汽车前保险杠结构及安全性能分析学士学位论文

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1、汽汽车车前前保保险险杠杠结结构构及及安安全全性性能能分分析析A STUDY ON THE STUCTURE AND THE SAFETY PERFORMANCE OF THE VEHICLE FRONT BUMPER 专专 业：机械设计制造及其自动化（汽车工程）业：机械设计制造及其自动化（汽车工程）摘 要 前保险杠系统作为安全防护装置是现代汽车结构的重要组成部分。它要在“低速碰撞”时“硬”些，防止汽车发生大的变形以致冲击侵入驾驶舱伤害乘员的安全。同时，当汽车与行人相碰撞时要“软”些，以避免或减少汽车对行人产生伤害。可见，它的结构对于汽车的安全性能起着至关重要的作用，它能有效地减轻汽车损坏以及人

2、员伤亡的情况。因此，随着人们安全意识的不断提高，前保险杠系统成为了国内外汽车被动安全领域的重点研究对象。过去对于乘员的保护已经做了很多研究，所以本论文主要侧重于前保险杠结构对行人的保护研究。根据我国现行的行人安全保护法规，本论文采用计算机模拟仿真技术，针对行人下肢的防护，对汽车前保险杠的结构及其安全性能展开研究。论文把人体下肢损伤机理作为理论依据，利用 CATIA 软件建立两款汽车前保险杠系统的简化几何模型，应用 HYPERMESH 软件划分网格，引进了本校损伤生物力学与车辆安全工程中心的人体下肢仿真模型；利用 PAM-CRASH 软件模拟行人下肢-汽车前保险杠碰撞试验并进行相应的求解计算。根

3、据行人保护法规规定行人下肢损伤的三项评价指标（胫骨加速度、膝关节弯曲角度和膝关节剪切位移）,对两款汽车前保险杠模型的碰撞试验结果进行分析比较。分析结果表明，车型 1 的前保险杠系统能够有效保护行人的安全；然而车型 2 的前保险杠系统不能为行人提供有效的防护，本文对其提出了改进的措施。本研究是对我国前保险杠安全性能课题的有益探索，致力于通过整合建模到模拟试验的整个过程，总结出有效的、有利于行人保护的前保险杠安全性设计的计算机仿真试验方法。关键词：碰撞安全； 行人下肢； 前保险杠系统； 冲击损伤生物力学ABSTRACTAs a safety devise, Front Bumper System

4、is an important part of a modern automobile. When a low-speed collision occurs, the Front Bumper System should be “stiff” enough to avoid large deformation of the car and protect the passengers from the impact of the collision. Meanwhile, when a pedestrian is hit by the front part of a car, the Fron

5、t Bumper System should be “soft” enough in case that it will do harm to the pedestrian. Obviously, the structure of the Front Bumper System plays a very important role in the safety performance of an automobile. Therefore, with peoples increasing awareness of safety ,the Front Bumper System has alre

6、ady become a key problem in passive vehicle safety area at home and abroad. Large numbers of studies on the protection for passengers have been done previously, for which this paper mainly focuses on the one for pedestrians. According to the lately pedestrian laws and regulations in China, this pape

7、r mainly studies on the structure and the safety performance of the automobile by computer simulation for the protection of the lower limbs of the pedestrians. This paper takes the injury mechanism of lower limb as theory; builds the geometric model by CATIA; meshes the model by HYPERMESH; introduce

8、s the simulation model of lower limbs from the Center for Impact Injury Biomechanics and Automobile Safety in TUST; and conducted the simulation test of the lower limb- Front Bumper System collision by PAM-CRASH. On the basis of the evaluation criterions (peak acceleration of the tibia ,bending angl

9、e of the knee, lateral shear displacement at the knee) ruled by the pedestrian laws and regulations，comparing the analysis results of the tests，it indicates that the Front Bumper System of VEHICLE 1 is able to protect the pedestrians effectively but the one of VEHICLE 2 couldnt provide a valid safeg

10、uard, for the amelioration of which, several methods is presented.This paper is helpful to the development of pedestrian protection. Through the whole process from model building to simulation test, an efficient method of the design with computer simulation in passive vehicle safety is summarised fo

