汽车前保险杠结构及安全性能分析学士学位论文 精品Word下载.docx
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Asasafetydevise,FrontBumperSystemisanimportantpartofamodernautomobile.Whenalow-speedcollisionoccurs,theFrontBumperSystemshouldbe“stiff”enoughtoavoidlargedeformationofthecarandprotectthepassengersfromtheimpactofthecollision.Meanwhile,whenapedestrianishitbythefrontpartofacar,theFrontBumperSystemshouldbe“soft”enoughincasethatitwilldoharmtothepedestrian.Obviously,thestructureoftheFrontBumperSystemplaysaveryimportantroleinthesafetyperformanceofanautomobile.Therefore,withpeople’sincreasingawarenessofsafety,theFrontBumperSystemhasalreadybecomeakeyprobleminpassivevehiclesafetyareaathomeandabroad.
Largenumbersofstudiesontheprotectionforpassengershavebeendonepreviously,forwhichthispapermainlyfocusesontheoneforpedestrians.AccordingtothelatelypedestrianlawsandregulationsinChina,thispapermainlystudiesonthestructureandthesafetyperformanceoftheautomobilebycomputersimulationfortheprotectionofthelowerlimbsofthepedestrians.Thispapertakestheinjurymechanismoflowerlimbastheory;
buildsthegeometricmodelbyCATIA;
meshesthemodelbyHYPERMESH;
introducesthesimulationmodeloflowerlimbsfromtheCenterforImpactInjuryBiomechanicsandAutomobileSafetyinTUST;
andconductedthesimulationtestofthelowerlimb-FrontBumperSystemcollisionbyPAM-CRASH.Onthebasisoftheevaluationcriterions（peakaccelerationofthetibia,bendingangleoftheknee,lateralsheardisplacementattheknee）ruledbythepedestrianlawsandregulations，comparingtheanalysisresultsofthetests，itindicatesthattheFrontBumperSystemofVEHICLE1isabletoprotectthepedestrianseffectivelybuttheoneofVEHICLE2couldn’tprovideavalidsafeguard,fortheameliorationofwhich,severalmethodsispresented.
