（工程力学专业论文）基于低速碰撞和行人腿部保护的前保险杠系统研究.pdf

s e do nl o w s p e e d c o l l i s i o na n d p e d e s t r i a nl e gp r o t e c t i o n b y x u y i n g y i n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 11 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl o n gs h u y a o f e b r u a r y ，2 0 11 m 0m 6 胂7m 6 伽0删9 舢脚丫 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对论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 法律后果由本人承担。 作者签名：畸謦考、 日期洲年弓月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 ， 1 、保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 、不保密i i 。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 讶考鹰、 莴3 戋 日期：劲，年弓月多日 日期：z oj1 年罗月岁日 基于低速碰撞和行人腿部保护的前保险杠系统研究 摘要 汽车前保险杠系统是吸收和缓和外界冲击力、防护车身前部的安全装置。在 低速碰撞下，保险杠系统能降低碰撞对于汽车车体的破坏，起到对汽车和乘员的 保护作用。随着国内外行人保护要求的不断提高，车辆的造型将越来越趋向于加 强行人保护的功能。在行人与汽车相撞时，位于汽车前端的保险杠系统将直接与 行人腿部发生接触，造成行人腿部的损伤，因此行人腿部保护也必须作为评价汽 车前保险杠系统安全性能的一个重要指标。近年来，低速碰撞和行人腿部保护两 方面的研究先后融入保险杠系统的开发设计流程。鉴于此，综合考虑满足低速碰 撞性能和具有行人腿部保护功能来设计保险杠系统，对于汽车的结构优化和提高 碰撞安全性具有一定的指导意义。 本文首先按照国家标准g b l 7 3 5 4 1 9 9 8 汽车前、后端保护装置的要求，建 立某款汽车的低速碰撞的有限元模型，分别进行对中和角度的低速碰撞分析，根 据保险杠失效准则，评价了上述两种工况下的碰撞特性，研究了缓冲材料密度、 缓冲材料厚度、横梁材料以及横梁厚度对耐撞性的影响。 在此基础上，根据e u r o n c a p 法规的要求，对该款汽车展开行人腿部撞击保 险杠的模拟分析，阐述了保险杠系统的主要参数对行人腿部保护的影响。分析的 结果表明，满足汽车低速碰撞特性要求的汽车保险杠系统，用于行人腿部分析时 却不能满足行人法规中腿部伤害的限制要求。 为此，本文以仿真结果为依据提出了改进方向，综合考虑低速碰撞和行人保 护两方面性能要求，对保险杠系统进行联合优化设计，分析保险杠参数对低速碰 撞特性以及行人腿部损伤的影响趋势，从而获得同时满足汽车低速碰撞特性以及 行人腿部保护要求的保险杠系统参数的优化组合。然后在各个参数的取值范围内 应用响应面法优化保险杠系统的综合性能，并得到全局范围内的最优化参数组合。 根据最终的验证结果，采用正交设计和响应面法选出保险杠系统最优化参数组合 后，行人腿部保护性能得到提高，并且满足了耐撞性要求，由此证明这两种方法 的可行性，为保险杠的设计开发提供了理论依据和参考。 关键词：前保险杠系统；低速碰撞性能；行人腿部保护；正交设计；响应面 a b s t r ac t t h ea u t o m o b i l eb u m p e rs y s t e mi sas a f e t yd e v i c e ，w h i c ha b s o r b sa n dr e l a x e st h e o u t s i d ei m p u l s e a n dp r o t e c t st h ef r o n tp a r to fc a rb o d y u n d e rt h el o w s p e e dc o l l i s i