乘用车车身结构件安全性试验系统的研制（可编辑）

乘用车车身结构件安全性试验系统的研制（可编辑） 乘用车车身结构件安全性试验系统的研制 上海交通大学 硕士学位论文 乘用车车身结构件安全性试验系统的研制 姓名:邓子兵 申请学位级别:硕士 专业:车辆工程 指导教师:徐兆坤;刘翔 20080101 乘用车车身结构件安全性试验系统的研制 摘 要 汽车安全性能是汽车最重要技术指标。本文依据美国 FMVSS 214和 FMVSS 216等机动车安全和在研究乘用车碰撞规律的基础上,研制 了具备侧面碰撞试验和车顶碰撞试验等相关汽车零部件试验的乘用车车 身结构件安全性试验台。同时,基于数字图像处理技术和摄影测量学三 维测量原理,本文开发了试验台的三维图像测量系统,测量车身标识点 在碰撞试验过程中的动态位移。运用该系统,能实现试验过程定性分析 和定量分析的结合,对研究以及提高汽车碰撞安全性有着重要的意义。 本文所做工作主要有以下几个方面: 1. 通过研究FMVSS214和FMVSS216等机动车安全标准以及乘用车碰 撞规律的基础上,本文提出了试验台的总体,详细说明了试验 台的系统构成及关键技术和分析了试验台的工作原理。 2. 完成了试验台台架和车顶试验的整车调整固定装置的刚度校核 以及稳定性分析。运用有限元方法校核试验台台架刚度和分析整车调整 固定装置压杆稳定性,分析结果表明了试验台结构设计的合理性。而且 试验台结构简单,调整方便。 3. 建立了一个包含畸变校正的摄像机模型和实现了车身标识点三 维空间坐标的测量。本文采用两步法标定摄像机,首先利用旋转矩阵的 正交性和摄像机参数间的约束关系,从投影矩阵中分离求解摄像机的参 数,然后将计算结果代入摄像机模型,采用优化算法求解摄像机参数的 最优解。利用建立的摄像机模型,运用最小二乘法求解,得到车身标识 点的空间三维坐标。通过已知空间点的测量实验,证明了所建立摄像机 模型的正确性。 I 4. 建立了车身标识点识别及其成像中心图像坐标提取算法。以算法 的通用性和实时性为目标,本文通过运用图像背景差分法快速识别和提 取车身标识点。在此基础上,对图像进行灰度化和二值化,设计基于数 学形态学的噪声消除算法,消除噪声点的干扰,完成图像的预处理。然 后采用基于质心的亚像素定位方法,准确提取车身标识点成像中心图像 坐标。通过运用基于灰度的图像匹配相关系数法,实现了标识点在序列 图像中的跟踪及其成像中心图像坐标提取,为实现标识点三维空间坐标 的精确测量作好准备。 5. 完成了试验台图像测量系统的硬件设计,并以VC++软件作为开发 平台,基于类封装的思想开发了图像测量系统软件,该软件包括:视频 文件播放和回放模块、视频文件格式转换模块、图像处理模块、图像测 量模块和主程序模块。 最后通过对一具体汽车碰撞试验实例的分析,验证了该试验系统达 到了设计要求的可靠性和准确性。 关键词:汽车安全,数字图像处理,摄影测量学,三维图像测量系统 II RESEARCH AND DEVELOPMENT OF A SAFETY TEST SYSTEM FOR VEHICLE BODY STRUCTURE ABSTRACTVehicle safety is the most important technical target. Based on FMVSS214, FMVSS216 and vehicle crash principle, a safety test bench for vehicle body structure is researched and developed in this thesis. Meanwhile, using the digital image processing technology and photogrammetry, a 3-D image measurement system for the bench is developed. Using this system, the combination of qualitative and quantitative analysis for vehicle crash test can be reached, which is of great significance to research and enhance vehicle safety. The main jobs of this thesis are as follow: 1. Bring up the overall design scheme of the test system. The system constitution and its realized key technologies, as well as the working principle are interpreted in detail2. Complete the stiffness verification of the test bench and the stability analysis of the vehicle adjustment and fixing device for the roof crush test using FEA. Result