（光学工程专业论文）基于行人小腿保护的汽车保险杠改进研究.pdf

k ， c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g r e s e a r c ho nt h ei m p r o v i n go ft h ev e h i c l e b u m p e r ba s e do np e d e s t r i a nl o w e rl e g p r o t e c t i o n c a n d i d a t e ：w a n gx i u l i s u p e r v is o r ：p r o f w a n gh u i a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：v e h i c l ed e s i g n d a t eo fs u b m i s s i o n ：j a n u a r y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m in a ti o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s it y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：里参厢 日期： 矽7 c 7 年3 月日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 叼在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：j 垮翩 日期：2 口) o9 3 月日 翩( 签鼽互吗 扫b 年3 具 k ， 一 毛 e 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 ， 近几年，随着道路交通事故的增多，行人保护逐渐成为汽车被动安全领 域的重点研究对象。在汽车碰撞事故中，腿部是人体最容易受伤的部位之一， 其损伤主要是由保险杠撞击造成的，因此保险杠的研究工作对提高汽车的行 人保护性能具有重要的意义。 本文采用计算机仿真的方法对汽车保险杠的小腿保护性能进行了研究。 首先，从生物力学的角度，分析了交通事故中行人腿部各关键部位的损伤机 理。根据e e v c 行人保护法规，建立了小腿冲击器的有限元模型，通过静态 弯曲试验、静态剪切试验和动态冲击试验的验证，冲击器模型的各项力学性 能均达到了法规的要求。 其次，在小腿冲击器有限元模型的基础上，建立了可代替汽车前部结构 的简易模型。通过正交试验分析了保险杠高度、宽度、前伸量及发动机罩前 缘高度等对行人的膝关节最大弯曲角度、最大剪切位移和胫骨最大加速度的 影响趋势和差异性，为保险杠的设计工作提供了依据。 最后，以某款车的保险杠为研究对象，针对保险杠的行人保护性能存在 的问题，提出了改进措施，研究了蒙皮材料的力学参数、吸能块的结构和材 料对行人小腿损伤的影响，并在原始模型的基础上增设了副保险杠，减小了 碰撞过程中膝关节的弯曲变形。同时对保险杠原始模型进行综合改进，并通 过仿真计算，验证了改进方案的合理性和可行性，改善了保险杠的吸能特性， 减小了行人小腿的损伤。 关键词：行人保护；生物力学；保险杠；j f 交试验 j 气 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a bs t r a c t i nt h er e c e n ty e a r s ，、i t l lt h er a p i di n c r e a s eo ft r a f f i ca c c i d e n t s ，p e d e s t r i a n p r o t e c t i o nh a dg r a d u a l l yb e c o m et h ef o c u so fa u t o m o t i v ep a s s i v es a f e t y i nt h e t r a f f i ca c c i d e n t , t h el o w e rl e go fp e d e s t r i a nw a se a s i l ys u f f e r e df r o mi n j u r i e s ，a n d t h ei n j u r i e sw e r em a i n l yc a u s e db yt h es t r i k eo ff r o n tb u m p e r , s ot h er e s e a r c ho f t h eb u m p e rw a s v e r yi m p o r t a n tf o ri m p r o v i n gt h ep e d e s t r