CN114925445A - 一种汽车安全气囊控制器正面碰撞工况虚拟仿真开发方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽车安全气囊控制器正面碰撞工况虚拟仿真开发方法，依据车型以及气囊点爆策略，制定实车正面碰撞试验及虚拟仿真试验方案；进行实车正面碰撞试验，识别影响开发车型的正面碰撞仿真的关键零部件，对零部件的仿真模型进行标定；对正面碰撞试验进行整车虚拟仿真模型标定；用标定过的整车虚拟仿真模型，对未进行实车碰撞试验的工况进行正面碰撞虚拟仿真试验；最后将正面碰撞工况实车试验及虚拟仿真获取的车辆加速度信号用于气囊点爆算法开发。本发明将信号采集阶段的部分正面碰撞工况试验采用虚拟仿真代替试验，可以减少试验样车数量及试验次数，缩减试验开发周期，降低ACU气囊控制算法的开发成本。
Description
技术领域
本发明属于安全气囊碰撞试验技术领域，具体涉及一种汽车安全气囊控制器正面碰撞工况虚拟仿真开发方法。
背景技术
安全气囊作为一种汽车被动安全装备，可以有效降低汽车碰撞过程中乘员的伤害，已经在汽车行业得到了广泛的应用。安全气囊由气囊控制器(ACU)控制点爆，布置在车辆各处的加速度传感器负责采集汽车行驶中的加速度信号，当发生碰撞时，加速度信号触发气囊点爆算法，ACU控制气囊依据点爆策略点爆保护乘员安全。
目前汽车行业ACU气囊控制算法的开发主要依赖实车碰撞试验，试验至少包括信号采集和实车验证两轮，需要20-30辆试验样车。采集阶段通过碰撞试验采集车辆前防撞横梁，中通道，中柱等处的加速度信号，根据气囊点爆策略的不同分析处理这些加速度信号生成气囊点爆算法。将气囊点爆算法写入ACU，通过实车试验验证算法的有效性。对于部分车型的开发，由于样车零部件状态的差异，可能需要三轮试验，样车数量还需增加。开发阶段的试验样车的成本一般为汽车最终定价的10倍左右，开发成本较高。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种汽车安全气囊控制器正面碰撞工况虚拟仿真开发方法，将信号采集阶段的部分正面碰撞工况试验采用虚拟仿真代替试验，可以减少试验样车数量及试验次数，缩减试验开发周期，降低ACU气囊控制算法的开发成本。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种汽车安全气囊控制器正面碰撞工况虚拟仿真开发方法，包括以下步骤：
S1.依据车型以及气囊点爆策略，制定实车正面碰撞试验及虚拟仿真试验方案；
S2.根据步骤S1制定的试验方案进行实车正面碰撞试验，并对试验后样车各零部件的变形情况进行记录统计；
S3.识别影响开发车型的正面碰撞仿真的关键零部件，对零部件的仿真模型进行标定；
S4.对正面碰撞试验进行整车虚拟仿真模型标定；
S5.用所述步骤S4中标定过的整车虚拟仿真模型，对未进行实车碰撞试验的工况进行正面碰撞虚拟仿真试验；
S6.将正面碰撞工况实车试验及虚拟仿真获取的车辆加速度信号用于气囊点爆算法开发；
S7.对步骤S6开发的气囊点爆算法进行试验验证；
S8.输出通过试验验证的气囊点爆算法。
进一步地，所述步骤S1中，确定实车正面碰撞采集试验包括正面15km/h偏置刚性壁障碰撞，正面23km/h全宽刚性壁障碰撞，正面32km/h中心刚性柱碰撞，正面50km/h全宽刚性壁障碰撞四个工况；虚拟仿真试验包括正面13km/h全宽刚性壁障碰撞，正面32km/h角度全宽刚性壁障碰撞，正面40km/h偏置可变形壁障碰撞三个工况。
进一步地，所述步骤S2中，采集车辆前防撞横梁、中通道、中柱处的加速度信号。
进一步地，所述步骤S3包括：
3.1)设计关键零部件的材料试验，对仿真模型中所用的材料卡进行标定；调整材料卡的相关参数，使仿真与试验的力-位移曲线相似度＞90％；
3.2)对关键零部件连接进行精细化建模，按照连接方式的不同分别采用不同的建模方式；
