一种多参数碰撞波形质量评价方法与流程

本发明涉及一种汽车碰撞波形的评价方法，更具体地说，本发明涉及一种以正面碰撞波形的特征参数作为指标的多参数碰撞波形质量评价方法。

背景技术：

碰撞波形是车辆碰撞中重要且容易获得的响应特征，是正面碰撞抗撞性设计的重要内容，同时也是约束系统匹配过程中重要的工程参数。正面碰撞波形不仅可以用来衡量车辆正碰的剧烈程度，更重要的是碰撞波形和乘员伤害密切相关。不同的碰撞波形反映了不同的车体结构特征，因此对车体结构抗撞性的评价往往基于碰撞波形开展。等效双台阶波(equivalentdual-trapeziawave，edtw)是将碰撞波形简化成两个叠加的梯形波，与详细波形在形式上较为接近，不仅能够准确表达碰撞总能量、碰撞时间等信息，曲线中还包括碰撞持续时间、发动机碰撞壁障时刻、车体最大压溃量等信息。是目前普遍认可的用于结构抗撞性初始设计的目标波形。碰撞星级是各国新车评价规程中普遍采用的评价体系，由乘员伤害与车体结构共同决定。在中国新车评价规程(cncap)中，将正碰、侧碰、挥鞭伤和主动安全装置等的得分进行累加，得到对应的星级成绩。

目前国内在汽车抗撞性开发过程中，通常是在结构设计完毕之后通过试验或cae(computeraidedengineering)方法获得碰撞波形，利用仿真分析获取乘员伤害进而得到车辆评价星级。一旦碰撞波形不合理，会增加约束系统匹配优化的开发难度，甚至导致无法实现整车的安全性能目标，此时需要反复修改车体结构，直至波形得到改善。在这一过程中，车体结构设计与约束系统匹配过程相对独立，缺少对波形质量进行单独评价的环节，难以评判车体结构的好坏。因此在车型开发初期，对碰撞波形质量的单独评价至关重要。

在汽车的安全性研究领域，国内外学者通常直接采用在碰撞波形上可以提取到的参数(如车辆最大加速度)，或者采用乘员载荷等间接获得的参数来评价波形的优劣，这些评价方法指标单一，且难以转化为车体结构所需要的设计参数。而在整车厂方面，则完全通过设计人员经验进行主观判断或者进行大量重复的仿真试验来分析波形质量，这就在无形之中提高了对设计人员专业素养和实际经验的要求，使得波形评价方法具有很强的随意性，同时耗费时间和财力，不能很好地满足实际应用中的需要。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术在判断碰撞波形优劣时耗时耗财，且评判结果随意性较强的问题，提供了一种多参数碰撞波形质量评价方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的一种多参数碰撞波形质量评价方法的步骤如下：