i a np r o t e c t i o nc a p a b i l i t y t h el o w e rl e gp r o t e c t i o nc a p a b i l i t yo fv e h i c l eb u m p e rw a sr e s e a r c h e db y c o m p u t e rs i m u l a t i o n f i r s t l y , w h a tc a u s i n gt h ei n j u r i e so f t h ep e d e s t r i a nl e gi nt h e 倘ca c c i d e n tw a sa n a l y z e df r o mt h ed e g r e eo fb i o m e c h a n i c s a c c o r d i n gt ot h e c r i t e r i ao fe e v cp e d e s t r i a np r o t e c t i o n , t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h el o w e r l e g f o r mw a se s t a b l i s h e d , t h em o d e lw a st e s t e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h e s t a t i c b e n d i n gt e s t , s t a t i cs h e a r i n gt e s ta n dd y n a m i ci m p a c t i n gt e s t ，a n d t h e b i o m e c h a n i c a lb e h a v i o r so fm o d e lh a ds a t i s f i e dt h ec r i t e r i a s e c o n d l y , b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h el o w e rl e g f o r m ，s i m p l e m o d e lr e p l a c i n ga u t o m o t i v ef r o n ts t r u c t u r ew a se s t a b l i s h e d i tw a sa n a l y z e db y o r t h o g o n a le x p e r i m e n tt h a tm a x i m u mk n e eb e n d i n ga n ds h e a f i n gd e f o r m a t i o n ， a n dt i b i a l p e a l 【a c c e l e r a t i o nw e r eh o wt o i n f l u e n c e db yt h eh e i g h t ，w i d t h , p r o t r u s i o na m o u n to fb u m p e r , t h eh e i g h to fb o n n e tl e a d i n ge d g e ，e t c m o r e o v e r , t h et r e n d sa n dd i f f e r e n c e so ft h ei n f l u e n c ew e r eo b t a i n e d ，t h e yw o u l dp r o v i d e r e f e r e n c ef o rt h ev e h i c l ed e s i g n f i n a l l y , t h eb u m p e r o fac a rw a sa st h er e s e a r c h e do b j e c ti nt h i sp a p e r , f o rt h e p e d e s t r i a np r o t e c t i o np e r f o r m a n c eo ft h eb u m p e r , s o m ei m p r o v e m e n tm e a s u r e s w e r ep r o p o s e d i tw a sr e s e a r c h e dt h a tt h ei n j u r i e so fp e d e s t r i a nl o w e rl e gw e r e h o wt oi n f l u e n c e db yt h em a t e r i a lm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fv