o n ， t h eb u m p e rs y s t e mc a nr e d u c et h ed e s t r u c t i o nt ot h ea u t o m o b i l eb o d y ，a n dp r o t e c t b o t ha u t o m o b i l ea n dp a s s e n g e r s w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fp e d e s t r i a n p r o t e c t i o nr e q u i r e m e n t s b o t hh o m ea n da b r o a d ，t h es h a p eo ft h e v e h i c l ew i l l i n c r e a s i n g l vt e n d t oc o n s i d e rp e d e s t r i a np r o t e c t i o n w h i l e i n p e d e s t r i a n s t oc a r c o l l i s i o n t h eb u m p e rs y s t e mw h i c hl o c a t e di n f r o n to ft h ec a rb o d yw i l lc o n t a c t d i r e c t l yw i t ht h el e g s ，c a u s i n gd a m a g e t ot h ep e d e s t r i a nl e g s t h e r e f o r e ，p r o t e c t i o no f t h ep e d e s t r i a nl e g sm u s ta l s ob eo n eo ft h ei m p o r t a n tt a r g e t sa se v a l u a t e dt h es a f e t y p e r f o r m a n c eo ft h ef r o n tb u m p e rs y s t e m i nr e c e n ty e a r s ，t h el o w s p e e dc o l l i s i o na n d p e d e s t r i a nl e gp r o t e c t i o na r ei n t e g r a t e di n t ot h eb u m p e rs y s t e m sd e v e l o p m e n td e s i g n c y c l es u c c e s s i v e l y i nd e s i g n i n gt h eb u m p e rs y s t e mc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r i n g t h e l o ws p e e dc o l l i s i o np e r f o r m a n c ea n dt h ep e d e s t r i a nl e gp r o t e c t i o nf u n c t i o nh a sc e r t a i n g u i d i n gs e n s ef o rs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n di m p r o v e m e n to f c a r sc r a s h w o r t h i n e s s f i r s t l v af i n i t e e l e m e n tm o d e lo fac a ru n d e rt h el o w s p e e d c o l l i s i o ni s e s t a b l i s h e di na c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n t so fg b 17 35 4 19 9 8 ，a n dt h es a f e t y p e r f o r m a n c eu n