基于粘弹性本构的儿童座椅泡沫材料参数标定方法

本发明涉及儿童座椅泡沫材料仿真模拟，具体地说，尤其涉及一种汽车儿童座椅泡沫材料的参数标定方法。

背景技术：

1、随着我国汽车保有量的不断上升，人们出行使用汽车的频率也越来越高，交通事故发生率愈发频繁，儿童乘员碰撞安全问题越来越受到人们的重视。儿童乘员因体型小和身体未发育完全，与成人乘员相比具有较大差距。为减少儿童乘员的事故伤害，人们给儿童乘员配备儿童座椅以提高对儿童乘员的保护。

2、对保护儿童起着特别重要作用的是儿童座椅中的泡沫材料，泡沫材料能够吸收碰撞能量、缓和冲击。准确模拟碰撞过程中儿童座椅上泡沫材料的能量吸收效果，成为儿童座椅设计仿真的重要内容。对于儿童座椅厂家，能否准确表达泡沫材料的能量吸收特性，是儿童座椅设计仿真中的重点。对于儿童座椅中的泡沫材料选取，能够起到缩短设计周期、提高泡沫吸能效果等作用，对于儿童座椅设计有着重要的意义。

3、泡沫材料的应力应变曲线由加载阶段和卸载阶段两部分组成。fu-chang-foam模型用于模拟低密度和中密度泡沫，可以用于儿童座椅泡沫材料的模拟。加载阶段的应力应变曲线可以自己定义，卸载阶段的应力应变曲线则通过杨氏模量e、滞回卸载因子hu、阻尼damp、以及卸载时的形状因子shape进行调整。卸载阶段能够决定泡沫材料的能量吸收特性是否符合实际要求，对于泡沫材料的参数标定重点在于卸载阶段的模拟。

4、能量吸收试验采用金属头模从一定高度自由下落至放置在平面上的泡沫板中心位置，测量金属头模从与泡沫板接触时刻开始的加速度时程曲线。目前泡沫材料的参数标定主要依靠对标压缩时的卸载阶段应力应变曲线来进行仿真的标定，在对卸载阶段的应力应变曲线进行标定后，还需要再进行能量吸收试验以验证泡沫的吸能特性，而泡沫的能量吸收特性在儿童座椅的使用中起着重要的作用，需要能够更加准确地体现。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有儿童座椅泡沫材料参数标定无法准确表达泡沫材料能量吸收特性的问题，提供一种基于粘弹性本构的儿童座椅泡沫材料参数标定方法，不再通过卸载阶段的应力应变曲线进行材料参数标定，而是直接通过能量吸收试验来标定材料参数，实现对儿童座椅泡沫材料能量吸收特性的准确模拟，保证仿真结果的准确性，缩短儿童座椅的开发周期。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种基于粘弹性本构的儿童座椅泡沫材料参数标定方法，包括以下步骤：

4、s1：进行泡沫材料能量吸收试验，采集能量吸收试验过程中头模的加速度数据，获取头模的加速度时程曲线；

5、s2：建立有限元仿真模型，提取用于材料标定的参数，并对参数进行修改，对有限元仿真模型进行计算求解；

6、s3：对能量吸收试验头模加速度数据进行处理，搭建参数优化模型，执行参数优化迭代计算，进行参数标定。

7、进一步地，进行泡沫材料能量吸收试验，采集能量吸收试验过程中头模的加速度数据，获取头模的加速度时程曲线，具体为：

8、头模安装至试验装置上，将泡沫板放置在头模正下方，头模上安装有加速度传感器，使头模自由下落与泡沫板发生碰撞，同时用高速摄像机拍摄头模下落与泡沫板发生接触的过程；

9、读取头模上加速度传感器中的数据，加速度数据经过滤波后得到垂直方向上头模的初始加速度时程曲线c0。

10、进一步地，建立有限元仿真模型，包括：

11、网格划分：将泡沫材料能量吸收试验所用头模的三维模型导入hypermesh软件中，并按照试验采用的泡沫尺寸建立三维模型；在软件中对泡沫结构划分六面体实体网格，对头模划分四面体实体网格，并在泡沫和头模表面建立壳单元网格用于头模和泡沫接触关系的建立；

12、网格模型属性赋予：对六面体实体网格和四面体实体网格设置实体单元，并指定头模为刚体，壳单元网格设置二维单元；

13、零件材料赋予：根据泡沫材料的应力应变曲线建立fu-chang-foam本构模型，设置应力应变曲线的加载阶段，赋予材料参数杨氏模量e、阻尼damp、滞回卸载因子hu、卸载形状因子shape的初始值；

