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    數字圖像相關法在汽車門飾板低溫氣囊點爆試驗中的應用

    嘉峪檢測網        2023-07-13 16:48

         近些年來,汽車行業為了縮短研發周期,降低研發成本,提高汽車產品的質量與安全性,廣泛地將虛擬仿真技術應用到汽車研發設計中。在側面碰撞過程中,前排座椅側面安全氣囊對車內人員胸部和腹部的保護至關重要,安全氣囊的彈出對前車門防撞桿結構、車門內護板扶手產生很大撞擊力,因此需要考察在低溫(-30℃)氣囊點爆時,汽車側門飾板是否有失效現象。在設計門飾板時,CAE(工程設計中的計算機輔助工程)工作人員首先進行虛擬仿真計算,預測側氣囊彈出時,門飾板的運動和變形情況,隨后進行實際點爆,發現仿真分析結果與門飾板的實際受損情況不同。修改仿真分析結果,使現有模型貼近車輛的實際受損情況,在點爆時可為門飾板提供較準確的仿真模型,但仍會與實際情況存在一定的差異,因此CAE工作人員期待能夠獲得更加精確的碰撞測試數據。
     
          研究人員采用DIC(數字圖像相關法)技術,測試了在低溫氣囊點爆過程中,門飾板受氣囊沖擊時的變形情況。該技術是一種非接觸式光學測量新技術,在試驗中使用2臺高速相機,進行三維光學的測試,測試結果既可以獲得材料在不同應變速率下的應變曲線,又可以獲得門飾板在氣囊點爆中準確的三維變形云圖及數據。此外,還開發了數據分析軟件,實現仿真分析結果與實測數值的精確比對,逐點驗證了仿真分析結果的準確性。
     
    1、試驗方法與設備
     
    1.1 高應變速率拉伸試驗
     
         試驗設備:2臺高速相機(分辨率為1024像素×1024像素,采集頻率不小于7000幀率)、DIC軟件、液壓伺服型高速拉伸試驗機。
     
         試驗方法:根據仿真分析結果的要求,測試-30℃時拉伸應變速率分別為 0.01,0.1,1,10,100s-1的應力-應變曲線。測試時,根據高速拉伸試驗機試樣夾持位置與相機的距離、試樣的尺寸標定2臺相機,完成試樣的三維光學測試。
     
    1.2 低溫氣囊點爆試驗
     
          試驗設備:2臺高速相機、DIC軟件、氣囊點爆控制器、環境艙。為了模仿整車狀態,不影響車門的剛度,直接在白車身車門上切割出窗口,露出門飾板關鍵區域,并用油漆筆手工繪上白色散斑(見圖1)。
     
         試驗方法:按照該車型低溫氣囊點爆試驗要求,固定座椅位置,確定相機離門飾板中心的距離,根據測試距離和關鍵區域尺寸標定2臺相機;標定成功后,鎖定相機夾角,根據相機與試樣的距離及當前視野中試樣的選定區域確定最終散斑尺寸;隨后調整光源的亮度和位置,調試拍照參數(相機拍攝范圍及曝光時間);將氣囊點爆控制器與相機拍攝觸發線聯動,同步觸發相機和氣囊;關閉拍照系統,整個車身在溫度為-30℃的環境艙中保溫4h;保溫結束后,打開環境艙門,打開拍照系統,按調試好的參數設定相機。所有的操作需在3min內完成,測試后保存所有照片數據。
     
    2、試驗結果與分析
     
    2.1 高應變速率拉伸試驗
         從門飾板上取樣,試樣的平行段長度為15mm,不同速率下門飾板材料的應力-應變曲線如圖2所示。由圖2可知:當應變速率從0.01s-1增大到100s-1時,抗拉強度增加了180%,最大應力對應的塑性應變減少了75%??梢钥闯鲭S著應變速率的增加,材料的力學性能發生改變。當應變速率較低時,材料的塑性較好;隨著應變速率不斷升高,材料的脆性增加,強度變大,斷后伸長率下降。在氣囊點爆時,該門飾板受到氣囊展開沖擊的最大應變速率為100s-1,因此采用高應變速率下的應力-應變曲線代替傳統的靜態拉伸曲線(應變速率<10-2s-1),可以更加準確地進行仿真計算。
     

     
         將圖2中的數據代入到仿真分析軟件中,并輸出門飾板關鍵區域的仿真分析結果,因為門飾板受到座椅氣囊彈出而發生變形,所以主要分析門飾板各結點向車門外的變形位移(z向位移),z向為垂直紙面方向,然后按照DIC軟件的要求導出門飾板z向位移的仿真分析結果(見圖3)。
     
    2.2 低溫氣囊點爆試驗
     
    2.2.1 對齊仿真結果及數據導出
     
         將門飾板低溫點爆試驗的實際圖像導入到DIC軟件中,并依據仿真分析的區域劃分三角形網格;然后調節云圖小平面的尺寸和距離,使三角形的結點距離為5mm;最后輸出該區域z向位移的實測云圖,結果如圖4所示。拉動時間標尺,整個區域的顏色將發生連續的變化,最右面的立柱條數值對應門飾板的z向位移,在7.588mm位置紅色最深,表示門飾板變形最大,該位置在板的中上偏右部位,與仿真分析結果大致相同,但中心位置相差約10mm。
     