11、r the benefit of pedestrian protection.Key words：Impact; Pedestrian Leg； Front Bumper System; Impact Injury Biomechanics;目 录1 前 言.11.1 本课题研究背景和意义.11.2 本文主要研究内容及方法.41.2.1 研究内容.41.2.2 研究方法.42 汽车前保险杠及行人损伤安全概述.72.1 汽车前保险杠概述.72.1.1 结构.72.1.2 安全性能.82.2 行人下肢损伤生物力学.92.2.1 冲击损伤生物力学.92.2.2 损伤机理.92.3 行人安全法规.92

12、.4 本章小结.113 汽车前保险杠有限元模型的构建.123.1 汽车前保险杠几何模型的构建 .123.1.1 几何尺寸的确定.123.1.2 几何模型的构建.133.1.2.1 CATIA 软件简介.133.1.2.2 V1 前保险杠系统几何模型的构建.133.1.2.3 V2 前保险杠系统几何模型的构建.153.2 汽车前保险杠有限元模型的构建 .163.2.1 HYPERMESH 软件简介 .163.2.2 有限元网格划分的注意事项.173.2.2.1 网格划分.173.2.2.2 单元特性.183.2.2.3 网格质量的控制.183.3.3 有限元网格的划分.193.3.3.1 V1

13、前保险杠系统模型有限元网格的划分.193.3.2.2 V2 前保险杠系统模型有限元网格的划分.213.4 本章小结.234 下肢-前保险杠计算机模拟碰撞试验.24II4.1 PAM-CRASH 软件简介.244.2 仿真试验的前处理.254.2.1 基本假设.254.2.2 参数量纲.254.2.3 材料属性.254.2.4 厚度参数.264.2.5 边界条件.264.2.6 接触定义.274.2.7 求解时间.274.2.8 碰撞模型.274.3 碰撞模拟试验求解.284.4 仿真结果的后处理.294.5 仿真结果的分析与讨论.324.5.1 独立分析.324.5.2 比较分析.334.6

14、本章小结.335 结论与展望.345.1 结论.345.2 创新点.345.3 展望.35参考文献.36致 谢.37天津科技大学 2013 届本科生毕业论文11 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

15、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一1。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2。某调研数据指出，每年的道路交

16、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3。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

17、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4。天津科技大学 2013 届本科生毕业论文2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

18、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。天津科技大学 2013 届本科生毕业论文3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5。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-

19、11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

20、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-

21、1）：依据原型绘制二维图，标注尺寸；据二维图构建几何模型；对几何模型划分有限元网格；天津科技大学 2013 届本科生毕业论文4仿真模型前处理；仿真试验求解；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 仿真试验流程图几何模型（CATIA）网格划分（HYPERMESH）前处理（VISUAL-HIV）求解（PAM-CRASH）后处理（VISUAL-VIEWER）二维图（CAD）天津科技大学 2013 届本科生毕业论文5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

22、，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 at170g；（2） 膝关节弯曲角度 k19；（3） 膝关节剪切位移 Skt6mm (表 2-14)1。（4）图 2-2 下肢碰撞伤害指标股骨骨折股骨骨节骨

23、折韧带断裂胫骨骨节骨折胫骨骨折腓骨骨折胫骨加速度膝关节剪切位移膝关节弯曲角度天津科技大学 2013 届本科生毕业论文63 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

24、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

25、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天津科技大学 2013 届本科生毕业论文7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

26、的构建3.1.2.1 CATIA 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（end to end）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。3.1.2.2 V1 前保险杠

27、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

28、。其远离对称面部天津科技大学 2013 届本科生毕业论文8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 3-2 V1 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 3-3 V1 泡沫的几何模型V1 横梁为左右对称的壳体，分为

29、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。天津科技大学 2013 届本科生毕业论文9图 3-4 V1 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

30、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 3-5 V1 前保险杠系统的几何装配模型3.1.2.3 V2 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 3-6 V2 蒙皮的几何模型天津科技大学 2013 届本科生毕业论文10图 3-7 V2 泡沫的几何模型图 3-8 V2 横梁的几何模型将

31、 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 3-9 V2 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3.2.1 HYPERMESH 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天津科技大学 2013 届本科生毕业论文11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 HYPERMESH 10.0 的工作界面。图 3-10 HYPERMESH 1

32、0.0 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6。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（

33、QI optimized）对已经划分好的网格作优化处理天津科技大学 2013 届本科生毕业论文123.2.2 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