1)详细波形处理模块由车体详细碰撞波形获得详细波形参数：

(1)详细波形处理模块得到速度-时间曲线；

(2)详细波形处理模块再得到位移-时间曲线；

(3)从详细波形提取经验参数；

2)等效双台阶波形化简模块简化车体详细碰撞波形及获得各特征参数；

3)建立多参数碰撞波形评价准则图；

4)信号输出模块给出评价结果。

技术方案中所述的详细波形处理模块得到速度-时间曲线是指：所述的详细波形处理模块将车体详细碰撞波形即车体的减速度-时间曲线采用公式

积分得到速度-时间曲线；

式中:v为车体速度，单位m/s；v0为碰撞初速度，单位m/s；te为回弹时刻，单位s；a为车体减速度，单位m/s²。

技术方案中所述的详细波形处理模块再得到位移-时间曲线是指：所述的详细波形处理模块(4)再采用公式

将v积分得到位移-时间曲线；

式中:x为车体位移，单位m；te为回弹时刻，单位s；v为车体速度，单位m/s。

技术方案中所述的从详细波形提取经验参数是指：为了将详细碰撞波形简化为双台阶波，进一步从详细波形提取经验参数：

tc为发动机碰撞时刻，取车体减速度-时间曲线上0.02s～0.03s之间的波谷对应的时间点即为tc；

s1为等效双台阶波形曲线从0上升到第一台阶高度的斜率，取车体减速度-时间曲线上的原点到第一个波峰点之间的斜率；

s2为等效双台阶波形曲线从第一台阶高度上升到第二台阶高度的斜率，取车体减速度-时间曲线上最大的峰值前的一段曲线的斜率，这三个参数属于双台阶波形的基本参数；

所述详细波形处理模块(4)将amax、te、dmax、tc、s1和s2六个特征参数以及碰撞初速度v0和详细波形输入等效双台阶波形化简模块(5)中进一步处理。

技术方案中所述的等效双台阶波形化简模块简化车体详细碰撞波形及获得各特征参数的步骤如下：

1)车体详细碰撞波形与等效双台阶波形的发动机前端压溃空间相等，采用公式(3)和公式(4)可以求出发动机碰撞时刻的车体速度vc和发动机前端结构压溃量d1，其中a为车体加速度，单位为g；v0和vc的单位为m/s；d1单位为m；

2)采用公式(5)求出吸能量密度比α，即发动机前端的结构所吸收的能量即d1段结构的吸能量与总能量之比；

3)车体详细碰撞波形与等效双台阶波形发动机前端的吸能量相等，即发动机碰撞时刻的速度vc相等，采用公式(6)求出等效双台阶波的第一台阶高度g1，单位为g；

4)简化的等效双台阶波形在tc时刻的速度为vc，在te时刻的速度为0，即双台阶波形tc到te时刻的速度变化为vc，根据公式(7)求出等效双台阶波的第二台阶高度g2，单位为g；

5)根据公式(8)求出阶梯比i，即等效双台阶波两个台阶的高度g1和g2之比；

6)车体详细碰撞波形与等效双台阶波形曲线最大动态压溃量相等，根据公式(9)求出整车最大动态压溃量dmax，单位为m；

7)根据公式(10)求出宽度比w，即发动机前端结构的压溃量d1与整车最大动态压溃量dmax；

所述的等效双台阶波形化简模块将计算得到的双台阶波特征参数与原始波形的参数汇总，并筛选出进行波形评价需要的其各特征参数：amax、g1、tc、d1、i、w、α，并将各特征参数的值输入中央处理模块。

技术方案中所述的建立多参数碰撞波形评价准则图步骤如下：

1)所述的中央处理模块(2)从nhtsa公布的碰撞试验报告中选取40款车型56km/h正面全宽刚性壁障碰撞的碰撞信息作为研究数据，碰撞信息主要包括车体详细碰撞波形和车辆的碰撞星级；

2)将每个碰撞波形化简为等效双台阶波形，并提取详细碰撞波形基本参数amax、te、dmax、等效双台阶波基本参数g1、g2、tc、d1和等效双台阶波组合参数i、w、α；

3)汇总40款车的碰撞波形和等效双台阶波形的参数的值，并创建数据库；

4)采用线性回归分析分别对10个特征参数与星级成绩进行相关性分析，10个参数线性回归分析的方程和决定系数r²汇总于表2；根据表2选取r²大于0.1的7个参数：amax、g1、tc、d1、i、w、α作为评价碰撞波形的特征参数；

表2碰撞波形参数y和碰撞星级x之间的线性回归方程和r²值

5)将选取的7可特征参数数的分布范围和均值汇总如表3，确定各碰撞波形特征参数对应不同星级的阈值；

表3波形参数对不同星级的分布

6)将7个碰撞波形的特征参数对应不同星级成绩的阈值以蜘蛛图的方式表达，即为多参数碰撞波形质量评价的准则图。

技术方案中所述的信号输出模块给出评价结果是指：

所述的中央处理模块将信号处理模块得到的碰撞波形特征参数值存入多参数波形评价准则图中，并将带有碰撞波形参数值的准则图输出到信号输出模块中，即为评价结果。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的一种多参数碰撞波形质量评价方法可以在不考虑约束系统的情况下对波形质量进行定性评价，避免了传统波形评价方法的指标单一和随意性大的问题；

