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1、. . . . 汽车前保险杠结构与安全性能分析A STUDY ON THE STUCTURE AND THE SAFETY PERFORMANCE OF THE VEHICLE FRONT BUMPER 专 业：机械设计制造与其自动化（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与人员伤亡的情况。因此，随着人们安全意识的不断提高，前保险
2、杠系统成为了国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与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
3、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 is an important part of a modern autom
4、obile. 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 Front Bumper System should be “soft”enough
5、 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 already become a key problem in passive veh
6、icle 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 paper mainly studies on the structure and th
7、e 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; introduces the simulation model of lower limbs fr
8、om 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 angle of the knee, lateral shear displacemen
9、t 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 safeguard, for the amelioration of which, sev
10、eral 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 for the benefit of pedestrian protection.K
11、ey 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 本文主要研究容与方法41.2.1 研究容41.2.2 研究方法42 汽车前保险杠与行人损伤安全概述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92.4 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
12、何尺寸的确定123.1.2 几何模型的构建133.1.2.1CATIA软件简介133.1.2.2V1前保险杠系统几何模型的构建133.1.2.3V2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163.2.1HYPERMESH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193.3.3.1V1前保险杠系统模型有限元网格的划分193.3.2.2V2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244.1PAM
13、-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 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371 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
14、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，成为了国外汽车安全性研究的重要课题之一闫宏涛基于行人腿部与汽车前保险杠碰撞安全性仿真研究DXX：XX交通大学2011.。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与驾驶室发生过大的变形从而保护车乘员的人身安全
15、，对于车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的使用，当汽车发生碰撞时这些装置能够较好的保护车乘员的安全。但是道路上的行人与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王旭基于行人腿部防护的汽车保险杠优化研究DXX：XX大学2011.。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李乐新，腾科，黄河基于行人下腿部与汽车保险杠的碰撞研究与优化设计DXX：XX理工大学2012.。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
