汽車前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)與安全性能分析學(xué)士學(xué)位論文

1、. . . . 汽汽車車前前保保險(xiǎn)險(xiǎn)杠杠結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)與與安安全全性性能能分分析析A A STUDYSTUDY ONON THETHE STUCTURESTUCTURE ANDAND THETHE SAFETYSAFETY PERFORMANCEPERFORMANCE OFOF THETHE VEHICLEVEHICLE FRONTFRONT BUMPERBUMPER 專專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造與其自動(dòng)化（汽車工程）業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造與其自動(dòng)化（汽車工程）摘 要 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)作為安全防護(hù)裝置是現(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)的重要組成部分。它要在“低速碰撞”時(shí)“硬”些，防止汽車發(fā)生大的變形以致沖擊侵入駕駛艙傷害乘員的安全。同

2、時(shí)，當(dāng)汽車與行人相碰撞時(shí)要“軟”些，以避免或減少汽車對(duì)行人產(chǎn)生傷害。可見(jiàn)，它的結(jié)構(gòu)對(duì)于汽車的安全性能起著至關(guān)重要的作用，它能有效地減輕汽車損壞以與人員傷亡的情況。因此，隨著人們安全意識(shí)的不斷提高，前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)成為了國(guó)外汽車被動(dòng)安全領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象。過(guò)去對(duì)于乘員的保護(hù)已經(jīng)做了很多研究，所以本論文主要側(cè)重于前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)對(duì)行人的保護(hù)研究。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的行人安全保護(hù)法規(guī)，本論文采用計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，針對(duì)行人下肢的防護(hù)，對(duì)汽車前保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)與其安全性能. . . . 2 / 36展開(kāi)研究。論文把人體下肢損傷機(jī)理作為理論依據(jù)，利用 CATIA 軟件建立兩款汽車前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的簡(jiǎn)化幾何模型，應(yīng)用 HYPE

3、RMESH 軟件劃分網(wǎng)格，引進(jìn)了本校損傷生物力學(xué)與車輛安全工程中心的人體下肢仿真模型；利用 PAM-CRASH 軟件模擬行人下肢-汽車前保險(xiǎn)杠碰撞試驗(yàn)并進(jìn)行相應(yīng)的求解計(jì)算。根據(jù)行人保護(hù)法規(guī)規(guī)定行人下肢損傷的三項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)（脛骨加速度、膝關(guān)節(jié)彎曲角度和膝關(guān)節(jié)剪切位移）,對(duì)兩款汽車前保險(xiǎn)杠模型的碰撞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較。分析結(jié)果表明，車型 1 的前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)能夠有效保護(hù)行人的安全；然而車型 2 的前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)不能為行人提供有效的防護(hù)，本文對(duì)其提出了改進(jìn)的措施。本研究是對(duì)我國(guó)前保險(xiǎn)杠安全性能課題的有益探索，致力于通過(guò)整合建模到模擬試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程，總結(jié)出有效的、有利于行人保護(hù)的前保險(xiǎn)杠安全性設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)

4、仿真試驗(yàn)方法。關(guān)鍵詞：碰撞安全； 行人下肢； 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)； 沖擊損傷生物力學(xué)ABSTRACTABSTRACTAs a safety devise, Front Bumper System 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 im

5、pact of the collision. Meanwhile, when a pedestrian is hit by the front part of a car, the Front 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 automo

6、bile. Therefore, with peoples increasing awareness of safety ,the Front Bumper System has already 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

7、 for pedestrians. According to the lately pedestrian laws and regulations in China, this paper 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

8、limb as theory; builds the geometric model by CATIA; meshes the model by HYPERMESH; introduces . . . . 3 / 36the 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 coll

9、ision by PAM-CRASH. On the basis of the evaluation criterions (peak acceleration of the tibia ,bending angle 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 VEHI

10、CLE 1 is able to protect the pedestrians effectively but the one of VEHICLE 2 couldnt provide a valid safeguard, 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

11、test, an efficient method of the design with computer simulation in passive vehicle safety is summarised for the benefit of pedestrian protection.KeyKey wordswords：Impact; Pedestrian Leg； Front Bumper System; Impact Injury Biomechanics;. . . . 目 錄1 前言11.1 本課題研究背景和意義 11.2 本文主要研究容與方法 41.2.1 研究容 41.2.2

12、 研究方法 42 汽車前保險(xiǎn)杠與行人損傷安全概述72.1 汽車前保險(xiǎn)杠概述 72.1.1 結(jié)構(gòu) 72.1.2 安全性能 82.2 行人下肢損傷生物力學(xué) 92.2.1 沖擊損傷生物力學(xué) 92.2.2 損傷機(jī)理 92.3 行人安全法規(guī) 92.4 本章小結(jié) 113 汽車前保險(xiǎn)杠有限元模型的構(gòu)建123.1 汽車前保險(xiǎn)杠幾何模型的構(gòu)建 123.1.1 幾何尺寸的確定 123.1.2 幾何模型的構(gòu)建 133.1.2.1CATIA 軟件簡(jiǎn)介 133.1.2.2V1 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)幾何模型的構(gòu)建 133.1.2.3V2 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)幾何模型的構(gòu)建 153.2 汽車前保險(xiǎn)杠有限元模型的構(gòu)建 163.2.1HYPE

13、RMESH 軟件簡(jiǎn)介 163.2.2 有限元網(wǎng)格劃分的注意事項(xiàng) 173.2.2.1 網(wǎng)格劃分 173.2.2.2 單元特性 183.2.2.3 網(wǎng)格質(zhì)量的控制 183.3.3 有限元網(wǎng)格的劃分 193.3.3.1V1 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)模型有限元網(wǎng)格的劃分 193.3.2.2V2 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)模型有限元網(wǎng)格的劃分 213.4 本章小結(jié) 234 下肢-前保險(xiǎn)杠計(jì)算機(jī)模擬碰撞試驗(yàn)24. . . . II / 364.1PAM-CRASH 軟件簡(jiǎn)介 244.2 仿真試驗(yàn)的前處理 254.2.1 基本假設(shè) 254.2.2 參數(shù)量綱 254.2.3 材料屬性 254.2.4 厚度參數(shù) 264.2.5 邊界條件

14、 264.2.6 接觸定義 274.2.7 求解時(shí)間 274.2.8 碰撞模型 274.3 碰撞模擬試驗(yàn)求解 284.4 仿真結(jié)果的后處理 294.5 仿真結(jié)果的分析與討論 324.5.1 獨(dú)立分析 324.5.2 比較分析 334.6 本章小結(jié) 335 結(jié)論與展望345.1 結(jié)論 345.2 創(chuàng)新點(diǎn) 345.3 展望 35參考文獻(xiàn)36致37. . . . 1 前 言1.1 本課題研究背景和意義近現(xiàn)代以來(lái)，隨著全球經(jīng)濟(jì)和科技水平不斷提高，汽車工業(yè)迅猛發(fā)展。在我國(guó)，汽車行業(yè)的自主品牌如雨后春筍般崛起，汽車市場(chǎng)不斷發(fā)展壯大，機(jī)動(dòng)車保有量逐年猛增，汽車總銷量已經(jīng)超越美國(guó)，成為了全世界最大的汽車產(chǎn)銷市

