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Dokumentenidentifikation DE10207503B3 18.03.2004
Titel Verfahren zur Analyse von Streuungen der Ergebnisse von Crash-Vorgängen
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 München, DE
Erfinder Thole, Clemens-August, 53229 Bonn, DE;
Mei, Liquan, 53229 Bonn, DE
Vertreter Patentanwälte von Kreisler, Selting, Werner et col., 50667 Köln
DE-Anmeldedatum 22.02.2002
DE-Aktenzeichen 10207503
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 18.03.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.03.2004
IPC-Hauptklasse G01M 7/08
IPC-Nebenklasse G01M 17/00   
Zusammenfassung Bei dem Verfahren zur Analyse von Streuungen der Ergebnisse von Crash-Vorgängen werden anhand eines Modells mehrere Crash-Vorgänge simuliert oder durchgeführt. Es werden am Modell Ortspunkte definiert, deren Position zu bestimmten Zeitpunkten nach dem Beginn des Crash-Vorgangs von Interesse ist. Für sämtliche Crash-Vorgänge werden die Positionen der interessierenden Ortspunkte zu den diesen zugeordneten bestimmten Zeitpunkten und die räumliche Streuung der Positionen der interessierenden Ortspunkte zu den bestimmten Zeitpunkten ermittelt. Anhand eines Vergleichs der räumlichen Streuung der Positionen eines ersten der interessierenden Ortspunkte zu dem diesem zugeordneten Zeitpunkt mit der räumlichen Streuung der Positionen mindestens eines zweiten der interessierenden Ortspunkte zu dem diesem zugeordneten Zeitpunkt wird analysiert, ob die Streuung der Positionen des ersten Ortspunktes mit derjenigen der Positionen des zweiten Ortspunktes korreliert.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse von Streuungen der Ergebnisse von Crash-Vorgängen und insbesondere von Crash-Vorgängen bei Fahrzeugen oder Fahrzeugkomponenten. Allgemeiner ausgedrückt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Abhängigkeit der Streuungen eines dynamischen Prozesses an zwei unterschiedlichen Orten und zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten.

Crashvorgänge zeigen instabiles Verhalten. Wird das gleiche Modell mehrfach getestet, so unterscheiden sich die Ergebnisse unter Umständen substantiell. Eine von mehreren Ursachen ist unterschiedliches Beulverhalten von ebenen Flächen und geraden Stäben. Wird z. B. ein Stab an seinen beiden Enden einem Druck ausgesetzt, so biegt sich der Stab in der Mitte durch. Die Richtung der Biegung ist nicht bestimmt und wird sich von Test zu Test ändern.

Ziel einer Produktentwicklung sollte es sein, derartige Instabilitäten dann zu vermeiden, wenn sie die essentiellen Produkteigenschaften beeinflussen. Häufig liegt jedoch die Ursache von Instabilitäten nicht an derjenigen Stelle des Produkts, an der durch die Instabilität eine potentielle Verschlechterung der Produkteigenschaften stattfindet. So hat z. B. eine Streuung der Eindringtiefe der Stirnwand in die Fahrgastzelle ihre Ursache in der Regel nicht in der Stirnwand selber, sondern kann eine Konsequenz des Beulverhaltens des Motorlängsträgers sein.

Aus Crash Test Dummy Measurement, Research Disclosure, September 1997, Seite 669, 670, ist ein Verfahren zur Analyse von Crash-Vorgängen bekannt, bei dem anhand eines Modells mehrere Crash-Vorgänge durchgeführt werden, am Modell Ortspunkte definiert werden, deren Position zu bestimmten Zeitpunkten nach Beginn des Crash-Vorgangs von Interesse ist und für sämtliche Crash-Vorgänge die Positionen der interessierenden Ortspunkte zu bestimmten Zeitpunkten ermittelt wird.