3.3)根据零部件在正面碰撞工况中的受力特点设计冲击试验，并对零部件冲击试验进行仿真建模。
进一步地，所述步骤3.2)包括：
a)螺栓连接采用Beam模拟，beam两端与被连接件刚性连接，beam赋予螺栓的截面及材料属性，并施加预紧力；
b)搭接接头缝焊以六面体Solid单元模拟，T型接头缝焊以直角五面体Solid单元模拟，缝焊单元与被连接件之间采用TIED_NODES_TO_SURFACE接触连接；
c)点焊采用六面体单元模拟，点焊单元与被连接件之间采用TIED_NODES_TO_SURFACE接触连接；
d)卡扣连接采用多自由度弹簧单元法，卡扣伸出端件与卡扣接受端件孔中心刚性连接，接受端件孔中心向平面内垂直的两个方向分别设置两根弹簧，弹簧一端与中心连接，另一端与接收端件连接，每组弹簧的刚度依据卡扣的特性进行标定。
进一步地，所述步骤3.3)包括：
a)使用落锤试验，试验零部件一端固定，落锤冲击另一端，提取试验的力-位移曲线；
b)应用关键零部件材料卡及连接建模方法对零部件冲击试验进行仿真建模，调整材料卡及连接模型参数使得仿真与试验的力-位移曲线相似度＞90％。
进一步地，所述步骤S4包括：
4.1)建立所述步骤S2中的实车正面碰撞试验的仿真模型，所有试验仿真模型除碰撞速度及壁障的差异外，整车模型设置保持一致；
4.2)调整仿真模型的边界条件，使其与实车试验保持一致；
4.3)调整所述步骤S3中的关键零部件的材料卡参数及连接模型参数，使所有试验工况仿真结果的前端关键零部件变形与实车试验一致，并且仿真采集的加速度信号与试验的加速度信号的一致性满足点爆策略要求。
进一步地，所述步骤4.2)中，边界条件包括：碰撞速度，整车重量及质心，悬架弹簧刚度，车辆前端离地高度。
进一步地，所述步骤4.3)中仿真采集的加速度信号与试验的加速度信号一致性的评价方法为：
a)仿真与试验所获得加速度-时间曲线统一以碰撞开始时刻为零时刻，截止到150ms；
b)对经过上述处理的仿真与试验的加速度-时间曲线进行SAE Class 60等级的滤波；
c)仿真与试验的加速度曲线经过以下公式积分进行变换：
其中，t为时间，a为加速度，T积分时刻，n为积分宽度，m为修正偏移量；
d)对比获得的仿真与试验的W-时间曲线，从峰值，峰值相位，包络面积三个维度进行对比，误差均小于5％。
进一步地，所述步骤S7包括：将所述步骤S6中的气囊点爆算法写入ACU，搭载正面13km/h全宽刚性壁障碰撞，正面15km/h偏置刚性壁障碰撞，正面23km/h全宽刚性壁障碰撞，正面32km/h角度全宽刚性壁障碰撞，正面32km/h中心刚性柱碰撞，正面40km/h偏置可变形壁障碰撞，正面50km/h全宽刚性壁障碰撞实车碰撞试验，验证算法的有效性。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)与目前主流方法相比，本发明采用虚拟仿真代替试验，减少了试验样车数量及试验次数，可以显著降低ACU气囊控制算法的开发成本；
(2)本发明基于部分正面碰撞试验对整车仿真模型进行了标定，保证了虚拟仿真的精度；
(3)本发明应用灵活，在改款或同平台车型安全气囊控制算法的开发过程中可以根据车型更改程度高低调整实车试验及虚拟仿真工况的个数做到成本与性能的平衡。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种汽车安全气囊控制器正面碰撞工况虚拟仿真开发方法流程图；
图2为本发明实施例所述的一种汽车安全气囊控制器正面碰撞工况虚拟仿真开发方法中螺栓连接精细化模型；
图3为本发明实施例所述的一种汽车安全气囊控制器正面碰撞工况虚拟仿真开发方法中为缝焊搭接接头精细化模型；
图4为本发明实施例所述的一种汽车安全气囊控制器正面碰撞工况虚拟仿真开发方法中为缝焊T型接头精细化模型；
图5为本发明实施例所述的一种汽车安全气囊控制器正面碰撞工况虚拟仿真开发方法中为点焊精细化模型；