2.本发明所述的一种多参数碰撞波形质量评价方法将详细碰撞波形简化为等效双台阶波形，并提取两种波形中对星级成绩影响较大的特征参数作为评价指标，所提取的等效双台阶波参数可以作为碰撞波形的结构设计参数，建立结构特性和安全性之间的联系，为车体结构设计提供参考；

3.本发明所述的一种多参数碰撞波形质量评价方法确定特征参数的阈值和星级成绩的关系，并以蜘蛛图的方式呈现评价结果，可以清晰地发现不合理的参数，为设计人员进一步改善波形质量提供参考和指导；

4.本发明所述的一种多参数碰撞波形质量评价方法创建了包含车辆级别、评价星级、碰撞波形特征参数及车体结构参数等大量车型数据的统计数据库，并将评价过程集成为一个模块，具有工程上的可重复性，代替设计人员单纯依靠经验的主观评价。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的一种多参数碰撞波形质量评价方法的模块结构与流程框图；

图2为本发明所述的一种多参数碰撞波形质量评价方法的详细波形处理模块示意图；

图3为等效双台阶波形的参数示意图；

图4为等效双台阶波形的化简模型算法示意图；

图5为本发明所述的一种多参数碰撞波形质量评价方法中的评价准则图建立过程的流程图；

图6为本发明所述的一种多参数碰撞波形质量评价方法的评价准则图；

图7为本发明所述的一种多参数碰撞波形质量评价方法的实施例1的评价结果图；

图8为本发明所述的一种多参数碰撞波形质量评价方法的实施例2的评价结果图；

图中：1.信号处理模块，2.中央处理模块，3.输出信号模块，4.详细波形处理模块，5.等效双台阶波形化简模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

参阅图1，本发明所述的一种多参数碰撞波形质量评价方法的模块构架包括信号处理模块1、中央处理模块2与输出信号模块3。其中：

所述的信号处理模块1包括详细波形处理模块4与等效双台阶波形化简模块5两部分。

所述的详细波形处理模块4将输入的车体碰撞波形积分得到车体碰撞过程的速度和位移，并提取详细碰撞波形的特征参数。

所述的等效双台阶波形化简模块5将详细碰撞波形简化为等效双台阶波形，并将原始波形和等效双台阶波形的信息输送到中央处理模块2中。所述的中央处理模块2将各参数带入已经建立的多参数波形评价准则图中，并将各参数的值在准则图中的分布位置显示在输出信号模块3中，即为评价结果。

本发明所述的一种多参数碰撞波形质量评价方法步骤如下：

1详细波形处理模块4由车体详细碰撞波形获得详细波形参数

1)详细波形处理模块得到速度-时间曲线：

参阅图1与图2，详细波形处理模块4将车体详细碰撞波形(碰撞试验中由b柱下端加速度计采集到的车体减速度信号)车体的减速度-时间曲线采用公式

积分得到速度-时间曲线；

式中:v为车体速度，单位m/s；v0为碰撞初速度，单位m/s；te为回弹时刻，单位s；a为车体减速度，单位m/s²；

2)详细波形处理模块再得到位移-时间曲线：

参阅图1与图2，详细波形处理模块4再采用公式(2)将v(速度-时间曲线)积分得到位移-时间曲线；

式中:x为车体位移，单位m；te为回弹时刻，单位s；v为车体速度，单位m/s。

其中：amax为碰撞波形峰值，是车体减速度-时间曲线上的最小值(峰值)；te为车辆回弹时刻，也是车体碰撞速度为零的时刻，车体速度-时间曲线上的零点；dmax为车体最大动态压溃量，也是车体位移-时间曲线上的最大值，这三个参数是业界公认的详细波形基本参数。

3)从详细波形提取经验参数

为了将详细碰撞波形简化为双台阶波，进一步从详细波形提取经验参数：tc为发动机碰撞时刻，取车体减速度-时间曲线上0.02s-0.03s之间的波谷对应的时间点即为tc；s1为等效双台阶波形曲线从0上升到第一台阶高度的斜率，取车体减速度-时间曲线上的原点到第一个波峰点之间的斜率；s2为等效双台阶波形曲线从第一台阶高度上升到第二台阶高度的斜率，取车体减速度-时间曲线上最大的峰值前的一段曲线的斜率，这三个参数属于双台阶波形的基本参数。所述详细波形处理模块4将amax、te、dmax、tc、s1和s2六个特征参数以及碰撞初速度v0和详细波形输入等效双台阶波形化简模块5中进一步处理。