Aus DE 198 14 691 ist ein weiteres Verfahren bekannt, bei dem die räumliche Streuung der Abstandswerte von interessierenden Gesichtsfeldern zu bestimmten Zeitpunkten ermittelt wird, und anhand eines Vergleichs der räumlichen Streuung der Abstandswerte eines ersten der interessierenden Gesichtsfelder zu dem diesem zugeordneten Zeitpunkt mit der räumlichen Streuung der Abstandswerte mindestens eines zweiten der interessierenden Gesichtsfelder zu dem diesem zugeordneten Zeitpunkt analysiert wird, ob die Streuung der Abstandswerte des ersten Gesichtsfeldes mit derjenigen der Abstandswerte des zweiten Gesichtsfeldes korreliert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem sich die Ursache und Wirkung von Streuungen bei Crash- und anderen Umformvorgängen analysieren lässt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Analyse von Streuungen der Ergebnisse von Crash-Vorgängen vorgeschlagen, bei dem

  • – anhand eines Modells mehrere Crash-Vorgänge simuliert oder durchgeführt werden,
  • – am Modell Ortspunkte definiert werden, deren Position zu bestimmten Zeitpunkten nach dem Beginn des Crash-Vorgangs von Interesse ist,
  • – für sämtliche Crash-Vorgänge die Positionen der interessierenden Ortspunkte zu den diesen zugeordneten bestimmten Zeitpunkten ermittelt werden,
  • – die räumliche Streuung der Positionen der interessierenden Ortspunkte zu den bestimmten Zeitpunkten ermittelt wird,
  • – anhand eines Vergleichs der räumlichen Streuung der Positionen eines ersten der interessierenden Ortspunkte zu dem diesem zugeordneten Zeitpunkt mit der räumlichen Streuung der Positionen mindestens eines zweiten der interessierenden Ortspunkte zu dem diesem zugeordneten Zeitpunkt analysiert wird, ob die Streuung der Positionen des ersten Ortspunktes mit derjenigen der Positionen des zweiten Ortspunktes korreliert.

Das erfindungsgemäße Verfahren setzt auf die Ergebnisse mehrerer simulierter oder real durchgeführter Crash-Vorgänge auf. An den Modellen, anhand derer die Crash-Vorgänge durchgeführt bzw. simuliert wurden, werden interessierende Ortspunkte definiert. Von Interesse ist nun die Position dieser Ortspunkte zu bestimmten Zeitpunkten nach dem Beginn des Crash-Vorgangs, also nach dem Aufschlag. Es zeigt sich, dass die Positionen dieser interessierenden Ortspunkte nach jedem Crash-Vorgang unterschiedlich sind.

An dieser Stelle beginnt das eigentliche erfindungsgemäße Analyseverfahren, indem zunächst die räumliche Streuung der Positionen der interessierenden Ortspunkte zu den jeweils dazugehörigen bestimmten Zeitpunkten ermittelt wird. Anhand eines Vergleichs der räumlichen Streuung der Positionen eines ersten der interessierenden Ortspunkte, zu dem diesem zugeordneten Zeitpunkt mit der räumlichen Streuung der Positionen mindestens eines zweiten der interessierenden Ortspunkte zu dem diesem zugeordneten Zeitpunkt wird dann analysiert, ob die Streuung der Positionen des ersten Ortspunktes mit derjenigen der Positionen des zweiten Ortspunktes korreliert.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Korrelationsanalyse der räumlichen Streuung der Positionen zweier zu vergleichender Ortspunkte anhand von Ähnlichkeitsbetrachtungen. So kann beispielsweise die Ähnlichkeit der räumlichen Verteilung der Positionen der interessierenden Ortspunkte geordnet nach den Crash-Vorgängen erfolgen (kombinatorische Verfahren). Alternativ dazu ist es möglich, mit Hilfe von numerischen Verfahren Ähnlichkeitsuntersuchungen anzustellen. Hierbei werden beispielsweise die Abstände der Positionen der interessierenden Ortspunkte für unterschiedliche Ortspunkte miteinander verglichen. Schließlich lassen sich bei den Ähnlichkeitsuntersuchungen die im Stand der Technik bekannten Mustererkennungsverfahren ebenso anwenden.

Nutzen der Erfindung

Die Erfindung erlaubt es nun, Ursache und Wirkung von Instabilitäten zu unterschieden. Die beobachtete Instabilität kann auf die verursachende Stelle zurückgeführt werden. Damit hat der Entwicklungsingenieur den richtigen Ansatzpunkt für die Veränderung des Produkts zur Vermeidung der Instabilität an der eigentlich wichtigen Stelle.

Einsatzbereich

Die Methode lässt sich sowohl für physikalische Experimente als auch im Bereich numerischer Simulation einsetzen.