图6为本发明实施例所述的一种汽车安全气囊控制器正面碰撞工况虚拟仿真开发方法中为卡扣连接精细化模型；
图中：
1-一号被连接零部件；2-二号被连接零部件；3-螺栓beam单元；4-刚性连接；5-六面体缝焊单元；6-五面体缝焊单元；7-点焊单元；8-卡扣伸出端件；9-卡扣接受端件；10-卡扣模拟弹簧。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，以下实施案例将有助于本领域技术人员进一步理解本发明。
本实施例详细说明了一种汽车安全气囊控制器正面碰撞工况虚拟仿真开发方法，如图1所示，包括以下步骤：
第一步，制定正面碰撞采集试验及仿真方案
依据车型以及气囊点爆策略，设计采集阶段的试验及虚拟仿真方案。所需碰撞工况包括：正面13km/h全宽刚性壁障碰撞，正面15km/h偏置刚性壁障碰撞，正面23km/h全宽刚性壁障碰撞，正面32km/h角度全宽刚性壁障碰撞，正面32km/h中心刚性柱碰撞，正面40km/h偏置可变形壁障碰撞，正面50km/h全宽刚性壁障碰撞。
这里选择正面15km/h偏置刚性壁障碰撞，正面23km/h全宽刚性壁障碰撞，正面32km/h中心刚性柱碰撞，正面50km/h全宽刚性壁障碰撞四个工况进行实车试验采集加速度信号数据，并对相应的仿真模型进行标定；正面13km/h全宽刚性壁障碰撞，正面32km/h角度全宽刚性壁障碰撞，正面40km/h偏置可变形壁障碰撞三个工况通过虚拟仿真获得加速度信号数据。
第二步，实车正面碰撞试验
依据试验方案进行正面15km/h偏置刚性壁障碰撞，正面23km/h全宽刚性壁障碰撞，正面32km/h中心刚性柱碰撞，正面50km/h全宽刚性壁障碰撞四个工况实车碰撞试验，采集车辆前防撞横梁，中通道，中柱等处的加速度信号。并对试验后样车各零部件的变形情况进行记录统计。
第三步，正面碰撞虚拟仿真的关键零部件识别及标定
识别影响开发车型的正面碰撞仿真的关键零部件，对这些零部件的仿真模型进行标定。
1)设计关键零部件的材料试验，对仿真模型中所用的材料卡进行标定，根据材料的不同，标定试验的种类也有所不同，一般可分为变形硬化及失效断裂两个部分。调整材料卡的相关参数，使仿真与试验的力-位移曲线相似度＞90％。
2)对关键零部件连接进行精细化建模，按照连接方式的不同分别采用不同的建模方式：
a)螺栓连接采用Beam模拟，如图2所示，beam两端与被连接件刚性连接，beam赋予螺栓的截面及材料属性，并施加预紧力；
b)搭接接头缝焊以六面体Solid单元模拟，如图3所示，T型接头缝焊以直角五面体Solid单元模拟，如图4所示，缝焊单元与被连接件之间采用TIED_NODES_TO_SURFACE接触连接；
c)点焊采用六面体单元模拟，如图5所示，点焊单元与被连接件之间采用TIED_NODES_TO_SURFACE接触连接；
d)卡扣连接采用多自由度弹簧单元法，如图6所示，卡扣伸出端件与卡扣接受端件孔中心刚性连接，接受端件孔中心向平面内垂直的两个方向分别设置两根弹簧，弹簧一端与中心连接，另一端与接收端件连接，每组弹簧的刚度依据卡扣的特性进行标定。
3)关键零部件冲击试验及仿真标定：
a)根据零部件在正面碰撞工况中的受力特点设计冲击试验，这里使用落锤试验，试验零部件一端固定，落锤冲击另一端，提取试验的力-位移曲线，
b)应用上述关键零部件材料卡及连接建模方法对零部件冲击试验进行仿真建模，调整材料卡及连接模型参数使得仿真与试验的力-位移曲线相似度＞90％。
第四步，正面碰撞试验的虚拟仿真模型标定
1)应用第三步的建模技术建立第二步中的正面15km/h偏置刚性壁障碰撞，正面23km/h全宽刚性壁障碰撞，正面32km/h中心刚性柱碰撞，正面50km/h全宽刚性壁障碰撞四个工况碰撞实车试验的仿真模型，所有试验仿真模型除碰撞速度及壁障的差异外，整车模型设置保持一致；
2)调整仿真模型的边界条件，使其与实车试验保持一致，边界条件包括：碰撞速度，整车重量及质心，悬架弹簧刚度，车辆前端离地高度；
