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聊一聊碰撞波形
2020-08-24 15:18:00· 来源：碰撞与安全
对于汽车碰撞安全工程师来说，碰撞波形应该是使用频率最高的一个专业名词了。它是这一行当的trouble maker，也是最基本的评价对象，贯穿着整个碰撞安全性能规划
对于汽车碰撞安全工程师来说，碰撞波形应该是使用频率最高的一个专业名词了。它是这一行当的trouble maker，也是最基本的评价对象，贯穿着整个碰撞安全性能规划、结构设计优化、车体测试评价的全过程。
01、基础概念
所谓的碰撞波形，一般是对车体而言的，简单地说，就是车体在经受冲击之后，在特定位置上所“感受”到的减速度历程。最典型的碰撞事故形式是，一辆正常行驶的车辆正面撞击到障碍物后减速停下。接触力使车身前部结构，如吸能盒、纵梁等产生变形，相应地将碰撞载荷传递到乘员舱。如今车身结构的设计理念是，乘员舱足够坚固，以保证事故中乘员有足够的生存空间(图 1)。
图 1 溃缩吸能区与乘员舱
因此，在常见的、不太严重的正面碰撞工况下，乘员舱变形都很小，或者基本不变形。那么影响舱中乘员的，就是整个乘员舱在前部结构传递的载荷作用下的减速过程了。打个比方，把一个鸡蛋放到一个非常坚硬的封闭盒子中。盒子比鸡蛋稍大，鸡蛋可在盒子内活动。盒子的坚固并不能保证鸡蛋的安全，移动盒子的时候还是需要轻拿轻放。类比到汽车碰撞安全中，就是我们要设计车身（盒子）的减速过程，也就是所谓的碰撞波形（轻拿轻放），以保护车内的乘员（鸡蛋）。
02、正文
利用碰撞波形的概念，把碰撞过程（正面）分析成两个阶段。1. 碰撞载荷使前部结构产生变形，作用于乘员舱，使乘员舱减速（碰撞波形输出，或者碰撞波形产生）；2. 乘员在满足碰撞波形所描述的减速运动的乘员舱中（碰撞波形输入），在约束系统作用下的减速运动。严格上说，两个阶段是相互耦合、互为影响。但为了方便，在一般的工况下，都可暂时把耦合效应去掉。对于结构工程师来说，结构优化的产出就是碰撞波形。只要规定好，什么样的碰撞波形是好的，即有利于后续的乘员约束系统设计、优化。
有了基于乘员模型的波形评价方法之后，结构工程师的设计优化就有方向。但还有一个问题，就是碰撞波形本身还受到机械结构的限制。例如前述，我们希望碰撞波形前期高一些比较好。但实际上，这点是很难实现的。因为在碰撞的过程中，车身结构从前向后顺序变形，最前面的部件承受最大的冲击能量。如果前面结构（如吸能盒、纵梁前端）做得过强，那么到碰撞中后期，随着车体速度降低、惯性质量减小，那就没办法再使这些结构发生有效变形了。
如何让现有的结构能产生更理想的波形，甚至借用主动控制技术，实现完美的波形，是碰撞结构研究领域中的一大话题。
03、补充一点
再说一个关于碰撞波形研究中比较热门的话题，那就是波形的降维与参数化。每一个碰撞过程，就对应一个碰撞波形，一条加速度的时域曲线。如何对波形曲线的特征进行描述是一个问题。 常见的特征描述方法有，如最基本的，峰值、脉宽、斜率等，但这些方法都太笼统，无法反映细节的特征差异。后来有人用等效方波、二阶波、三阶波，又或是用多段线性拟合等。这些都能捕捉一些特征，也容易建立特征与结构之间的直接联系（例如斜率与刚度相关）。但这些方法还是容易忽略细节特征。尤其是在做某些参数的稳健性分析时，或者碰撞试验结果的离散性分析时，把多个波形曲线摞起来，差异很不显著，难以用传统的一些特征参数进行描述（图 11）
图 11 多次台车试验波形
利用主成分分析方法（PCA），可以对多条波形的差异特征进行参数化识别。如上图的例子中，每个碰撞波形有2220个点，也就是有2220个维度。通过PCA，可以用5个特征参数，描述数据中超过90%的变差。也就是每条曲线从2220维降到了5维。这5个特征参数，可以用于识别曲线中最显著的差异(图 12)。
图 12 降维后的失真
PCA是一种线性的降维方法，还有一些非线性的方法如t-SNE也被积极应用于碰撞结果的分析中。今年LS-DYNA用户大会上，来自保时捷的工程师Kracker给出了一个面向自动碰撞仿真应用的数据降维例子(图 13)。可以预见，人工智能、深度学习等技术，正在向传统的碰撞力学领域普及与渗透，为汽车碰撞结构设计与分析提供新的工具与思路。
图 13 t-SNE与PCA结果的对比
参考文献：
1.Tamarelli, C.M., AHSS 101: The evolving use of advanced high-strength steels for automotive applications. 2011.
2.Mizuno, K., et al., The crashworthiness of minicars in frontal impact tests, in Proceedings of the 23rd International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles. 2013.
3.Mizuno, K.j., Jidōsha no shōtotsu anzen = Crash safety of passenger vehicles. Shohan. ed. 2012, Nagoya-shi: Nagoya Daigaku Shuppankai. vii, 309 pages.
4.Kübler, L., S. Gargallo, and K. Elsäßer, Frontal crash pulse assessment with application to occupant safety. ATZ worldwide, 2009. 111(6): p. 12-17.
5.Wågström, L., et al., Adaptive structure concept for reduced crash pulse severity in frontal collisions. International Journal of Crashworthiness, 2013. 18(6): p. 597-605.
6.Park, C.-K. and C.-D. Kan, objective evaluation method of vehicle crash pulse severity in frontal new car assessment program (NCAP) tests, in ESV 2015. 2015.
7.Van der Laan, E., Seat belt control: From modeling to experiment, in Department of Mechanical Engineering. 2009, Eindhoven University of Technology.
8.黄毅, et al., 台车试验碰撞波形离散性及其对儿童约束系统响应影响的研究. 汽车工程, 2016. 38(04): p. 440-445+428.
9.Kracker, D., J. Garcke, and A. Schumacher, Automatic analysis of crash simulations with dimensionality reduction algorithms such as PCA and t-SNE, in 16th International LS-DYNA Users Conference. 2020.
文章：黄毅
编辑：谷宗强
广汽研究院集成安全技术部
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