Thispaperishelpfultothedevelopmentofpedestrianprotection.Throughthewholeprocessfrommodelbuildingtosimulationtest,anefficientmethodofthedesignwithcomputersimulationinpassivevehiclesafetyissummarisedforthebenefitofpedestrianprotection.
Keywords：
Impact;
PedestrianLeg；
FrontBumperSystem;
ImpactInjuryBiomechanics;
目录
1前言1
1.1本课题研究背景和意义1
1.2本文主要研究内容及方法4
1.2.1研究内容4
1.2.2研究方法4
2汽车前保险杠及行人损伤安全概述7
2.1汽车前保险杠概述7
2.1.1结构7
2.1.2安全性能8
2.2行人下肢损伤生物力学9
2.2.1冲击损伤生物力学9
2.2.2损伤机理9
2.3行人安全法规9
2.4本章小结11
3汽车前保险杠有限元模型的构建12
3.1汽车前保险杠几何模型的构建12
3.1.1几何尺寸的确定12
3.1.2几何模型的构建13
3.1.2.1CATIA软件简介13
3.1.2.2V1前保险杠系统几何模型的构建13
3.1.2.3V2前保险杠系统几何模型的构建15
3.2汽车前保险杠有限元模型的构建16
3.2.1HYPERMESH软件简介16
3.2.2有限元网格划分的注意事项17
3.2.2.1网格划分17
3.2.2.2单元特性18
3.2.2.3网格质量的控制18
3.3.3有限元网格的划分19
3.3.3.1V1前保险杠系统模型有限元网格的划分19
3.3.2.2V2前保险杠系统模型有限元网格的划分21
3.4本章小结23
4下肢-前保险杠计算机模拟碰撞试验24
4.1PAM-CRASH软件简介24
4.2仿真试验的前处理25
4.2.1基本假设25
4.2.2参数量纲25
4.2.3材料属性25
4.2.4厚度参数26
4.2.5边界条件26
4.2.6接触定义27
4.2.7求解时间27
4.2.8碰撞模型27
4.3碰撞模拟试验求解28
4.4仿真结果的后处理29
4.5仿真结果的分析与讨论32
4.5.1独立分析32
4.5.2比较分析33
4.6本章小结33
5结论与展望34
5.1结论34
5.2创新点34
5.3展望35
参考文献36
致谢37
1前言
1.1本课题研究背景和意义
近现代以来，随着全球经济和科技水平不断提高，汽车工业迅猛发展。
在我国，汽车行业的自主品牌如雨后春笋般崛起，汽车市场不断发展壮大，机动车保有量逐年猛增，汽车总销量已经超越美国，成为了全世界最大的汽车产销市场。
但随之而来的是各种交通事故的发生。
我国道路交通情况复杂，是世界上典型的以平面混合交通为主的国家，道路交通事故发生率高居世界前列。
因此，在注重汽车驾驶感受和动力性能体现的同时，越来越多的人们开始重视汽车的安全性问题。
汽车前保险杠作为汽车安全的第一道防护线，成为了国内外汽车安全性研究的重要课题之一[]。
早期的前保险杠系统的主要设计目的是防止汽车发动机舱及驾驶室发生过大的变形从而保护车内乘员的人身安全，对于车内乘员安全的保护性能设计研究工作已经开展了几十年，然而对于车外行人的安全保护近几年来才逐渐受到人们的重视。
随之汽车安全性能研究工作的不断深入与展开，诸如安全带、安全气囊等形形色色的汽车被动安全装置都在汽车的安全性结构中得到广范的使用，当汽车发生碰撞时这些装置能够较好的保护车内乘员的安全。
但是道路上的行人及其他车外人员因为缺乏保护而成为了最容易收到伤害的高危人群[]。
某调研数据指出，每年的道路交通死亡事故当中，大约有1/4的死亡人口为行人，而在城市中此比例甚至接近50%。
2007年的该比例竟高达54.4%。
在这些事故中，头部和下肢的损伤又占损失总数的70%以上，行人头部的损伤是导致行人死亡的主要原因，而行人下肢的创伤往往是交通事故中导致人员伤残的主要因素[]。
