[发明专利]一种基于双梯形波的碰撞波形概念设计方法

权利要求书

1.一种基于双梯形波的碰撞波形概念设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、定义参数：

1)定义车体前端结构的空间参数；

所述定义车体前端结构的空间参数为：发动机前端的布置空间D₁₀、发动机后端到防火墙的布置空间D₂₀、前纵梁前端到发动机之间的距离D₃₀；

2)定义双台阶波参数；

3)定义双梯形波参数；

步骤2、设定约束条件：

为了获得最优的双台阶波，假设发动机前端的布置空间D₁₀、发动机后端到防火墙的布置空间D₂₀和车内乘员的生存空间S₀全部用尽；

步骤3、引入双台阶波振动方程；

步骤4、求解双台阶波；

步骤5、求解双梯形波；

所述定义双台阶波参数是指：

以发动机的碰撞时刻t₁为分界点，两台阶高度分别为G₁、G₂，碰撞结束时刻为t₂，此时车体开始回弹；从碰撞开始到t₁时间段内，发动机前端结构的压溃量为D₁，从t₁到碰撞结束，发动机后端到防火墙的压溃量为D₂；

所述双台阶波参数为G₁、G₂、t₁、t₂、D₁、D₂；

所述定义双梯形波参数是指：

A碰撞发生点，其对应的时刻为0；B为前纵梁开始与壁障接触的点，其对应时刻为t_B；C为发动机与壁障接触点，其对应的时刻为t_C，与双台阶波中t₁时刻重合；E为车体位移达到最大动态压溃量点，其对应的时刻为t_E，此刻车体速度为0，开始回弹，与双台阶波中图t₂时刻重合；F为碰撞结束点，对应的时刻t_F；

在位移域里，发动机前端结构的压溃量D₁、发动机后端到防火墙的压溃量D₂与发动机前端布置空间D₁₀和发动机后端到防火墙的布置空间D₂₀对应；

将D₁在位移域进一步划分为两部分，其中D₃为前纵梁到发动机之间的压溃量，与前纵梁前端到发动机之间的距离D₃₀对应；双梯形波的第一台阶高度为G'₁，第二台阶高度仍为G₂；

所述双梯形波的参数为t_B、t_C、t_E、t_F、G'₁、G₂、D₁、D₂、D₃，其中与双台阶波参数重复的部分表示参数值相同；

所述双台阶波参数需要满足的条件为：

1)双台阶波的总吸能量与整车动能相等，则有：

D₁＝ξD₁₀D₂＝ξD₂₀ (1)

2)发动机前端结构的压溃量D₁：

3)发动机后端到防火墙的压溃量D₂：

根据上述三个约束条件将双台阶波转化为只有G₁一个参数的函数形式：

a_v(t)＝f(G₁,G₂,t₁,t₂)＝g(G₁) (8)

v₀为碰撞初速度，单位m/s；

双台阶波参数G₁和G₂单位m/s²，t₁和t₂单位s，D₁和D₂单位m；

ξ为结构压缩系数；

D₁₀为发动机前端的布置空间，单位m；

D₂₀为发动机后端到防火墙的布置空间，单位m；

a_v(t)为车体碰撞波形函数；

步骤3中所述引入双台阶波振动方程，在不考虑约束系统间隙的前提下，引入振动方程，求解双台阶波输入与线性约束系统耦合的情况下乘员的运动响应；包括以下具体步骤：

1)双台阶波形的表达式：

2)通过解振动微分方程求得乘员的相对运动响应：

3)根据乘员的相对运动响应进一步求解线性约束刚度；

对于简化为线性的约束系统，其单位质量的约束系统刚度k为乘员加速度峰值G和乘员最大相对位移D_o/v的比值，公式为：

k＝G/D_o/v (11)

乘员的最大相对位移设为车内乘员的生存空间S₀，乘员加速度峰值为G，则约束系统的固有频率ω_n，由公式(12)求得：

4)进一步推导乘员相对运动响应：公式(12)中ω_n为约束系统的固有频率，k为单位质量的约束系统刚度；乘员的最大相对位移发生在相对速度为0的时刻，联立等式:

为车体加速度，单位m/s²；

为乘员相对加速度，单位m/s²；

为乘员相对速度，单位m/s；

x_o/v为乘员相对位移，单位m；

D_o/v为乘员最大相对位移，单位m；

步骤4中所述求解双台阶波，包括以下具体步骤：

1)利用Matlab软件，求解式(8)和式(13)，得到最大相对位移为S₀时的第一台阶高度G₁，进而根据公式(3)～(7)求解出双台阶波的其它参数G₂、t₁、t₂，即可获得总布置预留的压溃空间全部用尽情况下的最优双台阶波；

2)如果概念设计时没有对乘员加速度峰值提出要求，用公式(14)求乘员加速度峰值的理论解：

G＝kD_o/v＝kS₀ (14)

G表示为乘员加速度峰值，单位m/s²；

D_o/v表示为乘员最大相对位移，单位m；

k表示为单位质量的约束系统刚度；

S₀表示为车内乘员的生存空间，单位m；

步骤5中所述求解双梯形波，具体包括以下步骤：

1)确定约束条件：

在位移域里，D₁、D₂与发动机前端的布置空间D₁₀和发动机后端到防火墙的布置空间D₂₀对应，将最优双台阶波第一阶的宽度D₁在位移域进一步划分为两部分，其中D₃为前纵梁到发动机之间的压溃量，与前纵梁前端到发动机之间的距离D₃₀对应，计算式为：

D₃＝ξD₃₀ (15)

ξ表示为结构压缩系数

2)求解双梯形波的第一台阶高度G'₁：

利用能量守恒原理，将双台阶波的第一部分在位移域转化为梯形；发动机前端结构的吸能量不变，折线ABC和坐标轴之间的面积与双台阶波第一台阶的面积相等；双梯形波的第一台阶高度G'₁的计算式为：

G'₁为双梯形波的第一台阶高度，单位m/s²；

D₃为前纵梁到发动机之间的压溃量，单位m；

D₃₀为前纵梁前端到发动机之间的距离，单位m；

e₁为发动机前端结构吸能量，单位J；

3)求解双梯形波上前纵梁开始与壁障接触的时刻t_B：

根据面积相等原理将位移域的双梯形波转化到时间域；发动机前端结构吸能量不变，则发动机碰撞时刻的速度不变，即从0到t₁时间段内车体加速度的变化量△v₁不变，公式为：

前纵梁开始与壁障接触的时刻t_B的计算式为：

t₁为发动机的碰撞时刻，单位s；

v₀为碰撞初速度，单位m/s；

Δv₁为0到t₁时间段内车体加速度的变化量，单位m/s；

t_B为前纵梁开始与壁障接触的时刻，单位s；

4)根据设定的车体回弹速度，确定双梯形波上碰撞结束点对应的时刻t_F；

EF段为车体回弹阶段，EF段与时间轴之间的面积Δv₃为碰撞结束时车体的回弹速度，则碰撞结束点对应的时刻t_F的计算式为：

Δv₃为碰撞结束时车体的回弹速度，单位m/s；

t_F为碰撞结束点对应的时刻，单位s；

t₂为车体回弹时刻，单位s；

至此，双梯形波在时间域中的参数全部求解完成。