d e rt h el o w s p e e dc o l l i s i o nw i t hc e n t e ra n dc o r n e ri m p a c ti sa n a l y z e d r e s p e c t i v e l y b a s e d o nt h ef a i l u r ec r i t e r i o n o ft h eb u m p e rs y s t e m ，t h ei m p a c t p r o p e r t i e su n d e rt h et w oi m p a c t sa r ee v a l u a t e d ，a n dt h e i n f l u e n c eo ft h em a t e r i a l p r o p e r t ya n dt h i c k n e s so f t h ef o a ma n db u m p e rb e a mo nt h ei m p a c tc r a s h w o r t h i n e s sl s s t u d ie d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fe u r o n c a pr e g u l a t i o n s ，t h ec o l l i s i o n o ft h e f r o n tp a r to ft h ev e h i c l eb u m p e rt ot h ep e d e s t r i a nl e g si ss i m u l a t e d ，a n dt h ei n f l u e n c e o fm a i np a r a m e t e r so ft h eb u m p e rs y s t e mo nt h ep r o t e c t i o no fp e d e s t r i a nl e g s i s a n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tc a rb u m p e rs y s t e mm e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so f t h e a u t o m o t i v el o w s p e e dc o l l i s i o n c a n n o ts a t i s f yt h er e s t r i c t e d h u r tv a l u eo ft h e p e d e s t r i a nl e gr e q u i r e db yt h ee u r o n c a pr e g u l a t i o n b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ei m p r o v e m e n ta n dt h eu n i o no p t i m i z a t i o n d e s ig nt ot h eb u m p e rs y s t e ma r ep r o p o s e db yc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r i n g t h e l o w - s p e e dc o l l i s i o na n dp e d e s t r i a np e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，a n dt h ei n f l u e n c e o ft h e b u m p e rp a r a m e t e r so nt h el o w s p e e dc o l l i s i o na s w e l la st h ep e d e s t r i a nl e gd a m a g e i i i p e d e s t r i a nl e gp r o t e c t i o np e r f o r m a n c e i s i m p r o v e d ，a n d t h