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模擬碰撞試驗(yàn)知多少

2020-01-16 19:15:37·  來(lái)源：廣汽研究院集成安全技術(shù)部  作者：胡世博  
　
確切的說(shuō)，模擬碰撞實(shí)際上就是將實(shí)車(chē)碰撞中產(chǎn)生的加速度-時(shí)間歷程使用一些專(zhuān)用設(shè)備模擬出來(lái)，盡可能接近這一時(shí)間歷程，從而制造出一個(gè)沖擊試驗(yàn)環(huán)境，在這一沖擊
確切的說(shuō)，模擬碰撞實(shí)際上就是將實(shí)車(chē)碰撞中產(chǎn)生的加速度-時(shí)間歷程使用一些專(zhuān)用設(shè)備模擬出來(lái)，盡可能接近這一時(shí)間歷程，從而“制造”出一個(gè)沖擊試驗(yàn)環(huán)境，在這一沖擊試驗(yàn)環(huán)境中測(cè)試各類(lèi)被測(cè)試部件，比如安全帶、座椅、行李架、門(mén)鎖或門(mén)鉸鏈等的相關(guān)耐沖擊、耐慣性性能；另外，通過(guò)復(fù)現(xiàn)實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)中的加速度-時(shí)間歷程，可以復(fù)現(xiàn)包括安全帶、安全氣囊、吸能式轉(zhuǎn)向管柱等零部件的整個(gè)乘員約束系統(tǒng)在這一時(shí)間歷程中同假人的相互作用，在相同的沖擊環(huán)境下，可以對(duì)不同的約束系統(tǒng)參數(shù)組合進(jìn)行集成匹配，從而配合仿真分析找出最優(yōu)組合。
 圖1 通常情況下的實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)中的加速度-時(shí)間歷程示意圖
而碰撞模擬實(shí)際上是通過(guò)某些計(jì)算機(jī)軟件與數(shù)學(xué)模型，在給定若干已知條件的情況下，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬汽車(chē)碰撞過(guò)程，對(duì)車(chē)身主要結(jié)構(gòu)部件的碰撞變形與其他物理量的碰撞變化特性進(jìn)行分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，預(yù)防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，使車(chē)身結(jié)構(gòu)與約束系統(tǒng)更好地匹配，從而降低后期的試驗(yàn)驗(yàn)證成本。
圖2 碰撞模擬仿真
 
3、為啥要做模擬碰撞試驗(yàn)？
碰撞試驗(yàn)的特點(diǎn)是“破壞性”與“高成本”，整車(chē)研發(fā)過(guò)程中的工程樣車(chē)與工裝樣車(chē)成本極高，大約是百萬(wàn)級(jí)別，而當(dāng)我們只需對(duì)乘員約束系統(tǒng)或車(chē)內(nèi)的其他零部件進(jìn)行沖擊測(cè)試時(shí)，無(wú)需使用整車(chē)進(jìn)行試驗(yàn)。模擬碰撞試驗(yàn)中，車(chē)輛或工裝本身不直接被撞擊，車(chē)身或工裝相關(guān)結(jié)構(gòu)不會(huì)被破壞，破壞的僅為零部件本身；試驗(yàn)后，僅需要更換試驗(yàn)零部件即可反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)所需時(shí)間與費(fèi)用不高。目前，大部分試驗(yàn)室所采用加速型模擬碰撞臺(tái)車(chē)系統(tǒng)重復(fù)性誤差均可以控制在1gRMS以?xún)?nèi)，重復(fù)性較好，可以保證試驗(yàn)結(jié)果的一致性。
 
4、做模擬碰撞試驗(yàn)都需要啥設(shè)備？
 
前面已經(jīng)提到，模擬碰撞試驗(yàn)實(shí)際上就是將被測(cè)試的樣品放在一個(gè)被專(zhuān)用設(shè)備“制造”的沖擊環(huán)境中來(lái)測(cè)試這些樣品的相關(guān)性能，那什么樣的設(shè)備能夠“制造”出這一沖擊環(huán)境呢？
這一類(lèi)設(shè)備統(tǒng)稱(chēng)為臺(tái)車(chē)模擬碰撞試驗(yàn)裝置，目前通用的有加速型與減速型試驗(yàn)裝置兩種，減速型模擬碰撞臺(tái)車(chē)主要適用于一些需要快速進(jìn)行的“標(biāo)準(zhǔn)波形”試驗(yàn)，這種試驗(yàn)裝置不需要復(fù)雜的波形發(fā)生系統(tǒng)，通過(guò)一些簡(jiǎn)單的物理裝置如鋼筋吸能器、液壓阻尼器等即可以模擬出相對(duì)“規(guī)則”的加速度-時(shí)間歷程曲線，但是較難模擬出實(shí)車(chē)碰撞中的“復(fù)雜波形”；而加速型模擬碰撞臺(tái)車(chē)既適用于模擬實(shí)車(chē)碰撞中的“復(fù)雜波形”，在模擬“標(biāo)準(zhǔn)波形”時(shí)也更加準(zhǔn)確，但其價(jià)格較高，在設(shè)備安裝調(diào)試時(shí)也較為復(fù)雜，這兩種試驗(yàn)裝置各有其優(yōu)缺點(diǎn)，適合不同的試驗(yàn)需求。
 