15、場(chǎng)。但隨之而來(lái)的是各種交通事故的發(fā)生。我國(guó)道路交通情況復(fù)雜，是世界上典型的以平面混合交通為主的國(guó)家，道路交通事故發(fā)生率高居世界前列。因此，在注重汽車駕駛感受和動(dòng)力性能體現(xiàn)的同時(shí)，越來(lái)越多的人們開(kāi)始重視汽車的安全性問(wèn)題。汽車前保險(xiǎn)杠作為汽車安全的第一道防護(hù)線，成為了國(guó)外汽車安全性研究的重要課題之一1。早期的前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)目的是防止汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙與駕駛室發(fā)生過(guò)大的變形從而保護(hù)車乘員的人身安全，對(duì)于車乘員安全的保護(hù)性能設(shè)計(jì)研究工作已經(jīng)開(kāi)展了幾十年，然而對(duì)于車外行人的安全保護(hù)近幾年來(lái)才逐漸受到人們的重視。隨之汽車安全性能研究工作的不斷深入與展開(kāi)，諸如安全帶、安全氣囊等形形色色的汽車被動(dòng)安全裝置都

16、在汽車的安全性結(jié)構(gòu)中得到廣的使用，當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時(shí)這些裝置能夠較好的保護(hù)車乘員的安全。但是道路上的行人與其他車外人員因?yàn)槿狈ΡＷo(hù)而成為了最容易收到傷害的高危人群2。某調(diào)研數(shù)據(jù)指出，每年的道路交通死亡事故當(dāng)中，大約有 1/4 的死亡人口為行人，而在城市中此比例甚至接近 50%。2007 年的該比例竟高達(dá) 54.4%。在這些事故中，頭部和下肢的損傷又占損失總數(shù)的 70%以上，行人頭部的損傷是導(dǎo)致行人死亡的主要原因，而行人下肢的創(chuàng)傷往往是交通事故中導(dǎo)致人員傷殘的主要因素3。從圖 1-1 可見(jiàn)，行人與汽車發(fā)生意外碰撞時(shí)，行人下肢的損傷機(jī)率最大，而下肢的傷害尤其是膝關(guān)節(jié)傷害往往會(huì)給受害者將來(lái)的生活和工作

17、帶來(lái)極大的不便，有的甚至?xí)?dǎo)致行人的終身殘疾。前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)作為汽車車身最前端的部分，碰撞時(shí)直接與行人的下肢發(fā)生接觸，如圖 1-2 所示，人-車碰撞事故中，發(fā)生碰撞的部位主要為前保險(xiǎn)杠。因此，前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一輛汽車能否滿足行人安全保護(hù)性能要求的關(guān)鍵4。. . . . 2 / 36圖 1-1 行人與汽車前部碰撞的身體部位損傷分布百分比圖 1-2 人-車事故中車輛碰撞部位分布再者，隨著行人安全保護(hù)法規(guī)的實(shí)施，我國(guó)的汽車企業(yè)對(duì)于行人的碰撞保護(hù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)日益重視。我國(guó)各大汽車生產(chǎn)商以與汽車研發(fā)機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)汽車前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)是開(kāi)始引進(jìn)行人碰撞保護(hù)試驗(yàn)系統(tǒng)，將行人下肢保護(hù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)融入了開(kāi)發(fā)的流程。

18、2009 年 3 月，中國(guó)汽研中心從法國(guó) BIA 公司引進(jìn)了行人碰撞保護(hù)試驗(yàn)系統(tǒng)，此舉為我國(guó)相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)奠定了硬件和技術(shù)基礎(chǔ)。隨著行人碰撞保護(hù)試驗(yàn)系統(tǒng)的引進(jìn)和相關(guān)行人安全保護(hù)法規(guī)的出臺(tái)與實(shí)施，研究具有行人安全保護(hù)性能的汽車提上日程4?？偠灾?，行人-汽車碰撞事故中行人下肢防護(hù)技術(shù)以與前保險(xiǎn)杠安全性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)設(shè)計(jì)研究，對(duì)于降低交通事故發(fā)生率、減免事故中的傷亡、減少財(cái)產(chǎn)損失等，在當(dāng)前中國(guó)具有著十分重要的科研意義。. . . . 3 / 36括加速度、應(yīng)力和變形等運(yùn)動(dòng)與損傷情況。目前，對(duì)于汽車被動(dòng)安全性研究領(lǐng)域的研究，主要應(yīng)用的軟件有 CAL3D、MADYMO、LS-DYNA3D 和 P

19、AM-CRASH 等5。這些軟件中，根據(jù)建模理論與其分析功能的不同，可以分為采顯式有限元理論建模和采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論建模兩類，其所構(gòu)建模型的主要特點(diǎn)如表 1-11所示。表 1-1 兩種模型的主要特點(diǎn)模型類別有限元模型多剛體模型仿真軟件PAM-CRASH、LS-DYNA3D 等CAL3D、MADYMO 等建模理論顯示有限元理論多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論分析容任意單元的位移、速度、加速度、力等動(dòng)力學(xué)響應(yīng)參數(shù)與其應(yīng)力、應(yīng)變、能量分布。剛體單元的位移、速度、加速度、力等動(dòng)力學(xué)響應(yīng)參數(shù)優(yōu)點(diǎn)精確地獲得模型上不同位置的仿真結(jié)果情況建模較便捷，計(jì)算時(shí)間較短，工作量較小缺點(diǎn)建模過(guò)程較復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，工作量較

20、大，描述模型的運(yùn)動(dòng)方面薄弱較難掌握模型的具體情況的，變形部件描述的方面薄弱綜合比較上訴軟件的優(yōu)缺點(diǎn)，PAM-CRASH 軟件有著極大的優(yōu)勢(shì)和強(qiáng)大的功能，本文采用 PAM-CRASH 軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)。本文的研究目的是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬仿真，對(duì)某兩款汽車前保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)與安全性能進(jìn)行分析與比較，得到更有利于保護(hù)行人安全的前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)，并總結(jié)試驗(yàn)方法。主要從以下三個(gè)方面展開(kāi)研究：（1）查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行研讀，總結(jié)國(guó)外關(guān)于此課題的研究現(xiàn)狀、了解損傷生物力學(xué)的應(yīng)用以與相關(guān)安全法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。（2）利用有限元方法進(jìn)行汽車碰撞數(shù)值仿真能夠有效的降低運(yùn)算成本，大大的縮短設(shè)計(jì)周期，并且可以實(shí)現(xiàn)無(wú)樣

