仿真加速度波形的对标方法

技术领域

本发明涉及波形仿真技术领域，特别涉及一种仿真加速度波形的对标方法。

背景技术

本发明涉及加速度波形的计算机仿真与试验对标技术。加速度波形是指零件或系统在运动过程中，某部位的加速度随时间，或者位移，等其他物理量的变化曲线的形状。仿真与试验的对标技术是指，将计算机仿真结果数据与试验测得数据进行比对分析，再对仿真模型进行修正与改进，使仿真模型能够准确地反映所研究系统的某些关注特性的工程技术。加速度波形的计算机仿真与试验对标，既是将计算机仿真模型输出的加速度波形与实际试验测得的加速度波形进行比对分析，通过修正和改进原计算机仿真模型，使得计算机仿真模型能够准确地预测加速度波形，从而使得计算机仿真更加准确有效。

随着计算机技术和工程仿真技术的发展和普及，在工程开发过程中，计算机仿真技术已成为不可或缺的重要技术手段。应用计算机仿真技术，能够在开发早期及时发现和修正设计缺陷、优化设计方案。因此，计算机仿真技术能够大幅减少工程开发后期所需的验证试验次数，能够显著降低开发成本和缩短开发周期。

应用计算机仿真技术，首先需要建立有效的仿真模型，使仿真模型能够准确地反映所研究系统的某些关注特性。有了有效的仿真模型，才可以通过计算机仿真准确地发现和修正设计缺陷、优化设计方案，否则将会误导工程开发。在工程开发中，计算机仿真与试验对标技术是提升仿真模型有效性的重要手段。例如，在汽车碰撞安全性开发中，车体碰撞加速度波形是考核汽车安全性的一个重要因子。对汽车碰撞建模仿真时，所建立的仿真模型需要能够准确地输出车体碰撞加速度波形。为此，需要将仿真模型输出的车体碰撞加速度波形与试验测得的车体碰撞加速度波形进行对比分析，再修正仿真模型，使修正后的仿真模型能够有效预测车体碰撞加速度波形。

传统的加速度波形对标方法都是基于试错和主观判断的过程。具体地，传统的加速度波形对标方法是，首先将仿真模型输出的加速度波形与试验测得的加速度波形对比，同时主观判断两者之间是否近似一致，如果不近似一致，则根据工程经验修改仿真模型，再重新输出加速度波形并与试验测得的加速度波形对比，并主观判断两者是否达到近似一致，如此往复，直至达到能够接受的近似一致性为止。

从传统的加速度波形对标过程可以看出，这个过程是十分低效的，原因如下：

1、主观判断加速度波形的近似一致性具有主观不确定性，即使是具有丰富工程经验的不同工程师，给出的主观判断的结果也会有很大的差异；

2、当发现仿真模型输出的加速度波形与试验测得的加速度波形一致性差异很大时，只能依据工程经验，通过试错的方式修改原仿真模型。一方面这个过程十分依赖于丰富的工程经验，不具备丰富工程经验的工程师很难完成此项工作。另一方面，主观判断一致性，再修改模型，再主观判断近似的过程通常需要试错很多轮才能获得较为满意的效果，过程效率十分低下。此外，由于主观判断不确定性的存在，造成加速度波形一致性判断的偏差有时很大，即使经过多轮的对标过程，往往也很难获得十分准确的对标模型。

因此，现有的仿真加速度波形的对标方法，需要具备丰富的工程经验才能较好地完成对标模型调试，对标效率十分低下。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中加速度波形的对标方法需要具备丰富的工程经验才能较好地完成对仿真波形的调试，效率十分低下的问题。

为解决上述问题，本发明的实施方式公开了一种仿真加速度波形的对标方法，包括以下步骤：

S1：对利用仿真模型输出的仿真加速度波形和试验测得的试验加速度波形分别进行数据处理；

S2：对数据处理后的仿真加速度波形数据和试验加速度波形数据进行计算和比对，判断仿真加速度波形和试验加速度波形的一致性是否在预设的阈值范围内；

若是，则判定仿真模型有效；

若否，则确定并优化影响仿真模型输出的加速度波形的准确性的关键影响因子，直至仿真加速度波形数据和试验加速度波形数据的计算和比对结果在预设的阈值范围内，以使仿真模型有效。

