiabsorptionsförrnåga ökar. 20 25 30 5 1 4 7 9 0 2 grinding mechanical constraints. Such an active beam device is known, for example, from the publication US 4,050,537.

Skriften WO 9 822 327 visar en frontstruktur vid ett fordon där ett balksystem är försett med sprängladdningar som utlöses sekvensiellt vid en kollision. Avsikten är här att försvaga balkama och hindra dessa från att knäckas, så att veckningsförloppet och energiupptagningen kan styras från ett frärnsta parti av balkarna till bakomliggande partier. På detta sätt kan energiupptagningen ökas. Ett syfte med anordningen i WO-skriften är att möjliggöra anpassning av deformation och energiuptagning till olika krocksituationer.WO 9 822 327 discloses a front structure of a vehicle in which a beam system is provided with explosive charges which are triggered sequentially in the event of a collision. The intention here is to weaken the beams and prevent them from breaking, so that the folding process and energy uptake can be controlled from a foremost part of the beams to the underlying parts. In this way, energy uptake can be increased. One purpose of the device in the WO script is to enable adaptation of deformation and energy uptake to different collision situations.

BESKRIVNlNG AV UPPFINN INGEN En aspekt av föreliggande uppfinning avser en anordning och ett förfarande för aktiv styrning av deforrnationsmönstret hos ett konstruktionselement, när detta utsätts för plötsliga belastningar, t ex i form av krafter som ger en påtvingad deformation såsom vid en kollision mellan objekt där elementet ingår åtminstone i det ena objektet, varvid deformationsmönstret, dvs en veckning som elementet genomgår, kan styras på ett sådant sätt att energiabsorptionen och styvheten hos ele- mentet optimeras. Enligt uppﬂnningsaspekten försätts konstruktionselementet i vibration i sam- band med deforrnationen. Den hos elementet skapade vibrationen styrs såtillvida att elementet exciteras med minst en kraft som påverkar elementet med ett frekvensspektra som är valt och baserat på resonansmodema för elementet. Härvid ges elementet en önskad svängningsforrn.DESCRIPTION OF THE INVENTION None of the present invention relates to an apparatus and method for actively controlling the deformation pattern of a structural member when subjected to sudden loads, for example in the form of forces giving a forced deformation such as in a collision between objects where the element is included in at least one object, whereby the deformation pattern, ie a folding that the element undergoes, can be controlled in such a way that the energy absorption and the rigidity of the element are optimized. According to the design aspect, the construction element is set in vibration in connection with the deformation. The vibration created by the element is controlled to the extent that the element is excited by at least one force which affects the element with a frequency spectrum which is selected and based on the resonant modes of the element. In this case, the element is given a desired oscillation shape.

Detta innebär att det härigenom blir möjligt att kontrollera på vilket sätt konstruktionselementet svänger före deforrnationen genom val av lärnpliga excitationsorriråden och excitationsspektra.This means that it thereby becomes possible to control in which way the structural element oscillates before the deformation by selecting the mandatory excitation orbits and excitation spectra.

Genom att på detta sätt initiera ett optimalt svängningsmönster i samband med den uppkomma deformationen kan deformationen styras genom att elementets veckningsmönster vid deforma- tionen kommer att helt eller delvis ansluta sig till det påtvingade svängningsmönstret. Krafterna som initierar den påtvingade styrda svängningen kan åstadkommas medelst aktuatorer. Dessa aktuatorer kan användas även under deforrnationen för att fortsatt kontrollera denna. Initieringen av aktuatorema kan göras medelst kollisionsdetektorer t ex baserade på rörelsedetekterin g eller accelerationsmätning.By initiating an optimal oscillation pattern in this way in connection with the resulting deformation, the deformation can be controlled by the fact that the folding pattern of the element during the deformation will fully or partially adhere to the forced oscillation pattern. The forces that initiate the forced controlled oscillation can be achieved by means of actuators. These actuators can also be used during the deformation to further control it. The initiation of the actuators can be done by means of collision detectors, for example based on motion detection or acceleration measurement.