ec r a s h w o r t h i n e s s r e q u i r e m e n tw a sm e tb yu s i n gt h eo p t i o n a lp a r a m e t e r so b t a i n e db yo r t h o g o n a ld e s i g n a n dr e s p o n s es u r f a c ea n a l y s i s ，w h i c hi n d i c a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h et w om e t h o d sa n d p r o v i d ev a l u a b l er e f e r e n c et ot h eb u m p e rs y s t e m sd e s i g na n dd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：f r o n tb u m p e rs y s t e m ；l o w s p e e dc o l l i s i o np e r f o r m a n c e ；p e d e s t r i a nl e g s p r o t e c t i o n ；o r t h o g o n a ld e s i g n ；r e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g y i v 1 4 1 本文研究的目的及意义5 1 4 2 本文研究内容6 第2 章碰撞仿真分析的理论基础8 2 1 引言8 2 2 非线性有限元控制方程8 2 3 显式积分算法与时步控制11 2 2 1 显式积分算法的基本方程一1 1 2 2 2l s - d y n a 显式积分算法的时间步长控制1 3 2 4 接触一摩擦算法一15 2 4 1 接触碰撞界面算法15 2 4 2 摩擦力的计算一1 6 2 5 小结17 第3 章基于低速碰撞的保险杠性能分析1 8 3 1 概述1 8 3 2 汽车低速碰撞有限元模型的建立1 8 3 2 1 单元大小及类型选择1 9 3 2 2 沙漏控制一1 9 3 2 3 材料模型2 0 3 2 4 连接方式2 1 v j u h u x 1 l 2 3 3 5 5 一 j v j 基于低速碰撞和行人腿部保护的前保险杠系统研究 3 2 5 接触方式一2 2 3 2 6 边界条件2 3 3 3 基于低速碰撞的保险杠性能评价方法2 3 3 3 1 保险杠横梁的抗撞性能的评价方法2 3 3 3 2 材料失效的判定准则2 5 3 4 低速碰撞仿真结果及其分析2 5 3 一1 碰撞吸能特性分析一2 7 3 4 2 碰撞动力响应特性分析一2 8 3 5 本章小结3 2 第4 章基于行人腿部保护的保险杠性能分析3 3 4 1 概述3 3 4 2 保险杠系统对行人腿部保护的评价指标3 3 4 3 基于行人腿部保护的保险杠系统性能仿真分析一3 4 4 3 1 小腿撞击器建模及有限元验证一3 5 4 3 2 用于腿部保护性能分析的碰撞车辆建模3 9 4 4 腿部碰撞仿真分析结果4 1 4 5 本章小结4 3 第5 章前保险杠系统综合性能的优化分析4 4 5 1 保险杠系统综合性能的正交设计分析4 4 5 1 1 实验参数设定和实验安排一4 6 5 1 2 试验结果分析4 7 5 2 保险杠系统综合性能的响应面优化5 2 5 2 1 响应面分析法5 2 5 2 2 构建响应面模型5 4 5 2 3 保险杠综合性能的响应面优化5 8 5 3 本章小结一5 9 总结与展望一6 0 参考文献6 2 致谢6 5 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文目录) 一6 6 v i 硕十学位论文 插图索引 图1 1 汽车前端的理想变形特性曲线一2 图2 1l a g r a n g i a n 增量法描述物体的运动一9 图2 2 单自由度线性弹簧阻尼系统1 2 图3 1 汽车前端主要结构：1 9 图3 2 汽车前端主要部件的材料曲线2 l 图3 3 整车碰撞有限元模型2 3 图3 4 碰撞器侵入车身的许可位移2 4 图3 5 不同时刻汽车前端模型变形图( 对中碰撞) 2 6 图3 6 不同时刻汽车前端模型位移图( 角度碰撞) 2 6 图3 7 整体能量曲线图一2 7 图3 8 主要部件的吸能曲线图2 7 图3 9 摆锤与车体速度曲线2 8 图3 10 摆锤加速度曲线。