2.等效双台阶波形化简模块简化车体详细碰撞波形及获得各特征参数

参阅图4，等效双台阶波形化简模块5根据双台阶波的简化原理将车体详细碰撞波形简化为等效双台阶波形及获得各特征参数，步骤如下：

1)两种波形的发动机前端压溃空间相等，采用公式(3)和公式(4)可以求出发动机碰撞时刻的车体速度vc和发动机前端结构压溃量d1。其中a为车体加速度，单位为g；v0和vc的单位为m/s；d1单位为m。

2)采用公式(5)求出吸能量密度比α，即发动机前端的结构所吸收的能量(d1段结构的吸能量)与总能量之比；

3)两种波形发动机前端的吸能量相等，即发动机碰撞时刻的速度vc相等，采用公式(6)求出等效双台阶波的第一台阶高度g1，单位为g。

4)简化的等效双台阶波形在tc时刻的速度为vc，在te时刻的速度为0，即双台阶波形tc到te时刻的速度变化为vc，根据公式(7)求出等效双台阶波的第二台阶高度g2，单位为g。

5)根据公式(8)求出阶梯比i，即等效双台阶波两个台阶的高度g1和g2之比。

6)两种波形曲线最大动态压溃量相等，根据公式(9)求出整车最大动态压溃量dmax，单位为m。

7)根据公式(10)求出宽度比w，即发动机前端结构的压溃量d1与整车最大动态压溃量dmax。

根据上述步骤可以将详细碰撞波形简化为图3所示的等效双台阶波形，图中：a、b、c、d、e为等效双台阶波的特征点，a为碰撞开始点，b为前纵梁碰到壁障的点，c为发动机碰撞到壁障的点，d为上边梁碰到壁障的点，e为车体速度减为零即车体达到最大动态压溃量的点，直线ab的斜率s1，直线cd的斜率s2，t1为b点对应的时刻；t2为d点对应的时刻，g1为双台阶波形第一台阶的高度，g2为第二台阶的高度，tc为发动机碰撞时刻。

所述的等效双台阶波形化简模块5将计算得到的双台阶波特征参数与原始波形的参数汇总，并筛选出进行波形评价需要的其各特征参数：amax、g1、tc、d1、i、w、α，并将各特征参数的值输入中央处理模块2。

3.建立多参数碰撞波形评价准则图

参阅图1和图5，中央处理模块2的核心是多参数碰撞波形评价准则图，所述的多参数波形评价准则图是基于统计信息的基础上得到的示意图。本发明选取nhtsa(美国高速公路安全管理局nationalhighwaytrafficsafetyadministration)在2011-2015年公布的获得3星级以上乘用车的正面56km/h碰撞试验结果作为基础数据，完成多参数碰撞波形评价准则图的建立，具体步骤如下：

1)所述的中央处理模块2从nhtsa公布的碰撞试验报告中选取40款车型56km/h正面全宽刚性壁障碰撞的碰撞信息作为研究数据，碰撞信息主要包括车体详细碰撞波形和车辆的碰撞星级，选取的车型如表1。

表140款车型56km/h正面全宽刚性壁障碰撞的实验数据

2)将每个碰撞波形化简为等效双台阶波形(化简原理参照图4)，并提取详细碰撞波形基本参数(amax、te、dmax)、等效双台阶波基本参数(g1、g2、tc、d1)和等效双台阶波组合参数(i、w、α).