3)调整第三步中的关键零部件的材料卡参数及连接模型参数，使所有试验工况仿真结果的前端关键零部件变形与实车试验一致，并且前防撞横梁，中通道，中柱等处的加速度信号与试验的加速度信号的一致性满足点爆策略要求。
本实施例仿真与试验的加速度信号一致性评价方法：
a)仿真与试验所获得加速度-时间曲线统一以碰撞开始时刻为零时刻，截止到150ms；
b)对经过上述处理的仿真与试验的加速度-时间曲线进行SAE Class 60等级的滤波；
c)仿真与试验的加速度曲线经过以下公式积分进行变换
其中，t为时间，a为加速度，T积分时刻，n为积分宽度，m为修正偏移量。
d)对比获得的仿真与试验的W-时间曲线，从峰值，峰值相位，包络面积三个维度进行对比，误差均小于5％即满足要求。
第五步，未进行实车碰撞试验的工况虚拟仿真
用第四步中标定过的整车碰撞模型，更改碰撞速度及壁障，对未进行实车碰撞试验的正面13km/h全宽刚性壁障碰撞，正面32km/h角度全宽刚性壁障碰撞，正面40km/h偏置可变形壁障碰撞三个工况进行虚拟仿真，提取前防撞横梁，中通道，中柱等处的加速度信号。
第六步，气囊点爆算法开发
将上述正面碰撞工况实车试验及虚拟仿真的获取的车辆加速度信号用于气囊点爆算法开发。(此处与现有的完全依赖实车碰撞试验的气囊点爆算法开发方法一致；目标是气囊低速碰撞工况(速度＜20km/h)不点爆，中高速工况(速度≥20km/h)按照设计碰撞时刻点爆)
第七步，气囊点爆算法试验验证
将第六步中的气囊点爆算法写入ACU，搭载正面13km/h全宽刚性壁障碰撞，正面15km/h偏置刚性壁障碰撞，正面23km/h全宽刚性壁障碰撞，正面32km/h角度全宽刚性壁障碰撞，正面32km/h中心刚性柱碰撞，正面40km/h偏置可变形壁障碰撞，正面50km/h全宽刚性壁障碰撞实车碰撞试验验证算法的有效性。如出现与设计点爆策略不一致的结果，则调整气囊点爆算法，最终使实车碰撞验证试验的气囊点爆策略满足设计要求。
第八步，输出气囊点爆算法。
Claims (10)
1.一种汽车安全气囊控制器正面碰撞工况虚拟仿真开发方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.依据车型以及气囊点爆策略，制定实车正面碰撞试验及虚拟仿真试验方案；
S2.根据步骤S1制定的试验方案进行实车正面碰撞试验，并对试验后样车各零部件的变形情况进行记录统计；
S3.识别影响开发车型的正面碰撞仿真的关键零部件，对零部件的仿真模型进行标定；
S4.对正面碰撞试验进行整车虚拟仿真模型标定；
S5.用所述步骤S4中标定过的整车虚拟仿真模型，对未进行实车碰撞试验的工况进行正面碰撞虚拟仿真试验；
S6.将正面碰撞工况实车试验及虚拟仿真获取的车辆加速度信号用于气囊点爆算法开发；
S7.对步骤S6开发的气囊点爆算法进行试验验证；
S8.输出通过试验验证的气囊点爆算法。
2.如权利要求1所述的一种汽车安全气囊控制器正面碰撞工况虚拟仿真开发方法，其特征在于，所述步骤S1中，确定实车正面碰撞采集试验包括正面15km/h偏置刚性壁障碰撞，正面23km/h全宽刚性壁障碰撞，正面32km/h中心刚性柱碰撞，正面50km/h全宽刚性壁障碰撞四个工况；虚拟仿真试验包括正面13km/h全宽刚性壁障碰撞，正面32km/h角度全宽刚性壁障碰撞，正面40km/h偏置可变形壁障碰撞三个工况。
3.如权利要求1所述的一种汽车安全气囊控制器正面碰撞工况虚拟仿真开发方法，其特征在于，所述步骤S2中，采集车辆前防撞横梁、中通道、中柱处的加速度信号。
4.如权利要求1所述的一种汽车安全气囊控制器正面碰撞工况虚拟仿真开发方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
3.1)设计关键零部件的材料试验，对仿真模型中所用的材料卡进行标定；调整材料卡的相关参数，使仿真与试验的力-位移曲线相似度＞90％；