2 9 图3 1 1 纵梁碰撞力曲线2 9 图3 1 2 碰撞器侵入位移一3 0 图3 1 3 保险杠横梁的变形量3 0 图3 1 4 保险杠横梁的应力、应变云图( 对中碰撞) 一3 1 图3 15 保险杠横梁的应力、应变变云图( 角度碰撞) 3l 图3 1 6 汽车前纵梁的有效应力、应变云图( 对中碰撞) 3 2 图3 1 7 汽车前纵梁的有效应力、应变云图( 角度碰撞) 3 2 图4 1 国内某款汽车进行的小腿撞击保险杠试验3 3 图4 2 腿部碰撞伤害指标3 4 图4 3 腿部冲击器尺寸结构图一3 5 图4 4 腿部冲击器剖面图一3 6 图4 5 腿部冲击器的有限元模型3 6 图4 6c o n f o r 材料在不同温度、速度下的应力应变曲线3 7 图4 7 静态弯曲验证试验布置及试验验证曲线3 7 图4 8 静态剪切试验3 8 图4 9 腿部冲击器动态碰撞试验结果3 8 图4 1o 保险杠角的定义3 9 图4 1 1 碰撞区域上、下参考线定义4 0 图4 1 2 碰撞区域的确定4 0 v 基于低速碰撞和行人腿部保护的前保险杠系统研究 图4 1 3 腿部冲击器碰撞前保险杠试验4 l 图4 1 4 腿部冲击器撞击保险杠的碰撞历程图一4 2 图4 1 5 不同碰撞点处的腿部碰撞结果曲线4 2 图5 1 保险杠系统最大吸能水平趋势图4 9 图5 2 碰撞器最大侵入量水平趋势图4 9 图5 3 保险杠横梁最大变形量水平趋势图4 9 图5 4 胫骨加速度峰值水平趋势图4 9 图5 5 膝盖弯曲角度峰值水平趋势图5 0 图5 6 膝盖剪切位移峰值水平趋势图5 0 图5 7k = f ( a ，b ，0 ，o ) 的响应面图和等高线 羽( c = m 4 0 0 ，d = 3 5 m m ) 5 6 图5 v = f ( a ，0 ，c ，0 ) 的响应面图和等高线 ( b - - 7 0 m m ，d = 3 5 m m ) 一5 6 图5 9 三f ( a ，0 ，0 ，d ) 的响应面图和等高线图( b = 7 0 m m ，c = m 4 0 0 ) 5 6 图5 10k = f ( 0 ，b ，c ，0 ) 的响应面图和等高线图( a = 3 7 5 9 l ，d = 3 5 m m ) 5 6 图5 1 1e o 。= f ( 0 ，b ，0 ，d ) 的响应面图和等高线图( a = 3 7 5 9 l ，c = m 4 0 0 ) 一5 7 图5 1 2k = f ( 0 ，0 ，c ，d ) 的响应面图和等高线图( a = 3 7 5 9 l ，b = 6 0 m m ) 5 7 v i 硕士学位论文 附表索引 1 我国2 0 0 2 2 0 0 9 年道路交通事故统计1 1 汽车前端主要部件的材料参数2 1 2 主要吸能部件能量及比例2 8 1 腿部碰撞伤害指标极限值3 4 2 小腿损伤指数统计表4 3 1l 9 ( 3 珥) 正交表4 5 2 汽车保险杠参数试验因素水平表4 6 3 基于低速碰撞的汽车保险杠系统参数实验方案及结果一4 7 4 基于行人腿部保护的保险杠参数选取试验方案及结果一4 7 5 试验结果极差分析( 低速碰撞) 4 8 6 试验结果极差分析( 行人腿部保护) 4 8 7 优化前后低速碰撞特性和行人腿部保护性能指标对比5 1 表5 8b o x b e h n k e n 实验因素水平及编码表一5 4 表5 9 响应面分析方案及试验结果5 5 表5 1o 保险杠系统最大吸能的响应面回归模型方差分析一5 6 表5 1 1 碰撞器最大侵入量的响应面回归模型方差分析5 7 表5 1 2 保险杠横梁最大变形的响应面回归模型方差分析一5 8 表5 1 3 胫骨最大加速度的响应面回归模型方差分析5 8 表5 1 4 膝关节最大弯曲角度的响应面回归模型方差分析5 8 表5 15 膝关节最大剪切位移的响应面回归模型方差分析5 8 硕士学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第1 章绪论 近几年来，中国汽车市场迅猛发展，机动车保有量逐年上升，仅2 0 0 9 年上半 年中国汽车总销量就突破了六百万台，增长速度达到17 7 ，一举超过美国成为 全球最大的汽车销售市场。