Simulation der Entstehung und Ausbreitung hochfrequenter Körperschallwellen im Fahrzeugcrash zur Verbesserung der Crasherkennung
Creators: name: Pawlowski, Marco
Publisher: name: Universitätsbibliothek der HSU / UniBwH
Year: 2015
Subjects: subject: Fahrzeugsicherheit
subject: Finite-Elemente-Methode
subject: 600 Technik

description: Die kontinuierliche Verbesserung der Fahrzeugsicherheit wird durch stetig verschärfte gesetzliche Vorgaben und das steigende Bewusstsein auf der Verbraucherseite angetrieben. Die aktive Fahrzeugsicherheit versucht eine Gefahrensituation frühzeitig zu erkennen und einen Unfall zu vermeiden, während die passive Fahrzeugsicherheit den Insassenschutz und eine Minderung der Unfallfolgen zum Ziel hat. Heutige Fahrzeuge werden einer Vielzahl von Crashtests unterzogen, die vom Gesetzgeber und Verbraucherschutzorganisa- tionen festgelegt werden. Die Crashtest können in sogenannte must-fire und no-fire Lastfälle eingeteilt werden. Im must-fire Crashtest müssen die Rückhaltesysteme zum Schutz des Insassen gezündet werden, während im no-fire Fall keine Zündung erfolgen darf. Eine früh- zeitige Trennung dieser Lastfälle stellt eine Herausforderung für die Crasherkennung dar, sodass kontinuierlich an der Entwicklung der Crashsensorik und einer robusten Trennung der Crashszenarien gearbeitet wird. Der Einsatz von Körperschallsensorik in der Crasherkennung stellt einen Schritt in dieser Richtung dar und verbessert die frühzeitige und robuste Einstufung der Crashschwere. Die während eines Crashs entstehenden hochfrequenten Körperschallsignale werden mit der Deformation des Fahrzeugs korreliert und bieten somit eine zusätzliche neue Informa- tionsquelle. Im Gegensatz zu Satellitensensoren wird die Körperschallsensorik nicht in der Knautschzone, sondern im Bereich der Fahrgastzelle verbaut. Für die Signalübertragung vom Entstehungsort bis zum Sensor werden keine zusätzlichen Leitungen benötigt. Die Körperschallsignale breiten sich direkt über die Karosseriestruktur bis zum Sensor aus, wodurch das Fahrzeug selbst zu einem Teil des Sensoriksystems wird. Die Entwicklung und Applikation von Körperschallsensorik für neue Fahrzeugmodelle wurde bisher auf Basis von Versuchen durchgeführt. Die Applikation ist daher erst zu einem späten Zeitpunkt im Design-Prozess des Fahrzeugs möglich, da Prototypen für die Versuche vorhanden sein müssen. Das bisherige Vorgehen ist somit zeit- und kostenintensiv. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Simulation hochfrequenter Crashsignale, um eine frühzeitige Applikation der Körperschalltechnologie zu ermögli- chen. Hierdurch kann bereits eine Evaluierung der Signalqualität und die Optimierung der Fahrzeugstruktur stattfinden, bevor reale Prototypen verfügbar sind. Darüber hinaus kann die Parametrierung des Crasherkennungsalgorithmus früher durchgeführt und gemeinsam mit der Fahrzeugstruktur optimiert werden. Das erste Kapitel bietet eine Einleitung in die Thematik und eine Übersicht des Stands der Forschung. Im zweiten Kapitel wird auf die theoretischen Grundlagen von Körper- schallwellen eingegangen. Die eingesetzte Messtechnik und Signalverarbeitung werden im dritten Kapitel vorgestellt, bevor im vierten Kapitel die Messung von Signallaufzeiten und die Einteilung unterschiedlicher Crashsignale diskutiert wird. Die Entstehung hochfrequenter Crashsignale und deren Übertragung entlang der Fahr- zeugstruktur werden im Rahmen der Arbeit getrennt voneinander behandelt. Das fünfte Kapitel beschäftigt sich mit Körperschallquellen im Fahrzeugcrash, sowie mit der Simu- lation der Signalentstehung durch die finite Elemente Methode (FEM). Am Beispiel eines Stoßfängersystems wird gezeigt, dass eine Vorhersage der hochfrequenten Körperschallsig- nale, die durch eine Deformation der Struktur hervorgerufen werden, möglich ist. In einem zweiten Schritt wird das FEM-Model erweitert und für die Simulation eines Rohkarosserie- Crashs eingesetzt. Beide Simulationsmodelle werden durch Versuche validiert. Im sechsten Kapitel wird eine Übersicht an numerischen Verfahren gegeben, die zur Simulation von Wellenausbreitungsphänomenen eingesetzt werden können. Die Eigenschaften der einzel- nen Verfahren werden unter Gesichtspunkten der Crashsimulation diskutiert. Anschließend werden im siebten Kapitel FEM-Modelle einzelner Komponenten der Karosseriestruktur vorgestellt, die zur Simulation der Signalübertragung eingesetzt werden. Insbesondere wird der Einfluss von Schweißnähten und Sicken im Signalweg untersucht. Durch den Einsatz der Laser-Scanning-Vibrometer Technik wird die Interaktion der Körperschallwellen mit der Struktur visualisiert und zur Validierung der Simulation eingesetzt. Im achten Kapitel wird der Aufbau eines Programm-Codes auf Basis der spektralen finiten Elemente Methode (SFEM) als Alternative zur FEM vorgestellt. Die Vorteile der SFEM werden gegenüber der herkömmlichen Elementformulierung in der FEM anhand von mehreren numerischen Beispielen und einer karosserienahen Struktur aufgezeigt.