e h i c l es k i n ，t h e s t r u c t u r ea n dm a t e r i a lo fe n e r g y - a b s o r b i n gb l o c k i no r d e rt oa d j u s tt h es t a t eo f l o w e rl e gm o t i o ni nt h ec o l l i s i o na c c i d e n t ，an e wa u x i l i a r yb u m p e rw a sa d d e dt o d 哈尔滨下程大学硕+ 学何论文 t h es y s t e m m e a n w h i l e ，t h eo r i g i n a lb u m p e rw a si m p r o v e dc o m p r e h e n s i v e l y , a n d t h er a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t yo fi m p r o v e m e n tm e a s u r e sw e r ec o n f i r m e db y c o m p u t e rs i m u l a t i o n , t h e n , t h ee n e r g y a b s o r b i n gp e r f o r m a n c eo f t h eb u m p e rw a s i m p r o v e d , t h ei n j u r i e so fp e d e s t r i a nl o w e rl e gw e r er e d u c e dg r e a t l y k e y w o r d s p e d e s t r i a np r o t e c t i o n ；b i o m e c h a n i c s ；b u m p e r ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t 哈尔滨t 程大学硕十学传论文 第1 章 1 1 1 2 1 4 第2 章 2 1 2 2 2 3 2 4 第3 章 3 1 3 2 目录 绪论l 课题研究背景及意义1 行人保护发展概况l 1 2 1国外发展现状1 1 2 2 国内发展现状2 行人保护研究方法及防护措施3 1 3 1 行人保护法规3 1 3 2 行人保护研究方法4 1 3 3 行人安全防护措施7 课题主要研究内容8 显式非线性有限元理论基础1 0 非线性有限元基本理论1 0 2 1 1 空间和运动时间离散1 0 2 1 2 物体变形描述和动力分析1 2 2 1 3 物理控制方程1 3 显式积分算法1 6 有限元求解中的关键问题17 2 3 1 材料应力修正1 7 2 3 2 碰撞接触算法l8 本章小结1 9 小腿冲击器有限元模型的建立及仿真验证2 0 小腿损伤机理分析2 0 3 1 1 损伤机理分析2 0 3 1 2 损伤评价标准2 2 小腿冲击器有限元模型的建立2 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 3 2 1 小腿冲击器发展概况2 3 3 2 2 小腿冲击器基础模型的建立2 6 3 2 3 单元和材料类型的选取2 7 3 2 4 接触类型的选取2 9 3 2 5 损伤参数的测量3 0 3 3 小腿冲击器有限元模型的仿真验证3 l 3 3 1 静态弯曲仿真试验3l 3 3 2 静态剪切仿真试验3 2 3 3 3 动态冲击仿真试验3 3 3 4 本章小结3 5 第4 章基于行人小腿保护的汽车保险杠参数分析3 6 4 1 保险杠的分类3 6 4 2 保险杠简易模型的建立3 8 4 2 1 基础模型的建立3 8 4 2 2 模型的仿真验证3 9 4 3 保险杠各参数的正交试验设计4 l 4 3 1 正交表特性4 2 4 3 2 正交试验设计4 3 4 4 正交试验结果处理及分析4 4 4 4 1 正交试验结果处理4 4 4 4 2 保险杠各参数对膝关节弯曲角度影的响趋势分析4 7 4 4 3 保险杠各参数对膝关节剪切位移的影响趋势分析4 9 4 4 4 保险杠各参数对胫骨加速度的影响趋势分析5 0 4 5 本章小结5 2 第5 章基于行人小腿保护的保险杠改进研究5 3 5 1 保险杠行人保护性能改进方案5 3 5 2 某款车的行人小腿保护性能评价5 4 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 5 2 1 汽车前部结构有限元模型的建立5 4 5 2 2 原始模型的行人小腿保护性能评价5 6 5 3 保险杠改进研究5 9 5 3 1蒙皮材料特性参数分析5 9 5 3 2 吸能块结构改进6 2 5 3 3 吸能块材料研究6 4 5 3 4 增设副保险杠6 6 5 4 综合改进后保险杠的行人小腿保护性能评价6 8 5 5 本章小结7 0 结论一7 l 参考文献7 2 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 8 致谤 一7 9 哈尔滨下程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 行人作为交通事故中的高危人群，其伤亡率一直很高。