21、車的模擬碰撞試驗(yàn)。因此，近年來(lái)世界各大汽車生產(chǎn)商正在重點(diǎn)應(yīng)用有限元法進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。本論文的研究試驗(yàn)流程，依據(jù)所應(yīng)用軟件與工作性質(zhì)先后分為以下六個(gè)階段（圖 1-1）：依據(jù)原型繪制二維圖，標(biāo)注尺寸；據(jù)二維圖構(gòu)建幾何模型；對(duì)幾何模型劃分有限元網(wǎng)格；. . . . 4 / 36仿真模型前處理；仿真試驗(yàn)求解；求解結(jié)果后處理（數(shù)據(jù)可視化）1。(3)基于以上的研究，分析討論仿真試驗(yàn)結(jié)果，最終得出結(jié)論。圖 1-1 仿真試驗(yàn)流程圖幾何模型（CATIA）網(wǎng)格劃分（HYPERMESH）前處理（VISUAL-HIV）求解（PAM-CRASH）后處理（VISUAL-VIEWER）二維圖（CAD）. . . . 5 /

22、 36圖 2-3 行人下肢與汽車前部碰撞是的主要損傷形式2.3 行人安全法規(guī)目前，世界各組織對(duì)這三項(xiàng)指標(biāo)的極限值有著不同的要求和規(guī)定，其中，我國(guó)于 2009 年 10 月 30 日發(fā)布我國(guó)第一部行人安全保護(hù)法規(guī)GB/T24550-2009汽車對(duì)行人的碰撞保護(hù) ，于 2010 年 7 月 1 日修改為采用全球技術(shù)法規(guī)GTR9關(guān)于機(jī)動(dòng)車碰撞時(shí)對(duì)行人與弱勢(shì)道路使用者加強(qiáng)保護(hù)和減輕嚴(yán)重傷害的認(rèn)證統(tǒng)一規(guī)定 （2008 年英文版）并正式全國(guó)實(shí)施，成為我國(guó)推薦性的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1,11。該行人安全保護(hù)法規(guī)規(guī)定，車輛以 40km/h 的速度與行人下肢發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)，要求：（1） 脛骨加速度 at170g；（2） 膝

23、關(guān)節(jié)彎曲角度 k19；（3） 膝關(guān)節(jié)剪切位移 Skt6mm(表 2-14)1。（4）圖 2-2 下肢碰撞傷害指標(biāo)股骨骨折股骨骨節(jié)骨折韌帶斷裂脛骨骨節(jié)骨折脛骨骨折腓骨骨折脛骨加速度膝關(guān)節(jié)剪切位移膝關(guān)節(jié)彎曲角度. . . . 6 / 363 汽車前保險(xiǎn)杠有限元模型的構(gòu)建3.1 汽車前保險(xiǎn)杠幾何模型的構(gòu)建整車有限元模型的建立與計(jì)算需要花費(fèi)的大量的精力和時(shí)間，且需要有充足的資源支持，因此，在現(xiàn)有的資源和條件下，以兩款汽車為建模的原型，并定義兩款汽車分別為 V1 和 V2，如圖 3-1 所示。本文僅分別建立 V1 和 V2 的蒙皮、泡沫與橫梁的有限元模型，通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的材料屬性與邊界條件等來(lái)模擬碰撞試驗(yàn)

24、。(a) V1 建模的原型 (b) V2 建模的原型圖 3-1 兩款汽車建模的原型3.1.1 幾何尺寸的確定本節(jié)參考了兩款汽車原型的前保險(xiǎn)杠部分測(cè)量數(shù)據(jù)，加以修正與簡(jiǎn)化，并經(jīng)過(guò)計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)全未知的尺寸數(shù)據(jù)，繪制出兩款車型前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)各主要部件的 CAD 二維圖。由于汽車前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的輪廓相當(dāng)復(fù)雜，圓弧面和圓角眾多。而復(fù)雜的曲面往往會(huì)增加幾何模型建模的難度，甚至降低網(wǎng)格質(zhì)量，最終影響到試驗(yàn)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，為了簡(jiǎn)化幾何建模和網(wǎng)格劃分的操作，提高有限元網(wǎng)格的質(zhì)量，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，優(yōu)化試驗(yàn)過(guò)程，本節(jié)對(duì)其原型的外形輪廓作以下處理：（1）忽略原型中過(guò)小的斜度；（2）忽略用于尺寸較小且不用于裝配的圓孔

25、；（3）去除原型中的圓角和斜度較小的倒角；（4）尺寸較小的曲線，盡可能采用圓弧代替，如 V1 的車標(biāo)處；（5）對(duì)于復(fù)雜多曲率曲面拼接的曲面，盡量簡(jiǎn)化為盡可能少的曲率平滑過(guò). . . . 7 / 36度的曲面；（6）部分弧度較小的曲面用平面來(lái)代替；（7）對(duì)于薄壁件，如 V1 的蒙皮和橫梁，在忠于原型的前提下，盡可能使用均勻的厚度尺寸；（8）對(duì)于厚度較大的實(shí)體，如 V1 和 V2 的泡沫，同樣的，在忠于原型的前提下，盡可能使用一樣的厚度尺寸；（9）所有部件的模型均視為左右對(duì)稱；（10）將除厚度尺寸外的其他尺寸值圓整為整數(shù)；其他細(xì)微處的處理將體現(xiàn)于 CAD 工程圖中，本文不再一一列舉。通過(guò)這些修正和

26、簡(jiǎn)化，最終分別繪制得到 V1 和 V1 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)各主要部件的 CAD 二維圖。3.1.2 幾何模型的構(gòu)建3.1.2.1 CATIA 軟件簡(jiǎn)介CATIA 系列軟件可以幫助客戶實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的外型和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)環(huán)境模擬對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行分析和優(yōu)化等。CATIA 軟件已經(jīng)成為汽車、航空航天、船舶、建筑、電力與電子、消費(fèi)品和通用機(jī)械等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)的首要 3D 模擬應(yīng)用軟件。CATIA 軟件能為各類車輛的設(shè)計(jì)和制造提供了端對(duì)端（end to end）的解決方案，尤其在造型、車身結(jié)構(gòu)與引擎設(shè)計(jì)等方面具有相當(dāng)出色的表現(xiàn)。CATIA 的可伸縮性與其并行工程能力能夠顯著縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。憑著人性化和智能化的功能

27、優(yōu)勢(shì)，CATIA 成為了歐洲、北美乃至亞洲各大汽車制造商所用的核心系統(tǒng)。3.1.2.2 V1 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)幾何模型的構(gòu)建 本節(jié)應(yīng)用 CATIA 軟件分別構(gòu)建 V1 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)三大組成部分（蒙皮、泡沫和橫梁）的幾何模型。V1 蒙皮為左右對(duì)稱殼體，因此只需創(chuàng)建其左半邊殼體的幾何模型，其后使用“鏡像”命令即可獲得整個(gè) V1 蒙皮的幾何模型。其左半邊殼體靠近對(duì)稱面部分可以大致看成一各半月牙的平面沿曲率較小的弧線“掃略”而成的殼體，其遠(yuǎn)離對(duì)稱面部分可以大致看成一各半月牙的平面沿曲率較大的弧線“掃略”而成的殼體。因此，本節(jié)根據(jù)前文確定的 V1 蒙皮幾何尺寸，在 xoz 平面上使用“草圖”繪制出符合尺寸的