34、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，避免集中出现锐角单元和翘曲的壳单元1。 3.2.2.2 单元特性在 HYPERMESH 软件中，用户可根据分析需要，在其丰富的单元库中选择便于试验计算与求解的单元类型，其中各主要单元类型的使用范围如表 3-2 所示。不同类型的单元有几十种不同的算法可供选择。本

35、论文采用的单元类型主要包括壳单元和实体单元。表 3-2 HYPERMESH 软件中的主要单元类型的使用范围单元类型使用范围壳单元（SHELL）薄板和曲面结构体单元（SOLID）三维实体结构面单元（PLANE）平面结构梁单元（BEAM）需要承受弯矩的二维结构杆单元（LINK）只承受轴向力的二维结构3.2.2.3 网格质量的控制为了尽量避免单元网格质量不好而导致计算步长的降低而浪费过多的求解时间以及试验误差的增加，因此，对于一个大型有限元模型，往往需要很多时天津科技大学 2013 届本科生毕业论文13间来检查模型单元的质量。单元质量检查主要包括三个方面：重合节点和重合单元检查，自由边和自由面检查及

36、单元形状检查。使用“check elems” 、“edges”和“faces”等功能进行单元网格质量的检查后，在工作界面上HYPERMESH 软件会将模型上不合格的单元显示成红色，应用“translate” 、“smooth”等功能对其进行修正，如果修正后仍显示红色，则需要对该部件模型重新划分网格。经检查和修正，本试验模型的所有单元均合格9。3.3.3 有限元网格的划分上一章中已经建立了 V1 和 V2 的 CATIA 前保险杠系统装配模型，确定了 V1和 V2 的 CATIA 前保险杠系统中各部件的相对位置和装配关系。因此本章只需将上一章所建立 V1 和 V2 的 CATIA 前保险杠系统装

37、配模型“另存为” “igs”格式，导入到 HYPERMESH 软件当中，进行网格划分。3.3.3.1 V1 前保险杠系统模型有限元网格的划分本小节分别对 V1 各部件进行分析和网格划分。 对于 V1 蒙皮模型，由于其为薄壁件，而且曲面片较多、轮廓相当复杂，因此适合采用壳单元划分网格，此时采用壳单元可以提高网格质量及缩短工作时间。网格划分过程中主要使用了“solids” 、 “midsurfase” 、 “quick edit”等命令抽取中面并对其进行修正。其后使用”automesh”命令对中面划分 2D 网格。最后使用“check elems”等命令检查网格质量并优化网格，获得 V1 蒙皮有限

38、元模型，如图 3-11 所示。图 3-11 V1 蒙皮有限元网格模型对于 V1 泡沫模型，由于其厚度较大，但轮廓十分简单，因此适合采用实体单元划分网格，此时采用实体单元可以更能够提高网格质量及缩短工作时间。在开始划分前，为了避免 V1 蒙皮模型的干扰，本节使用“mark”命令将 V1 蒙天津科技大学 2013 届本科生毕业论文14皮模型暂时隐藏。工作过程中首先通过“edges”命令检查了自由边等影响网格质量的因素，其后通过“quick edit”等命令修复这些因素。然后使用“solids”命令建立实体。然后使用”automesh”命令对泡沫模型前表面进行2D 网格的划分。其后使用“quick

39、edit” “translate”等命令通过改变节点数和移动节点等方式对 2D 网格进行优化。 “solid map”中的“general”命令将上述划分的 2D 网格拉伸至泡沫模型后表面，完成泡沫模型 3D 网格的划分。获得 V1 泡沫有限元网格模型，如图 3-12 所示。图 3-12 V1 泡沫有限元网格模型V1 横梁模型的特征与 V1 蒙皮模型的类似，曲面片较多、轮廓相当复杂，为薄壁件，因此同样时候采用壳单元划分网格。同样的，首先使用“mark”命令将 V1 蒙皮模型和 V1 泡沫模型暂时隐藏。工作过程中主要使用“midsurfase” 命令抽取中面，使用“quick edit”等命令并

