崔曉東， 朱西產(chǎn)， 馬志雄， 鄭祖丹， 吳 斌， 于 峰

(1.同濟大學(xué)汽車安全技術(shù)研究所，上海 201804;2.上海機動車檢測中心，上海 201805)

0 引言

隨著我國汽車保有量的迅速攀升，道路交通事故越來越成為危害人民生命財產(chǎn)安全的一大公害.在汽車碰撞安全性能開發(fā)、道路設(shè)施設(shè)計及交通事故分析中，往往需要各種車型的碰撞載荷特征作為研究基礎(chǔ).

目前在國外的一些碰撞試驗室中，以汽車碰撞測力墻為代表的汽車碰撞載荷測量系統(tǒng)已普遍用于汽車安全性能開發(fā)性試驗.由于國外汽車碰撞測力墻技術(shù)相對成熟，獲取汽車碰撞載荷信息也比較便捷，國外的汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫的建立工作起步較早，碰撞載荷數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)也比較完善.例如美國NHTSA等機構(gòu)都通過大量的汽車—測力墻碰撞試驗的數(shù)據(jù)，建立起了主要車型的碰撞載荷數(shù)據(jù)庫，積累了大量的汽車碰撞載荷特征.相比而言，雖然我國已經(jīng)建成了十多個汽車碰撞試驗室，但是到目前為止，這些碰撞試驗室配置汽車碰撞載荷測量系統(tǒng)的工作才剛剛起步，在汽車碰撞安全性試驗中不能全面地收集珍貴的汽車碰撞載荷信息，無法建立我國汽車的碰撞載荷數(shù)據(jù)庫，更無從獲取汽車碰撞載荷特征.

本文將以國內(nèi)某次汽車—測力墻碰撞試驗的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立起碰撞載荷數(shù)據(jù)庫并對碰撞載荷特征的提取工作做出初步探討.

圖1 汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫的功能模塊流程圖

1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

1.1 需求分析

需求分析不僅需要根據(jù)用戶所希望數(shù)據(jù)庫建成后的用途來確定數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的功能，還應(yīng)當(dāng)充分考慮這些功能日后的改變和擴充，為數(shù)據(jù)庫今后的升級更新打下基礎(chǔ).數(shù)據(jù)庫需求分析主要集中在“數(shù)據(jù)”和“數(shù)據(jù)處理”兩個方面[1].數(shù)據(jù)需求方面，數(shù)據(jù)庫需要安全可靠地而且盡可能全面地儲存汽車—測力墻碰撞試驗的有效原始試驗數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)處理需求方面，數(shù)據(jù)庫需要具備對有效實驗數(shù)據(jù)進行分類、截取、輸入、修改、刪除、查詢和可視化操作的功能.圖1為汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫的功能模塊流程.

圖2 汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫E－R模型

1.2 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計

概念結(jié)構(gòu)設(shè)計階段需要通過對數(shù)據(jù)庫所要描述的現(xiàn)實世界進行抽象，得到數(shù)據(jù)庫的概念模型.E－R模型(實體－關(guān)系模型)法是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫應(yīng)用最廣泛的概念結(jié)構(gòu)設(shè)計方法[1].利用E－R模型法建立數(shù)據(jù)庫的概念模型，有兩個關(guān)鍵點:確定概念模型中的實體以及確定實體之間的聯(lián)系.

數(shù)據(jù)庫需要安全可靠地而且盡可能全面地存儲有效實驗數(shù)據(jù).因此，數(shù)據(jù)庫概念模型中實體需要盡可能多地包含汽車—測力墻碰撞試驗所涉及到的客觀存在的所有事物.文獻[2]列出了現(xiàn)行的汽車—測力墻碰撞試驗所需記錄的全部信息.因此，本文根據(jù)文獻[2]并結(jié)合實際某次汽車—測力墻碰撞試驗所需記錄的試驗數(shù)據(jù)，抽象出汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫概念模型的全部實體信息.概念模型中實體之間的聯(lián)系由實體所代表的現(xiàn)實世界中的具體事物之間的聯(lián)系抽象而得;由文獻[2]也可以得出一部分實體之間的聯(lián)系.

為準(zhǔn)確描述汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫中各實體的關(guān)系，經(jīng)過自頂向下的需求分析和自底向上的概念結(jié)構(gòu)設(shè)計，得到了本數(shù)據(jù)庫的E－R模型，如圖2所示.

圖3 車輛－測力墻位置關(guān)系的投影[3]

圖4 撞擊力柱狀圖

1.3 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計

邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要任務(wù)就是把概念結(jié)構(gòu)設(shè)計階段設(shè)計好的E－R模型轉(zhuǎn)換成與所選定的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)所支持的數(shù)據(jù)模型相符合的邏輯結(jié)構(gòu)[1].本文中汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的主要任務(wù)就是將E－R模型轉(zhuǎn)換成選定數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)Microsoft SQL Server 2005所支持的關(guān)系模型.