采用上述方案，通过量化计算的方法，规避了传统加速度波形仿真对标过程的主观模糊判断，并且使得对标过程基于量化计算实现了流程化和标准化，从而提高了加速度波形仿真对标的效率。

根据本发明的另一具体实施方式，本发明实施方式公开的仿真加速度波形的对标方法，步骤S1包括：

对仿真加速度波形和试验加速度波形分别进行数据处理，以使仿真加速度波形数据和试验加速度波形数据的采样频率和起始时刻相同。

采用上述方案，通过对仿真加速度波形和试验加速度波形分别进行数据处理，以使仿真加速度波形数据和试验加速度波形数据的采样频率和起始时刻相同，能够使得两个波形满足对比分析时的采样要求，提高了后续对比分析的效率。

根据本发明的另一具体实施方式，计算和比对结果包括幅值差值和相位差值；并且，步骤S2包括：

根据仿真加速度波形的采样值和试验加速度波形的采样值进行计算，获取仿真加速度波形采样值与试验加速度波形采样值之间的幅值差值和相位差值。

采用上述方案，根据仿真波形采样值和试验波形采样值进行计算，通过计算的方式获取仿真波形采样值与试验波形采样值之间的幅值差值和相位差值，准确度更高。

根据本发明的另一具体实施方式，本发明实施方式公开的仿真加速度波形的对标方法，在步骤S2中，根据以下公式计算幅值差值：

其中，M

根据本发明的另一具体实施方式，本发明实施方式公开的仿真加速度波形的对标方法，在步骤S2中，根据以下公式计算相位差值：

其中，P

根据本发明的另一具体实施方式，本发明实施方式公开的仿真加速度波形的对标方法，步骤S2中，预设的阈值范围为：幅值差值和相位差值均在0至0.4的范围内。

根据本发明的另一具体实施方式，本发明实施方式公开的仿真加速度波形的对标方法，确定并优化影响仿真模型输出的加速度波形的准确性的关键影响因子，包括：

获取仿真模型的可能影响因子；

根据各影响因子对仿真模型输出的加速度波形的准确性的影响程度，对各影响因子进行筛选试验设计分析，筛选出关键影响因子；

对关键影响因子进行试验设计优化分析，以获取关键影响因子的最优设置组合；

根据关键影响因子的最优设置组合调试和修正仿真模型。

采用上述方案，首先获取可能影响因子，然后对影响因子进行筛选，以选出关键影响因子，从而无需对其他的非关键影响因子进行试验设计，节省了时间，提高了对标效率。

本发明的有益效果是：

采样上述方案，通过量化计算的方法，规避了传统加速度波形仿真对标过程的主观模糊判断，并且使得对标过程基于量化计算实现了流程化和标准化，从而提高了加速度波形仿真对标的效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的仿真加速度波形的对标方法的流程示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意的是，在本说明书中，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实施例中的具体含义。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

为解决现有技术中加速度波形的对标方法需要具备丰富的工程经验才能较好地完成对仿真波形的调试，效率十分低下的问题，本发明的实施方式提供了一种仿真加速度波形的对标方法。具体地，参考图1示出的本发明实施例提供的仿真加速度波形的对标方法的流程示意图，本发明实施例提供的仿真加速度波形的对标方法具体包括以下步骤：

S1：对利用仿真模型输出的仿真加速度波形和试验测得的试验加速度波形分别进行数据处理；

S2：对数据处理后的仿真加速度波形数据和试验加速度波形数据进行计算和比对，判断仿真加速度波形和试验加速度波形的一致性是否在预设的阈值范围内；

若是，则判定仿真模型有效；

若否，则确定并优化影响仿真模型输出的加速度波形的准确性的关键影响因子，直至仿真加速度波形数据和试验加速度波形数据的计算和比对结果在预设的阈值范围内，以使仿真模型有效。

采用上述方案，通过量化计算的方法，规避了传统加速度波形仿真对标过程的主观模糊判断，并且使得对标过程基于量化计算实现了流程化和标准化，从而提高了加速度波形仿真对标的效率。

下面结合图1示出的本发明实施例提供的仿真加速度波形的对标方法的流程示意图，具体描述本发明实施例提供的仿真加速度波形的对标方法。需要理解的是，本实施例中的对标是指，优化仿真模型，使仿真输出加速度波形能比较准确地预测试验加速度波形的方法。

