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兒童臺車試驗波形離散性及其影響研究

2018-02-26 00:07:50·  
　
臺車碰撞試驗是檢驗兒童乘員約束系統(tǒng)保護效果的主要方法之一。減速或者加速臺車的波形發(fā)生器對臺車施加一個碰撞加速度歷程，以模擬車輛在真實碰撞工況下，兒童約束系統(tǒng)及假人所承受的沖擊過程。兒童約束系統(tǒng)相關(guān)法規(guī)（ECE-R44，F(xiàn)MVSS213）均對該波形定義了一個許可區(qū)間，來限制不同試驗的沖擊能量、強度的差異，使不同試驗的結(jié)果具有可比性。
臺車碰撞試驗是檢驗兒童乘員約束系統(tǒng)保護效果的主要方法之一。減速或者加速臺車的波形發(fā)生器對臺車施加一個碰撞加速度歷程，以模擬車輛在真實碰撞工況下，兒童約束系統(tǒng)及假人所承受的沖擊過程。兒童約束系統(tǒng)相關(guān)法規(guī)(ECE-R44，F(xiàn)MVSS213)均對該波形定義了一個許可區(qū)間，來限制不同試驗的沖擊能量、強度的差異，使不同試驗的結(jié)果具有可比性。然而，在法規(guī)界定的區(qū)間內(nèi)，波形仍會受到許多因素的影響而表現(xiàn)出較大的差異。由于約束系統(tǒng)和假人系統(tǒng)的非線性，在假人的響應(yīng)上，這些差異可能會被放大。這將給兒童約束系統(tǒng)試驗的評價和兒童約束系統(tǒng)的設(shè)計帶來不利的影響。
圖1. 30次臺車試驗加速度波形以及ECE-R44法規(guī)的范圍要求
 
圖1為某批共30 次兒童座椅約束系統(tǒng)臺車試驗的碰撞波形。從圖中可見，試驗波形曲線基本全部落在法規(guī)界定的區(qū)間內(nèi)。波形在整體形狀上表現(xiàn)出較好的一致性，但在一些局部仍存在不小的差異，例如波形第1 峰的峰值和波形達到最大值的時間等。這些差異可能會對約束系統(tǒng)和假人的響應(yīng)產(chǎn)生較大的影響。
 
主成分分析是一種多元數(shù)據(jù)分析方法，其主要的功能是對高維數(shù)據(jù)進行降維，同時盡可能多地保持原數(shù)據(jù)的特征。使用主成分分析法對波形的特征進行提取和參數(shù)化，通過降維后保留特征值最大的5 個特征向量，即P1、P2、P3、P4、P5五個主成分，其對應(yīng)的特征值以及標準差如表1 所示。這5 個特征向量可以代表原始數(shù)據(jù)90% 的變差。
表1 波形主成分特征值及標準差
 
使用圖2中MADYMO 模型作為研究對象，研究波形差異對兒童假人損傷響應(yīng)的影響，該模型針對汽車后排座椅環(huán)境建立，其中安全帶、座椅、增高墊的材料參數(shù)由材料試驗獲得。模型中使用了MADYMO 假人數(shù)據(jù)庫中的HybridⅢ系列6 歲多剛體假人模型。將臺車加速度波形作為約束系統(tǒng)的輸入，可獲得假人及約束系統(tǒng)在沖擊下的動態(tài)響應(yīng)。
圖2 兒童約束系統(tǒng)及HybridⅢ假人的MADYMO模型
 
表1 所示的5 個主成分的標準差的2倍作為相應(yīng)參數(shù)取值的范圍，使用Uniform Latin Hypercube方法在該范圍內(nèi)生成100 個采樣點，其波形曲線如圖3所示，較好地落在法規(guī)區(qū)間內(nèi)。這些曲線作為約束系統(tǒng)的輸入，對假人的關(guān)鍵損傷輸出和頭部沿X 方向相對車身的位移進行分析，結(jié)果如表2 所示。由表可見：頭部X 方向位移的變化不大; 基于加速度的輸出，頭部、胸部3ms 加速度峰值和HIC受到的影響較大，其中HIC 的變化幅度達43%。
圖3 由主成分生成的100個碰撞波形
表2 假人響應(yīng)的離散性
 
利用主成分分析法對已有的兒童約束系統(tǒng)臺車試驗波形曲線進行分析。結(jié)果表明，對于本文試驗所用的臺車設(shè)備，只需提取5 個特征量即可較好復(fù)現(xiàn)真實的波形。利用所提取的5 個特征量，人為加入偏差，重新生成新的波形曲線，用作兒童約束系統(tǒng)仿真分析的輸入，以研究響應(yīng)變差與波形變差之間的關(guān)系。該方法與傳統(tǒng)的基于均值和方差的波形離散性分析相比，能更真實地復(fù)現(xiàn)波形的主要形狀特征，如波形達到峰值的時間( 相差) 等。分析結(jié)果顯示，假人頭部位移對波形的離散性不敏感。基于加速度的損傷輸出，如頭部、胸3ms 加速度峰值和HIC 受到的影響較大。同時利用本文中所介紹的方法對兒童約束系統(tǒng)碰撞試驗的碰撞波形曲線進行分析，提取出主成分，可形成一個波形數(shù)據(jù)庫。這個數(shù)據(jù)庫記錄了試驗裝置的合理誤差。對于試驗機構(gòu)，波形主成分可作為波形離散性的量化指標，便于監(jiān)測和控制試驗波形的質(zhì)量。對于兒童座椅廠商，通過波形主成分反求的波形曲線，可作為兒童約束系統(tǒng)仿真的輸入，進行兒童約束系統(tǒng)產(chǎn)品的穩(wěn)健性評估與設(shè)計，或者直接利用最壞情況的波形曲線，對約束系統(tǒng)的響應(yīng)進行檢驗。
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