2 0 0 4 年世界卫生 组织发布的世界预防道路交通伤害报告称全世界每年约有1 2 0 万人死于 交通事故，相当于全球5 个最大城市入口的总和1 。中华人民共和国道路 交通事故统计年报显示，2 0 0 7 年行人意外交通事故死亡的人数达2 11 0 6 人， 占全部交通死亡人数的2 5 8 5 ，行人交通事故受伤人数为7 0 8 3 8 人，占全部 交通受伤人数的1 8 6 2 嘲。 随着汽车主、被动安全性技术的发展及各项安全法规的制定，行人安全 问题开始受到越来越多的关注。行人的伤亡程度主要受汽车外形构造、碰撞 区域能量吸收特性及车辆行驶速度等因素的影响。因此如何从行人保护的角 度出发设计汽车，提高汽车行人碰撞安全性，已经成为当今汽车研究的焦点 问题。行人腿部损伤是交通事故中最常见的损伤形式之一，日本一项调查表 明，在交通事故中，腿部损伤占行人损伤形式的4 0 左右p 1 。腿部损伤虽然 不会对行人的生命构成威胁，但却会使受害者终生残疾或丧失工作能力。 1 2 行人保护发展概况 近几年，随着汽车工业的飞速发展，欧、美、日等国家在行人保护方面 都已取得了突破性的进展，制定了一系列法规，规范汽车的设计和制造。我 国关于行人保护法规的议案尚处于审核阶段，有望于2 0 1 0 年出台。 1 2 1国外发展现状 国外对汽车行人保护的研究已经有四十多年的历史。2 0 世纪6 0 年代中 期，澳大利亚的r o b e r t s o n 等人开始研究行人安全问题州。7 0 年代中期，美 国和欧盟也开始关注行人安全问题，利用生物样本、机械假人和数学模型开 展了包括人体损伤机理、耐受限度、损伤防护技术及安全对策等在内的多种 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 研究睁1 。8 0 年代初，各国行人保护研究的重点开始转移到了交通事故数据调 查方面，建立了专门的行人事故调查与统计机构和事故数据库，如德国的 g i d a s ，日本的i t a r d a 等。1 9 9 4 年行人保护试验在欧洲首次被提出，2 0 0 3 年行人保护法规2 0 0 3 1 0 2 e c 正式出台，对汽车的行人保护工作实行分阶段 引导嘲。 当前行人保护研究的热点集中在损伤机理分析、损伤评估、机械和数学 模型的建立、碰撞事故调查、事故重建和防护措旌开发等方面。1 9 7 5 年美国 国家空军实验室建立了三维多刚体假人a t b ( a r t i c u l a t e dt 0 t a lb o d y ) ，后来 融入到l s d y n a 软件中，广泛应用于乘员安全研究中。荷兰应用科学研究 院( t n o ) 采用多刚体系统动力学方法建立了人体运动系统，用椭球面模拟 人体几何外形，建立了h y b r i d l i i 多刚体假人，可以对人体的头部、颈部、胸 部和腿部等进行损伤预测。德国汽车研究组织根据侧碰假人u s s i d 、 e u i 的s i d 1 和e u i 的s i d 2 也建立了相应的有限元假人模型。此外l s t c 、 e s i 、m e c a l o g 等公司结合各自的有限元软件l s d y n a 、p a m c r a s h 、r a d i s s 也分别建立了不同版本的数字化假人用。目前国际上还没有统一的行人碰撞 假人标准，因此各国的碰撞假人在结构、技术等方面各不相同。 1 2 2 国内发展现状 与国外相比，我国对汽车行人保护的研究起步较晚。2 0 0 8 年9 月2 5 日， 全国汽车标准化技术委员会通过了汽车对行人的碰撞保护、安全带提 醒装置技术条件、乘用车顶部强度、车辆车速限制系统技术要求 的审查，但目前尚未获批，法规将作为国家推荐性标准执行，而非强制执行， 预计可与2 0 1 3 年的全球汽车行人保护法规同步实施。 国内一些科研机构对汽车的行人碰撞安全问题也已经开展了大量的研究 工作。清华大学汽车碰撞试验室参照e e v c 法规制订了新的行人碰撞安全评 价方法，在国内率先开展了汽车前部结构的部件冲击试验研究p 1 。湖南大学 汽车碰撞试验室应用计算机仿真方法对行人头部和腿部的碰撞安全评价提出 2 哈尔滨。1 ：程大学硕+ 学何论文 了改进方案。吉林大学的程秀生和哈尔滨工业大学的赵桂范等人应用有限元 模拟技术，对保险杠与行人腿部、发动机罩与行人头部的碰撞过程进行研究 i g , l o i 。