Development of a Virtual-Testing Methodology using the example of a Crash Locking Tongue

Abstract

Unter dem Namen Crash Locking Tongue (CLT) werden Schlosszungen eines Dreipunktsicherheitsgurtes zusammengefasst, welche im Fall einer Kollision die Bewegung des Gurtbandes vom Brust- zum Beckengurt unterbinden. Dieses schließende Verhalten hat positive Auswirkungen auf das Verletzungsrisiko der Insassen. Für die Anwendung in FEM-Gesamtfahrzeugmodellen wird ein FEM-Systemmodell der CLT benötigt welches die Funktion der CLT abbildet. Zur Erstellung eines Systemmodells sind normalerweise umfangreiche Bauteilversuche notwendig, um alle relevanten Betriebszustände zu identifizieren und eine vollständige Systemidentifikation durchzuführen. Diese Arbeit zielt darauf ab, diesen Versuchsaufwand zu reduzieren, indem ein physikalisches FEM-Modell der CLT aufgebaut und validiert wird. An diesem validierten Modell können virtuelle Vorversuche durchgeführt werden, welche die relevanten Betriebszustände der CLT annähern und benötigte Randbedingungen für die Systemidentifikationstests vorschlagen. Bei der Erstellung des physikalischen FEM-Modells in LS-DYNA musste eine vorgespannte Feder im inneren der CLT modelliert werden. Verschiedene Modellierungsansätze wurden untereinander verglichen und zwei diskrete Federn mit zuvor im Modell ermittelten Kraft-Weg-Kurven letztendlich eingesetzt. Der Einfluss verschiedener Kontaktparameter auf das Rauschen der Ausgangssignale der Simulation wurde untersucht und eine optimale Parameterkombination ermittelt, welche das Rauschen reduziert. Die Validierung des Modells erfolgte anhand einer kleinen Anzahl von Validierungsversuchen, welche in der Simulation nachgestellt wurden. Eine Optimierung der Reibkoeffizienten des Modells unter Zuhilfenahme einer speziell angepassten Korrelationsmetrik erzeugte weitestgehend gute Übereinstimmung zu den Ausgangssignalen der Validierungsversuche. Abweichungen zwischen den ermittelten Reibkoeffizienten sind auf das verwendete Kontaktmodell zurückzuführen, welches keine Geschwindigkeits- oder Druckabhängigkeit abbildet. Über eine Linearisierung der Ergebnisse der Optimierung ist ein gemittelter Reibwert berechnet worden, welcher für die weiterführenden Simulationen angewandt wurde. Die aus den virtuellen Vorversuchen entwickelte Testmatrix bietet eine vielversprechende Grundlage für eine vollständige Systemidentifikation der CLT. Die Effektivität dieser Methodik ist abhängig davon, wie gut das physikalische FEM-Modell mit einer geringen Anzahl Tests validiert werden kann. Nur wenn diese Anzahl geringer als die ansonsten notwendigen Vorversuche ist, kann der Testaufwand tatsächlich insgesamt reduziert werden. Eine Übertragung dieses Vorgehen auf andere Bauteile ist möglich, allerdings müssen annahmen wie das vereinfachte Kontaktmodell im vorliegenden Beispiel, in ihrer Auswirkung auf die Modellqualität kritisch überprüft werden.

The term "Crash Locking Tongue" (CLT) is used to describe the locking tongues of a three-point safety belt. These locking tongues prevent the belt webbing from moving from the chest belt to the lap belt in the event of a crash. This closing behavior has a beneficial impact on the risk of injury to the occupant. For the application in FEM complete vehicle models, an FEM system model of the CLT is required which represents the function of the CLT. To create a system model, it is necessary to conduct extensive testing in order to identify the systems behavior in all relevant operating states and thereby perform a complete system identification. This thesis aims to reduce this testing effort by building and validating a physical FEM model of the CLT. Virtual preliminary tests are carried out on this validated model, which approximates the relevant operating states of the CLT and suggest the required boundary conditions for system identification testing. While creating the physical FEM model in LS-DYNA, a pre-stressed spring inside the CLT had to be modeled. A comparison was conducted between various modeling approaches, and two discrete springs with force-displacement curves previously determined in the model were ultimately selected for use. The influence of various contact parameters on the noise of the output signals was investigated and an optimum parameter combination was determined to reduce the noise. The model was validated through the implementation of a limited number of validation tests, which were then replicated in the simulation. The optimization of the friction coefficients in the model was the main task of validation, which was enabled by employing a specially adapted correlation metric. The optimization resulted in a good degree of agreement of the simulation results with the output signals of the validation tests. Deviations between the determined friction coefficients can be attributed to the employed contact model, which does not represent any velocity or pressure dependencies. By linearizing the results of optimization, an average friction coefficient was calculated and used for further simulations. The test matrix developed from the virtual preliminary tests provides a promising basis for the complete system identification of the CLT. The effectiveness of this method depends on how well the physical FEM model can be validated with a small number of validation tests. Only if this number is lower than the otherwise necessary preliminary tests the overall testing effort can actually be reduced. In principle, it is possible to transfer this procedure to other components, but assumptions such as the simplified contact model in this example must be critically reviewed in terms of their impact on the model’s predictive quality.