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汽车的耐撞性研究

数据库需要安全可靠地而且尽可能全面地储存汽车—测力墙碰撞试验的有效原始试验数据.数据处理需求方面,数据库需要具备对有效实验数据进行分类、截取、输入、修改、删除、查询和可视化操作的功能.

概念结构设计阶段需要通过对数据库所要描述的现实世界进行抽象,得到数据库的概念模型.E-R模型(实体-关系模型)法是关系型数据库应用最广泛的概念结构设计方法[1].利用E-R模型法建立数据库的概念模型,有两个关键点:确定概念模型中的实体以及确定实体之间的联系.数据库需要安全可靠地而且尽可能全面地存储有效实验数据.因此,数据库概念模型中实体需要尽可能多地包含汽车—测力墙碰撞试验所涉及到的客观存在的所有事物.文献[2]列出了现行的汽车—测力墙碰撞试验所需记录的全部信息.因此,本文根据文献[2]并结合实际某次汽车—测力墙碰撞试验所需记录的试验数据,抽象出汽车碰撞载荷数据库概念模型的全部实体信息.概念模型中实体之间的联系由实体所代表的现实世界中的具体事物之间的联系抽象而得;由文献[2]也可以得出一部分实体之间的联系.为准确描述汽车碰撞载荷数据库中各实体的关系,经过自顶向下的需求分析和自底向上的概念结构设计,得到了本数据库的E-R模型,如图2所示.

逻辑结构设计的主要任务就是把概念结构设计阶段设计好的E-R模型转换成与所选定的数据库管理系统(DBMS)所支持的数据模型相符合的逻辑结构[1].本文中汽车碰撞载荷数据库逻辑结构设计阶段的主要任务就是将E-R模型转换成选定数据库管理系统MicrosoftSQLServer2005所支持的关系模型.1.先转换E-R模型中的各个实体:“一个实体转化为一个表(Table),实体的属性就是表中的列”,实体的码就是表的主键[1].2.再转换E-R模型中各实体之间的联系,并更新第一步中生成的表:“一对一”二元联系与任意一端对应的表合并,选定一端已转换好的表作为基础,将另一端表的主键并入作为基础表的外键;“一对多”二元联系与“多”对应一方的表合并,选定“多”对应一方的表作为基础,将另一端表的主键并入作为基础表的外键;“多对多”二元联系转换成一个新的独立的表,将两端相连的表的主键并入作为基础表的外键,并将外键的集合作为新生成表的主键.转换成功的关系模型总共包括17个表,各个表之间通过主键和外键相互联系.同时,通过个表中主键的设计保证数据库的实体完整性规则[1],通过外键的设计保证参照完整性规则[1].参照转换成功的关系模型,本文在MicrosoftSQLServer2005开发环境中编写Transact-SQL代码建立起以“CRASHLOAD”为命名的汽车碰撞载荷数据库实例.汽车碰撞载荷数据库的实施分为两个阶段:数据库中数据文件的创建和数据库中逻辑对象的创建.先创建汽车碰撞载荷数据库数据文件,再将数据库的逻辑结构-关系模型-中的对象创建到数据库数据文件的“容器”中.由于单次汽车—测力墙碰撞试验数据量庞大,手工录入试验数据费时费力,而且准确性低.为了解决这一问题,本文利用MicrosoftSQLServer2005自带的SQLServerBusinessIntelligenceDevelop-mentStudio开发出一套程序包,并集成到Math-WorksMATLABR2010aGUI设计工具(GUIDE)创建的数据导入功能模块的用户界面中,专门用于试验数据的大批量自动导入.

应用程序是用户与汽车碰撞载荷数据库交互的接口,用户需要通过应用程序才能使用数据库中的数据.本文采用MathWorksMATLABR2010a为开发平台,以MATLAB语言为基础通过ODBC连接访问MicrosoftSQLServer2005数据库,完成对汽车碰撞数据库中数据的调用.并使用GUI设计工具开发出应用程序用户界面,方便用户使用.

碰撞载荷特征主要通过汽车碰撞载荷数据库系统应用程序的后处理模块的相关功能提取.碰撞载荷特征主要包括汽车—测力墙碰撞试验时车辆施加在测力墙上的撞击力大小、分布及其作用高度.虽然碰撞载荷特征是从测力墙所记录的撞击力提取得来,但由于测力墙所记录的撞击力与车辆所受到的撞击力是一对作用力与反作用力,因此可以用所提取出的碰撞载荷特征表征车辆本身的特性,并可用于车辆的耐撞性和相容性研究中.