28、半月牙平面，在 xoy 平面上使用“草圖”繪制出曲率較小的弧線。使用“掃略”命令生成截面為半月牙的實(shí)體。其遠(yuǎn)離對(duì)稱面部. . . . 8 / 36分的實(shí)體生成方法與前者類似，文節(jié)不再贅述。左半邊實(shí)體生成后，使用“凹槽”命令去除模型中的通孔。完成左半邊實(shí)體的建模后，使用“鏡像”命令得到整個(gè) V1 蒙皮的實(shí)體模型，最后使用“抽殼”命令即得 V1 蒙皮的殼體模型，如圖 3-2 所示。圖 3-2 V1 蒙皮的幾何模型V1 泡沫的形狀較簡(jiǎn)單，在“草圖”中繪制中心平面和引導(dǎo)線后，通過(guò)“掃略”命令獲得沿一定弧度延伸的底面為四邊形的長(zhǎng)柱體，其后使用“凹槽”命令生成其下表面的三處通槽。最后得到的 V1 泡沫幾何

29、模型如圖 3-3 所示。圖 3-3 V1 泡沫的幾何模型V1 橫梁為左右對(duì)稱的殼體，分為支架和梁兩部分。梁部分：首先根據(jù)尺寸數(shù)據(jù)通過(guò)在“草圖”中繪制弓形曲線和引導(dǎo)線，在“線框與曲面設(shè)計(jì)“工作模塊中“掃略”獲得，返回“零部件設(shè)計(jì)“工作模塊使用“厚曲面”獲得殼體模型，使用“凹槽”命令生成通孔。支架部分：主要用到了“拉伸”命令生成實(shí)體，使用“凹槽”命令生成通孔。最終得到的 V1 橫梁的幾何模型如圖 3-4 所示。. . . . 9 / 36圖 3-4 V1 橫梁的幾何模型完成 V1 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的三大部件的幾何模型后，在 CATIA 的“裝配件設(shè)計(jì)”模塊中，使用“現(xiàn)有組件”將三個(gè)部件模型導(dǎo)入其中，主

30、要通過(guò)“相合約束” 、“偏移約束”和 “角度約束”等命令根據(jù)其位置與裝配關(guān)系賦予各部件間的相互約束。最終獲得 V1 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的幾何裝配模型，如圖 3-5 所示。圖 3-5 V1 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的幾何裝配模型3.1.2.3 V2 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)幾何模型的構(gòu)建 本節(jié)應(yīng)該用 CATIA 軟件分別建立 V2 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)三大組成部分（蒙皮、泡沫和橫梁）的幾何模型。V2 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)各部件幾何模型的建模步驟與方法與V1 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的部件相類似，本節(jié)不再贅述。建成的 V2 蒙皮、泡沫和橫梁的幾何模型分別如圖 3-6、7、8 所示。圖 3-6 V2 蒙皮的幾何模型. . . . 10 / 36圖 3

31、-7 V2 泡沫的幾何模型圖 3-8 V2 橫梁的幾何模型將 V2 蒙皮、泡沫和橫梁的幾何模型進(jìn)行裝配后得到 V2 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的幾何裝配模型，如圖 3-9 所示。圖 3-9 V2 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的幾何裝配模型3.2 汽車前保險(xiǎn)杠有限元模型的構(gòu)建3.2.1 HYPERMESH 軟件簡(jiǎn)介HYPERMESH 軟件是美國(guó) Altair 公司研發(fā)的產(chǎn)品，其功能強(qiáng)大，集成了設(shè)計(jì)與分析所需的各種工具，是世界領(lǐng)先的 CAE 應(yīng)用軟件包，也是一個(gè)創(chuàng)新和開(kāi)發(fā). . . . 11 / 36的企業(yè)級(jí) CAE 平臺(tái)。在汽車安全領(lǐng)域中，主要應(yīng)用于碰撞試驗(yàn)的前處理過(guò)程。圖 3-10 所示為 HYPERMESH 10.0 的

32、工作界面。圖 3-10 HYPERMESH 10.0 界面為了讓各行業(yè)的用戶在對(duì)各種模型的劃分網(wǎng)格時(shí)都能有靈活全面的出色體驗(yàn)，HYPERMESH 軟件提供了三種劃分網(wǎng)格的方法,其應(yīng)用圍列于表 3-1，結(jié)合運(yùn)用三種網(wǎng)格劃分方法能夠解決各種模型的網(wǎng)格劃分工作。本文只通過(guò)自動(dòng)式和網(wǎng)格優(yōu)化兩種方法劃分網(wǎng)格6。表 3-1 三種網(wǎng)格劃分方法與其應(yīng)用圍網(wǎng)格劃分方法應(yīng)用圍自動(dòng)式（Auromatic）通過(guò)設(shè)定一定的網(wǎng)格參數(shù)對(duì)曲面多而復(fù)雜的幾何體進(jìn)行自動(dòng)劃分網(wǎng)格交互式（Interactive）主要應(yīng)用于曲面不多且形狀相對(duì)簡(jiǎn)單的幾何體，利用這種方法可以修改單元類型、曲面邊界上的網(wǎng)格密度、網(wǎng)格平滑度等參數(shù)；網(wǎng)格優(yōu)化則

33、是對(duì)已經(jīng)劃分好的網(wǎng)格作優(yōu)化處理網(wǎng)格優(yōu)化（QI optimized）對(duì)已經(jīng)劃分好的網(wǎng)格作優(yōu)化處理. . . . 12 / 363.2.2 有限元網(wǎng)格劃分的注意事項(xiàng)3.2.2.1 網(wǎng)格劃分劃分有限元網(wǎng)格需要到考慮所要研究的問(wèn)題的規(guī)模、重點(diǎn)和周期，以與能夠?yàn)檠芯克玫挠?jì)算機(jī)硬件等條件，力求計(jì)算時(shí)間、計(jì)算精度和計(jì)算成本的最佳搭配。由于網(wǎng)格密度的大小會(huì)直接影響到能量吸收的情況，因此網(wǎng)格劃分不當(dāng)將導(dǎo)致在受力梯度不大時(shí)就得到錯(cuò)誤的結(jié)果。所以，在碰撞模擬試驗(yàn)前需要仔細(xì)安排模型網(wǎng)格的疏密大小，尤其在變網(wǎng)格密度時(shí)更需要謹(jǐn)慎，應(yīng)該要充分地考慮到碰撞時(shí)模型的受力分布等情況，以避免由人為的單元?jiǎng)澐侄鴮?dǎo)致模擬結(jié)構(gòu)真實(shí)性受