从图1-1可见，行人与汽车发生意外碰撞时，行人下肢的损伤机率最大，而下肢的伤害尤其是膝关节伤害往往会给受害者将来的生活和工作带来极大的不便，有的甚至会导致行人的终身残疾。
前保险杠系统作为汽车车身最前端的部分，碰撞时直接与行人的下肢发生接触，如图1-2所示，人-车碰撞事故中，发生碰撞的部位主要为前保险杠。
因此，前保险杠系统的设计是一辆汽车能否满足行人安全保护性能要求的关键[]。
图1-1行人与汽车前部碰撞的身体部位损伤分布百分比
图1-2人-车事故中车辆碰撞部位分布
再者，随着行人安全保护法规的实施，我国的汽车企业对于行人的碰撞保护产品的设计和开发日益重视。
我国各大汽车生产商以及汽车研发机构在设计汽车前保险杠系统是开始引进行人碰撞保护试验系统，将行人下肢保护产品的设计融入了开发的流程。
2009年3月，中国汽研中心从法国BIA公司引进了行人碰撞保护试验系统，此举为我国相关法规和标准的出台奠定了硬件和技术基础。
随着行人碰撞保护试验系统的引进和相关行人安全保护法规的出台与实施，研究具有行人安全保护性能的汽车提上日程[4]。
总而言之，行人-汽车碰撞事故中行人下肢防护技术以及前保险杠安全性结构设计的改进设计研究，对于降低交通事故发生率、减免事故中的伤亡、减少财产损失等，在当前中国具有着十分重要的科研意义。
括加速度、应力和变形等运动及损伤情况。
目前，对于汽车被动安全性研究领域的研究，主要应用的软件有CAL3D、MADYMO、LS-DYNA3D和PAM-CRASH等[]。
这些软件中，根据建模理论及其分析功能的不同，可以分为采显式有限元理论建模和采用多刚体系统动力学理论建模两类，其所构建模型的主要特点如表1-1[1]所示。
表1-1两种模型的主要特点
模型类别
有限元模型
多刚体模型
仿真软件
PAM-CRASH、LS-DYNA3D等
CAL3D、MADYMO等
建模理论
显示有限元理论
多刚体系统动力学理论
分析内容
任意单元的位移、速度、加速度、力等动力学响应参数及其应力、应变、能量分布。
刚体单元的位移、速度、加速度、力等动力学响应参数
优点
精确地获得模型上不同位置的仿真结果情况
建模较便捷，计算时间较短，工作量较小
缺点
建模过程较复杂，计算时间较长，工作量较大，描述模型的运动方面薄弱
较难掌握模型的具体情况的，变形部件描述的方面薄弱
综合比较上诉软件的优缺点，PAM-CRASH软件有着极大的优势和强大的功能，本文采用PAM-CRASH软件进行计算机模拟试验。
本文的研究目的是通过计算机模拟仿真，对某两款汽车前保险杠的结构及安全性能进行分析与比较，得到更有利于保护行人安全的前保险杠结构，并总结试验方法。
主要从以下三个方面展开研究：
（1）查阅相关文献，对现有文献进行研读，总结国内外关于此课题的研究现状、了解损伤生物力学的应用以及相关安全法规和标准的规定。
（2）利用有限元方法进行汽车碰撞数值仿真能够有效的降低运算成本，大大的缩短设计周期，并且可以实现无样车的模拟碰撞试验。
因此，近年来世界各大汽车生产商正在重点应用有限元法进行设计与分析。
本论文的研究试验流程，依据所应用软件及工作性质先后分为以下六个阶段（图1-1）：
①依据原型绘制二维图，标注尺寸；
②据二维图构建几何模型；
③对几何模型划分有限元网格；
④仿真模型前处理；
⑤仿真试验求解；
⑥求解结果后处理（数据可视化）[1]。
（3）基于以上的研究，分析讨论仿真试验结果，最终得出结论。
图1-1仿真试验流程图
股骨骨折
股骨骨节骨折
韧带断裂
胫骨骨节骨折
胫骨骨折
腓骨骨折
图2-3行人下肢与汽车前部碰撞是的主要损伤形式
2.3行人安全法规
目前，世界各组织对这三项指标的极限值有着不同的要求和规定，其中，我国于2009年10月30日发布我国第一部行人安全保护法规《GB/T24550-2009汽车对行人的碰撞保护》，于2010年7月1日修改为采用全球技术法规GTR9《关于机动车碰撞时对行人及弱势道路使用者加强保护和减轻严重伤害的认证统一规定》（2008年英文版）并正式全国实施，成为我国推荐性的国家标准[1,11]。