Als Anwendungsfelder kommen neben Crashuntersuchungen alle Prozesse in Frage, in denen Material in seiner äußeren Gestalt durch den Produktionsprozess oder ein Experiment zur Bestimmung von Produkteigenschaften verändert wird.

Die notwendigen Daten für die Analyse können im Falle numerischer Simulation für alle Ortspunkte und Zeitpunkte bereitgestellt werden. Im Fall physikalischer Experimente können Ortspunkte auf dem Modell markiert, der Vorgang mit High Speed Kameras aus verschiedenen Winkeln aufgenommen und anschließend die Position der Ortspunkte in Raum und Zeit durch vergleichende Bilderkennungsverfahren gewonnen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In den 1 bis 3 der Zeichnung sind dabei die räumlichen Streuungen der Positionen dreier interessierender Ortspunkte zu drei verschiedenen Zeitpunkten dargestellt. Die Ziffern geben die laufende Nummer der Crash-Versuche an, bei denen sich die unterschiedlichen Positionen der interessierenden Ortspunkte eingestellt haben.

Führt man eine Anzahl von Experimenten durch, so lassen sich die Positionen für jeden betrachteten Punkt und jeden betrachteten Zeitpunkt in einer Streuwolke zusammenfassen. Stimmen jetzt die Streuwolken W zweier Punkte P1 und P2 zu den jeweiligen Zeitpunkten T1 und T2 überein oder sind sehr ähnlich, so ist die Streuung dieser beiden Punkte nicht unabhängig voneinander. Das heißt, dass die Streuung an diesen beiden Punkten die gleiche Ursache hat.

1 bis 3 zeigen 2D Darstellungen von Streuwolken eines Modells an drei verschiedene Ortspunkten p1, p2, p3 des Modells zu drei verschiedenen Zeitpunkten t1, t2, t3, wobei 1 die Streuwolke am Ortspunkt p1 zum Zeitpunkt t1, 2 die Streuwolke am Ortspunkt p2 zum Zeitpunkt t2 und 3 die Streuwolke am Ortspunkt p3 zum Zeitpunkt t3 zeigt. Bei dem hier betrachteten Beispiel handelt es sich um die Untersuchung von Fahrzeug-Crashs, wobei der Punkt p1 beispielsweise am vorderen Ende eines der beiden den Motor tragenden Längsträgern, der Punkt p2 an der die Fahrgastzelle zum Motorraum hin trennenden Stirnwand und der Punkt p3 beispielsweise am oberen Ende der D-Säule liegt.

Man sieht, dass die Streuwolken der 1 und 2 ähnlich zueinander sind, da die Verteilung der Positionen der Punkte p1 und p2, geordnet nach den Crash-Versuchen, ähnlich ist. Die Abstände der Positionen der Streuwolke der 2 sind größer als die der 1; darüber hinaus ist die Positionsverteilung gemäß 2 gegenüber derjenigen gemäß 1 um etwa 90° entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn verdreht. Demgegenüber ist zwischen der Streuwolke gemäß 3 und den anderen beiden Streuwolken kein Zusammenhang, das heißt keine Ähnlichkeit zu erkennen.

Formal lässt sich das Verfahren so beschreiben:

Ist X(p,t,s) die Position des Punktes p zum Zeitpunkt t im Experiment s und S die Anzahl der Experimente, dann ist die Streuwolke W(p,t) = [X(p,t,s), s = 1...S ]. Falls W(p1,t1) und W(p2,t2) ähnlich sind (W(p1,t1) ≈ W(p2,t2)), dann haben (p1,t1) und (p2,t2) die gleiche Ursache für die Streuung.

Um die Ähnlichkeit zweier Streuwolken zu bestimmen, lassen sich verschiedene Verfahren einsetzen. Hier werden zwei Klassen von Verfahren an Beispielen vorgestellt:

  • – Numerische Verfahren bestimmen die Abstände zwischen den Punkten der Streuwolken und berechnen darauf ein Maß für die Ähnlichkeit der Streuwolken.
  • – Kombinatorische Verfahren vergleichen Eigenschaften der Streuwolken, z. B.
  • – zerfallen die Streuwolken in Gruppen und haben die beiden Streuwolken die gleichen Gruppen oder

  • – liegen Punkte der gleichen Experimente in beiden Streuwolken dicht beieinander oder weit voneinander entfernt.