34、到不必要的影響1。本文中有限元模型的整體網(wǎng)格尺寸控制在10mm 左右，局部細(xì)節(jié)區(qū)域應(yīng)該控制在 5mm 左右。另外，劃分網(wǎng)格時(shí)還需注意以下幾點(diǎn)：（1）盡可能不使用過(guò)小的網(wǎng)格單元，以免網(wǎng)格密度過(guò)大而縮小時(shí)間步長(zhǎng)；（2）盡量使用四邊形單元，減少三角形、四面體、棱柱單元的使用；（3）前保險(xiǎn)杠模型的每一個(gè)方向至少使用三個(gè)單元，盡量保證較均勻的網(wǎng)格大小；（4）為保證計(jì)算精度，避免集中出現(xiàn)銳角單元和翹曲的殼單元1。 3.2.2.2 單元特性在 HYPERMESH 軟件中，用戶可根據(jù)分析需要，在其豐富的單元庫(kù)中選擇便于試驗(yàn)計(jì)算與求解的單元類型，其中各主要單元類型的使用圍如表 3-2 所示。不同類型的單元有幾十

35、種不同的算法可供選擇。本論文采用的單元類型主要包括殼單元和實(shí)體單元。表 3-2 HYPERMESH 軟件中的主要單元類型的使用圍單元類型使用圍殼單元（SHELL）薄板和曲面結(jié)構(gòu)體單元（SOLID）三維實(shí)體結(jié)構(gòu)面單元（PLANE）平面結(jié)構(gòu)梁?jiǎn)卧˙EAM）需要承受彎矩的二維結(jié)構(gòu)桿單元（LINK）只承受軸向力的二維結(jié)構(gòu)3.2.2.3 網(wǎng)格質(zhì)量的控制為了盡量避免單元網(wǎng)格質(zhì)量不好而導(dǎo)致計(jì)算步長(zhǎng)的降低而浪費(fèi)過(guò)多的求解時(shí)間以與試驗(yàn)誤差的增加，因此，對(duì)于一個(gè)大型有限元模型，往往需要很多時(shí). . . . 13 / 36間來(lái)檢查模型單元的質(zhì)量。單元質(zhì)量檢查主要包括三個(gè)方面：重合節(jié)點(diǎn)和重合單元檢查，自由邊和自由面

36、檢查與單元形狀檢查。使用“check elems” 、“edges”和“faces”等功能進(jìn)行單元網(wǎng)格質(zhì)量的檢查后，在工作界面上HYPERMESH 軟件會(huì)將模型上不合格的單元顯示成紅色，應(yīng)用“translate” 、“smooth”等功能對(duì)其進(jìn)行修正，如果修正后仍顯示紅色，則需要對(duì)該部件模型重新劃分網(wǎng)格。經(jīng)檢查和修正，本試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷乃袉卧细?。3.3.3 有限元網(wǎng)格的劃分上一章中已經(jīng)建立了 V1 和 V2 的 CATIA 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)裝配模型，確定了 V1和 V2 的 CATIA 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)中各部件的相對(duì)位置和裝配關(guān)系。因此本章只需將上一章所建立 V1 和 V2 的 CATIA 前保險(xiǎn)杠

37、系統(tǒng)裝配模型“另存為” “igs”格式，導(dǎo)入到 HYPERMESH 軟件當(dāng)中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。3.3.3.1 V1 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)模型有限元網(wǎng)格的劃分本小節(jié)分別對(duì) V1 各部件進(jìn)行分析和網(wǎng)格劃分。 對(duì)于 V1 蒙皮模型，由于其為薄壁件，而且曲面片較多、輪廓相當(dāng)復(fù)雜，因此適合采用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，此時(shí)采用殼單元可以提高網(wǎng)格質(zhì)量與縮短工作時(shí)間。網(wǎng)格劃分過(guò)程中主要使用了“solids” 、 “midsurfase” 、 “quick edit”等命令抽取中面并對(duì)其進(jìn)行修正。其后使用”automesh”命令對(duì)中面劃分 2D 網(wǎng)格。最后使用“check elems”等命令檢查網(wǎng)格質(zhì)量并優(yōu)化網(wǎng)格，獲得 V1 蒙

38、皮有限元模型，如圖 3-11 所示。圖 3-11 V1 蒙皮有限元網(wǎng)格模型對(duì)于 V1 泡沫模型，由于其厚度較大，但輪廓十分簡(jiǎn)單，因此適合采用實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，此時(shí)采用實(shí)體單元可以更能夠提高網(wǎng)格質(zhì)量與縮短工作時(shí)間。在開(kāi)始劃分前，為了避免 V1 蒙皮模型的干擾，本節(jié)使用“mark”命令將 V1 蒙皮模型暫時(shí)隱藏。工作過(guò)程中首先通過(guò)“edges”命令檢查了自由邊等影響網(wǎng)格. . . . 14 / 36質(zhì)量的因素，其后通過(guò)“quick edit”等命令修復(fù)這些因素。然后使用“solids”命令建立實(shí)體。然后使用”automesh”命令對(duì)泡沫模型前表面進(jìn)行2D 網(wǎng)格的劃分。其后使用“quick edit

39、” “translate”等命令通過(guò)改變節(jié)點(diǎn)數(shù)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)等方式對(duì) 2D 網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化。 “solid map”中的“general”命令將上述劃分的 2D 網(wǎng)格拉伸至泡沫模型后表面，完成泡沫模型 3D 網(wǎng)格的劃分。獲得 V1 泡沫有限元網(wǎng)格模型，如圖 3-12 所示。圖 3-12 V1 泡沫有限元網(wǎng)格模型V1 橫梁模型的特征與 V1 蒙皮模型的類似，曲面片較多、輪廓相當(dāng)復(fù)雜，為薄壁件，因此同樣時(shí)候采用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。同樣的，首先使用“mark”命令將 V1 蒙皮模型和 V1 泡沫模型暫時(shí)隱藏。工作過(guò)程中主要使用“midsurfase” 命令抽取中面，使用“quick edit”等命令并對(duì)其進(jìn)行

40、修正抽中面后產(chǎn)生的自由邊。其后使用”automesh”命令對(duì)修正后的中面劃分 2D 網(wǎng)格。最后使用“check elems”等命令檢查網(wǎng)格質(zhì)量并優(yōu)化網(wǎng)格。獲得 V1 橫梁有限元網(wǎng)格模型，如圖 3-13 所示。圖 3-13 V1 橫梁有限元網(wǎng)格模型. . . . 15 / 36 最后，將隱藏的 V1 蒙皮模型和 V1 泡沫模型恢復(fù)顯示（unmark all） ，檢查各部件的網(wǎng)格大小、質(zhì)量，完后將 V1 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)有限元網(wǎng)格模型（圖 3-14）保存（save）待用。圖 3-14 V1 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)有限元網(wǎng)格模型3.3.2.2 V2 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)模型有限元網(wǎng)格的劃分本小節(jié)分別對(duì) V2 各部件進(jìn)行分