该行人安全保护法规规定，车辆以40km/h的速度与行人下肢发生侧面碰撞时，要求：
（1）胫骨加速度at≤170g；
（2）膝关节弯曲角度θk≤19°
；
（3）膝关节剪切位移Skt≤6mm（表2-1[4]）[1]。
膝关节剪切位移
胫骨加速度
膝关节弯曲
角度
（4）图2-2下肢碰撞伤害指标
3汽车前保险杠有限元模型的构建
3.1汽车前保险杠几何模型的构建
整车有限元模型的建立及计算需要花费的大量的精力和时间，且需要有充足的资源支持，因此，在现有的资源和条件下，以两款汽车为建模的原型，并定义两款汽车分别为V1和V2，如图3-1所示。
本文仅分别建立V1和V2的蒙皮、泡沫及横梁的有限元模型，通过设置相应的材料属性及边界条件等来模拟碰撞试验。
（a）V1建模的原型（b）V2建模的原型
图3-1两款汽车建模的原型
3.1.1几何尺寸的确定
本节参考了两款汽车原型的前保险杠部分测量数据，加以修正及简化，并经过计算和经验补全未知的尺寸数据，绘制出两款车型前保险杠系统各主要部件的CAD二维图。
由于汽车前保险杠系统的轮廓相当复杂，圆弧面和圆角众多。
而复杂的曲面往往会增加几何模型建模的难度，甚至降低网格质量，最终影响到试验分析结果的准确性。
因此，为了简化几何建模和网格划分的操作，提高有限元网格的质量，节省计算时间，优化试验过程，本节对其原型的外形轮廓作以下处理：
（1）忽略原型中过小的斜度；
（2）忽略用于尺寸较小且不用于装配的圆孔；
（3）去除原型中的圆角和斜度较小的倒角；
（4）尺寸较小的曲线，尽可能采用圆弧代替，如V1的车标处；
（5）对于复杂多曲率曲面拼接的曲面，尽量简化为尽可能少的曲率平滑过度的曲面；
（6）部分弧度较小的曲面用平面来代替；
（7）对于薄壁件，如V1的蒙皮和横梁，在忠于原型的前提下，尽可能使用均匀的厚度尺寸；
（8）对于厚度较大的实体，如V1和V2的泡沫，同样的，在忠于原型的前提下，尽可能使用相同的厚度尺寸；
（9）所有部件的模型均视为左右对称；
（10）将除厚度尺寸外的其他尺寸值圆整为整数；
其他细微处的处理将体现于CAD工程图中，本文不再一一列举。
通过这些修正和简化，最终分别绘制得到V1和V1前保险杠系统各主要部件的CAD二维图。
3.1.2几何模型的构建
3.1.2.1CATIA软件简介
CATIA系列软件可以帮助客户实现产品的外型和机构设计，通过环境模拟对产品性能进行分析和优化等。
CATIA软件已经成为汽车、航空航天、船舶、建筑、电力与电子、消费品和通用机械等产品的设计生产的首要3D模拟应用软件。
CATIA软件能为各类车辆的设计和制造提供了端对端（endtoend）的解决方案，尤其在造型、车身结构及引擎设计等方面具有相当出色的表现。
CATIA的可伸缩性及其并行工程能力能够显著缩短产品的上市时间。
凭着人性化和智能化的功能优势，CATIA成为了欧洲、北美乃至亚洲各大汽车制造商所用的核心系统。
3.1.2.2V1前保险杠系统几何模型的构建
本节应用CATIA软件分别构建V1前保险杠系统三大组成部分（蒙皮、泡沫和横梁）的几何模型。
V1蒙皮为左右对称壳体，因此只需创建其左半边壳体的几何模型，其后使用“镜像”命令即可获得整个V1蒙皮的几何模型。
其左半边壳体靠近对称面部分可以大致看成一各半月牙的平面沿曲率较小的弧线“扫略”而成的壳体，其远离对称面部分可以大致看成一各半月牙的平面沿曲率较大的弧线“扫略”而成的壳体。
因此，本节根据前文确定的V1蒙皮几何尺寸，在xoz平面上使用“草图”绘制出符合尺寸的半月牙平面，在xoy平面上使用“草图”绘制出曲率较小的弧线。
使用“扫略”命令生成截面为半月牙的实体。
其远离对称面部分的实体生成方法与前者类似，文节不再赘述。
左半边实体生成后，使用“凹槽”命令去除模型中的通孔。
完成左半边实体的建模后，使用“镜像”命令得到整个V1蒙皮的实体模型，最后使用“抽壳”命令即得V1蒙皮的壳体模型，如图3-2所示。
图3-2V1蒙皮的几何模型