3)汇总40款车的碰撞波形和等效双台阶波形的参数的值，并创建数据库。

4)采用线性回归分析分别对10个特征参数与星级成绩进行相关性分析，10个参数线性回归分析的方程和决定系数r²汇总于表2。根据表2选取r²大于0.1的7个参数(amax、g1、tc、d1、i、w、α)作为评价碰撞波形的特征参数。

表2碰撞波形参数y和碰撞星级x之间的线性回归方程和r²值

5)将选取的7可特征参数数的分布范围和均值汇总如表3，确定各碰撞波形特征参数对应不同星级的阈值。

表3波形参数对不同星级的分布

6)将7个碰撞波形的特征参数对应不同星级成绩的阈值以蜘蛛图的方式表达，如图6，即为多参数碰撞波形质量评价的准则图。

创建好的多参数碰撞波形质量评价的准则图保存在中央处理模块2中，如需要更精确的波形参数阈值可以扩大车型的数据。

4.信号输出模块3给出评价结果

所述的中央处理模块2将信号处理模块1得到的碰撞波形特征参数值存入多参数波形评价准则图中，并将带有碰撞波形参数值的准则图输出到信号输出模块3中，即为评价结果。

一种多参数碰撞波形质量评价方法的工作原理：

本发明所述的一种多参数碰撞波形质量评价方法的工作原理是选取nhtsa(美国高速公路安全管理局nationalhighwaytrafficsafetyadministration)在2011-2015年公布的获得3星级以上的40款乘用车正面56km/h碰撞试验结果作为基础数据，在不考虑约束系统的情况下分析碰撞波形参数对碰撞星级的影响。引入等效双台阶波形概念，将碰撞波形简化为等效双台阶波形式，从而提取等效双台阶波形参数，分析等效双台阶波形参数对星级的影响，为波形的结构设计提供参考。

本发明利用线性回归方法分析碰撞波形参数(amax、te、dmax、g1、g2、tc、d1、i、w、α)对星级成绩的影响，得到线性回归决定系数大于0.1的七个参数作为评价波形质量的特征参数(amax、g1、tc、d1、i、w、α)，并统计40款车的碰撞波形特征参数对应不同星级成绩的分布范围和均值，确定七个特征参数对应不同星级的阈值，以蜘蛛图的形式表示出来，作为多参数碰撞波形质量评价准则图。在所述的多参数碰撞波形质量评价准则图上，最外圈点划线代表获得三星成绩的特征参数阈值，中间圈虚线代表获得四星成绩的特征参数阈值，最内圈实线代表获得五星成绩的特征参数阈值。可以认为碰撞波形各特征参数的值在评价准则图上的位置越靠近内圈，则碰撞波形的质量越好，越靠近最内圈实线或者在实线内说明该碰撞波形获得五星的可能性越大。

在进行碰撞波形评价时，只需将待评价的碰撞波形输入信号处理模块1，信号处理模块1会将详细波形化简为等效双台阶波形，并提取详细波形的最大加速度amax和等效双台阶波形特征参数(g1、tc、d1、i、w、α)，将这7个波形参数的值输入中央处理模块2中已建立好的多参数碰撞波形评价准则图，并将带有待评价波形各特征参数的准则图输出到信号输出模块3。设计人员可以根据评价结果图上各特征参数值的位置对波形质量进行评价，同时可以清晰地找到设计较差的参数，为进一步改善碰撞波形提供指导。

实施例1

本实施例只针对一款chevroletcruze车型的碰撞波形进行质量评价。评价步骤如下：

1.参阅图1，将chevroletcruze车型b柱下端采集到的碰撞波形输入信号处理模块1。参阅图2，信号处理模块1中的详细波形处理模块4利用公式(1)和(2)对碰撞波形进行数学计算，得到车体碰撞速度-时间曲线和位移-时间曲线。进一步地，从碰撞波形中提取峰值amax，并依据经验提取碰撞波形曲线上0.02s-0.03s之间的波谷对应的时间点即为发动机碰撞时刻tc，，提取碰撞波形曲线上的原点到第一个波峰点之间的斜率为s1，提取碰撞波形曲线上的最大的峰值前的一段曲线的斜率为s2；从车体速度-时间曲线中提取零点te，即车辆回弹时刻，也是车体碰撞速度为零的时刻；从车体位移-时间曲线中提取峰值dmax，即车体最大动态压溃量。所述详细波形处理模块4将amax、te、dmax、tc、s1和s2六个特征参数以及碰撞初速度v0和详细波形输入等效双台阶波形化简模块5中进一步处理。