然而随着汽车保有量的持续增加，我国道路交通事故 发生率也居高不下。中国道路交通情况复杂，人、车并行情况多，是世界上典型 的以平路面混合交通为主的国家，道路交通伤害中死亡人数居世界前列，平均每 年车祸事故死亡人数占全世界的2 0 左右，已成为世界上道路交通事故最为严重 的国家，也是死亡人数最多的国家。根据表1 1 我国历年的道路交通事故统计表 i lj ，这几年死于交通事故的人数有所下降，但是仍然在几万人左右，而且交通事 故给经济造成了巨大的损失，因此，加强交通管理，改进汽车结构，提高汽车的 安全性能，降低交通事故的伤亡，是当今汽车行业研究的重要课题。 表1 1 我国2 0 0 2 2 0 0 9 年道路交通事故统计 据相关数据显示，在汽车碰撞事故中，发生正面碰撞的比例约占4 9 ，侧面 碰撞占2 5 ，追尾碰撞占2 2 l 引。可见汽车发生正面碰撞的比例相当高，汽车在 发生正面碰撞时首先接触到汽车的前保险杠系统，因此，汽车保险杠系统在正面 碰撞过程中的保护性能是汽车研发的重点之一。汽车的保险杠系统是正面碰撞时 主要的承载和吸能构件之一，它的主要作用是汽车在低速行驶发生碰撞时，保护 汽车其它零部件及乘员的安全，因此必须具有缓冲、吸能的作用，将碰撞时发生 的能量转化为保险杠的变形能。提高保险杠的吸能能力，可以降低对车体的破坏， 节约维修成本。因此，研究保险杠的碰撞吸能特性，探讨保险杠系统的改进设计， 对于我国汽车安全设计具有重要意义。 皋于低速石4 撞和行人腿部保护的前保险卡r 系统研究 除了满足低速碰撞的要求外，现代保险杠的设计还要考虑行人保护的功能。 据世界卫生组织统计的世界预防道路交通伤害报告显示，在道路事故中，行 人、骑自行车者和摩托车驾驶员是道路交通安全弱势群体，全世界平均每年约有 12 0 万人死于道路交通事故，其中4 6 为步行者、骑自行车者或者两轮机动车使 用者，这一比例在一些低收入和中等收入国家会更高。欧盟的有关分析数据也显 示，在欧盟的道路交通事故中，行人的死亡数据是车内乘员的9 倍，骑车人的死 亡数据是车内乘员的8 倍1 3 j 。而在中国，从1 9 9 8 年开始每年死于交通事故的行人 超过2 万人，约占总交通事故死亡人数的3 0 ，这一现象至今没有得到有效地缓 解。在与行人发生碰撞的时候，首先接触到行人腿部的是汽车前保险杠系统，因 此，保险杠系统对行人腿部碰撞性能产生直接影响，在对保险杠系统设计的时候 尤其要兼顾其对于行人腿部的保护。 1 2 汽车前保险杠系统的研究概述 汽车前保险杠系统是汽车车身的一个重要组成部分，是吸收缓和外界冲击力、 防护车身前后部的安全装置。以往轿车的前保险杠是以金属材料为主，用厚度为 3 毫米以上的钢板冲压成u 形槽钢，表面镀铬处理，与车架纵梁铆接或焊接在一 起，与车身有一段较大的间隙，是附加上去的部件。随后汽车保险杠又出现了由 外板、缓冲材料和横梁三部分组成的保险杠结构。其中，外板和缓冲材料用塑料 制成，横梁是厚度为1 5 毫米左右的冷轧薄板冲压而成的u 形槽，外板和缓冲材 料附着在横梁上，横梁与车架纵梁螺栓连接，可以随时拆卸下来1 。 汽车前保险杠位于汽车前端，要满足汽车前端的设计要求。汽车前端碰撞区 域的设计不仅要尽可能多地吸收撞击能量，其变形形式及变形特性还要满足一定 的碰撞理想特性曲线1 ，如图1 1 所示。 图1 1 汽车前端的理想变形特性曲线 2 硕士学位论文 汽车前端的发动机舱作为溃缩区域被分为三级变形区，其中第1 级变形区位 于发动机舱前部，用于保护行人和降低车辆在低速下碰撞对于车辆的破坏，车辆 的变形以及变形力值都较小；第1 i 级变形区位于发动机舱中部，即相容区，当两 车发生中等速度碰撞时，通过这部分变形区的溃缩最大化吸收和分散能量，最大 限度地降低撞击加速度峰值，变形力值应尽量均匀；第1 i i 级变形区则靠近发动机 舱后部，位于乘员舱之前，用于最大程度的保持乘员舱完整性，也被称为自身保 护区，当两车发生高速碰撞时，为了阻止变形扩展到乘员室，从悬架到车身前围 板之间的变形力值应急剧上升。前保险杠处于第1 变形区，因此降低低速碰撞对 于车辆的破坏和行人保护是主要的作用。本文对汽车前保险杠系统的研究就是从 满足这两方面的性能来考虑的。 