shows the rationality of the bench’s structure design3. Establish a complete camera model with distortion correction and fulfill the 3-D spatial coordinate measurement of the vehicle body mark pointThe camera’s internal and external parameters are calibrated using two-step method. Based on the established camera model and using least-square algorithm, the 3-D spatial coordinate measurement of the mark point is realized. Through the given spatial points measurement experiment, the correctness of the established camera model is provedIII 4. Establish the algorithm for mark point recognition and its central image coordinate extraction. Image background difference technique is employed to realize the quick recognition and extraction of vehicle body mark point. On this basis, the image is under graying and binarization process. In order to eliminate the interference of noise point, the mathematical morphology based noise reducing algorithm is designed to finish the image pretreatment process. After that, the centroid-based subpixel localization algorithm is used to accurately extract the mark point’s image coordinateWhen it comes to the analysis of the serial images from the crash test video, the correlation method of gray-based image matching is applied to track the mark point in the serial images and extract its image coordinate, which form the basis of the following 3-D spatial coordinate measurement of the mark point5. Complete the design of image measurement system hardware. On the platform of VC++, the image measurement system software is developed based on class seal technology. The system software include the following modules: video file playing and replaying, video file format transformation, image processing, image measurement and the main programThrough the analysis of a specific vehicle crash test, the test system is proved to reach the design requirement of reliability and accuracy KEY WORDS: vehicle safety, digital image processing, photogrammetry, 3-D image measurement system IV 上海交通大学 学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指 导下,独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个 人或集体 已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体, 均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论 文作者签名:邓子兵 日期:2008 年 1 月 23 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人 授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密?,在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密?。 (请在以上方框内打“?”)学位论文作者签名:邓子兵 指导教师签名:徐兆坤 刘翔 日期:2008 年 1 月 23 日 日期:2008 年1 月23日 上海交通大学硕士学位论文第一章 绪 论 第一章 绪 论 1.1 课题的研究背景、意义和来源 1.1.1 课题的研究背景和意义 近年来中国汽车企业不断推出各种新型汽车品牌和产品,然而在汽车产品极大丰 富的市场繁荣背后,中国汽车工业却始终摘不掉“技术空心化”的帽子。2006年, 中国汽车产量为728万辆,比上年增长27.6%,超过德国,仅次于美国、日本,居世 [1] 界第三位 ,已经跻身于国际汽车生产大国的行列。中国汽车工业正在步入一个高速 发展的快车道,已经成为中国国民经济的重要产业,对国民经济的贡献和提高人民生 活质量的作用也越来越大。但是汽车生产大国并不等同于汽车强国,制约中国汽车工 业发展的一些因素依然存在,中国距离汽车强国还有很长一段路要走,特别是汽车自 主研发能力亟需提高。 汽车碰撞安全性问题自汽车诞生以来就存在。目前,汽车安全问题,与节能和环 保问题已成为当今汽车工程领域三大具有重要社会、经济意义的研究热点,并且得到 了有关政府部门的高度重视。汽车安全性可分为主动安全性和被动安全性两大类,其 中主动安全性是指汽车避免发生意外事故的能力;被动安全性则是指汽车在发生意外 事故时对乘员进行有效保护的能力。汽车碰撞事故可分为正面碰撞、侧面碰撞、追尾 [2] 和翻滚等几种主要类型。据统计 ,汽车侧面碰撞事故约占事故总数的27%, 仅次于 正面碰撞,从碰撞后对乘员产生的伤害程度看,侧面碰撞与正面碰撞相当接 近,如图 1-1和1-2所示。 3.1% 2.6% 8.1% Frontal Crash Side Crash Rear Crash 27.0% Roll-Over 59.0% Other图1-1汽车碰撞类型比较 Fig.1-1 Contrast of different kinds of vehicle crash 第 1页 上海交通大学硕士学位论文第一章 绪 论 1.3% 1.4% Frontal Crash 5.2% Side Crash 49.7% Rear Crash 42.4% Roll-Over Other图1-2各类碰撞事故损伤成本比较 Fig.1-2 Contrast of different kinds of crash accident damage [3] 汽车被动安全性研究一般有 3种方法 ,即交通事故分析法,理论计算法和试验 法,其中试验法因其结果最具说服力而被广泛重视。提高汽车被动安全性的主要措施 之一是调整车身不同部位的刚度,使得某些部位的刚度较小,利用其变形来吸收碰撞 时的撞击能量,而乘员所在的部位(侧门和车顶附近)刚度则较大,变形较小。因此 除了侧门和车顶强度以外,侧门和车顶刚度对乘员安全性也具有特别重要的意义。 在汽车碰撞试验中,汽车车身的变形具有不可预见性,这些变形的位置、变形方 式以及变形量的大小等对分析和研究汽车碰撞安全性以及提高汽车的抗撞性能有着 重要的意义。目前,对碰撞试验汽车车身变形量的测量主要有两种方法:一是使用三 坐标测量仪等传统测量工具测量碰撞前后车身的残余变形量;二是使用位移 传感器等 高端电子测量装置测量碰撞过程中车身的单向变形。这两种方法都存在一定的局限 性,如第一种方法只能测量车身的残余变形,不能有效地测量车身在碰撞中的变形过 程以及变形方向,仪器价格随着测量精度的提高而大幅上涨等;第二种方法虽然能测 量车身在碰撞中的变形过程,但是通常也只能测量一个方向上的变形,而且传感器安 装复杂,安装的位置受到车身结构的限制,价格高昂等。 本文在研究美国 FMVSS 214和 FMVSS 216等机动车安全标准和乘用车碰撞规律的 基础上,分析国内外汽车碰撞试验台的特点和不同车型对试验台的要求,研制乘用车 侧面碰撞以及车顶碰撞综合试验台。通过对数字图像处理算法以及数字摄影测量学理 论的研究,设计开发了试验台的图像测量系统,可以较为全面地记录整个汽车碰撞试 验的动态过程,保存碰撞试验中宝贵的信息,有利于试验后的反复回放、研究以及分 析和数据处理,实现试验过程定性、定量分析的有机结合,从而达到提高试验效率和 降低试验成本的目的。而且图像测量系统采用三维图像测量方法,测量碰撞试验全程 的车身变形量,既提高了测量精确,试验所得数据又可为改进汽车设计和汽车碰撞试 验的仿真分析提供重要的参考依据,这对于昂贵的汽车碰撞试验来说是弥足珍贵的。 第 2页 上海交通大学硕士学位论文第一章 绪 论 1.1.2 课题的来源 本课题来源于上海市教育委员会正式批准立项项目“乘用车车身结构件被动安全 性试验台的研制”。