E－R模型向關(guān)系模型轉(zhuǎn)換步驟和所遵循的規(guī)則如下:

圖5 B06測力單元撞擊力曲線圖

圖6 撞擊力總和的曲線圖

1.先轉(zhuǎn)換E－R模型中的各個實體:“一個實體轉(zhuǎn)化為一個表(Table)，實體的屬性就是表中的列”，實體的碼就是表的主鍵[1].

2.再轉(zhuǎn)換E－R模型中各實體之間的聯(lián)系，并更新第一步中生成的表:“一對一”二元聯(lián)系與任意一端對應(yīng)的表合并，選定一端已轉(zhuǎn)換好的表作為基礎(chǔ)，將另一端表的主鍵并入作為基礎(chǔ)表的外鍵;“一對多”二元聯(lián)系與“多”對應(yīng)一方的表合并，選定“多”對應(yīng)一方的表作為基礎(chǔ)，將另一端表的主鍵并入作為基礎(chǔ)表的外鍵;“多對多”二元聯(lián)系轉(zhuǎn)換成一個新的獨立的表，將兩端相連的表的主鍵并入作為基礎(chǔ)表的外鍵，并將外鍵的集合作為新生成表的主鍵.

圖7 1ms撞擊力等高線圖

圖8 6ms撞擊力等高線圖

圖9 27ms撞擊力等高線圖

轉(zhuǎn)換成功的關(guān)系模型總共包括17個表，各個表之間通過主鍵和外鍵相互聯(lián)系.同時，通過個表中主鍵的設(shè)計保證數(shù)據(jù)庫的實體完整性規(guī)則[1]，通過外鍵的設(shè)計保證參照完整性規(guī)則[1].

圖10 48ms撞擊力等高線圖

圖11 75ms撞擊力等高線圖

1.4 數(shù)據(jù)庫的實施

參照轉(zhuǎn)換成功的關(guān)系模型，本文在Microsoft SQL Server 2005開發(fā)環(huán)境中編寫Transact－SQL代碼建立起以“CRASHLOAD”為命名的汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫實例.汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫的實施分為兩個階段:數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)文件的創(chuàng)建和數(shù)據(jù)庫中邏輯對象的創(chuàng)建.先創(chuàng)建汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)文件，再將數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)－關(guān)系模型－中的對象創(chuàng)建到數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)文件的“容器”中.

1.5 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

由于單次汽車—測力墻碰撞試驗數(shù)據(jù)量龐大，手工錄入試驗數(shù)據(jù)費時費力，而且準(zhǔn)確性低.為了解決這一問題，本文利用Microsoft SQL Server 2005自帶的SQL Server Business Intelligence Development Studio開發(fā)出一套程序包，并集成到Math-Works MATLAB R2010a GUI設(shè)計工具(GUIDE)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能模塊的用戶界面中，專門用于試驗數(shù)據(jù)的大批量自動導(dǎo)入.

2 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序開發(fā)

應(yīng)用程序是用戶與汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫交互的接口，用戶需要通過應(yīng)用程序才能使用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù).本文采用MathWorks MATLAB R2010a為開發(fā)平臺，以MATLAB語言為基礎(chǔ)通過ODBC連接訪問Microsoft SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫，完成對汽車碰撞數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的調(diào)用.并使用GUI設(shè)計工具開發(fā)出應(yīng)用程序用戶界面，方便用戶使用.

3 碰撞載荷特征的提取與分析

碰撞載荷特征主要通過汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)用程序的后處理模塊的相關(guān)功能提取.碰撞載荷特征主要包括汽車—測力墻碰撞試驗時車輛施加在測力墻上的撞擊力大小、分布及其作用高度.

雖然碰撞載荷特征是從測力墻所記錄的撞擊力提取得來，但由于測力墻所記錄的撞擊力與車輛所受到的撞擊力是一對作用力與反作用力，因此可以用所提取出的碰撞載荷特征表征車輛本身的特性，并可用于車輛的耐撞性和相容性研究中.

3.1 撞擊力大小和分布

撞擊力主要通過三種方式顯示:柱狀圖、曲線圖和等高線圖.本文利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用程序調(diào)用數(shù)據(jù)庫中試驗編號為“07481”[3]的汽車—測力墻碰撞試驗的數(shù)據(jù)，分析此次試驗中的碰撞載荷特征.圖3為試驗車輛與測力墻之間位置關(guān)系的投影.

撞擊力柱狀圖形象地表征出各個測力單元所記錄的撞擊力的最大值，突出各個離散的測力單元所記錄的撞擊力大小的對比.如圖4所示，編號為“B03”(第2行第3列)、“B06”(第2行第6列)和“B07”(第2行第7列)的測力單元所受到的撞擊力較大，主要原因是它們剛好對應(yīng)車輛在碰撞中的主要承力部件－前縱梁區(qū)域.

撞擊力的曲線圖表征試驗中單個測力單元所記錄的撞擊力大小(圖5)或者所有測力單元記錄的撞擊力的總和(圖6)隨時間變化的關(guān)系.