2 0 0 9 年8 月2 3 日，国内首例行人碰撞试验在天津汽车技术研究中心的 碰撞实验室进行，广州本田的第八代雅阁轿车以4 0 k r n h 的速度撞击横穿马路 的假人，作为“中国行人保护的第一撞标志着我国汽车技术又进入了一个 崭新的阶段。 1 3 行人保护研究方法及防护措施 为降低碰撞事故中汽车对行人造成的伤害，各国主要通过假人试验、部 件冲击试验和计算机仿真等方法对行人保护问题进行研究，制定了相关的法 规和评价标准，同时也采取了很多安全防护措施。 1 3 。1 行人保护法规 国际上比较有影响力的汽车安全研究机构包括欧洲车辆安全委员会 ( e e v c ) ，国际标准化组织( i s o ) 、国际技术法规组织( g t r ) 、日本国土 交通省( m l i t ) 、美国u n e c e 工作组等1 。其中e e v c 是国际上最具权威 的汽车安全检测机构，2 0 0 3 1 0 2 e c 法规提出的汽车前部结构的行人碰撞安 全性检测试验是目前最完善的、要求最高的行人碰撞试验，其主要试验内容 如表1 1 所裂。2 1 。 表1 1e e v c 法规试验内容 实施日 碰撞碰撞部位图解 期 哑丑黝址矬链秘黝p ，。 头部与发动机罩 小腿与保险杠 第一s u 、， 2 0 0 5 1 0火腿与保险杠( s u v )厂家 阶段 可选 头部与前风挡( 监测) 人腿与发动机罩前缘( 监测) 哈尔滨丁程犬学硕十学位论文 2 0 0 3 1 0 2 e c 法规不但提出了汽车前部结构与行人碰撞的试验方法，同 时针对不同的试验阶段还制定了相应的评价标准，为汽车的行人保护性能检 测提供了重要的依据，法规评价标准如表1 2 所示。 表1 2e e v c 行人保护评价标准 碰撞第一阶段第二阶段 h l c l 0 0 0 ( 发动机罩的2 3 区域)h i c l 0 0 0 ( 整个碰撞区 头部与发动机罩 h i c 2 0 0 0 ( 发动机罩剩余的l ，3 区域)域) g 2 0 0 9g 1 5 0 9 小腿与保险杠 a 2 l 。a 1 5 。 s 6 m m s 6 m m f 5 k n 大腿与发动机罩前缘仅作监测 m 3 0 0 n m f 7 5 k nf s 5 l ( n 大腿与保险杠 m 5 1 0 n mm 3 0 0 n m 目前，我国关于行人保护的汽车行业法规还没有出台，因此本文小腿冲 击器有限元模型的建立和部件冲击仿真试验都是按照e e v c 法规的要求进行 的，且以2 0 0 3 1 0 2 e c 第二阶段的评价标准作为本文保险杠行人保护性能研 究的衡量标准。 1 3 2 行人保护研究方法 汽车的行人保护性能研究方法主要包括以下几种： 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 、假人碰撞试验 利用碰撞假人进行事故再现是行人安全性研究的基本方法之一。这种方 法能够比较全面、真实地再现各种碰撞事故，同时也可以获取人体各部位的 运动状态和受力、变形情况等。国外各大汽车检测机构也都以假人碰撞试验 作为主要的评定方法，试验过程如图1 1 所示。 图1 1 假人碰撞试验 碰撞假人不仅要保证外形尺寸、质量分布、运动和力学响应等与人体相 近，而且还要使假人的结构设计利于传感器的安装，以采集相关的加速度、 负荷、挤压变形量等数据。通过这些数据的处理分析，可以定量地衡量汽车 的行人保护性能。目前常用的碰撞假人主要有正碰假人、侧碰假人和儿童假 人。正碰假入主要有美国f t s s 公司生产的h y b r i d 系列假人，侧碰假人有e u r o s i d 和w o r l d s i d 系列，最近本田公司又开发了一个新的试验假人叫o l a ri i i 弘。 2 、计算机仿真模拟 仿真分析是汽车碰撞安全性研究的重要手段。利用计算机仿真技术模拟 汽车碰撞的全过程，实现事故再现，可以获取行人身体各部位的运动和受力 情况，为人体损伤机理的分析提供依据。常用的汽车碰撞仿真软件有多刚体 动力学软件m a d y m o 、a p m s a f e 和有限元分析软件l s d y n a 、 p a m c r a s h 、r a d i o s s 、a b a q u s 等。 3 、部件试验 部件试验也称为子系统试验，是由e e v c 提出并广泛推广的一种试验方 法，用冲击器模型( 小腿模型、大腿模型、成人头部模型和儿童头部模型) s 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 代替人体的关键部位撞击汽车前部，如图1 2 所示。通过测量碰撞过程中冲 击器的受力和变形情况，判定汽车的各项行人保护性能。