41、析和網(wǎng)格劃分。對(duì)于 V2 蒙皮模型，與 V1 蒙皮模型類似，由于其為薄壁件，而且曲面片較多、輪廓相當(dāng)復(fù)雜，因此也適合采用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，此時(shí)采用殼單元可以提高網(wǎng)格質(zhì)量與縮短工作時(shí)間。工作過(guò)程中主要使用了“solids” 、“midsurfase”和“quick edit”等命令抽取中面并對(duì)其進(jìn)行修正。其后使用”automesh”命令對(duì)中面劃分 2D 網(wǎng)格。最后使用“check elems”等命令檢查網(wǎng)格質(zhì)量并優(yōu)化網(wǎng)格。獲得 V2 蒙皮有限元網(wǎng)格模型，如圖 3-15 所示。圖 3-15 V2 蒙皮有限元網(wǎng)格模型對(duì)于 V2 泡沫模型，其厚度較大但厚度均勻，上下端面、左右端面均為相互平行的矩形，相比

42、 V2 泡沫模型其輪廓更加簡(jiǎn)單，因此為了用盡可能少的工作時(shí). . . . 16 / 36間獲得更佳的網(wǎng)格質(zhì)量，同樣采用實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。在開(kāi)始劃分前，為了避免 V2 蒙皮模型的干擾，本節(jié)使用“mark”命令將 V2 蒙皮模型暫時(shí)隱藏。工作過(guò)程中首先使用“edges”命令檢查了自由邊等影響網(wǎng)格質(zhì)量的因素，其后通過(guò)“quick edit”等命令修復(fù)這些因素。然后使用“automesh”命令對(duì)泡沫模型上端面進(jìn)行 2D 網(wǎng)格的劃分。其后使用“quick edit” 、 “translate”等命令通過(guò)改變節(jié)點(diǎn)數(shù)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)等方式對(duì) 2D 網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化。 “solid map”中的“general”命令將

43、上述劃分的 2D 網(wǎng)格拉伸至泡沫模型下端面，完成泡沫模型3D 網(wǎng)格的劃分。獲得 V2 泡沫有限元網(wǎng)格模型，如圖 3-16 所示。圖 3-16 V2 泡沫有限元網(wǎng)格相比 V1 橫梁模型，V2 橫梁模型的的厚度較大，不適合采用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。但其輪廓相對(duì)平整，可以使用實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。首先使用“mark”命令將 V1 蒙皮模型和 V1 泡沫模型暫時(shí)隱藏。劃分前先使用“edges”命令檢查模型的自由邊并加以修正。為便于劃分與獲得質(zhì)量較好的網(wǎng)格，劃分過(guò)程過(guò)“solid edit”命令將模型“切割”成形狀簡(jiǎn)單的“塊” 。其后分別對(duì)這些“塊”進(jìn)行劃分網(wǎng)格。其主要步驟仍是先用“automesh”命令對(duì)“塊”

44、的一平整表面進(jìn)行 2D網(wǎng)格的劃分。 “solid map”中的“general”與“ends only”等命令將上述劃分的 2D 網(wǎng)格進(jìn)行沿特定路徑的拉伸，完成該“塊”的 3D 網(wǎng)格的劃分。 最后使用“check elems”等命令檢查網(wǎng)格質(zhì)量并優(yōu)化網(wǎng)格。獲得 V2 橫梁有限元網(wǎng)格模型，如圖 3-17 所示。. . . . 17 / 36圖 3-17 V2 橫梁有限元網(wǎng)格模型最后，將隱藏的 V2 蒙皮模型和 V2 泡沫模型恢復(fù)顯示（unmark all） ，檢查各部件的網(wǎng)格大小、質(zhì)量，完后將 V2 有限元網(wǎng)格模型（圖 3-18）保存（save）待用。圖 3-18 V1 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)有限元網(wǎng)格模

45、型3.4 本章小結(jié) 本章參考某兩款車型 V1 和 V2 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)原型的尺寸與形狀數(shù)據(jù)，通過(guò)測(cè)量、比例計(jì)算等方法確定其各部件的尺寸構(gòu)造，對(duì)原型結(jié)構(gòu)加以修正和簡(jiǎn)化后利用 CAD 軟件繪制出其二維工程圖。參照二維工程圖，應(yīng)用 CATIA 三維建模軟件分別建立了前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的主要部件（蒙皮、泡沫和橫梁）的簡(jiǎn)化幾何模型并裝配為裝配體模型。其后學(xué)習(xí)并利用 Hypermesh 軟件對(duì)上述建立的前保險(xiǎn)杠幾何模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，最終分別獲得 V1 和 V2 兩款汽車的前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的有限元模型，完成了人-車碰撞試驗(yàn)中汽車部分的有限元建模。4 下肢-前保險(xiǎn)杠計(jì)算機(jī)模擬碰撞試驗(yàn)在目前的行人保護(hù)法規(guī)中，我國(guó)現(xiàn)行

46、的行人保護(hù)法規(guī)是最貼合我國(guó)實(shí)際道. . . . 18 / 36路交通現(xiàn)狀的，因此，本章按照我國(guó)行人保護(hù)法規(guī)的要求，通過(guò) PAM-CRASH 軟件建立行人下肢撞擊汽車前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的碰撞有限元模型，考察上述兩款汽車前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)對(duì)行人下肢的保護(hù)性能。為了表達(dá)方便直觀，本論文將下肢-V1前保險(xiǎn)杠碰撞仿真試驗(yàn)定義為試驗(yàn) 1，將下肢-V2 前保險(xiǎn)杠碰撞仿真試驗(yàn)定義為試驗(yàn) 2。4.1 PAM-CRASH 軟件簡(jiǎn)介PAM-CRASH 是 ESI 集團(tuán)最新一代的碰撞模擬分析軟件，是碰撞損傷評(píng)估和安全性評(píng)估的必要工具。工程師們利用它可以減少或擺脫物理樣機(jī)測(cè)試，可以將更多的時(shí)間和精力投入到創(chuàng)建、評(píng)估和管理在真實(shí)碰撞

47、環(huán)境下的模擬樣機(jī)測(cè)試中。工程師還可以相當(dāng)方便地改變碰撞環(huán)境，從而得到不同碰撞條件下的仿真結(jié)果。PAM-CRASH 是基于顯示有限元算法的一種計(jì)算機(jī)三維碰撞沖擊仿真模擬系統(tǒng)，是一個(gè)廣泛應(yīng)用于汽車、航空、電子和材料生產(chǎn)等專業(yè)領(lǐng)域，有關(guān)碰撞、沖擊和安全性模擬測(cè)試等問(wèn)題的解決的實(shí)用工具。PAM-CRASH 能夠?qū)Υ笪灰啤⒋笮D(zhuǎn)、大應(yīng)變、接觸碰撞等問(wèn)題進(jìn)行非常精確的模擬仿真，能夠非常簡(jiǎn)便的處理異常復(fù)雜的邊界約束。其主要顯著特點(diǎn)如表 4-1 所示。 表 4-1 PAM-CRASH 軟件的主要顯著特點(diǎn)主要顯著特點(diǎn)三維圖形顯示屬性靈活控制，色彩多樣逼真支持多 CPU 并行計(jì)算(DMP 和 SMP)，運(yùn)算效率高