首先，执行步骤S1，对利用仿真模型输出的仿真加速度波形和试验测得的试验加速度波形分别进行数据处理。

需要说明的是，此步骤是为了得到能够满足后续的计算条件的仿真加速度波形数据和试验加速度波形数据。由于利用仿真模型输出的加速度波形可能无法与试验测得的加速度波形进行计算和比对，因此在利用仿真模型输出的加速度波形之后，还需要对利用仿真模型输出的加速度波形和试验测得的加速度波形进行数据处理，使得仿真模型输出的加速度波形满足能够与试验测得的加速度波形进行对比的条件。

具体地，步骤S1包括以下步骤：

对仿真加速度波形和试验加速度波形分别进行数据处理，以使仿真加速度波形数据和试验加速度波形数据的采样频率和起始时刻相同。

也就是说，本实施例中，需要以预设的采样频率分别对仿真加速度波形和试验加速度波形进行采样。

需要说明的是，预设采样频率本领域技术人员可以根据实际需要确定，可以是1万赫兹、2万赫兹，或者是其他数值，本实施例对此不做限制。

进一步地，此步骤中，操作者可以利用仿真模型输出加速度波形。需要说明的是，此步骤中的仿真模型是初步建立的仿真模型，它没有经过仿真与试验的对标，模型中的一些参数设置、建模简化等等可能并不准确。初始模型由工程师通过建模的方法建立，可以应用工程建模软件。

例如，在模拟汽车碰撞的实验中，操作者就可以利用工程建模软件建立一个汽车的碰撞模型，然后根据该汽车的碰撞模型进行碰撞试验仿真，并根据仿真结果输出加速度波形。

更进一步地，本实施例中，加速度试验是指能够采集到车辆加速度的试验。例如，为了测得汽车碰撞时产生的车体加速度曲线，我们就需要制造一台样车，按照一定试验方法去碰撞，然后通过加速度传感器测车体的碰撞加速度曲线。

接下来，执行步骤S2，对数据处理后的仿真加速度波形数据和试验加速度波形数据进行计算和比对，判断仿真加速度波形和试验加速度波形的一致性是否在预设的阈值范围内；

若是，则判定仿真模型有效；

若否，则确定并优化影响仿真模型输出的加速度波形的准确性的关键影响因子，直至仿真加速度波形数据和试验加速度波形数据的计算和比对结果在预设的阈值范围内，以使仿真模型有效。

需要说明的是，本实施例中，计算和比对结果结果包括幅值差值和相位差值。

具体地，步骤S2包括以下步骤：

根据仿真加速度波形的采样值和试验加速度波形的采样值进行计算，获取仿真加速度波形采样值与试验加速度波形采样值之间的幅值差值和相位差值。

需要说明的是，本实施例中，仿真加速度波形的采样值和试验加速度波形的采样值具体是通过采样获取的。对数据进行采样的方法具体可以参考现有技术，本实施例中可以在计算机中输入采样的频率，然后对仿真加速度波形数据和试验加速度波形数据进行采样，本实施例对此不作限制。

更具体地，本实施例中，根据以下公式计算幅值差值：

其中，M

并且，本实施例根据以下公式计算相位差值：

其中，P

需要理解的是，本实施例中试验加速度波形对应同时刻的采样值是指，与仿真加速度波形采样值在同时刻采集的试验加速度波形的采样值。

需要说明的是，此步骤中，判断仿真输出的加速度波形和试验测得的加速度波形的一致性是否在预设的阈值范围内。即预先在计算机中存储预设的阈值范围，然后在计算和比对结果生成之后直接与预设的阈值范围作比较。

优选地，本实施例中，预设的相似度阈值范围为：幅值差值和相位差值均在0至0.4的范围内。

也就是说，幅值差值的相似度阈值的范围为0-0.4，具体可以是0、0.25、0.4，或者该范围内的其他数值。

相位差值的相似度阈值的范围为0-0.4，具体可以是0、0.25、0.4，或者该范围内的其他数值。

并且，幅值差值和相位差值的相似度阈值可以相同，也可以不同，本实施例对此不做限制。

需要理解的是，本实施例中，以车体碰撞加速度波形为例，通常幅值差值和相位差值均小于40％时可以判定仿真输出的加速度波形和试验测得的加速度波形达到近似一致。当然，也可根据所研究系统的历史数据合理调整该波形对比量化指标。通过波形对比量化参数和合理设定的波形对比量化指标，实现了波形对比的量化，并且为加速度波形计算机仿真对标流程化和标准化，不必依赖丰富的工程经验提供了可能。