V1泡沫的形状较简单，在“草图”中绘制中心平面和引导线后，通过“扫略”命令获得沿一定弧度延伸的底面为四边形的长柱体，其后使用“凹槽”命令生成其下表面的三处通槽。
最后得到的V1泡沫几何模型如图3-3所示。
图3-3V1泡沫的几何模型
V1横梁为左右对称的壳体，分为支架和梁两部分。
梁部分：
首先根据尺寸数据通过在“草图”中绘制弓形曲线和引导线，在“线框与曲面设计“工作模块中“扫略”获得，返回“零部件设计“工作模块使用“厚曲面”获得壳体模型，使用“凹槽”命令生成通孔。
支架部分：
主要用到了“拉伸”命令生成实体，使用“凹槽”命令生成通孔。
最终得到的V1横梁的几何模型如图3-4所示。
图3-4V1横梁的几何模型
完成V1前保险杠系统的三大部件的几何模型后，在CATIA的“装配件设计”模块中，使用“现有组件”将三个部件模型导入其中，主要通过“相合约束”、“偏移约束”和“角度约束”等命令根据其位置及装配关系赋予各部件间的相互约束。
最终获得V1前保险杠系统的几何装配模型，如图3-5所示。
图3-5V1前保险杠系统的几何装配模型
3.1.2.3V2前保险杠系统几何模型的构建
本节应该用CATIA软件分别建立V2前保险杠系统三大组成部分（蒙皮、泡沫和横梁）的几何模型。
V2前保险杠系统各部件几何模型的建模步骤及方法与V1前保险杠系统中对应的部件相类似，本节不再赘述。
建成的V2蒙皮、泡沫和横梁的几何模型分别如图3-6、7、8所示。
图3-6V2蒙皮的几何模型
图3-7V2泡沫的几何模型
图3-8V2横梁的几何模型
将V2蒙皮、泡沫和横梁的几何模型进行装配后得到V2前保险杠系统的几何装配模型，如图3-9所示。
图3-9V2前保险杠系统的几何装配模型
3.2汽车前保险杠有限元模型的构建
3.2.1HYPERMESH软件简介
HYPERMESH软件是美国Altair公司研发的产品，其功能强大，集成了设计与分析所需的各种工具，是世界领先的CAE应用软件包，也是一个创新和开发的企业级CAE平台。
在汽车安全领域中，主要应用于碰撞试验的前处理过程。
图3-10所示为HYPERMESH10.0的工作界面。
图3-10HYPERMESH10.0界面
为了让各行业的用户在对各种模型的划分网格时都能有灵活全面的出色体验，HYPERMESH软件提供了三种划分网格的方法,其应用范围列于表3-1，结合运用三种网格划分方法能够解决各种模型的网格划分工作。
本文只通过自动式和网格优化两种方法划分网格[]。
表3-1三种网格划分方法及其应用范围
网格划分方法
应用范围
自动式（Auromatic）
通过设定一定的网格参数对曲面多而复杂的几何体进行自动划分网格
交互式（Interactive）
主要应用于曲面不多且形状相对简单的几何体，利用这种方法可以修改单元类型、曲面边界上的网格密度、网格平滑度等参数；
网格优化则是对已经划分好的网格作优化处理
网格优化（QIoptimized）
对已经划分好的网格作优化处理
3.2.2有限元网格划分的注意事项
3.2.2.1网格划分
划分有限元网格需要到考虑所要研究的问题的规模、重点和周期，以及能够为研究所用的计算机硬件等条件，力求计算时间、计算精度和计算成本的最佳搭配。
由于网格密度的大小会直接影响到能量吸收的情况，因此网格划分不当将导致在受力梯度不大时就得到错误的结果。
所以，在碰撞模拟试验前需要仔细安排模型网格的疏密大小，尤其在变网格密度时更需要谨慎，应该要充分地考虑到碰撞时模型的受力分布等情况，以避免由人为的单元划分而导致模拟结构真实性受到不必要的影响[1]。
本文中有限元模型的整体网格尺寸控制在10mm左右，局部细节区域应该控制在5mm左右。
另外，划分网格时还需注意以下几点：
（1）尽可能不使用过小的网格单元，以免网格密度过大而缩小时间步长；
（2）尽量使用四边形单元，减少三角形、四面体、棱柱单元的使用；
（3）前保险杠模型的每一个方向至少使用三个单元，尽量保证较均匀的网格大小；
（4）为保证计算精度，
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