撞擊力等高線圖通過線性插值運算，將各個離散測力單元在試驗中所記錄的撞擊力在以整個測力墻撞擊面為顯示區(qū)域中分段連續(xù)化，用以表征測力墻撞擊面各個動態(tài)顯示區(qū)域所受到撞擊力的大小.結(jié)合圖6至圖11可知，試驗過程中1ms時刻車輛已經(jīng)與測力墻接觸，圖7中顯示車輛前端保險杠中部(“B05”測力單元)開始受力;6ms時刻測力墻主要受力區(qū)域分為兩個(“B03”，“B06”和“B07”測力單元)，表明車輛左右前縱梁前端的吸能盒開始受力;27ms時刻車輛左側(cè)前縱梁所受到的撞擊力達到最大值(“B06”測力單元);48ms時刻等高線圖所顯示的受力區(qū)域向左上角和右上角擴展，表明車輛兩側(cè)的發(fā)動機艙上縱梁開始受力;75ms時刻整個測力墻區(qū)域受力明顯減小，表明車輛已經(jīng)開始回彈.

圖12 撞擊力高度

3.2 撞擊力高度

Stephen Summers[4]使用撞擊力平均高度(AHOF)作為評價車輛相容性的一個重要指標(biāo).撞擊力平均高度是撞擊力高度(HOF)在時間歷程0～t上的平均值.在任意時刻t，將測力墻所有測力單元記錄的各個撞擊力等效合成為一個作用于測力墻撞擊面上的集中力，這個集中力的作用點距離地面的高度就是t時刻的撞擊力高度.

其中:AHOF(t):t時刻的撞擊力平均高度;HOF(t):t時刻的撞擊力高度;Fi(t):第i塊測力單元t時刻所記錄的撞擊力;Hi:第i塊測力單元撞擊面的幾何中心距離地面的高度;N:試驗時測力墻所包含的測力單元塊數(shù);

在車輛與測力墻接觸的初期和末期，車輛作用在測力墻上的撞擊力較小，即式(3)中分母較小，計算出來的AHOF(t)的值不穩(wěn)定.一般，為了得到穩(wěn)定的數(shù)值，在t∈[T1，T2]?(0，T)的時間區(qū)間內(nèi)計算AHOF(t)，其中T是車輛與測力墻分離的時刻.一般將t=T2時AHOF(t)的值稱為撞擊力平均高度.

試驗“07481”中，撞擊力高度隨時間的變化過程(HOF)和撞擊力平均高度隨時間的變化過程(AHOFconverge)以及最終的撞擊力平均高度的值(AHOF)如圖12所示.撞擊力高度呈現(xiàn)“先上升后下降”的趨勢.試驗中車輛前端保險杠的中部一般先接觸測力墻，因此在車輛與測力墻接觸的初期撞擊力高度一般與車輛保險杠的高度相近;隨著試驗的繼續(xù)進行，車輛上越來越多的位置高于保險杠的部件(散熱器、發(fā)動機、發(fā)動機艙蓋及發(fā)動機艙上縱梁等)參與到與測力墻的接觸中，撞擊力高度呈現(xiàn)“先上升”的趨勢;之后由于車輛的速度急劇下降造成車身的俯仰運動，帶來車輛前端不斷下沉，引起撞擊力在測力墻上的作用位置下移，撞擊力高度因此出現(xiàn)“后下降”的趨勢.

4 結(jié)論

本文以國內(nèi)某一次汽車—測力墻碰撞試驗的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)用戶需要利用基于E－R模型的設(shè)計方法，采用Microsoft SQL Server 2005作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，建立了汽車碰撞載荷數(shù)據(jù)庫.在MathWorks MATLAB R2010a平臺上，利用GUI設(shè)計工具及MATLAB編程語言開發(fā)出了利用ODBC連接訪問SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用程序.利用應(yīng)用程序調(diào)用數(shù)據(jù)庫中試驗編號為“07481”的汽車—測力墻碰撞試驗的數(shù)據(jù)，提取并分析了該次試驗中的撞擊力大小、撞擊力分布以及撞擊力高度等碰撞載荷特征，為汽車的耐撞性及相容性研究奠定了堅實的基礎(chǔ).

[1]王珊，薩師煊.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論[M].第四版.北京:高等教育出版社，2006.5，49 －49，201 －208，224 －225.

[2]ISO/TS 13499–RED A:2005(E)Road Vehicles—Multimedia Data Exchange Format for Impact tests Related Electronic Document A Examples and Hints Version 1.4[S].

[3]Steven D.Matsusaka，F(xiàn)rank Richardson.Final Report of New Car Assessment Program Testing of a 2012 Hyundai Tucson GLS AWD PZEV 5 － Door MPV NHTSA No.MC0506[EB/OL].http://www － nrd.nhtsa.dot.gov/database/aspx/getmedia.aspx?tstno=7481＆index=1＆database=V＆type=R，2011.10.31.

[4]Stephen Summers，William T.Hollowell，Aloke Prasad.Design Considerations for a Compatibility Test Procedure[J].SAE Technical Paper Series，2002 －01 －1022.

[5]黃傳真，莊新強，鄒斌，等.汽車覆蓋件模具鋼高速切削數(shù)據(jù)庫的研究[J].山東大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，41(5):9 －12，25.