1撞击力大小和分布

撞击力主要通过三种方式显示:柱状图、曲线图和等高线图.本文利用数据库系统的应用程序调用数据库中试验编号为“07481”[3]的汽车—测力墙碰撞试验的数据,分析此次试验中的碰撞载荷特征.图3为试验车辆与测力墙之间位置关系的投影.撞击力柱状图形象地表征出各个测力单元所记录的撞击力的最大值,突出各个离散的测力单元所记录的撞击力大小的对比.如图4所示,编号为“B03”(第2行第3列)、“B06”(第2行第6列)和“B07”(第2行第7列)的测力单元所受到的撞击力较大,主要原因是它们刚好对应车辆在碰撞中的主要承力部件-前纵梁区域.撞击力的曲线图表征试验中单个测力单元所记录的撞击力大小(图5)或者所有测力单元记录的撞击力的总和(图6)随时间变化的关系.撞击力等高线图通过线性插值运算,将各个离散测力单元在试验中所记录的撞击力在以整个测力墙撞击面为显示区域中分段连续化,用以表征测力墙撞击面各个动态显示区域所受到撞击力的大小.结合图6至图11可知,试验过程中1ms时刻车辆已经与测力墙接触,图7中显示车辆前端保险杠中部(“B05”测力单元)开始受力;6ms时刻测力墙主要受力区域分为两个(“B03”,“B06”和“B07”测力单元),表明车辆左右前纵梁前端的吸能盒开始受力;27ms时刻车辆左侧前纵梁所受到的撞击力达到最大值(“B06”测力单元);48ms时刻等高线图所显示的受力区域向左上角和右上角扩展,表明车辆两侧的发动机舱上纵梁开始受力;75ms时刻整个测力墙区域受力明显减小,表明车辆已经开始回弹.

2撞击力高度

StephenSummers[4]使用撞击力平均高度(AHOF)作为评价车辆相容性的一个重要指标.撞击力平均高度是撞击力高度(HOF)在时间历程0~t上的平均值.在任意时刻t,将测力墙所有测力单元记录的各个撞击力等效合成为一个作用于测力墙撞击面上的集中力,这个集中力的作用点距离地面的高度就是t时刻的撞击力高度.在车辆与测力墙接触的初期和末期,车辆作用在测力墙上的撞击力较小,即式(3)中分母较小,计算出来的AHOF(t)的值不稳定.一般,为了得到稳定的数值,在t∈[T1,T2](0,T)的时间区间内计算AHOF(t),其中T是车辆与测力墙分离的时刻.一般将t=T2时AHOF(t)的值称为撞击力平均高度.试验“07481”中,撞击力高度随时间的变化过程(HOF)和撞击力平均高度随时间的变化过程(AHOFconverge)以及最终的撞击力平均高度的值(AHOF)如图12所示.撞击力高度呈现“先上升后下降”的趋势.试验中车辆前端保险杠的中部一般先接触测力墙,因此在车辆与测力墙接触的初期撞击力高度一般与车辆保险杠的高度相近;随着试验的继续进行,车辆上越来越多的位置高于保险杠的部件(散热器、发动机、发动机舱盖及发动机舱上纵梁等)参与到与测力墙的接触中,撞击力高度呈现“先上升”的趋势;之后由于车辆的速度急剧下降造成车身的俯仰运动,带来车辆前端不断下沉,引起撞击力在测力墙上的作用位置下移,撞击力高度因此出现“后下降”的趋势.

本文以国内某一次汽车—测力墙碰撞试验的数据为基础,根据用户需要利用基于E-R模型的设计方法,采用MicrosoftSQLServer2005作为数据库管理系统,建立了汽车碰撞载荷数据库.在MathWorksMATLABR2010a平台上,利用GUI设计工具及MATLAB编程语言开发出了利用ODBC连接访问SQLServer2005数据库的应用程序.利用应用程序调用数据库中试验编号为“07481”的汽车—测力墙碰撞试验的数据,提取并分析了该次试验中的撞击力大小、撞击力分布以及撞击力高度等碰撞载荷特征,为汽车的耐撞性及相容性研究奠定了坚实的基础.(本文作者:崔晓东、朱西产、马志雄、郑祖丹、吴斌、于峰 单位:同济大学汽车安全技术研究所、上海机动车检测中心)