40、对其进行修正抽中面后产生的自由边。其后使用”automesh”命令对修正后的中面划分 2D 网格。最后使用“check elems”等命令检查网格质量并优化网格。获得 V1 横梁有限元网格模型，如图 3-13 所示。图 3-13 V1 横梁有限元网格模型天津科技大学 2013 届本科生毕业论文15 最后，将隐藏的 V1 蒙皮模型和 V1 泡沫模型恢复显示（unmark all） ，检查各部件的网格大小、质量，完后将 V1 前保险杠系统有限元网格模型（图 3-14）保存（save）待用。图 3-14 V1 前保险杠系统有限元网格模型3.3.2.2 V2 前保险杠系统模型有限元网格的划分本小节分别

41、对 V2 各部件进行分析和网格划分。对于 V2 蒙皮模型，与 V1 蒙皮模型类似，由于其为薄壁件，而且曲面片较多、轮廓相当复杂，因此也适合采用壳单元划分网格，此时采用壳单元可以提高网格质量及缩短工作时间。工作过程中主要使用了“solids” 、“midsurfase”和“quick edit”等命令抽取中面并对其进行修正。其后使用”automesh”命令对中面划分 2D 网格。最后使用“check elems”等命令检查网格质量并优化网格。获得 V2 蒙皮有限元网格模型，如图 3-15 所示。图 3-15 V2 蒙皮有限元网格模型对于 V2 泡沫模型，其厚度较大但厚度均匀，上下端面、左右端面均

42、为相互天津科技大学 2013 届本科生毕业论文16平行的矩形，相比 V2 泡沫模型其轮廓更加简单，因此为了用尽可能少的工作时间获得更佳的网格质量，同样采用实体单元划分网格。在开始划分前，为了避免 V2 蒙皮模型的干扰，本节使用“mark”命令将 V2 蒙皮模型暂时隐藏。工作过程中首先使用“edges”命令检查了自由边等影响网格质量的因素，其后通过“quick edit”等命令修复这些因素。然后使用“automesh”命令对泡沫模型上端面进行 2D 网格的划分。其后使用“quick edit” 、 “translate”等命令通过改变节点数和移动节点等方式对 2D 网格进行优化。 “solid

43、map”中的“general”命令将上述划分的 2D 网格拉伸至泡沫模型下端面，完成泡沫模型3D 网格的划分。获得 V2 泡沫有限元网格模型，如图 3-16 所示。图 3-16 V2 泡沫有限元网格相比 V1 横梁模型，V2 横梁模型的的厚度较大，不适合采用壳单元划分网格。但其轮廓相对平整，可以使用实体单元划分网格。首先使用“mark”命令将 V1 蒙皮模型和 V1 泡沫模型暂时隐藏。划分前先使用“edges”命令检查模型的自由边并加以修正。为便于划分及获得质量较好的网格，划分过程中通过“solid edit”命令将模型“切割”成形状简单的“块” 。其后分别对这些“块”进行划分网格。其主要步骤

44、仍是先用“automesh”命令对“块”的一平整表面进行 2D 网格的划分。 “solid map”中的“general”及“ends only”等命令将上述划分的 2D 网格进行沿特定路径的拉伸，完成该“块”的 3D 网格的划分。 最后使用“check elems”等命令检查网格质量并优化网格。获得 V2 横梁有限元网格模型，如图 3-17 所示。天津科技大学 2013 届本科生毕业论文17图 3-17 V2 横梁有限元网格模型最后，将隐藏的 V2 蒙皮模型和 V2 泡沫模型恢复显示（unmark all） ，检查各部件的网格大小、质量，完后将 V2 有限元网格模型（图 3-18）保存（sa

45、ve）待用。图 3-18 V1 前保险杠系统有限元网格模型3.4 本章小结 本章参考某两款车型 V1 和 V2 前保险杠系统原型的尺寸及形状数据，通过测量、比例计算等方法确定其各部件的尺寸构造，对原型结构加以修正和简化后利用 CAD 软件绘制出其二维工程图。参照二维工程图，应用 CATIA 三维建模软件分别建立了前保险杠系统的主要部件（蒙皮、泡沫和横梁）的简化几何模型并装配为装配体模型。其后学习并利用 Hypermesh 软件对上述建立的前保险杠几何模型进行有限元网格划分，最终分别获得 V1 和 V2 两款汽车的前保险杠系统的有限元模型，完成了人-车碰撞试验中汽车部分的有限元建模。天津科技大学