1 2 1 基于低速碰撞的汽车前保险杠系统的研究 汽车在发生低速碰撞时，前保险杠系统要能够吸收足够的能量，充分抵御碰 掩的冲击力，保护车体的重要部件不会遭受损伤。目前，低速碰撞试验已成为检 验保险杠系统保护能力的重要手段，汽车研发过程中必做的项目之一，相关的法 规及技术也比较成熟。 针对轿车保险杠系统的法规各国情况稍有不同。美国和加拿大为强制性的法 规，如美国的联邦法规( f m v s sp a r t 5 8 1 ) ，而欧洲等其他国家则属于非强制性的 法规。美国除强制性法规p a r t 5 8 1 外，另有两种非强制性的安全性试验规范 c o n s u m e rt e s t 和i i h s t e s t 。c o n s u m e rt e s t 属于消费者组织的试验规程，其试验测 试的结果在公开出版物上公布。尽管这种试验规范属非强制性的法规但却明显地 影响到消费者的购买意向，更能引起汽车制造商们的重视。 i i h s t e s t 由美国公路安全保险协会( i n s u r a n c ei n s t i t u t ef o rh i g h w a ys a f e t y ) 推 出，属于保险公司方面的试验规范。其试验条件是汽车前、后部分别以8 k m h 的 速度撞墙，及汽车前部以8 k m h 的速度碰撞3 0 。角的斜墙，后部碰撞直径1 7 8 m m 的圆柱子。试验结果同样公布于众。由于这会影响消费者的购买意向，同时还会 影响到汽车保险费数目的变更，因此制造商们对此也有足够的重视。 在德国则有一种撞车修理费用试验规范，即a z t - c r a s h r e p a r a t u r t e s t 。该试 验规范的试验条件是汽车前部以1 5 k m h 的速度撞墙，冲撞部位靠驾驶员一侧， 占车头宽度的4 0 ；冲撞试验车以15 k m h 的速度撞其尾部，冲撞部位占车尾宽 度的4 0 。试验测试的结果提供给保险机构和制造商们参考而不公布于众。 欧洲则制定了车辆前部防护装置法规( e c er 4 2 ) ，我国参照e c e 法规的标准 颁布了国家标准汽车前、后端保护装置，对保险杠的设计提出了相应的要求， 包括对灯具、外装件的保护，外部形状的要求和外部突出物的要求。 1 2 2 基于行人腿部保护的汽车前保险杠系统的研究 3 基于低速碰掩和行人腿部保护的前保险卡i 系统研究 由于行人腿部在人车相撞时首先接触到汽车前保险杠系统，因此，汽车保险 杠系统将对行人腿部产生直接伤害。腿部伤害是汽车撞击行人事故中最常见的伤 害形式，严重的腿部伤害虽不致命，却有可能造成受害者终生残疾或丧失工作能 力。为此，考虑行人腿部保护而进行的保险杠系统研究主要是为了尽量避免保险 杠系统对行人腿部造成严重的伤害。 行人腿部保护属于行人保护的范畴，国外在行人保护方面做了大量的研究工 作，并将研究成果最终体现在法规的制定中。对行人保护方面的研究丌始于本世 纪7 0 年代，19 8 7 年欧盟会员国在欧洲车辆安全促进委员会( e u r o p e a ne n h a n c e d v e h i c l e s a f e t yc o m m i t t e e ，简称e e v c ) 设立了e e v cw g l 0 工作小组，负责研究 有关行人保护的试验方法。该小组利用尸体与混合站立假人进行比对试验，模拟 行人与车体碰撞过程中，行人脊椎骨、颈部的运动模式，进而获得其伤害指数扣j 。 l9 9 4 年，w g l 0 提交了最终报告，报告中提出了部件试验方法，即用部件碰撞器 代替整体行人用于碰撞试验，并提出了实验规范。 2 0 0 3 年1 1 月，欧盟采纳了e e v c 的整套试验方法，并颁布了d i r e c t i v e 2 0 0 3 1 0 2 e c 行人碰撞法规，该法规分两个阶段实施，第一阶段从2 0 0 5 年开始， 第二阶段从2 0 10 年开始。由法规执行多年的实践情况看来，第二阶段的被证明不 可行，于是2 0 0 9 年欧盟推出了新法规r e g u l a t i o n ( e c ) n o 7 8 2 0 0 9 ，对行人保护 法规进行了相应的修改和调整。欧盟新车评估系统e u r o n c a p 在2 0 0 3 年便将行 人保护作为新车星级评定的一项内容，其试验条件比“2 0 0 3 10 2 e c ”更为严格， 是目前最为严格的行人保护体系。 