该项目的主要目的是根据乘用车侧面碰撞法规和车顶强度试验标 准研制车身结构件被动安全性试验台,使试验台能够对汽车侧门、车顶和其他零部件 进行试验,同时开发试验台三维图像测量系统,精确测量碰撞过程中特征点的位移, 以研究汽车碰撞安全性。 1.2 汽车安全的研究现状和发展趋势 自1886年汽车的问世和1889年美国在世界上第一起交通死亡事故的发生,汽车 的安全问题就成为世界上人们的话题。对汽车的安全性研究,欧美国家起步较早。1966 年美国首先制定实施了国家交通、汽车安全法及公路安全法,1968年又实施了联邦 [4] 机动车安全法规(Federal Motor Vehicle Safety Standard, FMVSS) ,1970 年美 [5] 国运输部公布了开发实验安全车(Experiment Security Vehicle,ESV)的 , 开始了汽车安全技术研究的新时代。 自从 1971年在法国巴黎召开第一届 ESV国际会议以来,到现在已经举行了多次 会议,ESV国际会议交流的内容也扩展到包括预防安全、被动安全、碰撞安全、安全 新技术等在内的更广泛领域,提出了比ESV更接近实用的RSV(研究安全车)的研究 成果。 由于汽车事故造成的巨大损失,世界各发达国家都对汽车碰撞安全性作出强制性 要求,并建立了各自的安全法规。法规中比较有代表性的是美国的联邦机动车安全标 [6] [7] 准(FMVSS)和欧洲法规(ECE 和EEC ),其他国家如日本、加拿大、澳大利亚 等国 [8] 家的法规基本上是参考美国和欧洲的法规制定 。但是,这些安全法规仅是这些国家 或区域国家政府管理部门对汽车产品安全性的最低要求,而汽车生产企业追求的却是 行业上公认的NCAP(New Car Assessment Program),即新车评估计划。NCAP最早出 现在美国,随后欧洲和日本等国都制订了相关的NCAP。其中欧洲的NCAP最具影响力 [9] 和代表性,被公认为最为严格的测试,因此,EURO-NCAP 成绩是衡量车辆安全性的 一个权威指标。 我国开展汽车碰撞安全性研究起步较晚,1989年清华大学汽车系首先建立了国 内第一个简易的实车碰撞试验台并进行了一些探索性的车辆碰撞试验研究,取得了较 好的效果,在国内汽车工业界造成了一定的影响,随后,中国汽车技术研究中心(天 津)、东风汽车工程研究院(襄樊)、交通部公路交通试验场(北京)以及湖南大学机 械与汽车工程学院等单位也先后建立了汽车碰撞试验设施,国内的汽车碰撞试验研究 工作蓬勃开展起来。而在安全法规方面,我国在 1989年对整车碰撞安全性制定了国 第 3页 上海交通大学硕士学位论文第一章 绪 论 家标准(GB/T11551,汽车乘员碰撞保护;GB/T11557-89,防止汽车转向机构对驾驶 员伤害等),但没有强制实施;2000年1月1日实施了“关于正面碰撞乘员保护的设 计规则”(China Motor Vehicle Design Rule, CMVDR294),2006年7月1日又实施 了两项碰撞标准:“汽车侧面碰撞的乘员保护”和“乘用车后碰撞燃油系统安全要求”。 同时,在研究EURO-NCAP的基础上,中国汽车技术研究中心也正式推出了我国的新车 [10] 评估计划(China New Car Assessment Program, C-NCAP ),并于2006年10月 27 日正式对外公布了测评结果等等,表明了我国政府对汽车碰撞安全的重视以及提高汽 车安全性的决心。但是,也要看到我国在汽车安全性研究方面与国际先进水平的差距 仍然很大,比如,乘用车车顶试验的国家标准尚未制定。而且发达国家对于汽车先进 技术实行高度保密,因此我国汽车工业亟需提高自主研发的能力,提高汽车安全性研 究的水平。 汽车安全技术作为提高汽车安全性的一种主要手段,随着科学技术的迅速发展, 也发生了日新月异的变化,从最初的保险杆减震系统、乘客系绊系统、安全气囊到车 轮防抱死制定系统(ABS)、驱动防滑系统(ASR),到无盲点、无视差安全后视镜及儿 童限动系统的研究。当前,各大汽车公司和零部件公司为了保持和提高自己在市场中 的竞争优势,更是在汽车主动安全技术和被动安全技术的研发上投入巨大的人力、财 力和物力,而且取得了许多丰硕的成果,比如:主动安全和被动安全系统著名供应商 [11] 美国TRW汽车集团公司开发的优化碰撞中能量管理的安全带限力方案 ,有助于减轻 严重碰撞事故中乘员的胸部和骨盆区域可能承受的强大冲击力;Volvo汽车公司开发 [12] 的智能巡航定速系统 ,通过在车前安装的两个雷达感知仪,可以不间断地监测与前 方车辆之间的距离,并自动调整车速以便与之保持安全距离,同时,该装置在汽车刹 车时自动提供一定限度的制动力,避免不必要的猛烈刹车现象;大陆汽车系统公司开 [13] 发的“大陆警戒”系统 ,该系统能够把所有的主动和被动安全的产品部件全部连接 起来,比如刹车系统、底盘部件、ABS、雷达以及摄像头等,同时还整合了汽车周边 [14] 环境感应器以及远程信息通信功能;日产汽车公司的“Pop-up Engine Hood”技术 , 在汽车撞到行人时,使发动机室的盖子部分瞬间向上弹起,从而减轻对行人头部的撞 击等等。由此可见,汽车安全技术正向着集成化、智能化、系统化方向发展。 随着数字图像处理技术的发展与成熟,在各大领域得到了广泛的推广应用。