Aktuatorerna utgörs företrädesvis av piezoelektriska komponenter som utplaceras på konstruk- tionselementet på genom beräkning eller mätning bestämda områden för att försätta elementet i 10 15 20 30 514 M3- den önskade svängningen, vilken åstadkommas genom styrning av den elektriska signalen till 79QÛ resp komponent. Andra användbara aktuatorer är elektrostzriktiva eller magnetostriktiva kompo- nenter samt komponenter baserade på elektroaktiva material eller minnesmaterial. Utöver dessa nämnda är det även möjligt att utnyttja elektro-magnetisk eller elektro-elektro interferens för att skapa den önskade dynamiska rörelsen/kraften. Irnpulsexcitering genom förspänning av element- et eller medelst krutladdningar är också användbara, dock i dessa fall med den begränsningen att möjligheten att styra exciteringsspektrat blir begränsad.The actuators are preferably piezoelectric components which are placed on the structural element in areas determined by calculation or measurement to set the element in the desired oscillation, which is effected by controlling the electrical signal to 79QÛ respectively component. Other useful actuators are electrostrictive or magnetostrictive components as well as components based on electroactive materials or memory materials. In addition to those mentioned, it is also possible to use electromagnetic or electro-electro interference to create the desired dynamic movement / force. Pulse excitation by biasing the element or by means of powder charges is also useful, however in these cases with the limitation that the possibility of controlling the excitation spectrum is limited.

En fördel vid utnyttjande av uppﬁnningen är att olika balkar och andra konstruktionselement kan bringas att deformeras på så sätt att deformationen sker under maximal energiupptagning. Ytter- ligare en fördel är att det blir möjligt att utföra mekaniska strukturer med en bättre design, då det ändå genom uppfinningen skapas en möjlighet att styra en deformation av nämnda struktur, så att den upptar stor energi vid en utifrån påtvingad belastning, såsom vid en kollision där strukturen ingår i ett fordon.An advantage in utilizing the invention is that various beams and other structural elements can be caused to be deformed in such a way that the deformation takes place during maximum energy absorption. Another advantage is that it becomes possible to make mechanical structures with a better design, since the invention nevertheless creates an opportunity to control a deformation of said structure, so that it absorbs large energy at an externally imposed load, such as at a collision where the structure is part of a vehicle.

Uppﬁnningen kan med fördel utnyttjas vid konstruktionselement i fordon såsom i bilar och tåg för att förbättra krocksäkerheten i dessa. Uppﬁnningen finner dock tillämpning även på andra områden såsom vid kajkanter, tilläggsplatser för båtar, lastplatser och motsvarande ställen, där fasta organ kan anordnas enligt uppﬁnningen för att uppta energi vid påkörning av organen.The invention can be used to advantage with structural elements in vehicles such as cars and trains to improve the crash safety in these. However, the invention also finds application in other areas, such as at quaysides, additional places for boats, loading docks and corresponding places, where fixed bodies can be arranged according to the invention to absorb energy when the bodies are hit.

FIGURBESKRIVNING Figur l visar en balk som deformeras av krafter anbringade vid dess ändar och dessutom visas balkens grundknäckningsform, där krökningsradien r för den krökning som balken uppvisar blir SIOI.DESCRIPTION OF FIGURES Figure 1 shows a beam which is deformed by forces applied at its ends and in addition the basic buckling shape of the beam is shown, where the radius of curvature r of the curvature exhibited by the beam becomes SIOI.

Figur 2 visar samma balk som i ﬁgur 1, där krafter påtvingade medelst aktuatorer får balken att svänga i en svängningsmod av högre ordning (här 4:e mod), varvid krökningsradien r hos sväng- ningen blir mycket kortare än radien för grundknäckningsformen.Figure 2 shows the same beam as in Figure 1, where forces forced by actuators cause the beam to oscillate in a higher-order oscillation mode (here 4th mode), the radius of curvature r of the oscillation being much shorter than the radius of the basic buckling shape.

Figur 3 visar enheter för styming och initiering av aktuatorema utplacerade på balken. 10 15 20 25 UTFÖRANDEN Ett antal varianter beskrivs i det följande med stöd av figurerna.Figure 3 shows units for control and initiation of the actuators placed on the beam. 10 15 20 25 EMBODIMENTS A number of variants are described in the following with the aid of the figures.