2.等效双台阶波形化简模块5根据双台阶波的简化原理将车体详细碰撞波形简化为等效双台阶波形并获得各特征参数。参阅图3和图4，等效双台阶波形化简模块5采用公式(3)和(4)求出发动机碰撞时刻的车体速度vc和发动机前端结构压溃量d1；采用公式(5)求出吸能量密度比α；采用公式(6)求出等效双台阶波的第一台阶高度g1；采用公式(7)求出等效双台阶波的第二台阶高度g2；采用公式(8)求出阶梯比i；采用公式(9)求出整车最大动态压溃量dmax；根据公式(10)求出宽度比w。所述等效双台阶波形化简模块5将计算得到的双台阶波特征参数与原始波形的参数汇总，并筛选出进行波形评价需要的其各特征参数：amax、g1、tc、d1、i、w、α，并将各特征参数的值输入中央处理模块2。

3.中央处理模块2以表1提供的40款车的碰撞信息为数据基础，建立多参数碰撞波形评价准则图。参阅图5，中央处理模块2将每个碰撞波形化简为等效双台阶波形(化简原理参照图4)，并提取详细碰撞波形基本参数(amax、te、dmax)、等效双台阶波基本参数(g1、g2、tc、d1)和等效双台阶波组合参数(i、w、α)。所述中央处理模块2汇总40款车的碰撞波形和等效双台阶波形的参数的值，采用线性回归分析分别对10个特征参数与星级成绩进行相关性分析，并提取决定系数r²大于0.1的参数(amax、g1、tc、d1、i、w、α)作为评价碰撞波形的特征参数。所述中央处理模块2将7个碰撞波形的特征参数对应不同星级成绩的阈值以蜘蛛图的方式表达，如图7，即为多参数碰撞波形质量评价的准则图。创建好的多参数碰撞波形质量评价的准则图保存在中央处理模块2中，以便下次评价其它碰撞波形时使用。

4.信号输出模块3给出评价结果所述的中央处理模块2将信号处理模块1得到的碰撞波形特征参数值存入多参数波形评价准则图中，并将带有碰撞波形参数值的准则图输出到信号输出模块3中，即为评价结果，如图8。

设计人员可以根据待评价波形特征参数值在评价结果图中的位置判断波形质量，特征值点越靠近中心代表波形质量越好。如果碰撞波形需要进一步改善，设计人员可以直观的从图中找到需要改善的结构参数。参阅图8，为该波形的评价结果图，发现除了d1和w在五星界线以外且靠近五星线的位置，其他参数均分布在五星圈内，证明该碰撞波形质量较好，不需要进一步改善波形，在后续仿真和实车试验中获得五星成绩的可能性较大。

实施例2

本实施例只针对一款hyundaielantra车型的碰撞波形进行质量评价，具体实施步骤与实施例1相同。参阅图8，为该波形的评价结果图，由图可以发现碰撞波形峰值amax在三星界线之外，表明该值较差；发动机碰撞时刻tc和发动机前端碰撞空间d1的值在三星界线与四星界线之间，比较靠近三星线，表明这两个参数需要进一步优化；阶梯比i和吸能量密度α的值靠近四星界线，表明这两个值还有继续优化的空间；第一台阶高度g1和宽度比w贴近五星线，表明这两个值相对较好。综合7个特征参数的分布情况，表明该波形的质量不好，需要进一步优化。

根据公式(5)、(8)与(10)，优化该碰撞波形可以考虑以下措施：

1.降低第二台阶高度g2的值可以增大阶梯比i；

2.增大第一台阶高度g1的值可以减小发动机碰撞时刻的速度vc进而增大吸能量密度α；

3.增大发动机的压溃空间d1，进而延长发动机碰撞时刻tc。

设计人员从以上三个方面着手可以实现碰撞波形的优化。在该方法提出前，设计人员想判断碰撞波形的好坏，需要将波形带入madymo软件中进行仿真计算，如果得到的乘员伤害较大说明碰撞波形不好，此时设计人员需要在madymo中进行大量的试算，寻找较好的碰撞波形。而采用本发明所述的多参数碰撞波形质量评价方法，设计人员只需根据碰撞波形各特征参数评价准则图中的位置就可以找到碰撞波形的优化方向，进而避免了耗时耗力的试算过程。