在汽 车领域,数字图像处理技术主要应用在以下方面: [15] (1)提高汽车主动安全性能,如:检测路面及环境状况系统 、打瞌睡警告及 [16] 唤醒系统 和高适应性定速巡航系统等。 [17,18,19] [20,21] (2)交通智能管理 和车牌识别 ,通过对某种车的识别,达到对车的 智能跟踪,提高对交通的管理能力。 而在对汽车碰撞试验研究方面,数字图像处理技术与摄影测量学等多门交叉智能 第 4页 上海交通大学硕士学位论文第一章 绪 论 学科相结合,形成以序列图像运动分析为基础的图像测量方法,在汽车碰撞试验中起 到图像测量的关键作用。由于汽车碰撞过程是一个猛烈的冲击过程,使用电测量方法 很难对汽车碰撞过程进行全部的测量与记录,而图像测量方法可以对碰撞过程进行较 为全面的记录,而后可以对碰撞试验进行定性和定量的分析。 早在20世纪80年代,国外就出现了专用的摄影测量软件,如通用汽车公司开发的 [22] [23] [24] FOTOGRAM ,Kinney和MC2公司开发的TRANS4 ,碰撞安全工程公司开发PLANTRAN , 三者功能类似,都只能完成二维的摄影测量分析。进入90年代之后,三维测 量的研究 [25] 得到了迅速的发展。Wooley 针对事故车辆的两张或多张照片(非立体照片),应用 [26] 相机逆投影法得到变形点前后的位移矢量,即三维变形数据;Karvelis 介绍了 Packer EngineeringPE和Micro System DesignMSD公司联合开发的用于分析高速 变形过程的三维图像处理系统,该系统动态测量并记录车辆结构在变形过程中详细的 [27] [28] 变形数据;Pepe 和Tumbas 通过具体的实验对多个二维和三维摄影测量方法的精 度进行了研究等。在国内,清华大学首先从国外引进柯达运动分析系统,在此基础上 [29,30] 研究开发了序列图像运动分析软件 ,并且成功应用到车速测量、车身变形量测量 以及模型人运动形态分析,但是从测量结果(特别是车身变形量的测量)来看,此图 [31,32] 像分析系统局限在对碰撞试验二维图像分析基础上 。 1.3 汽车安全的研究内容和研究方法 1.3.1 汽车安全的研究内容 汽车碰撞安全的研究包括车体间的撞击(一次碰撞)与人体承受撞击(二次碰 撞) 后的损伤情形,一般汽车碰撞安全的研究重点如下: [33] (1)研究车体碰撞后车体变形的形态,包括安全笼的变形(如图1-3 所示)、 汽车座椅变形、引擎盖变形、保险杆变形 等,及各部分结构的改进,车体抗撞能力 的改进。 (2)研究车体吸收能量的情形,包 [33] 括前后溃缩区(如图1-3 所示)、汽车车 门、保险杆、A、B、C柱、车架等各部分 构件吸收能量的情形,并加强各个结构部 分能量的吸收。 (3)研究撞击后人体受伤害的情形, 包括头部、颈部、胸部、脊椎等,并研究 图1-3车身结构 如何降低人体受伤害的程度。 Fig.1-3 Vehicle body structure 第 5页 上海交通大学硕士学位论文第一章 绪 论 1.3.2 汽车安全的研究方法 [3] 目前,汽车碰撞安全的研究方法主要有两类 :一是通过试验检验整车及相关安 全部件如乘员舱的耐撞性,这类研究主要是汽车生产商测试整车及安全部件是否符合 各国相应的安全法规;另一类是基于有限元理论的汽车碰撞性能数值仿真。 (1)试验研究 汽车被动安全性的研究最早通过试验进行,试验研究包括:台架试验、台车冲击 试验和实车碰撞试验。 台架试验包括冲击试验及静态强度试验。冲击试验用于评价零部件冲击能量吸收 性能;静态强度试验主要用于评价对速度不敏感零部件的安全性能,可用作动态试验 的补充。 台车冲击主要是模拟实车碰撞的减速度波形,以进行乘员保护装置的性能评价和 零部件的耐冲击力试验。台车能以较低的成本获得实车试验的某些结果,因此有较高 的效益成本比。台车对实车碰撞试验,台车作为移动的障碍具有固定障碍同 样的重复 试验能力。台车还可以根据不同的试验要求改变质量以及质量分布。此外,台车还可 以装配上被试部件或总成,对各种障碍型式进行碰撞试验。 实车碰撞试验与事故的情况最为接近,是综合评价车辆安全性能的最基本方法, [34] 其试验结果说服力最强。实车碰撞试验 可分为正撞、侧撞和后撞试验,其中正撞又 分为正面100%碰撞试验和正面40%偏置碰撞试验。图1-4和1-5分别为正面、侧面碰 撞试验图。 图1-4a正面100%碰撞试验 图 1-4b正面40%偏置碰撞试验 Fig.1-4a Full scale frontal impact test Fig.1-4b 40% overlap frontal impact test 图1-5侧面碰撞试验 Fig.1-5 Side impact test 第 6页 上海交通大学硕士学位论文第一章 绪 论 实车碰撞试验虽然能清楚看见整车的变形情况及各部分构件损坏情形,但没办法 得知车体结构材料破坏的情形,也无从得知车体局部位置应力分布情况,且使用实车 模型的成本高昂,测试时花费大量的人力与时间,测试后实车模型不可重复使用等, 都是实车碰撞试验的困难点。 (2)计算机仿真研究 为提高车身结构设计的初始可信度,尽可能减少样车试制的次数,从而进一步缩 短整个产品的开发周期,现代车身设计方法开始大量运用计算机辅助工程技术(CAE)。 