48、能夠簡(jiǎn)便地處理異常復(fù)雜的邊界約束靈活控制計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)動(dòng)態(tài)分配存，無(wú)須用戶設(shè)置靈活搜尋接觸區(qū)間針對(duì)大變形材料可采用特有的措施來(lái)保證求解的穩(wěn)定性和精確性可設(shè)定材料的斷裂失效條件簡(jiǎn)便地定義焊點(diǎn)、鉚釘?shù)燃s束與其斷裂條件可設(shè)置阻尼以加快求解彈性接觸時(shí)的收斂針對(duì)汽車碰撞而特設(shè)指標(biāo)整形、輸出、比較模塊4.2 仿真試驗(yàn)的前處理4.2.1 基本假設(shè)由于受到時(shí)間、資源和經(jīng)費(fèi)等多種因素的限制，本論文的人-車碰撞試驗(yàn)中，. . . . 19 / 36只對(duì)已構(gòu)建汽車的前保險(xiǎn)杠部分模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)力學(xué)仿真。本試驗(yàn)主要描述人-車碰撞時(shí)汽車的前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對(duì)行人安全保護(hù)性能的影響，在保證一定精確度的前提下，忽略下肢模型中足

49、掌部與地面之間間的摩擦系數(shù)。由于本文使用計(jì)算機(jī)軟件仿真試驗(yàn)，可以在軟件中添加所需要的驅(qū)動(dòng)力、飛行距離等約束條件。因此，本研究不需要設(shè)置驅(qū)動(dòng)裝置，因此無(wú)須考慮下肢有限元模型與驅(qū)動(dòng)裝置在碰撞過(guò)程中的接觸對(duì)試驗(yàn)求解結(jié)果的影響 1。4.2.2 參數(shù)量綱在 PAM-CRASH 軟件中，沒(méi)有明確的規(guī)定所輸參數(shù)的單位，而是通過(guò)各個(gè)物理量單位之間的關(guān)系而自動(dòng)匹配的。因此，為了避免得到錯(cuò)誤的計(jì)算求解結(jié)果，使用的參數(shù)量綱必須是相互匹配的，這點(diǎn)尤其重要。本仿真試驗(yàn)中主要使用的參數(shù)量綱組合如表 4-2 所示。表 4-2 常用的量綱組合基本物理量導(dǎo)出物理量序號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度質(zhì)量密度重力加速度力應(yīng)力能量1s mKgKg/m39

50、.81mm/ms2N PaNm2smm t t/mm39810mm/s2kN MPaNmm4.2.3 材料屬性 有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性在很大程度上依賴于材料模型的選擇以與材料參數(shù)的確定，花費(fèi)相當(dāng)充足的時(shí)間了解材料模型并獲得準(zhǔn)確的材料參數(shù)尤其必要。在 PAM-CRASH 求解前，需要定義模型的密度、泊松比、彈性模量以與屈服應(yīng)力等參數(shù)。其中 V1 和 V2 的蒙皮均為 PA 材料，泡沫均使用 EPP 材料，V1 橫梁的材料為 45 鋼，V2 橫梁為ZAlSi7Mg制造。V1 和 V2 的前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)各主要部件的材料參數(shù)見(jiàn)表 4-3 和表 4-4。在定義材料時(shí)應(yīng)該注意以下兩點(diǎn)：（1）并不是材料屬性輸

51、入窗口中的所有填選項(xiàng)都必須要輸入數(shù)值，部分不影響試驗(yàn)求解的參數(shù)可以缺省；（2）務(wù)必保證所輸入材料參數(shù)單位的統(tǒng)一，錯(cuò)誤的單位制不但會(huì)影響到材料的響應(yīng)，還會(huì)影響到接觸剛度等的計(jì)算1。. . . . 20 / 36表 4-3 V1 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)主要部件的材料參數(shù)參數(shù)密度 (kg/m3)泊松比彈性模量(Pa)屈服應(yīng)力(Pa)切線模量(Pa)失效應(yīng)變蒙皮（PA）22000.3200E6100E6-泡沫(EPP)91.30.330.6E6-橫梁（45）78500.3210E91034E62435E60.25表 4-4 V2 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)主要部件的材料參數(shù)參數(shù)密度 (kg/m3)泊松比彈性模量(Pa)屈服應(yīng)

52、力(Pa)切線模量(Pa)失效應(yīng)變蒙皮（PA）22000.3200E6100E6-泡沫(EPP)91.30.330.6E6-橫梁（ZAlSi7Mg）27000.372E9345E6690E60.174.2.4 厚度參數(shù)V1 的蒙皮和橫梁以與 V2 的蒙皮有限元模型均使用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，在前處理過(guò)程中需要將其厚度參數(shù)通過(guò)輸入定義到殼單元模型中，各模型的厚度參數(shù)見(jiàn)表 4-5。表 4-5 相關(guān)模型的厚度參數(shù)模型厚度（mm）V1 蒙皮4.5V1 橫梁1.47V2 蒙皮4.54.2.5 邊界條件一項(xiàng)來(lái)自國(guó)際協(xié)調(diào)研究機(jī)構(gòu)（IHRA）的調(diào)研報(bào)告顯示，在汽車與行人相碰撞的交通事故中，70%的碰撞車速都在 40

53、km/h 以下，而且在此車速下的行人的死亡率也高達(dá) 26%2。因此 40km/h 為比較理想的并貼近現(xiàn)實(shí)情況的碰撞車速。根據(jù)試驗(yàn)要求，定義下肢有限元模型的初始速度為 40km/h。選取在事故中最易造成下肢損傷的位置，即車輛中心軸線處，作為碰撞點(diǎn)。由于兩款汽車 V1 和V2 的車身尺寸不同，碰撞點(diǎn)分別處于距離地面 512mm 和 438mm 的位置。. . . . 21 / 364.2.6 接觸定義顯示動(dòng)力分析軟件 PAM-CRASH 有三種接觸面處理算法：?jiǎn)蚊娼佑|、點(diǎn)面接觸和面面接觸。單面接觸無(wú)需定義接觸面和目標(biāo)面，這種算法十分適用于事先不知道接觸方案的情況。若預(yù)先已經(jīng)指導(dǎo)接觸面很小，可以采用

54、點(diǎn)面接觸。而面面接觸則適用于一個(gè)物體的面穿透另一個(gè)物體的面的情況。在軟件中，相應(yīng)的可用于處理動(dòng)態(tài)接觸碰撞問(wèn)題的接觸面處理算法也有三種：對(duì)稱罰函數(shù)法、動(dòng)力約束法和分配參數(shù)法。對(duì)稱罰函數(shù)法是軟件默認(rèn)的接觸算法，很少激起網(wǎng)格的靈能模式，不會(huì)產(chǎn)生噪音。顯示動(dòng)力分析軟件最早采用的算法是動(dòng)力約束法，此算法比較復(fù)雜，只適用于固連接觸問(wèn)題。而分配參數(shù)法則只適用于滑動(dòng)界面接觸問(wèn)題的處理4。本碰撞仿真試驗(yàn)采用的接觸包括自動(dòng)單面接觸和面面接觸，模型接觸的定義見(jiàn)表 4-6。表 4-6 人體下肢-前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)碰撞模型的接觸定義接觸模型接觸類型摩擦系數(shù)1前保險(xiǎn)杠模型全部部件自接觸單面接觸0.22下肢模型自身接觸自動(dòng)接觸0