46、 2013 届本科生毕业论文184 下肢-前保险杠计算机模拟碰撞试验 在目前的行人保护法规中，我国现行的行人保护法规是最贴合我国实际道路交通现状的，因此，本章按照我国行人保护法规的要求，通过 PAM-CRASH 软件建立行人下肢撞击汽车前保险杠系统的碰撞有限元模型，考察上述两款汽车前保险杠系统对行人下肢的保护性能。为了表达方便直观，本论文将下肢-V1前保险杠碰撞仿真试验定义为试验 1，将下肢-V2 前保险杠碰撞仿真试验定义为试验 2。4.1 PAM-CRASH 软件简介PAM-CRASH 是 ESI 集团最新一代的碰撞模拟分析软件，是碰撞损伤评估和安全性评估的必要工具。工程师们利用它可以减少或

47、摆脱物理样机测试，可以将更多的时间和精力投入到创建、评估和管理在真实碰撞环境下的模拟样机测试中。工程师还可以相当方便地改变碰撞环境，从而得到不同碰撞条件下的仿真结果。PAM-CRASH 是基于显示有限元算法的一种计算机三维碰撞冲击仿真模拟系统，是一个广泛应用于汽车、航空、电子和材料生产等专业领域，有关碰撞、冲击和安全性模拟测试等问题的解决的实用工具。PAM-CRASH 能够对大位移、大旋转、大应变、接触碰撞等问题进行非常精确的模拟仿真，能够非常简便的处理异常复杂的边界约束。其主要显著特点如表 4-1 所示。 表 4-1 PAM-CRASH 软件的主要显著特点主要显著特点三维图形显示属性灵活控制

48、，色彩多样逼真支持多 CPU 并行计算(DMP 和 SMP)，运算效率高能够简便地处理异常复杂的边界约束灵活控制计算的时间步长动态分配内存，无须用户设置灵活搜寻接触区间针对大变形材料可采用特有的措施来保证求解的稳定性和精确性可设定材料的断裂失效条件简便地定义焊点、铆钉等约束及其断裂条件可设置阻尼以加快求解弹性接触时的收敛天津科技大学 2013 届本科生毕业论文19针对汽车碰撞而特设指标整形、输出、比较模块4.2 仿真试验的前处理4.2.1 基本假设由于受到时间、资源和经费等多种因素的限制，本论文的人-车碰撞试验中，只对已构建汽车的前保险杠部分模型进行运动力学仿真。本试验主要描述人-车碰撞时汽车

49、的前保险杠系统的结构对行人安全保护性能的影响，在保证一定精确度的前提下，忽略下肢模型中足掌部与地面之间间的摩擦系数。由于本文使用计算机软件仿真试验，可以在软件中添加所需要的驱动力、飞行距离等约束条件。因此，本研究不需要设置驱动装置，因此无须考虑下肢有限元模型与驱动装置在碰撞过程中的接触对试验求解结果的影响 1。4.2.2 参数量纲在 PAM-CRASH 软件中，没有明确的规定所输参数的单位，而是通过各个物理量单位之间的关系而自动匹配的。因此，为了避免得到错误的计算求解结果，使用的参数量纲必须是相互匹配的，这点尤其重要。本仿真试验中主要使用的参数量纲组合如表 4-2 所示。表 4-2 常用的量纲

50、组合基本物理量导出物理量序号时间长度质量密度重力加速度力应力能量1s mKgKg/m39.81mm/ms2N PaNm2smm t t/mm39810mm/s2kN MPaNmm4.2.3 材料属性 有限元分析结果的准确性在很大程度上依赖于材料模型的选择以及材料参数的确定，花费相当充足的时间了解材料模型并获得准确的材料参数尤其必要。在 PAM-CRASH 求解前，需要定义模型的密度、泊松比、弹性模量以及屈服应力等参数。其中 V1 和 V2 的蒙皮均为 PA 材料，泡沫均使用 EPP 材料，V1 横梁的材料为 45 钢，V2 横梁为ZAlSi7Mg制造。V1 和 V2 的前保险杠系统各主要部件的

51、材料参数见表 4-3 和表 4-4。在定义材料时应该注意以下两点：（1）并不是材料属性输入窗口中的所有填选项都必须要输入数值，部分不天津科技大学 2013 届本科生毕业论文20影响试验求解的参数可以缺省；（2）务必保证所输入材料参数单位的统一，错误的单位制不但会影响到材料的响应，还会影响到接触刚度等的计算1。表 4-3 V1 前保险杠系统主要部件的材料参数参数密度 (kg/m3)泊松比弹性模量(Pa)屈服应力(Pa)切线模量(Pa)失效应变蒙皮（PA）22000.3200E6100E6-泡沫(EPP)91.30.330.6E6-横梁（45）78500.3210E91034E62435E60.2