除了模擬碰撞試驗(yàn)裝置以外，與實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)相同，模擬碰撞試驗(yàn)同樣需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與記錄，主要包括圖像數(shù)據(jù)與電測(cè)量數(shù)據(jù)兩大類(lèi)，需要耐沖擊的高速攝像系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及相關(guān)傳感器、碰撞假人等，同時(shí)，可能還需要配合高速攝像系統(tǒng)用的碰撞燈光系統(tǒng)、用于環(huán)境控制的恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組等附屬設(shè)備，另外，目前的技術(shù)可以將試驗(yàn)室的各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行集成控制，十分方便。
圖3  某法規(guī)中規(guī)定的“標(biāo)準(zhǔn)波形”（加速度曲線位于陰影區(qū)域內(nèi)即可）
 
4、模擬碰撞試驗(yàn)咋做？
 
說(shuō)了半天，終于說(shuō)到做試驗(yàn)的事情了
 
最重要的實(shí)際上是那個(gè)“沖擊環(huán)境”，也就是加速度-時(shí)間歷程曲線，在一些零部件的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了這個(gè)曲線的范圍與最后的試驗(yàn)速度，這時(shí)候就需要我們的數(shù)據(jù)編輯小能手編輯出一個(gè)符合這些要求的曲線并將其輸入至模擬碰撞系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試完畢后就可以進(jìn)行試驗(yàn)啦。
 
由于這種根據(jù)數(shù)據(jù)編輯得到的曲線往往都是“梯形”、“三角形”等等比較規(guī)則的形狀，設(shè)備在模擬這些曲線時(shí)不需要十分復(fù)雜的控制程序，因此這類(lèi)試驗(yàn)曲線的模擬精度實(shí)際上都非常高；另一些試驗(yàn)曲線是從實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)中直接采集到的，這類(lèi)曲線反映了實(shí)車(chē)碰撞中的關(guān)鍵物理特性過(guò)程，因此較為復(fù)雜，最為簡(jiǎn)單粗暴的辦法其實(shí)就是將這一曲線不經(jīng)任何處理直接導(dǎo)入至設(shè)備中進(jìn)行模擬，但往往由于曲線高頻成分多、加速度變化快等原因無(wú)法模擬出很接近的曲線，這時(shí)其實(shí)就需要根據(jù)實(shí)際情況將輸入曲線進(jìn)行調(diào)整后再行模擬。
 
但要說(shuō)明的是，這些調(diào)整必須有相關(guān)理論依據(jù)才可以進(jìn)行，比如說(shuō)根據(jù)汽車(chē)正面碰撞的實(shí)際物理過(guò)程將曲線等效成“雙級(jí)階梯”曲線，或根據(jù)側(cè)面碰撞中車(chē)門(mén)與假人的實(shí)際作用過(guò)程調(diào)整曲線峰值大小等，這些調(diào)整需要很多方法論指導(dǎo)，非專(zhuān)業(yè)人士切勿模仿。
 
總結(jié)
 
最后其實(shí)想談一些個(gè)人對(duì)于汽車(chē)安全性能開(kāi)發(fā)的想法，對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，汽車(chē)產(chǎn)品的碰撞安全性能在平時(shí)用車(chē)過(guò)程中是很難被感知的，同時(shí)又與用車(chē)人自己的意識(shí)息息相關(guān)；從消費(fèi)者的角度來(lái)看，可能包括行人保護(hù)在內(nèi)的一部分汽車(chē)安全性能對(duì)于汽車(chē)使用者來(lái)說(shuō)，他們關(guān)注并不多，但從整個(gè)道路交通環(huán)境來(lái)看，我們工程師所做的所有安全性能開(kāi)發(fā)工作實(shí)際上都是在挽救生命。
但現(xiàn)實(shí)情況可能是，消費(fèi)者對(duì)于汽車(chē)安全性能的認(rèn)識(shí)可能仍舊停留在“氣囊多”、“鋼板厚”這些比較表層的認(rèn)識(shí)，我們的努力可能也不能只停留在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與性能集成的工程領(lǐng)域，消費(fèi)者對(duì)于“安全”這兩個(gè)字的認(rèn)識(shí)可能還需要我們這些從業(yè)者多加宣傳才可能有進(jìn)一步提升，創(chuàng)造和諧的交通環(huán)境，我們永遠(yuǎn)在路上。
 
文章：胡世博
編輯：黃宏滔
廣汽研究院集成安全技術(shù)部 
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