3.2)对关键零部件连接进行精细化建模，按照连接方式的不同分别采用不同的建模方式；
3.3)根据零部件在正面碰撞工况中的受力特点设计冲击试验，并对零部件冲击试验进行仿真建模。
5.如权利要求4所述的一种汽车安全气囊控制器正面碰撞工况虚拟仿真开发方法，其特征在于，所述步骤3.2)包括：
a)螺栓连接采用Beam模拟，beam两端与被连接件刚性连接，beam赋予螺栓的截面及材料属性，并施加预紧力；
b)搭接接头缝焊以六面体Solid单元模拟，T型接头缝焊以直角五面体Solid单元模拟，缝焊单元与被连接件之间采用TIED_NODES_TO_SURFACE接触连接；
c)点焊采用六面体单元模拟，点焊单元与被连接件之间采用TIED_NODES_TO_SURFACE接触连接；
d)卡扣连接采用多自由度弹簧单元法，卡扣伸出端件与卡扣接受端件孔中心刚性连接，接受端件孔中心向平面内垂直的两个方向分别设置两根弹簧，弹簧一端与中心连接，另一端与接收端件连接，每组弹簧的刚度依据卡扣的特性进行标定。
6.如权利要求4所述的一种汽车安全气囊控制器正面碰撞工况虚拟仿真开发方法，其特征在于，所述步骤3.3)包括：
a)使用落锤试验，试验零部件一端固定，落锤冲击另一端，提取试验的力-位移曲线；
b)应用关键零部件材料卡及连接建模方法对零部件冲击试验进行仿真建模，调整材料卡及连接模型参数使得仿真与试验的力-位移曲线相似度＞90％。
7.如权利要求1所述的一种汽车安全气囊控制器正面碰撞工况虚拟仿真开发方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
4.1)建立所述步骤S2中的实车正面碰撞试验的仿真模型，所有试验仿真模型除碰撞速度及壁障的差异外，整车模型设置保持一致；
4.2)调整仿真模型的边界条件，使其与实车试验保持一致；
4.3)调整所述步骤S3中的关键零部件的材料卡参数及连接模型参数，使所有试验工况仿真结果的前端关键零部件变形与实车试验一致，并且仿真采集的加速度信号与试验的加速度信号的一致性满足点爆策略要求。
8.如权利要求7所述的一种汽车安全气囊控制器正面碰撞工况虚拟仿真开发方法，其特征在于，所述步骤4.2)中，边界条件包括：碰撞速度，整车重量及质心，悬架弹簧刚度，车辆前端离地高度。
9.如权利要求7所述的一种汽车安全气囊控制器正面碰撞工况虚拟仿真开发方法，其特征在于，所述步骤4.3)中仿真采集的加速度信号与试验的加速度信号一致性的评价方法为：
a)仿真与试验所获得加速度-时间曲线统一以碰撞开始时刻为零时刻，截止到150ms；
b)对经过上述处理的仿真与试验的加速度-时间曲线进行SAE Class 60等级的滤波；
c)仿真与试验的加速度曲线经过以下公式积分进行变换：
其中，t为时间，a为加速度，T积分时刻，n为积分宽度，m为修正偏移量；
d)对比获得的仿真与试验的W-时间曲线，从峰值，峰值相位，包络面积三个维度进行对比，误差均小于5％。
10.如权利要求1所述的一种汽车安全气囊控制器正面碰撞工况虚拟仿真开发方法，其特征在于，所述步骤S7包括：将所述步骤S6中的气囊点爆算法写入ACU，搭载正面13km/h全宽刚性壁障碰撞，正面15km/h偏置刚性壁障碰撞，正面23km/h全宽刚性壁障碰撞，正面32km/h角度全宽刚性壁障碰撞，正面32km/h中心刚性柱碰撞，正面40km/h偏置可变形壁障碰撞，正面50km/h全宽刚性壁障碰撞实车碰撞试验，验证算法的有效性。
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2022
- 2022-05-05 CN CN202210481347.7A patent/CN114925445A/zh active Pending
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