52、5表 4-4 V2 前保险杠系统主要部件的材料参数参数密度 (kg/m3)泊松比弹性模量(Pa)屈服应力(Pa)切线模量(Pa)失效应变蒙皮（PA）22000.3200E6100E6-泡沫(EPP)91.30.330.6E6-横梁（ZAlSi7Mg）27000.372E9345E6690E60.174.2.4 厚度参数V1 的蒙皮和横梁以及 V2 的蒙皮有限元模型均使用壳单元划分网格，在前处理过程中需要将其厚度参数通过输入定义到壳单元模型中，各模型的厚度参数见表 4-5。表 4-5 相关模型的厚度参数模型厚度（mm）V1 蒙皮4.5V1 横梁1.47V2 蒙皮4.54.2.5 边界条件一项来自

53、国际协调研究机构（IHRA）的调研报告显示，在汽车与行人相碰天津科技大学 2013 届本科生毕业论文21撞的交通事故中，70%的碰撞车速都在 40km/h 以下，而且在此车速下的行人的死亡率也高达 26%2。因此 40km/h 为比较理想的并贴近现实情况的碰撞车速。根据试验要求，定义下肢有限元模型的初始速度为 40km/h。选取在事故中最易造成下肢损伤的位置，即车辆中心轴线处，作为碰撞点。由于两款汽车 V1 和V2 的车身尺寸不同，碰撞点分别处于距离地面 512mm 和 438mm 的位置。4.2.6 接触定义显示动力分析软件 PAM-CRASH 有三种接触面处理算法：单面接触、点面接触和面面

54、接触。单面接触无需定义接触面和目标面，这种算法十分适用于事先不知道接触方案的情况。若预先已经指导接触面很小，可以采用点面接触。而面面接触则适用于一个物体的面穿透另一个物体的面的情况。在软件中，相应的可用于处理动态接触碰撞问题的接触面处理算法也有三种：对称罚函数法、动力约束法和分配参数法。对称罚函数法是软件默认的接触算法，很少激起网格的灵能模式，不会产生噪音。显示动力分析软件最早采用的算法是动力约束法，此算法比较复杂，只适用于固连接触问题。而分配参数法则只适用于滑动界面接触问题的处理4。本碰撞仿真试验采用的接触包括自动单面接触和面面接触，模型接触的定义见表 4-6。表 4-6 人体下肢-前保险杠

55、系统碰撞模型的接触定义接触模型接触类型摩擦系数1前保险杠模型全部部件自接触单面接触0.22下肢模型自身接触自动接触0.23下肢模型与前保险杠接触面面接触0.44下肢肌肉与骨骼接触面面接触0.84.2.7 求解时间由前人的仿真试验可发现，汽车与行人在碰撞 30ms 后，力学指标基本稳定。因此，为了准确地得到整个碰撞系统的力学指标，本论文选取仿真的时间为30ms。4.2.8 碰撞模型完成碰撞仿真试验模型的前处理过程后，得到试验 1 和试验 2 的仿真试验起点模型分别如图 4-1、图 4-2 所示。天津科技大学 2013 届本科生毕业论文22 图 4-1 试验 1 的仿真起点模型图 4-2 试验 2

56、 的仿真起点模型4.3 碰撞模拟试验求解将上述确定的相关参数输入到 PAM-CRASH 软件参数输入窗口中，运行求解。以 V1 横梁的参数输入为例，如图 4-3 所示，将材料编号输入到“IDMAT” ，将密度输入到“RHO” ，将弹性模量输入到“E” ，将泊松比输入到“NU” ，将屈服应力输入到“SIGMAy”等。天津科技大学 2013 届本科生毕业论文23图 4-3 V1 横梁的参数输入窗口4.4 仿真结果的后处理仿真时间终点（30ms）的模型，分别如图 4-4、图 4-5 所示。通过 PAM-CRASH 软件中的 VISUAL-VIEWER 模块获得的胫骨加速度-时间曲线、膝关节剪切位移-