14、模型约束及接触设置：利用头模和泡沫表面的壳单元网格进行接触设置，并约束泡沫底部垂直方向的自由度；

15、加载的设置：按照能量吸收试验中头模撞击到泡沫时的速度对头模整体设置速度载荷；

16、结果输出：在软件中设置输出头模整体的加速度历史数据；有限元仿真模型建立完成，输出原始k文件test.k。

17、进一步地，提取用于材料标定的参数，并对参数进行修改，具体为：

18、在ansa软件中打开原始k文件test.k，新建优化任务optimization_task；

19、对optimization_task中的设计变量design_variable进行添加，将泡沫材料参数e、damp、hu、shape添加为设计变量，并给定范围；

20、设置输出文件为修改后k文件test1.k，设置参数修改使用的txt文件为dvfile.txt，并运行优化任务；

21、保存参数调整程序至文件opt.ansa。

22、进一步地，对有限元仿真模型进行计算求解，具体为：

23、采用ls-dyna软件对有限元仿真模型的修改后k文件test1.k进行计算求解，获得结果文件nodout。

24、进一步地，对能量吸收试验头模加速度数据进行处理，具体为：

25、将能量吸收试验中测得的泡沫受头模垂直方向冲击时头模的初始加速度时程曲线c0进行处理，得到目标加速度时程曲线c1，使试验数据的采样频率与有限元仿真结果数据的频率相同。

26、进一步地，搭建参数优化模型，具体为：

27、采用isight软件中的一个exploration模块和四个simcode模块搭建参数优化模型，exploration模块为程序模块，simcode模块为应用模块且四个simcode模块串联，四个simcode模块命名为simcode模块1、simcode模块2、simcode模块3和simcode模块4；

28、simcode模块1运行ansa程序进行参数设置，simcode模块2运行ls-dyna程序进行能量吸收试验仿真，simcode模块3运行ls-prepost程序进行节点加速度数据输出，simcode模块4运行python程序进行曲线相关系数及均方误差输出。

29、进一步地，参数优化模型框架搭建完成后，对应用模块及程序模块进行文件输入、参数化、数据传递设定、优化算法选择以及目标设定，每个模块具体设置为：

30、simcode模块1输入文件为ansa调用的参数修改文件dvfile.txt，修改的参数包括e、damp、hu、shape；命令文件为调用修改参数时使用的ansa文件opt.ansa进行材料参数调整的bat文件，调用该文件进行材料参数调整；输出文件无需设置；

31、simcode模块2输入文件无需设置；命令文件为调用ls-dyna进行仿真求解的bat文件，调用该文件进行仿真求解；输出文件无需设置；

32、simcode模块3输入文件无需设置；命令文件为调用ls-prepost对仿真结果进行后处理得到头模的加速度数据文件，其内容包括读取nodout的垂直方向加速度数据，输出加速度时程曲线c2至数据文件acc.csv；

33、simcode模块4输入文件无需设置；命令文件为调用python对得到的数据文件acc.csv中的加速度时程曲线c2与能量吸收试验后处理得到的头模加速度时程曲线c1相比较，输出两条曲线的相关系数r以及均方误差mse至结果文件bata.txt；输出文件为结果文件bata.txt中的相关系数r以及均方误差mse；

34、exploration模块为多种组合策略，选择基于近似模型更新的全局优化approximation loop策略，基于近似模型更新的全局优化算法适用于非线性设计空间的问题，exploration模块包括选项设置、变量设置、约束设置及目标设置四项设置。

35、进一步地，exploration模块中选项设置、变量设置、约束设置及目标设置具体为：

36、选项设置：最大子优化运行数选择20；优化方法选择nlpqlp作为首选算法；

37、变量设置：选择e、damp、hu、shape作为优化变量，并设置变量初始值的-75％为下限值，+75％为上限值；

38、约束设置：无约束设置；

39、目标设置：相关系数r和均方误差mse作为目标，设置相关系数r最大化，mse最小化。

40、进一步地，基于近似模型更新的全局优化算法，首先建立局部设计空间的近似模型，并在近似模型上进行优化计算，获得局部最优解的估计值，并通过验证计算不断更新近似模型位置继续优化，最终得到经过验证的全局解；

41、在isight软件中执行优化迭代计算，迭代过程全部记录在运行门户的history界面中，迭代完成后给出经过实际仿真的优化模型的最优解，无需再次在ls-dyna中求解验证即得到想要标定的泡沫材料参数。

42、与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

43、本发明考虑了泡沫材料的能量吸收特性进行材料参数标定，不通过泡沫材料卸载阶段的应力应变曲线来进行拟合，而是直接从能量吸收试验结果进行拟合，减少了不必要的时间，并且能够更加准确地对泡沫材料的特性进行模拟。

44、本发明采用调用ansa软件的方式对参与参数标定的泡沫参数进行修改，能够避免在优化设计过程中得到的优化结果由于数据占用字符位数过多导致k文件报错的问题，能够实现验证过程的自动进行。

45、本发明采用基于近似模型更新的全局优化算法，能够在全局优化过程中不断验证近似模型的有效性，并且得到的优化结果经过仿真验证，无需额外进行仿真来对材料参数标定结果进行验证，将流程简化，减少了不必要的时间。