         上述仿真分析結果與實測結果中變形最大的位置大致相同,說明實測云圖區域已滿足仿真分析的驗證需求。將仿真分析結果導入DIC軟件中,并將實測云圖與仿真分析結果對齊,結果如圖5所示。對齊后,實際點爆試驗與仿真分析同時開始,實測結果中網格結點的坐標原點位于仿真分析結果的坐標原點上,該DIC軟件保證了實測云圖和仿真分析輸出的各個結點位置及變形具有可比性。
     

     
         分別導出仿真分析結果和實測結果的z向位移及位移偏差,輸出的數據包含結點序號、坐標和z向位移,隨機抽取第6,7結點進行分析,結果如表1所示,其中位移偏差是實測結果與仿真z向位移數據直接相減而得。由表1可知:DIC軟件可以進行每個時刻、每個結點的實測與仿真結果的對比;對齊后的0時刻坐標偏差范圍為±5%??梢妼R存在一定偏差,因此為了獲得更加準確的結果,對齊時要盡量保證準確。
     
          實際上DIC軟件偏差的計算是依據映射原理,將實測結果映射到仿真分析結果上(見圖6),可見零件在實際運動中的各個結點均與仿真分析結果不一致。實測結果與仿真分析結果存在一定的差異,原因是對齊時有誤差,且零件的實際變形情況與仿真分析的模擬變形情況不一致。因此在分析結果時建議先查看實測云圖視頻和仿真分析的完整動畫,如果兩者變形本身差異很大,可以不關注逐點數據的偏差,只需要導出變形數據即可。
     
    2.2.2 位移和應變的最大值
     
         在門飾板的仿真分析中,還需要觀察z向位移和米塞斯真應變的最大值及對應坐標。米塞斯真應變是基于體積不變原理下的材料內部等效真應變,該應變來自空間三維真應變的綜合作用。米塞斯真應變的圖像處理與z向位移的操作類似,把所有的z向位移和米塞斯真應變輸入到數據分析軟件中,重新整理和排列后,輸出不同結點每個時刻的數據,最后軟件自動搜索最大值,并顯示最大值的坐標及其出現時間(見表2)。
     
         由表2可知:仿真分析結果與實測結果的最大值及其坐標均有差異;實測的z向位移較仿真分析的z向位移約小4mm,最大值出現的時間約晚于仿真分析的2倍;實測的米塞斯真應變遠大于仿真分析結果,而此時該區域沒有發生破裂,說明即使應變很大,零件也不會破裂。
     
           為了確認在氣囊點爆過程中,最大值數據的合理性,從DIC軟件中導出最大值的時間-位移和時間-應變曲線(見圖7),曲線中位移和米塞斯真應變的最大值均出現在門飾板的運動過程中間,而且最
     
    大值下降時沒有立刻降到左面起點以下,有數據相鄰點,所以此次DIC試驗是有效的。
     
         把z向位移及米塞斯真應變最大值坐標輸入到DIC軟件中,分別顯示實測結果與仿真分析結果的最大值位置(見圖8)。由圖8可見:通過 DIC圖像處理,可以清楚地了解仿真分析結果與實測結果的差異,實現圖像上的準確對比。根據這些數據可更新仿真分析模型,甚至優化仿真算法。
     
    3、綜合分析
     
         采用DIC軟件進行測試,可以拍攝門飾板在受氣囊沖擊時的完整變形過程,了解實際試驗中門飾板的變形運動軌跡,并獲得材料測試級別的位移及應變數據,這些數據在后期與仿真分析結果對齊后可以直接進行對比。對比位移和應變的圖像位置可知,實際試驗中門飾板的最大位移和應變都處于最上區域,在卡扣區域附近,而仿真分析結果的最大位移和應變所在區域則處于左下區域,不在卡扣區域附近。實際點爆試驗中,卡扣發生脫落,說明實測結果更加靠近真實失效區域。對比位移和應變的數值可知,仿真分析得到的z向位移大于實測z向位移,但仿真分析得到的米塞斯真應變遠小于實測米塞斯真應變。對米塞斯真應變的測試結果進行分析,發現當應變較大,但應變速率不高時,應變也不會達到斷裂失效應變,門飾板不會發生破壞,這與實際點爆試驗中門飾板沒有發現裂紋的情況一致。但應變過
     
    大會導致卡扣脫落,因此后期要對卡扣區域進行進一步的分析和測試。
     
    4、結論
     
         (1)運用DIC技術以及三維光學測試技術,既可以獲得汽車門飾板材料在不同應變速率下的應變曲線,又可以獲得門飾板在氣囊點爆中準確的三維變形云圖及數據。通過三維變形云圖,可以直觀地觀察零件在撞擊過程中的變形情況。
     
        (2)試驗中獲得的變形數據,能夠表征出毫米級微觀區域材料的空間三維位移和應變。在實測結果與仿真分析結果的采樣頻率和網格相同的情況下,將實測結果與仿真分析結果對齊,可以逐點驗證仿真分析結果的準確性。
     
        (3)使用數據處理的檢索方法,將不同時刻所有結點的位移和應變重新整理、排列,輸出每個時刻不同結點的數據,搜索出最大位移和應變,以及最大值對應的坐標,可以實現最大值的數值及圖像位置一一對應,從而進一步優化仿真模型,為提高仿真分析結果的準確性提供數據支持。
     

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    來源:理化檢驗物理分冊

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