Der Vollständigkeit halber werden für beide Klassen konkrete Varianten genannt:

Beispiel für ein numerisches Verfahren zur Bestimmung der Ähnlichkeit zweier Streuwolken:

Ist W(1...S) eine Streuwolke mit 5 Experimenten. Dann ist die Streumatrix M definiert als:

Mij(W)=||W(i) – W(j) || , für 1 <= i,j <= S.

Das Äquivalenzmaß A(W1, W2) zweier Streuwolken ist dann definiert als

Werte größer als 0.8 für A(W1,W2) zeigen bereits bei 10 Experimenten eine signifikante Ähnlichkeit zwischen den beiden Streumatrizen, die deutlich über dem Maß zufällig ausgewählter Matrizen liegt.

Beispiel für ein kombinatorisches Verfahren zur Bestimmung der Ähnlichkeit zweier Streuwolken:

Ist M(W) die Streumatrix zu einer Streuwolke W, und

so weist die Streuwolke Struktur auf. Ist jetzt

Liste(M(W)) ist eine Liste der Einträge von M mit der Eigenschaft:
Die Abhängigkeitsmatrix ist dann definiert für (i, j)=listek(Wl)=listel(W2) als
W1 und W2 sind genau dann ähnlich, falls

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde vorstehend anhand des Beispiels der Analyse der Stabilität von Simulationsergebnissen des Crash-Verhaltens von Fahrzeugen beschrieben.

Dabei wurden z. B. auf dem numerischen Gitter, das das Automobil beschreibt, die Position von Ortspunkten zu jedem Zeitpunkt miteinander verglichen und statistisch analysiert.

Durch die statistische Analyse der Streuung der verschiedenen Simulationsergebnisse an Knotenpunkten und durch Vergleich von Streumustern zwischen Knotenpunkten konnten Abhängigkeiten von Streuungen aufgezeigt werden. Damit gelang es zum Beispiel nachzuweisen, dass eine Streuung in der Fahrgastzelle eine direkte Folge einer Streuung der Simulationsergebnisse auf dem Längsträger ist (eine genauere Analyse zeigte dann, dass die Streuung auf dem Längsträger durch unterschiedliches Beulverhalten dieses Trägers verursacht wurde).


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Analyse von Streuungen der Ergebnisse von Crash-Vorgängen, bei dem

    – anhand eines Modells mehrere Crash-Vorgänge simuliert oder durchgeführt werden,

    – am Modell Ortspunkte definiert werden, deren Position zu bestimmten Zeitpunkten nach dem Beginn des Crash-Vorgangs von Interesse ist,

    – für sämtliche Crash-Vorgänge die Positionen der interessierenden Ortspunkte zu den diesen zugeordneten bestimmten Zeitpunkten ermittelt werden,

    – die räumliche Streuung der Positionen der interessierenden Ortspunkte zu den bestimmten Zeitpunkten ermittelt wird,

    – anhand eines Vergleichs der räumlichen Streuung der Positionen eines ersten der interessierenden Ortspunkte zu dem diesem zugeordneten Zeitpunkt mit der räumlichen Streuung der Positionen mindestens eines zweiten der interessierenden Ortspunkte zu dem diesem zugeordneten Zeitpunkt analysiert wird, ob die Streuung der Positionen des ersten Ortspunktes mit derjenigen der Positionen des zweiten Ortspunktes korreliert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelationsanalyse anhand der Ähnlichkeit der räumlichen Verteilung der Positionen des ersten und des zweiten Ortspunktes erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ähnlichkeit anhand eines Vergleichs von für jeden Ortspunkt erstellten Abstandsmatrizen untersucht wird, wobei jede Abstandsmatrix die Abstände der Positionen eines Ortspunktes untereinander für jeden Crash-Vorgang umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ähnlichkeitsuntersuchung erfolgt, indem die räumliche relative Anordnung der Positionen der Ortspunkte unter Zuordnung zum jeweils zugehörigen Crash-Versuch auf Ähnlichkeit untersucht wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ähnlichkeitsuntersuchung 3D-Mustererkennungsverfahren angewendet werden.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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