汽车的碰撞性能CAE研究是目前CAE在汽车工业中的应用热点。随着计算机软硬件技 术的发展以及现代设计方法在产品开发和试验中进一步的应用,计算机模拟技术在汽 车产品开发中的作用愈加重要,涌现出一批成熟的碰撞模拟软件,如 LS-DYNA、 PAM-CRASH和 MSC/DYTRAN等。与实际的汽车碰撞试验相比,计算机模拟方法具有费 用低廉、设计开发周期短、可重复性好等优点。计算机仿真方法可以在结构设计阶段 对整车的碰撞安全性能进行预测,可以详细分析碰撞过程中各零部件的变形和应力传 递情况,且通过改变结构设计方案进行仿真计算,可以快速得到满足碰撞安全性能的 结构初步设计方案。但是,计算机仿真计算中需要的模型参数还需要通过试验得到, 模型的正确性还需要通过试验检验。同时,由于实际结构的复杂性,计算机仿真模型 中不可能完全真实反映实际结构的全部细节,因此,计算机仿真方法不可能取代试验 方法,而应与试验方法有机结合,相辅相成。 1.4 汽车侧面安全性的改进 汽车发生侧面碰撞事故时,由于其侧面的碰撞缓冲区较小,发生碰撞时变形空间 较小,而且被碰撞部分与乘员距离较近,对乘员的伤害较其他类型的碰撞要严重得多, 所以对于侧面碰撞而言,缓冲吸能结构的设计是一项挑战,其中最大的问题是,即使 有足够好的材料来制作缓冲吸能结构,但能用于缓冲吸能的空间却十分有限。从理论 上讲,现在的绝大多数汽车结构设计都难以提供能与前撞和追尾碰撞相比的耐侧撞性 能。 改进汽车性能,加强交通管理,减少车祸发生是汽车行业和交通安全部门的重要 任务。常用的改进耐撞性能的方法主要包括两个方面:增加缓冲吸能区两侧 的厚度和 加大缓冲吸能区两侧的内部刚度,并将碰撞力有效传递到具有保护和吸能作用的梁、 柱、地板、车顶和其它部件,使撞击力被分散吸收,并最大限度地把可能造成的损害 降低到最小程度。一般而言可以采用以下措施: (1)增加车门强度和刚度 增加车门刚度采用的具体方法有增加板厚和增加车门防撞杆两种。增加板料厚度 第 7页 上海交通大学硕士学位论文第一章 绪 论 固然会在一定程度上改善汽车的抗撞性能,但是板料厚度的增加会增加整车的质量。 所以增加车门防撞杆是增加车门刚度的一种常用方法。通常,汽车防侧撞杆由防撞梁、 前侧支架、后侧支架等零件组成,使用高强度钢材制造,并安装在车门内壁中央部位。 当汽车行驶中遇到一般侧面碰撞时,能抵抗车门凹陷变形;遇到特大侧面碰撞后,由 于防撞杆的作用,而不必借助专门工具便可迅速打开车门,营救车内乘员,从而可及 时挽救更多人的生命。 (2)增加侧围物体的刚度和强度 包括增大A柱、B柱和C柱的板厚和在其内外板之间增加加强板,以及局部加强 在侧面碰撞过程中变形较大的部位的刚度和强度,以减轻在侧面碰撞过程中侧围的侵 入对乘员造成的伤害,保存乘员的生存空间。 (3)增加门槛梁的强度 在发生侧面碰撞事故时,门槛梁并不直接受到撞击,但是加强门槛梁,可以保证 将撞击力有效地分散给地板等重要承力物件。增强措施包括增加承载面积,在梁内增 加加强板,以及填充发泡树脂等。 (4)在车身两侧 B立柱之间安装横梁系统,在仪表板下面以及后风窗下面安装 加强横梁,可以减少碰撞侧侧围的变形,还有利于碰撞力的传递。 (5)合理设计门锁及铰链,既要防止汽车发生侧面碰撞时车门自动打开,又要 保证碰撞后车门能够容易开启,以利于乘员的车外救护。同时,加强车门铰链,有利 于将车门所受的撞击力有效地传给立柱。 (6)有利于碰撞力分流的车身结构 碰撞力的传导路径对于车体的抗撞性能具有很大的影响。合理地分流在碰撞中传 导的力,可以大大提高车体的强度,减少车体的变形量,从而改善整车的抗撞 性能。 现在提高车体侧面抗撞性的一种主 要设计思想是使冲击力分散到整个 车身结构。在车体结构中采用了 “3H”形结构的加强方案,是利于 碰撞力分流的典型车身结构。如图 1-6所示。 此外,“3H”形车身结构有利于 加强车身刚度,发生意外时防止车 身变形,确保乘员的有效生存空间。 但是在设计“3H”形车身结构时要 图1-6“3H”形车身结构 注意各部件连接部件的加强,防止 Fig.1-6 “3H” type vehicle body structure 第 8页 上海交通大学硕士学位论文第一章 绪 论 “3H”形车身结构被破坏以致碰撞力的传递路径中断。 在文献[35]中还提出了一种汽车侧门防撞杆的设计;波罗轿车通过侧围和车 门的 碰撞加强措施,使得侧面碰撞发生时,车身的总体侵入量小,侵入速度的时间 分布合 [36] 理,且B柱的变形均匀 ,这些都为侧面碰撞的研究提供了思路。 此外,还可以采用新材料、新工艺。目前国外大型的汽车公司较多采用铝合金车 体,铝质材料的单位质量吸能率高于相应的钢质材料,重量为后者的37%的铝质管可 以吸收与钢管相同的能量。由于制造工艺水平的提高,整体侧围冲压、轻质合金铸造、 激光焊接等工艺越来越多地采用,这些方法不但从整体上提高了被动安全性能,而且 在局部也改善了焊接的连接强度,从而最大限度地提高了整车的综合安全性能。当然 还可以加装侧面安全气囊,在侧碰时,也能有效地减少乘员胸、腹、骨盆等部位所受 的伤害。 1.5 汽车安全试验中的数据采集和处理 汽车碰撞试验是进行汽车被动安全性研究的主要内容,而汽车碰撞试验中所取得 的大量数据更是了解和评价汽车被动安全性能的重要途径,是进行汽车被动安全性研 究的基础,所以汽车碰撞试验中的数据采集与处理对汽车被动安全性能的研究尤为重 要。 