57、时间曲线、膝关节弯曲角度-时间曲线，分别如图 4-5 和图 4-6 所示。图 4-4 试验 1 的仿真终点模型天津科技大学 2013 届本科生毕业论文24图 4-5 试验 2 的仿真终点模型(a)胫骨加速度-时间曲线 (b) 膝关节弯曲角度-时间曲线 （c）膝关节剪切位移-时间曲线图 4-6 试验 1 的后处理结果天津科技大学 2013 届本科生毕业论文25(a)胫骨加速度-时间曲线 (b) 膝关节弯曲角度-时间曲线 （c）膝关节剪切位移-时间曲线图 4-7 试验 2 的后处理结果天津科技大学 2013 届本科生毕业论文26另外，为了更直观地观察在碰撞过程中下肢骨骼的变形情况，本文将下肢的皮肤

58、和肌肉隐藏，通过动画截图，获得试验 1 和试验 2 中下肢模型在不同时刻的变形，分别如图 4-8 和图 4-9 所示。图 4-8 试验 1 中下肢模型在不同时刻的变形图 4-9 试验 2 中下肢模型在不同时刻的变形4.5 仿真结果的分析与讨论4.5.1 独立分析分别对两款汽车的碰撞试验结果进行以下独立分析：（1）对于试验 1：由图 4-6（a）可得胫骨峰值加速度为 145.4g，小于法规所规定的 170g；从图 4-6（b）可见，碰撞的 0-30ms 间，最大的膝关节弯曲角度为 15.5，没超出法规所规定的 19；同时由图 4-6（c）得出最大的膝关节剪切位移为 4.66mm，符合法规中要求小

59、于 6mm 的规定。并从图 4-8 可以直观的看到，从碰撞开始到 30ms 期间，下肢的变形较小，而且没有发生明显的骨折和韧带损伤。因此，可以论定 V1 前保险杠系统符合行人保护法规的规定，在碰撞事故发生时能够为行人提供有效的保护。（2）对于试验 2：由图 4-7（a）可得胫骨峰值加速度为 135.2g，小于法天津科技大学 2013 届本科生毕业论文27规所规定的 170g；从图 4-7（b）可见，在碰撞 20ms 左右膝关节弯曲角度开始超出法规所规定的 19并继续增大；同时由图 4-7（c）得出最大的膝关节剪切位移为 4.72mm，符合法规中要求小于 6mm 的规定。另外还发现该曲线在 10

60、.5ms附近出现拐点，膝关节剪切位移值由正值改变为负值。与此对应的是，如图 4-9 所示，股骨在 10ms 左右出现裂口，在 15ms 时已经断开。在股骨折断后，断面以下的肢体将回弹，也就在这一瞬间，膝关节剪切位移值由正值改变为负值。综合以上分析可以论定，V2 前保险杠系统不能满足行人保护法规的要求，而且在汽车以 40km/h 的速度与行人发生碰撞时，会导致行人下肢严重的骨折甚至致残，严重威胁到行人的人身安全。4.5.2 比较分析从上节的分析可以得知在行人安全保护性能方面的表现 V1 前保险杠系统要远优于 V2 前保险杠系统，因此，本节从结构和材料两大方面以 V1 前保险杠系统为参照，分析 V

61、2 前保险杠系统的改进措施。从结构上看，V1 蒙皮与下肢模型的接触面积较大，能够减少应力集中；V2 横梁的厚度较厚，不能有效的通过横梁的变形来缓和汽车对行人的冲击载荷。从材料上看，由于与因过厚而不易变形的横梁配合使用，缓冲泡沫应该使用缓冲性能更佳的材料。综合上述分析，文论文认为，可以通过增大蒙皮外表面积、减小横梁厚度、改变缓冲泡沫的材料等措施改良 V2 前保险杠系统，使之更有利于行人的安全防护。4.6 本章小结本章利用 PAM-CRASH 软件完成了试验 1 和试验 2，根据我国现行的行人保护法规的规定，分别对两项试验的后处理结果进行分析与讨论，得出以下结论：V1 前保险杠符合我国行人保护法规