Figur 2 visar en balk 1 som antas ingå som ett längsgående konstruktionselement i ett fordon i en bil eller ett tåg. Vid en kollision som sker frontalt kan kollisionskrafterna symboliseraras av de i ﬁgurerna visade krafterna F i balkens 1 längdriktning. På balken 1 är utplacerade att antal aktuatorer 2, vars uppgift är att tillföra balken påtvingade krafter som med valbar frekvens får balken att svänga enligt en förutbestämd svängning 3. I ﬁgur 2 är visad en svängning som utgör en resonansmod för balken, där balken nu tvingas följa kurvor med kortare krökningsradier r under svängningen. Företrädesvis väljs en resonansmod för konstmktionselementet, i detta exempel balken, där största energiabsorption eller önskad styvhet uppnås under defonnationen. I exemplet enligt figur 2 är aktuatorer i form av piezoelektriska komponenter utplacerade längs balken. Beroende av vilken svängningsmod som önskas hos balken utplaceras aktuatorema enligt beräkningar där hänsyn tas till balkens eller konstruktionselementets dimensioner och dess geometriska form. I det visade exemplet är utplaceringen av aktuatorerna sådan att de enskilda aktuatorerna arbetar i fas med varandra och skapar ett amplitudmaximum för svängningen vid läget för resp aktuator.Figure 2 shows a beam 1 which is assumed to be included as a longitudinal structural element in a vehicle in a car or a train. In the event of a collision that takes place frontally, the collision forces can be symbolized by the forces F shown in the longitudinal directions F in the beam 1. On the beam 1 are placed that number of actuators 2, whose task is to supply the beam with forced forces which with selectable frequency cause the beam to oscillate according to a predetermined oscillation 3. Figure 2 shows an oscillation which constitutes a resonant mode for the beam, where the beam is now forced follow curves with shorter radii of curvature r during the turn. Preferably, a resonant mode is selected for the construction element, in this example the beam, where maximum energy absorption or desired stiffness is achieved during the defonation. In the example according to Figure 2, actuators in the form of piezoelectric components are placed along the beam. Depending on the desired mode of oscillation of the beam, the actuators are placed according to calculations where the dimensions of the beam or structural element and its geometric shape are taken into account. In the example shown, the placement of the actuators is such that the individual actuators work in phase with each other and create an amplitude maximum for the oscillation at the position of the respective actuator.

Här är en balk 1 angiven som ett exempel på ett konstruktionselement. Nämnda element kan dock utgöras av valfri struktur. I en enhet, såsom ett fordon eller annat organ, där en struktur för energiabsorption vid en deformation enligt uppñmtingen används är åtminstone en kollisions- detektor 4 anordnad. Kollisionsdetektorna 4 kan utgöras av rörelsedetektorer eller av accelero- metrar av den typ som används i utlösningsanordningar för krockkuddar. Kollisionsdetektorerna 4 är kopplade till en styrenhet 5, som innefattar minst en mikroprocessor. Styrenheten 5 är programmerad att tillföra ström till varje aktuator 2 med ett frekvensspektra som är avpassad för resp konstruktionselement i fordonet för att den förutbestämda svängningen ska åstadkommas.Here, a beam 1 is given as an example of a structural element. Said elements can, however, consist of any structure. In a unit, such as a vehicle or other means, where a structure for energy absorption in a deformation according to the invention is used, at least one collision detector 4 is arranged. The collision detectors 4 can consist of motion detectors or of accelerometers of the type used in airbag deployment devices. The collision detectors 4 are connected to a control unit 5, which comprises at least one microprocessor. The control unit 5 is programmed to supply current to each actuator 2 with a frequency spectrum which is adapted to the respective structural element in the vehicle in order for the predetermined oscillation to be effected.

Claims

A method for actively controlling the folding pattern in the event of a deformation of a structural element (1), such as a beam, characterized in that controllable dynamic forces in connection with the deformation force the structural element (1) to pivot according to a forced oscillation, so that the deformation of the structural element (1) is controlled in whole or in part according to the forced oscillation. Method according to claim 1, characterized in that the controllable forces are provided by means of actuators (2) placed along the construction element (1), which in cooperation generate the forced oscillation. Method according to claim 1, characterized in that the actuators (2) are triggered by a collision detector (4), such as a motion detector or an accelerometer. Device at a structural element (1) for energy absorption in the event of a deformation of the structural element (1), characterized in that actuators (2) are applied to the surface of the structural element (1) at calculated points and that the actuators are controlled to influence the structural element by forces in a forced oscillation, so that the defonation of the structural element (1) is controlled by the forced oscillation during the deformation. Device according to claim 4, characterized in that the forced oscillation is based on the mechanical resonant modes of the structural element. Device according to claim 5, characterized in that the actuators (2) consist of one of the elements: piezoelectric components, electrostrictive components, magnetostrictive components, components based on electroactive materials or memory materials and components which use electromagnetic or electro-electro interference. Device according to claim 6, characterized in that activation of the actuators is initiated by collision detecting means (4), such as motion detectors or accelerometers. Device according to claim 7, characterized in that the collision detecting means (4) are connected to a control unit (5) comprising a microprocessor, which controls the actuators (2) to actuate the construction element (1) with forces according to a predetermined pattern. . Device according to one of the preceding claims, characterized in that the structural element (1) consists of an energy-absorbing structure in a vehicle or other unit in the event of a collision.