碰撞试验中数据采集和处理系统统称为测量系统。按照数据采集和处理方式 的不 同,测量系统可分为电测量系统和图像测量系统。 1.5.1 电测量系统 电测量系统可以精确地测量碰撞过程中的减速度、对可变形移动壁的作用力以及 乘员伤害指标等,一般由传感器、数据采集和数据处理等部分组成,如图1-7所示。 传感器是数据采集过程中的首要环节,没有传感器对原始数据的有效转换,准确 的采集就无从谈起。碰撞试验主要测量加速度、力和位移等几个物理量,传感器用来 将待测的各种物理量转换成电信号传给数据采集部分。常用的测量加速度的传感器有 应变式、压阻式、压电式和变电容式;常用测力的传感器有应变式力传感器;测量位 移的有电位器式、光电式。实际应用中这些传感器都要具有耐冲击性、阻尼小和可靠 性高等特点。 数据采集又包括数据采集仪控制软件和数据采集仪硬件。硬件部分主要用来收集 汽车碰撞过程中从安装在汽车各个部分的传感器传来的模拟量信号,通过放大器对之 进行放大、模拟滤波器进行抗混淆等处理,然后将信号通过模/数转换器转换 成数字 量存储在自身所带的存储器中;而数据采集仪的参数设定和仪器的维护、保 养通过控 第 9页 上海交通大学硕士学位论文第一章 绪 论 制软件来实现。 压电式 电荷放大器 加速度传感器 抗混滤波器 数据记录仪 压阻式 加速度传感器 电荷放大器 应变式 数据采集系统 力传感器 集成式 加速度传感器 图1-7电测量系统框架图 Fig.1-7 Electric measurement system framework 数据处理部分主要负责将数据采集仪中存储的数据下载到计算机中后利用 专用 的软件对之进行后处理,对试验结果进行分析并形成符合法规要求的试验报 告。 虽然电测量系统具有精度高的特点,但该系统的高精度是建立在各种硬件高昂价 格的基础上的,而且数据处理部分所用软件知识产权均为国外该领域发达的国家所 有,价格不菲。另外电测量系统只能对部分试验结果作定量的分析,信息量有限,不 能有效记录试验的全过程,这对高成本、准备周期长的汽车碰撞试验是远远不够的。 1.5.2 图像测量系统 汽车碰撞在极短时间内完成,在此过程中,车身变形、乘员运动形态等具有不可 预见性,仅使用电测量方法很难全面了解碰撞的全过程。采用高速影像运动分析技术, 并运用数字图像处理技术、摄影测量学等理论,从碰撞过程的二维序列影像中分析、 测量三维变形参数,从而弥补了电测量获得的一维信息对现象描述不直观、不全面的 缺点。 作为一种非接触性的测量方法,图像测量系统具有方便、快捷和灵活等特点,因 此在许多领域都得到了广泛的应用。在汽车碰撞试验中,图像测量的应用主 要有以下 几个方面: (1)对试验过程的实时回放,以实现碰撞试验过程的定性分析。由于车辆碰撞 过程是个短暂而猛烈的冲击过程,因此在碰撞过程中必定会有大量的信息不为人眼所 察觉,比如安全气囊的展开形态、过程和模型人在碰撞时的运动形态等。在图像测量 系统中,通过使用高速摄像机对整个碰撞过程进行图像采集,可对试验过程丰富的信 第 10页 上海交通大学硕士学位论文第一章 绪 论 息进行保存和进行实时的回放,从而达到对碰撞试验的定性分析。 (2)车身变形量的测量。在碰撞试验中,车身变形的发展具有不可预见性,采 用接触式传感器电测量方法有一定的难度和局限性。而且利用传感器电测量方法测量 车身上特征点的主变形方向上的一维变形,其结果与实际变形相比误差较大,而且信 息量很有限,难以得到不同特征点之间的相对变形量,更无法对数据进行深加工,如 应力分析等。图像测量不仅可获得特征点的绝对变形矢量,而且也能获取不同特征点 之间的相对变形,且成本低。 (3)速度、加速度测量。通过在关键位置(车身侧门和模拟人头部等)贴上识 别标志,就可以通过图像解析的方法读出标识点的物方坐标,从而利用力学公式计算 出标识点的速度和加速度等运动参数。另一方面,通过对序列图像的处理,可以在图 像系统界面中实时显示和反映标识点速度和加速度的变化曲线和变化情况。这就减少 了工作人员对数据处理的时间,提高工作效率和降低成本。 图像测量系统中,实现测量要借助一个关键的媒介?标识点,即粘贴或固结于待 测对象或目标物体上的、醒目的、易于识别的、鲜艳的特征图像。在汽车碰撞中,它 一般为黑白相间排列的小三角组成的方块或黑白圆环的嵌套等,如下图所示: 图1-8不同类型的标识点 Fig.1-8 Different types of marked point 图像测量系统正是运用数字图像处理技术的基础上,对这些标识点进行自动识 别、跟踪和匹配,从而获取必要的位置坐标参数,然后基于摄影测量理论来计算其三 维坐标信息,达到自动处理的过程,为碰撞试验过程的定量分析大大的提供了便利, 减少了接触性测量的麻烦,在汽车碰撞安全性研究领域具有广泛的应用前 景。 1.6 本文研究的主要内容 本文在研究美国 FMVSS 214和 FMVSS 216等机动车安全标准和乘用车碰撞规律的 基础上,分析国内外汽车碰撞试验台的特点和不同车型对试验台的要求,研制乘用车 侧面碰撞以及车顶碰撞综合试验台。该试验台具备了乘用车侧面碰撞试验和车顶碰撞 试验等相关汽车零部件碰撞试验的功能。