1 9 9 4 年，e e v c w g l 0 在已有研究成果的基础上制定了部件试验法规，评估汽车前部结构对 行人头部和腿部造成的伤害，2 0 0 3 年e e v cw g l 7 对该试验方法进行了修订 和完善，2 0 0 3 1 0 2 e c 是目前最为全面、严格的部件冲击试验法规爿。 小 图1 2 部件试验示意图 部件试验主要包括以下几个方面q ： ( 1 ) 小腿模型与保险杠的碰撞试验。小腿冲击器模型与汽车前部结构碰 撞试验过程如图1 3 所示。通过小腿冲击器膝关节的弯曲角度、剪切变形和 胫骨加速度，对汽车的行人小腿保护性能进行评价，分析汽车保险杠对行人 损伤的影响规律。 ( 2 ) 大腿模型与发动机罩的碰撞试验。通过碰撞过程中冲击器的受力情 况，评价发动机罩对行人大腿( 股骨段) 的保护能力。 ( 3 ) 头部模型与发动机罩的碰撞试验。这部分试验分为成人头部碰撞和 儿童头部碰撞两个部分，试验主要测量头部损伤值h c i ，要求每个头部模型 在最容易造成伤害的汽车部位进行9 次试验。 图1 3 小腿冲击器碰撞试验 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 在上述三种试验方法中，假人碰撞试验最能反映碰撞事故的实际情况， 但假人的制造成本较高，可重复使用性差；部件试验则可以有针对性地对行 人的头部、腿部等容易受伤的部位进行研究，试验容易控制，重复性好，可 操作性强，但在碰撞过程中没有考虑身体上部的惯性对腿部的影响；与其它 方法相比，计算机仿真法具有开发周期短，可重复性强，结果信息全面及成 本低廉等优点。在实际的研究工作中，常将计算机仿真和部件试验两种方法 结合起来代替实车碰撞试验，分析碰撞事故中行人的损伤机理和汽车的行人 保护能力。 1 3 3 行人安全防护措施 行人的损伤程度主要取决于碰撞时的车速、汽车前部结构形状和碰撞区 域的能量吸收特性。各国通过采用主动防护和被动防护这两种方法来提高行 人的安全性。主动防护方法是在碰撞事故发生前或事故发生时主动地采取措 施，避免事故发生或减小事故的损伤；而被动防护方法则是通过防护装置或 改变车身结构，以减少碰撞过程中汽车对行人造成的伤害。 目前各制造厂商主要通过以下4 种方法提高汽车的行人保护能力。 1 、车身结构和材料的改进 通过改进车身的结构设计或降低碰撞区域刚度的方法，提高碰撞区域的 行人保护性能。对于前保险杠可采用高密度泡沫材料和新的结构形式，控制 腿部被撞击后的运动过程，减小撞击力，使行人腿部免受严重伤害：改进前 灯室及周边区域的设计，使其按受控模式吸收碰撞能量，避免玻璃破碎割伤 行人的腿部；对发动机罩的外形结构和铰链、翼子板支架及雨刮支座等进行 优化设计，减小行人在碰撞过程中头部受到的碰撞力。由于行人身高、体重 等的差异性，优化时很难兼顾不同群体的行人，因此目前还没有形成一个普 遍适用的设计准则。 2 、发动机罩弹升系统 在汽车碰撞时，发动机罩弹升系统能够迅速弹起，使得人体撞在“柔软”、 7 哈尔滨工稗大学硕十学位论文 圆滑的表面上，而不是“硬碰硬 ，从而减轻行人的损伤程度。在汽车与行 人接触的瞬间，汽车前部的机械系统被触发，且被弹簧或喷射的气体迅速托 起7 1 ，撞向行人的动能被转换成提升机器盖的能量。由于该系统技术含量和 成本较高，目前只应用于少量高端车型上。 3 、保险杠安全气囊 作为被动安全装置，保险杠安全气囊可以将碰撞事故中行人的损伤降低 到最低程度。它主要由传感器、充气泵和气囊等几部分组成，折叠后被安装 在保险杠内。在行人与保险杠接触的瞬间，安全气囊迅速打开，避免行人与 车身之间发生剧烈的碰撞射。由于受到传感器制造技术和安全气囊价格的制 约，保险杠安全气囊还处于研制和试验阶段，目前尚未应用到上市的车辆中。 4 、行人保护预警系统 行人保护预警系统是车辆先进控制系统的一部分，实现了对行人的主动 保护，在事故发生前及时通知驾驶员，将事故的概率降低到最低程度。行人 保护预警系统涉及传感器技术、通信技术、决策控制技术、信息显示技术、 驾驶状态监控技术等，这些车载装置包括车身各部位的传感器、激光雷达、 红外线、超声波传感器、盲点探测器等均由计算机控制，实现了事故的实时 监测，随时通过声音、图像等方式向驾驶员提供车辆周围及车辆本身的必要 信剧慷2 0 1 ，同时还可以实现车辆的自动或半自动控制，避免碰撞事故的发生。 1 4 课题主要研究内容 本文将计算机仿真方法与部件冲击试验相结合，对a 类汽车的行人保护 性能进行研究，应用l s d y n a 软件模拟汽车与行人小腿的碰撞过程，分析 保险杠各参数对小腿损伤的影响规律，同时针对某款车的保险杠进行改进设 计，改善其行人小腿保护性能。 本文的研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 针对汽车的行人保护问题查阅了大量文献，分析国内、外行人保护 的发展形势，对现有的安全法规和行人安全防护措施等进行研究； 8 哈尔滨。