而本实施例中，如果仿真输出的加速度波形和试验测得的加速度波形的一致性不在预设的阈值范围内，则需要执行以下步骤：确定并优化影响仿真模型输出的加速度波形的准确性的关键影响因子，直至仿真加速度波形数据和试验加速度波形数据的计算和比对结果在预设的阈值范围内，以使仿真模型有效。

具体地，本实施例中，确定并优化影响仿真模型输出的加速度波形的准确性的关键影响因子，包括以下步骤：

首先，获取仿真模型的可能影响因子。

也即选取仿真模型的可能影响因子。

然后，根据各影响因子对仿真模型输出的加速度波形的准确性的影响程度，对各影响因子进行筛选试验设计分析，筛选出关键影响因子。

也即对选取出的各影响因子进行筛选试验设计分析，以获取对仿真模型输出的加速度波形的准确性的影响程度。

之后，对关键影响因子的进行试验设计优化分析，以获取各关键影响因子的最优设置组合。

最后，根据关键影响因子的最优设置组合调试和修正仿真模型。

也就是说，本实施例中，首先需要分析出影响仿真加速度波形数据的可能影响因子，具体可以是使用“头脑风暴”、“亲和图”、“树图”或者“鱼骨图”等系统分析问题的方法。然后，对所有可能影响因子进行筛选试验设计分析，找出对仿真模型输出加速度波形的准确性影响显著的因子，也就是关键影响因子。

需要理解的是，本实施例中，在利用系统分析问题的方法分析并筛选出所有可能的影响因子。这些可能的影响因子中有些可能并不显著影响原仿真模型预测加速度波形的准确性，因此需要将真正的关键影响因子筛选出来。此时“筛选因子试验设计”方法可以快速有效的对可能影响因子进行筛选分析，它可以分析和筛选高达几十个可能因子，并且所需的仿真运算次数较少。“筛选因子试验设计”不仅能够筛选出关键影响因子，而却能够初步获得一个关键影响因子的相对较优的参数设置组合，按照该较优的参数设置来调试和修正原模型，可以使得模型预测精度达到较优。

基于“筛选因子试验设计”获得的相对较优的仿真模型，针对筛选出的关键影响因子，通过全因子试验设计或者响应曲面设计等方法可以详细优化关键因子的参数设置组合，获得一个理论最优的关键影响因子参数设置组合，按此参数设置组合调试和修正模型，就可获得理论最优对标仿真模型。

获得理论最优对标仿真模型之后，此时可以对此模型进行验证，以判断波形对比量化参数是否已满足指标要求，如若仍未达到指标要求，可重复以上调试和修正模型步骤。

例如，在模拟汽车碰撞的实验中，我们利用头脑风暴的方法选出了能够影响仿真加速度波形数据和试验加速度波形数据的相似度的影响因子包括前后轴荷、车身材料参数、发动机悬置断裂时刻、前纵梁焊点开裂等，然后应用筛选试验设计方法找出车身材料参数、发动机悬置断裂时刻和前纵梁焊点开裂是关键影响因子。然后对车身材料参数、发动机悬置断裂时刻和前纵梁焊点开裂进行试验设计优化(例如全因子试验设计或者相应曲面试验设计分析)，找到能够使得仿真加速度波形和试验加速度波形相似度最高的车身材料参数、发动机悬置断裂时刻和前纵梁焊点开裂的参数设置，然后将该参数设置代入仿真模型，修正仿真模型。

优选地，本实施例中，利用全因子试验设计或者响应曲面设计等方法可以详细优化关键因子的参数设置组合，获得一个理论最优的关键影响因子参数设置组合。具体的试验方法本实施例不再赘述。