55、.23下肢模型與前保險(xiǎn)杠接觸面面接觸0.44下肢肌肉與骨骼接觸面面接觸0.84.2.7 求解時(shí)間由前人的仿真試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，汽車與行人在碰撞 30ms 后，力學(xué)指標(biāo)基本穩(wěn)定。因此，為了準(zhǔn)確地得到整個(gè)碰撞系統(tǒng)的力學(xué)指標(biāo)，本論文選取仿真的時(shí)間為30ms。4.2.8 碰撞模型完成碰撞仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷那疤幚磉^(guò)程后，得到試驗(yàn) 1 和試驗(yàn) 2 的仿真試驗(yàn)起點(diǎn)模型分別如圖 4-1、圖 4-2 所示。. . . . 22 / 36 圖 4-1 試驗(yàn) 1 的仿真起點(diǎn)模型圖 4-2 試驗(yàn) 2 的仿真起點(diǎn)模型4.3 碰撞模擬試驗(yàn)求解將上述確定的相關(guān)參數(shù)輸入到 PAM-CRASH 軟件參數(shù)輸入窗口中，運(yùn)行求解。以 V1 橫

56、梁的參數(shù)輸入為例，如圖 4-3 所示，將材料編號(hào)輸入到“IDMAT” ，將密度輸入到“RHO” ，將彈性模量輸入到“E” ，將泊松比輸入到“NU” ，將屈服應(yīng)力輸入到“SIGMAy”等。. . . . 23 / 36圖 4-3 V1 橫梁的參數(shù)輸入窗口4.4 仿真結(jié)果的后處理仿真時(shí)間終點(diǎn)（30ms）的模型，分別如圖 4-4、圖 4-5 所示。通過(guò) PAM-CRASH 軟件中的 VISUAL-VIEWER 模塊獲得的脛骨加速度-時(shí)間曲線、膝關(guān)節(jié)剪切位移-時(shí)間曲線、膝關(guān)節(jié)彎曲角度-時(shí)間曲線，分別如圖 4-5 和圖 4-6 所示。圖 4-4 試驗(yàn) 1 的仿真終點(diǎn)模型. . . . 24 / 36圖

57、4-5 試驗(yàn) 2 的仿真終點(diǎn)模型(a)脛骨加速度-時(shí)間曲線 (b) 膝關(guān)節(jié)彎曲角度-時(shí)間曲線 （c）膝關(guān)節(jié)剪切位移-時(shí)間曲線圖 4-6 試驗(yàn) 1 的后處理結(jié)果. . . . 25 / 36(a)脛骨加速度-時(shí)間曲線 (b) 膝關(guān)節(jié)彎曲角度-時(shí)間曲線 （c）膝關(guān)節(jié)剪切位移-時(shí)間曲線圖 4-7 試驗(yàn) 2 的后處理結(jié)果. . . . 26 / 36另外，為了更直觀地觀察在碰撞過(guò)程中下肢骨骼的變形情況，本文將下肢的皮膚和肌肉隱藏，通過(guò)動(dòng)畫截圖，獲得試驗(yàn) 1 和試驗(yàn) 2 中下肢模型在不同時(shí)刻的變形，分別如圖 4-8 和圖 4-9 所示。圖 4-8 試驗(yàn) 1 中下肢模型在不同時(shí)刻的變形圖 4-9 試驗(yàn) 2

58、 中下肢模型在不同時(shí)刻的變形4.5 仿真結(jié)果的分析與討論4.5.1 獨(dú)立分析分別對(duì)兩款汽車的碰撞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行以下獨(dú)立分析：（1）對(duì)于試驗(yàn) 1：由圖 4-6（a）可得脛骨峰值加速度為 145.4g，小于法規(guī)所規(guī)定的 170g；從圖 4-6（b）可見(jiàn)，碰撞的 0-30ms 間，最大的膝關(guān)節(jié)彎曲角度為 15.5，沒(méi)超出法規(guī)所規(guī)定的 19；同時(shí)由圖 4-6（c）得出最大的膝關(guān)節(jié)剪切位移為 4.66mm，符合法規(guī)中要求小于 6mm 的規(guī)定。并從圖 4-8 可以直觀的看到，從碰撞開(kāi)始到 30ms 期間，下肢的變形較小，而且沒(méi)有發(fā)生明顯的骨折和韌帶損傷。因此，可以論定 V1 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)符合行人保護(hù)法規(guī)的規(guī)

59、定，在碰撞事故發(fā)生時(shí)能夠?yàn)樾腥颂峁┯行У谋Ｗo(hù)。（2）對(duì)于試驗(yàn) 2：由圖 4-7（a）可得脛骨峰值加速度為 135.2g，小于法. . . . 27 / 36規(guī)所規(guī)定的 170g；從圖 4-7（b）可見(jiàn)，在碰撞 20ms 左右膝關(guān)節(jié)彎曲角度開(kāi)始超出法規(guī)所規(guī)定的 19并繼續(xù)增大；同時(shí)由圖 4-7（c）得出最大的膝關(guān)節(jié)剪切位移為 4.72mm，符合法規(guī)中要求小于 6mm 的規(guī)定。另外還發(fā)現(xiàn)該曲線在 10.5ms附近出現(xiàn)拐點(diǎn)，膝關(guān)節(jié)剪切位移值由正值改變?yōu)樨?fù)值。與此對(duì)應(yīng)的是，如圖 4-9 所示，股骨在 10ms 左右出現(xiàn)裂口，在 15ms 時(shí)已經(jīng)斷開(kāi)。在股骨折斷后，斷面以下的肢體將回彈，也就在這一瞬間，

60、膝關(guān)節(jié)剪切位移值由正值改變?yōu)樨?fù)值。綜合以上分析可以論定，V2 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)不能滿足行人保護(hù)法規(guī)的要求，而且在汽車以 40km/h 的速度與行人發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)導(dǎo)致行人下肢嚴(yán)重的骨折甚至致殘，嚴(yán)重威脅到行人的人身安全。4.5.2 比較分析從上節(jié)的分析可以得知在行人安全保護(hù)性能方面的表現(xiàn) V1 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)要遠(yuǎn)優(yōu)于 V2 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)，因此，本節(jié)從結(jié)構(gòu)和材料兩大方面以 V1 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)為參照，分析 V2 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的改進(jìn)措施。從結(jié)構(gòu)上看，V1 蒙皮與下肢模型的接觸面積較大，能夠減少應(yīng)力集中；V2 橫梁的厚度較厚，不能有效的通過(guò)橫梁的變形來(lái)緩和汽車對(duì)行人的沖擊載荷。從材料上看，由于與因過(guò)厚而不易變