啊警大学硕十学位论文 ( 2 ) 从空间离散、动力分析、物理控制方程和积分算法等几个方面对显 式非线性有限元理论进行阐述，为后续章节的仿真计算提供理论依据； ( 3 ) 从生物力学角度分析碰撞事故中行人腿部各部位的损伤机理，根据 e e v c 部件冲击试验法规，建立行人小腿冲击器的有限元模型，并通过静态 弯曲试验、静态剪切试验和动态冲击试验验证模型的生物力学性能； ( 4 ) 建立可替代汽车前部结构的简易模型，并以此为基础分析保险杠的 各参数对行人小腿损伤的影响。通过正交试验的方法，选取仿真试验中保险 杠各参数的组合，并对仿真结果进行后处理，求解各因素的平均值和极差值， 通过各参数的水平趋势图，分析保险杠参数对行人小腿损伤的影响趋势和差 异性。 ( 5 ) 针对某款车保险杠的行人小腿保护性能存在的问题，提出改进方案， 通过改进蒙皮材料、吸能块结构和增加副保险杠等方式，改善保险杠的吸能 特性，减小保险杠对行人小腿造成的伤害。 9 哈尔滨r ：程大学硕十学位论文 第2 章显式非线性有限元理论基础 汽车碰撞是一个瞬态的大位移、大变形过程，具有几何非线性、材料非 线性等多重非线性，因此本文选用动力学有限元分析软件l s d y n a 研究汽 车与行人的碰撞问题。l s d y n a 以显式非线性有限元理论为基础，具有几 何非线性、材料非线性和接触非线性，以显式求解为主，兼有隐式求解功能， 以非线性动力学分析为主，兼有静力学分析功能 2 1 - z 3 l 。本章将研究显式非线 性有限元理论的若干问题，为后续的碰撞仿真试验奠定理论基础。 2 1 非线性有限元基本理论 与传统的有限元法相比，非线性有限元法不局限于小变形系统，考虑了 系统的几何非线性和材料非线性，将连续的空间系统离散化，各部件间通过 节点联系在一起，可以用于人体和车辆的建模，能够获得各个部件的变形、 速度、加速度和应力、应变的分布情况等。 2 1 1空间和运动时间离散 1 、空间离散瞄1 系统空间被离散为有限个单元，单元内任意节点的坐标用坐标插值可表 示为 k ( g ，r ，孝，f ) = e 力( g ，r ，善) ( r ) ，i = l ，2 ，3 ( 2 1 ) j - i 式中占，r ，孝分别为自然坐标、当前时刻和单元节点数，x ( t ) 为t 时刻 第，个节点的坐标值。 上式的矩阵表达形式为 x ( s ，r ，9 - ，) ) = 【】 x ) 。 ( 2 2 ) 等式左边为单元内任意点的坐标矢量，等式右边【】为单元插值函数矩 阵， x ) 。为单元节点坐标矢量。 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) 后得 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 喜孤儿【lp n 嘻l b r o r d v 一肋一t r q d s - 0 ( 2 3 ) 式中仃为c a u c h y 应力矢量， 仃7 = 【q ，吒，吒，o y z ，仃荭】 ( 2 _ 4 ) b 为应变位移矩阵，刀为单元数目。 如果将单元质量矩阵m = l r n d v 中同一行的矩阵元素合并到对角 项，形成集中质量矩阵，式( 2 3 ) 可写为 国7 癍o ) + f ( x ，膏) 一p ( x ，) 】= 0 或a 霞o ) = p ( x ，f ) 一f ( x ，s o ) ( 2 5 ) 上式中，m 为总体质量矩阵，戈( f ) 为总体节点加速度矢量，尸为总体载 荷矢量，由节点载荷、面力、体力、接触力等组合，为单元应力场中等效 节点力的合成矢量，即 f = i 。b r 仃d v ( 2 6 ) 虼 2 、运动时间离散 将物体的连续运动在时间上划分成一个个时刻，对方程( 2 5 ) 进行时间 离散求解，时间积分采用显式中心差分算法，即 戈( ) = m 叫【尸( 0 ) 一f ( 乙) 】 ( 2 - 7 ) 觉o1 ) = 戈o1 ) + 去( 厶一l + a t ) i ( ) ( 2 - 8 ) ”j ”i z x ( 乙+ 1 ) = x ( 乙) + a 乙戈o1 ) ( 2 - 9 ) ”i 式中，l = 去( 乙+ 乙一1 ) ，fl = 去( 乙+ l + 乙) ，乙一l = o 一厶一i ，乙= 乙+ 1 一。 ”i 么 ”i 么 j ( 厶) ，量o 。) ，x 也+ 。) 分别为乙时刻节点的加速度矢量，。时刻节点的速 疗十j”十i 度矢量和+ 。时刻节点的坐标矢量。 由于采用了集中质量矩阵，方程组( 2 9 ) 的解是非耦合的，即各个方程 之间互不相关，大大节省了存储空间和求解时间，较适合实际工程的需求， 这是显式算法的优点。但显式中心差分法的稳定性是有条件，它的时间步长 ，受到限制，因此计算时一般采用变时步增量解法，且各时刻的时间步长主 要由当前构形的稳定条件决定。 