62、的规定，能够有效保护行人的安全；V2 前保险杠不能满足我国行人保护法规的要求，会对行人的安全造成严重的威胁。另外，本章通过比较试验 1 和试验 2 中两种前保险杠结构和材料的异同，提出了可能改善 V2 前保险杠系统对行人的保护性能的改进方案。天津科技大学 2013 届本科生毕业论文285 结论与展望5.1 结论论文主要针对人-车碰撞事故中的行人下肢防护对汽车前保险杠的结构及其安全性能展开研究。以人-车碰撞事故特征为参考，人体下肢损伤机理为理论，行人安全评价试验方法为准则，建立两款汽车前保险杠系统的有限元模型，与人体下肢有限元模型进行碰撞仿真试验。最终根据两款汽车前保险杠系统对其行人碰撞保护性能

63、的分析结果，提出两者中安全性能更优的前保险杠系统。论文主要的研究工作及研究成果总结如下：（1）利用 CAD 软件绘制了两款汽车前保险杠系统各部件的零件图；（2）利用 CATIA 软件建立了两款汽车前保险杠系统各部件及其装配件的几何模型；（3）应用 HYPERMESH 软件分别对两款汽车前保险杠系统的装配件模型进行网格划分，得到其有限元网格模型；（4）利用 PAM-CRASH 软件对模型进行了仿真试验，先后完成了试验模型的前处理、求解和后处理的过程，最终得到试验结果。（5）根据我国行人保护法规标准，对导致人体下肢损伤的主要指标：胫骨加速度、膝关节弯曲角度及其剪切位移进行了分析。结果表明：V1 前

64、保险杠系统符合我国行人保护法规的规定，能够有效保护行人的安全；V2 前保险杠系统不能满足我国行人保护法规的要求，会对行人的安全造成严重的威胁。 5.2 创新点本文的创新点有：（1）在碰撞仿真试验流程上使用了新的方法，该流程简单概况为：二维图（CAD）-几何模型（CATIA）-网格划分（HYPERMESH）-前处理（VISUAL-HIV）-求解（PAM-CRASH）-后处理（VISUAL-VIEWER） 。该流程在本论文中被验证适用于前保险杠系统结构及安全性能的分析研究。为我国行人安全保护产品的设计研究方法提供了参考。（2）本论文将从本校损伤生物力学与车辆安全工程中心引进的成年男性下肢仿真模型，

65、与本文构建的汽车前保险杠有限元模型进行碰撞仿真试验。相比于前人使用的简易圆柱体模型（下肢冲击器） ，此模型能够更切实的反映实际的碰撞情况，提高试验的仿真度和可靠性。在模型上的创新是对前保险杠系统设计方法的新的探索，为行人保护法规和前保险杠设计标准的制定提供有用的建天津科技大学 2013 届本科生毕业论文29议。5.3 展望本论文在汽车前保险杠基于行人碰撞保护的结构和安全性能方面的研究取得了一定的进展，但由于各自条件因素的限制，同时存在一些不足之处，需要在将来的科研工作中进一步地深入研究与探讨：（1）由于资源的限制，未能从相关单位获得汽车的整车模型和相关数据，同时由于时间的限制，未能通过仅有条件

66、建立整车有限元模型。本论文对汽车结构进行了大范围的简化，仅建立了汽车前保险杠系统部分进行有限元碰撞分析。为了获得人体下肢碰撞安全性仿真较高的精确度，应该采用更完整的汽车前部结构甚至是汽车整车进碰撞行仿真试验，使试验更加贴近现实情况，提供更加可靠的分析结果。（2）由于试验条件的限制，不能获得有关参数的第一手资料，建立的前保险杠系统模型与其原型会有形状和尺寸细节上的偏差，增加了试验结果的误差。将来的研究中，在硬件条件允许的条件下，应该使用 3D 扫描仪器对汽车整车进行逆向建模，提高仿真试验的精度。（3）同样由于资源有限，本论文只能对前文引进的 50 百分位成年男性的下肢进行碰撞仿真分析。因而在更深入的研究中还应引进其他不同的人员类型（如儿童、老人、成年女性以及 5 百分位和 95 百分位的成人男性等）的下肢模型进行碰撞分析。（4）本论文更加侧重于汽车前保险杠安全性能在行人碰撞安全方面的研究，将来还应该在乘员安全保护方面深入研究。（5）在本论文的碰撞仿真试验中，仅在前保险杠对称面处设置碰撞点，为更全面的研究行人下肢在碰撞时的损伤情况，应该在前保险杠表面多处设置碰撞点，进行全面的碰撞仿真试验，