同时,本文运用数字图像处理技术和摄影测 量学三维测量原理开发了试验台的三维图像测量系统。该系统采用自动目标识别技 术,自动识别和跟踪试验车辆车身上的标识点。通过运用摄影测量学三维测量原理, 该系统实现了碰撞过程中车身标识点三维空间坐标的测量,得到车身标识点的三维动 第 11页 上海交通大学硕士学位论文第一章 绪 论 态位移曲线。图像测量系统还能记录、再现、分析和评价整个试验过程,从而达到对 碰撞过程定性分析和定量分析的结合,对研究以及提高乘用车碰撞安全性有着重要的 意义。 全文内容归纳为以下几个方面: 1、确定试验台的总体设计方案,分析其结构特点、关键技术和工作原理。 2、设计车顶试验的整车调整固定装置。在进行车顶碰撞试验时,根据 FMVSS 216 车顶碰撞试验法规对整车位置的规定和要求,即整车相对于铅垂面前倾 5?,侧倾 25?,设计整车调整固定装置。 3、建立试验台和车顶试验的整车调整固定装置有限元模型,分析其强度和刚度, 验证试验台结构设计的可靠性。 4、建立车身标识点识别及其成像中心图像坐标提取算法。通过图像背景差分法 实现车身标识点的快速识别和提取。设计基于数学形态学的噪声消除算法,消除提取 后标识点图像中噪声点的干扰,完成对图像的预处理。然后采用基于质心的亚像素定 位方法,准确提取车身标识点成像中心图像坐标,并利用图像帧之间的相关性,实现 车身标识点在序列图像中的跟踪及其成像中心图像坐标提取。 5、建立摄像机的非线性模型和实现标识点三维空间坐标的测量。采用两步法标 定摄像机的内外参数和畸变参数。利用旋转矩阵的正交性和摄像机参数间的 约束关 系,求解摄像机参数。利用建立的摄像机模型,通过运用最小二乘法求解线性方程组, 实现标识点三维空间坐标的测量。 6、完成图像测量系统的软硬件设计。最后通过对一具体汽车碰撞试验实例进行 分析,得出试验车车身位移数据和位移曲线,分析汽车抗撞性能,验证了该试验系统 达到了设计要求的可靠性和准确性。 第 12页 上海交通大学硕士学位论文第二章 试验台总体设计 第二章 试验台总体设计 汽车实际碰撞情况复杂,形式多样,因此要进行实际的撞车实验和各部分零部件 的动态撞击试验来完全模拟真实汽车碰撞过程,在设备、场地、技术和经济上规模都 很大,而且,在同一试验条件下重复进行试验并不容易,试验结果也不一定完全能够 表现实际撞车情况。因此,为了开展汽车碰撞安全性研究,本文遵循以下原则:?在 满足各项技术指标的前提下,尽量降低成本;?尽量做到试验设备功能多元化;?满 [37] [38] 足美国 FMVSS 214侧碰撞保护 和 FMVSS 216轿车车顶抗压强度 等法规的前提下, 同时,在借鉴国内外同类汽车碰撞试验台的基础上,研制了结构简单、调整方便,并 且具备测试汽车车身及相关零部件主要是侧门和车顶的强度、刚度以及抗撞性能的 车身结构件安全性试验台。 2.1 试验台总体方案 依据美国 FMVSS 214和216试验标准确定试验台总体设计方案如图2-1所示(加 载器为半圆柱体,用于侧门测试情况,更换加载器可以用于不同结构的试验)。 图2-1试验台总体方案 Fig.2-1 General scheme of the test bench 第 13页 上海交通大学硕士学位论文第二章 试验台总体设计 试验台配置了: (1)加载系统,即 MTS Microconsole 458.X控制器和 Flex Test ?试验控制与 管理及数据采集系统,MTS公司液压伺服系统的压力源和液压促动器; (2)控制系统,控制加载系统和数据采集与处理的动作及其同步包括CCD摄像 机、同步继电器开关、同步闪光灯等; (3)数据采集与处理系统,即视频采样数字化、压缩、图像分析、数据处理及 结果输出等管理系统,控制摄像系统和照明系统。 2.2 试验台系统构成及关键技术 2.2.1 加载及控制系统 加载及控制系统即动力系统,本试验装置选用了 MTS Microconsole 458.X 控制 器和 Flex Test ?试验控制与管理及数字采集系统。控制 MTS公司液压伺服系统的 压力源和液压促动器。本系统中的油缸固定于试验台上,具体位置可以参见试验装置 总装配图,其余部件放于试验平台上。 2.2.2 试验台 如图2-2,试验台分台架、导向支承装置和加载器三部分。台架上安装了各个部 件,并要求在加载力方向上不发生偏移;导向支承装置用于为加载器和动力源导向, 使其只承受轴向力,而不承受其它力或力矩;加载器在加载控制系统的作用下,按照 试验标准将力加载于车身或者车顶上。 加载器 加载器 导向支承装置 台架 a用于侧门试验 b用于车顶试验 a For side crash test b For roof crash test 图2-2试验台结构图 Fig.2-2 Structure of the test bench 第 14页 上海交通大学硕士学位论文第二章 试验台总体设计 1台架 台架的各零件是由不同尺寸钢板焊接而成,再由各个零件用螺栓连接。具体包括: 1个底座、2个立柱、2个斜支撑梁、1个箱体、2个箱体支架、1个支撑横梁和 1个 顶梁,如图2-3所示。底座用螺栓固定于刚性的试验平台上,立柱固定于底座上,支 撑横梁固定于两根立柱上,而斜支撑梁主要是为了加强试验台的刚度,箱体用支架固 定于底座上。为了适应不同车型的试验,实现试验台机构