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 2 1 2 物体变形描述和动力分析 1 、变形过程描述嗍 从变形角度分析，物体的变形实际是从一种图形变换到另一种图形的过 程。由质点构成的物体，其形状可以用质点间的相互位置关系表示，各质点 的位置用笛卡儿直角坐标系中的坐标表示。 设质点a 在t = 0 时刻的位置坐标为以( 口- - 1 ，2 ，3 ) ，此时质点构成了物体 的初始形状，在此后的任意时刻，质点移动到另一位置，质点间的相互位置 关系发生了变化，因此物体的形状也发生了变化。在r 时刻，变形后物体质 点a 的位置坐标为x i ( i = 1 ，2 ，3 ) ，它是坐标以和时间r 的函数，即 而= t 忆，) ( 2 - 1 0 ) 2 、动力分析方程 对于有限元分析来说，连续的表面或实体都将被划分成离散的单元，划 分过程由一系列与单元刚性相关的节点和自由度来定义。模型中的每个节点 都建立了合适的运动方程，各单独的自由度由简单动力系统来表示，外部力 等于惯性力、阻尼力和弹性力的加和，得到式( 3 1 1 ) 【朋舻 + 州o + 川d = p ) ( 2 - 1 1 ) p 硎 ，p ， 矗) ， 岔 是时间的函数，解此方程可以得到模型的变形、 速度和加速度，这是动力学有限元软件的理论基础。 将所有节点的自由度集合起来，整个节点系统可以写成 【m 】 d + 【c 】 d + 尺觚 - - r 删 ( 2 1 2 ) 此处lr 妇l 为惯性力，求解该式可以得到节点系统的全部解。 3 、质量矩阵的表达 重新考虑方程式( 2 1 1 ) ，质量矩阵k 】可以用两种不同的方式表示一个 单元的质量分布，连续单元体的质量矩阵是以单元形状方程对各节点进行质 量分配的， k 】= f p n 。i n 伽 ( 2 - 1 3 ) 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 连续质量矩阵并非对角矩阵，它会引起线性耦合方程的增加，集中质量 模型直接在每个节点上分配单点质量，节点质量的总和等于整个系统的单元 质量。而集中质量矩阵是对角矩阵，因此每个自由度都有一个简单的独立方 程，应用计算机可以很快地求出各方程的解。有限元软件采用集中质量矩阵， 对包括碰撞在内的诸多问题都能很好地进行求解。 2 1 3 物理控制方程 1 、质量守恒定律鲫 质量作为物体的基本性质，在各时刻都是相同的，与时间变化无关。设风 为物体初始图形时的密度，它是质点初始坐标的函数，即 风= p ox g r ) ( 2 - 1 4 ) 又设p 为物体在变形后的密度，它是变形后质点坐标的函数，即 p = 础f ) ( 2 - 1 5 ) 在变形过程中，质量守恒定律表达式的积分形式为 p g ，皿。a k ：a h ：，= 肚忆皿。拟：鹕 ( 2 1 6 ) 按体积积分的坐标变换关系，上式右边部分可以写成 胁似。皿。捌：扰3 - 胁忆) i 等b 出z d x ， c 2 朋， 这个关系式对物体所有部分都是有效的，对比式( 2 1 6 ) 和( 2 1 7 ) ，得 到 如) = 胁叫刮 协 式( 2 1 8 ) 等价于质量守恒定律的表达式( 2 1 6 ) 。 2 、动量方程 在，时刻，一个规则空间区域所包含的动量q 为 q ，= i ，d v ( 2 1 9 ) 如果作用在物体表面仃上的应力分量为r ，物体的单位体积力为z ，则 作用在物体上的合力为 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 置= 工，f 。d v + 王z v 勰 根据柯西应力原理可知 t = o r g v 式中是应力场，是物体表面s 上外法线单位矢量1 ，的分量， ( 2 2 0 ) 可以写成 r 。= i , o v ，f , d v + i t y g v 程 应用高斯定律，又有 耻工( 以+ d 矿 根据牛顿定律得 旦q ：r i d t 。 由物质体积积分的表达式可知 d 肼0 - f 融) + 毒h ) y 工融，+ 珈小= h 斟y 协2 6 ， 此关系式对物体的任何部分都成立，因此有 昙) + 砉b 一) = 成+ 毒 ( 2 - 2 7 ) 上式等号左边可写成 昙b f ) + 毒b 一) 邓陪+ 考b 卅+ 4 鲁虿o r , c 2 璐， 由连续方程可知 警+ 丢h ) = o ( 2 2 9 1 4 ) ) ) ) ) ) o l 罩 2 3 4 5 蚴 勉批 拢 勉 心 勉 ( ( r 一 ( ( ( ( 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 恬+ 售 = p 鲁 式中百d v i 是质点的加速度，这样式( 2 3 0 ) 可变为 p 告嗡+ 去。； 又可写为 p x j2p ) t oq 。j 式( 2 - 3 2 ) 为物体的动量方程。 3 、能量方程嗍 对于所研究的物体，由能量守恒定律可得 k + g + e