由于全球汽车市场的不断发展，为统一各国行人保护标准技术要求，欧洲经 济委员会( u n i t e dn a t i o n se c o n o m i cc o m m i s s i o nf o re u r o p e ，e c e ) 下的汽车安全工 作组根据现有研究成果开发了有关行人碰撞的汽车安全与环境全球统一标准，即 全球技术规范( g l o b a lt e c h n o l o g yr e g u l a t i o n ，g t r ) ，该规范目前拟定为于2 0 1 3 年开始实施。 近几年，行人保护也开始逐渐得到我国汽车业的重视。我国国家标准化管理 委员会参考全球技术法规g t r 修订了国家标准g b t2 4 5 5 0 2 0 0 9 汽车对行人的 碰撞保护，并于2 0 1 0 年7 月1 日正式实施。该项法规作为汽车安全方面的重要 标准受到了汽车业界的广泛关注，标志着我国开始加大对行人这一交通事故中的 弱势群体的保护。该标准目前并非强制性标准，仍然需要经过不断地验证和完善， 但是将来势必要过渡为强制性标准。 研究汽车前保险杠系统对行人腿部的伤害，并探讨轿车前保险杠系统的改进， 提高其对行人腿部的保护能力是汽车保险杠系统设计的重要部分，对于我国汽车 的安全设计以及在世界汽车行业中的发展均具有重要的现实意义。 4 硕上学位论文 1 3 基于碰撞安全的汽车前保险杠系统设计的研究方法 在汽车保险杠系统的碰撞安全研究中普遍采用的方法有：试验法和计算机仿 真方法。试验法是一种直接而又客观的设计与验证方法。当需要从几种设计方案 中选择一种设计方案，或者对某一设计方案进行改进研究时，通过试验结果的对 比能够直接达到优选方案的目的，而且根据直接测量出来的试验结果，可以评价 保险杠设计方案是否可行。此外，通过多次的试验和对试验结果的观察，可找出 设计中存在的不足或缺陷，从而确定改进的目标或方向。但是汽车碰撞安全性试 验是一种破坏性的试验，每一个产品样件只能试验一次，不论是车辆零部件、车 身结构还是整车，试验一次即失去了再利用的价值，所以碰撞试验是一种昂贵的 试错过程。尽管试验法具有很多优越性，但如果在整个车辆的碰撞安全性设计与 改进研究过程中完全依赖于实验法，不仅需要花费大量的时间，更要付出高昂的 代价。除了试验法之外，计算机仿真分析是普遍用于保险杠系统研究的方法。 计算机仿真常用的方法有多刚体动力学方法和非线性有限元方法。多刚体动 力学方法采用刚体来定义部件，各刚体之间的相互作用通过接触模型来定义，作 用力的大小依据贯穿量和接触特性来计算，可以对大位移系统进行运动分析。多 刚体动力学方法建模简单、计算速度快，在汽车碰撞安全技术研究领域广泛用于 分析人体与车辆各部分之间的作用与动态响应。由于多刚体力学法以刚体来代表 分析和受力对象，所以不能直接用来计算分析车体结构的受撞变形。 有限元法是一种数值分析方法，是2 0 世纪8 0 年代逐步发展和完善起来的技 术，分析和计算都是在计算机上完成，不会损坏实物，大大节省开发成本，并且 能够方便地得到试验结果，因此有限元法在汽车碰撞中的应用越来越广泛。近年 来随着计算机的发展以及现代设计方法在产品开发试验中的应用，计算机仿真技 术在汽车产品开发中的作用越来越重要。欧美国家相继推出了用于碰撞仿真的商 业化软件，例如l s d y n a 、p a m c r a s h 等。虽然有限元法具有强大的优势和功 能，但它不能脱离试验而单独存在。碰撞计算所需要的众多参数，如材料特性、 部件连接特性等，都必须由试验来提供，而且有限元分析过程随分析人员不同而 不同。因此，仿真计算的结果一般需要通过试验加以验证。 1 4 本文的研究内容 1 4 1 本文研究的目的及意义 在实际的汽车碰撞过程中，汽车保险杠系统参数不仅对车体低速碰撞性能有 直接影响，也会对行人腿部损伤有重要影响，对低速碰撞性能高的汽车保险杠系 统不一定对行人腿部的伤害也小。从现有的文献看来，国内外已经进行了大量单 独针对低速碰撞性能或者行人腿部保护作用的保险杠研究。其中，章正伟【7 】建立 基于低速碰撞和行人腿部保护的前保险杠系统研究 保险杠的有限元模型，研究汽车保险杠在低速碰撞下的性能；李晨等博j 研究了国 产某轿车保险杠横梁的碰撞仿真，对保险杠结构进行了修改；李继川等人拶j 从耐 撞性出