还需要说明的是，本实施例中，判断对仿真加速度波形数据和试验加速度波形数据的相似度的影响程度的标准，本领域技术人员可以根据实际需要确定，本实施例对此不做限制。

本发明提出的仿真加速度波形的对标方法的过程为，首先用仿真模型输出仿真加速度波形，同时试验测得试验加速度波形，然后对利用仿真模型输出的加速度波形和试验测得的加速度波形分别进行数据处理后计算波形对比量化参数，根据波形对比量化参数值来量化利用仿真模型输出的加速度波形和试验测得的加速度波形的近似一致程度，当波形对比量化参数值满足指标要求时认为利用仿真模型输出的加速度波形和试验测得的加速度波形近似一致。当波形对比量化参数值不满足指标要求时，需要重新调试和修正仿真模型，直至波形对比量化参数值满足指标要求，此时对标过程结束。调试和修正后的仿真模型能够有效预测加速度波形。

其中，调试和修正原仿真模型的步骤是，首先根据工程经验分析并选取出导致利用仿真模型输出的加速度波形和试验测得的加速度波形存在较大差异的可能影响因子，该可能影响因子是指仿真模型的一些简化建模处理、模型中不够准确的参数设置，或者原模型未能准确预测出的失效等等因素。这些可能影响因子通常包含了导致模型预测加速度波形不够准确的原因。在选取出可能影响因子后，基于因子筛选试验设计方法(例如Plackett-Burman设计、部分因子试验设计)进行模型调试和仿真分析，可以找出其中的关键影响因子。这些关键影响因子是少数显著影响模型预测加速度波形准确性的关键因素。筛选出关键影响因子后，针对关键影响因子，再基于因子试验设计方法(例如全因子试验设计、响应曲面试验设计)就可以优化和找到关键影响因子最优的参数设置组合，基于关键影响因子的最优参数设置组合调试的仿真模型一般会达到满意的仿真对标结果，也就是使得波形对比量化参数值达到要求。如果一次调试和修正原仿真模型后未达到满意的对比量化参数值，则可以重复调试和修正过程，通常一至两次即可达到满意的对比量化参数值，获得满意的仿真对标模型。

本发明将波形对比量化方法和试验设计优化方法相结合，将计算机仿真对标过程流程化和标准化，解决了传统计算机仿真对标方法中存在的主观判断不确定性大、对工程经验依赖大、试错效率低、无法建立统一的流程和标准等问题。

本发明将波形对比量化方法引入了加速度波形的计算机仿真对标中，解决了仿真对标中波形对比主观判断不确定性大的问题。该波形对比量化方法通过波形对比量化参数值来量化判断仿真波形是否与试验波形近似一致。当波形对比量化参数值满足设定的指标要求时，即可判断仿真波形与试验波形接近近似一致。常用的一种波形对比量化参数是Sprague&Geers方法的幅值差值M

在“分析和选取可能的影响因子”这一步，我们可以使用“头脑风暴”、“亲和图”、“树图”或者“鱼骨图”等系统分析问题的方法分析并筛选出所有可能的影响因子。这些可能的影响因子中有些可能并不显著影响原仿真模型预测加速度波形的准确性，因此需要将真正的关键影响因子筛选出来。此时“筛选因子试验设计”方法可以快速有效的对可能影响因子进行筛选分析，它可以分析和筛选高达几十个可能因子，并且所需的仿真运算次数较少。“筛选因子试验设计”不仅能够筛选出关键影响因子，而却能够初步获得一个关键影响因子的相对较优的参数设置组合，按照该较优的参数设置来调试和修正原模型，可以使得模型预测精度达到较优。

基于“筛选因子试验设计”获得的相对较优的仿真模型，针对筛选出的关键影响因子，通过全因子试验设计或者响应曲面设计等方法可以详细优化关键因子的参数设置组合，获得一个理论最优的关键影响因子参数设置组合，按此参数设置组合调试和修正模型，就可获得理论最优对标仿真模型。

获得理论最优对标仿真模型之后，此时可以对此模型进行验证，以判断波形对比量化参数是否已满足指标要求，如若仍未达到指标要求，可重复以上调试和修正模型步骤。

本发明的仿真加速度波形的对标方法，其过程完全实现了流程化和标准化，实现了量化对比和判断，极大提高了传统加速度波形计算机仿真对标的效率。

采用上述方案，通过量化计算的方法，规避了传统加速度波形仿真对标过程的主观模糊判断，并且使得对标过程基于量化计算实现了流程化和标准化，从而提高了加速度波形仿真对标的效率。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。本领域技术人员可以在形式上和细节上对其作各种改变，包括做出若干简单推演或替换，而不偏离本发明的精神和范围。