（机械制造及其自动化专业论文）面向行人保护的保险杠薄壁填充结构研究.pdf

本学位 授权北京交 提供阅览服 同意学校向 ( 保密 学位论 签字同 中图分类号：u 4 6 3 u d c ：6 2 l 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 面向行人保护的保险杠薄壁填充结构研究 r e s e a r c ho nt h et h i n w a l l e ds t r u c t u r ei nb u m p e rf o rp e d e s t r i a n p r o t e c t i o n 作者姓名：李苏威 导师姓名：赵勇 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 1 8 0 4 职称：副教授 学位级别：硕士 学科专业：机械制造及其自动化研究方向：智能工程与先进设计理论 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 3 11j 致谢 本论文的工作是在我的导师赵勇副教授的悉心指导下完成的，赵勇老师严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在学习上，赵老师经常 找我沟通交流，不断启发创新的意识，对我的科研工作进行指导，并提出了很多 宝贵的意见；在生活上，赵老师也给予我无微不至的关心和照顾。在此向赵勇老 师表示衷心的感谢。 蔡永林副教授和赵建东副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵 意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，张海峰、章湛、张金鹏等同学在研究工作中 给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 李苏威 2 0 1 0 年6 月 ， - ， _ j 中文摘要 摘要：行人在整个交通体系中处于最弱势地位，是交通事故中最容易受到伤害的 人群，数据显示行人在交通事故中的伤亡人数居高不下。目前对行人的保护问题 越来越多地得到了各国政府和汽车制造企业的重视。在人车碰撞中，前保险杠是 与行人发生最初接触的部位，同时也是汽车发生正面碰撞时首要接触和进行吸能 的部位，所以对前保险杠内部填充结构在保护行人及应对正面碰撞方面进行研究 是非常迫切和必要的。 本文指出面向行人保护的保险杠填充结构要求，刚度上应适中，提出设计的 准则为在保护行人的前提下，碰撞过程中的变形吸能值达到最大。首先针对传统 的薄壁管压缩结构进行研究，以截面尺寸为设计变量，根据全面实验设计选取样 本点，分别对各样本模型利用a n s y s l s d y n a 软件进行有限元分析，记录各样本 设计变量对应的变形吸能值和加速度值，利用响应面法分别建立变形吸能值、加 速度值对截面尺寸的近似函数。提出薄壁管碰撞对于行人保护的抗撞性优化定义， 对薄壁管压缩结构的截面尺寸进行优化。由于加速度范围的原因，无法得到优化 结果，意味着传统的薄壁管压缩结构不利于对行人下肢的保护作用。 继而从新的思路，以扩径作为薄壁管的变形方式进行抗撞性研究。由于存在 多个影响因素，首先采用正交实验方法对影响变形吸能及加速度的各因素进行比 较分析，得到薄壁管壁厚和锥块最大外径为影响最大的两个因素。根据对于行人 保护的抗撞性优化定义，对这两个参数进行优化，得到了能够满足行人保护要求 的薄壁管扩径结构参数。 在达到保护行人的目的后，保险杠内部尚有剩余空间，结合薄壁管扩径和压 缩两种结构的特点，提出变刚度结构。此时的最优扩径结构长度上变短，对变刚 度结构前部扩径薄壁管截短的影响进行分析。针对汽车正面碰撞的要求，提出优 化定义，对后端压缩管进行优化设计。得出能够应对汽车正面碰撞的最优后部压 缩管结构尺寸参数。最优前部扩径结构与后部压缩结构结合得到的变刚度结构即 为能在人车碰撞中保护行人及汽车正面碰撞中保护驾乘人员的最优化结构。 根据汽车保险杠结构及变刚度结构的形式，提出保险杠内部填充结构的布置 方案并确定吸能元件的数目。建立行人碰撞保险杠和汽车j 下面碰撞中保险杠的有 限元模型。在法规要求的碰撞速度下，分别对撞击行人及汽车正面碰撞中保险杠 系统的指标进行评价，验证了采用优化填充结构的行人友好保险杠的有效性。 关键词：行人保护；薄壁管；变刚度；保险杠；抗撞性 分类号：u 4 6 3 v i l ， a bs t r a c t a b s t r a c t ：p e d e s t r i a n sa r ei nt h em o s td i s a d v a n t a g e dp o s i t i o ni nt h et r a f f i cs y s t e m ， a n dm e ya r et h em o s tv u l n e r a b l eg r o u p s d a t as h o w st h a tp e d e s t r i a nc a s u a l t i e si nt r a f f i c a c c i d e n t si si nt h eh i g h c u r r e n t l y , p e d e s t r i a np r o t e c t i o nh a v eb e e ng o tm o r ea n dm o r e g o v e r n m e n t sa n d c a rm a n u f a c t u r e r sa t t e n t i o n f r o n tb u m p e ri st h ei n i t i a lc o n t a c t p o s i t i o nw i t ht h ep e d e s t r i a ni na nc o l l i s i o nb e t w e e nc a ra n dp e d e s t r i a n , b u ta l s oi t a b s o r b se n e r g yi n i t i a l l yi nt h ev e h i c l ef r o n t a lc o l l i s i o n t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nt h e i n t e r n a ls t r u c t u r eo ft h ef r o n tb u m p e rf o rb o t he n e r g ya b s o r p t i o ni nf r o n tc o l l i s i o na n d t h ep r o t e c t i o no fp e d e s t r i a n si sv e r yu r g e n ta n dn e c e s s a r y t h es t r u c t u r er e q u i r e m e n to fb u m p e rf o rp e d e s t r i a np r o t e c t i o ni sp o i n t e do u ti nt h i s p a p e r d e s i g ng u i d e l i n ei sp r o p o s e dt h a tt h es t r u c t u r e s h o u l dh a v et h em a x i m u m d e f o r m a t i o ne n e r g ya b s o r p t i o ni np r e m i s eo ft h ep r o t e c t i o no fp e d e s t r i a n f i r s t l y , t h e t r a d i t i o n a l l yc o m p r e s s i n gt h i n - w a l l e dt u b ei ss t u d i e d s e t t i n gs e c t i o ns i z e s a sd e s i g n v a r i a b l e ，s a m p l i n gp o i n t sb e e nc h o s e na c c o r d i n gt oc o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e n t a ld e s i g n ， t h es a m p l em o d e l sa r eo nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sb ya n s y s l s d y n ar e s p e c t i v e l y t h ed e f o r m a t i o ne n e r g ya b s o r p t i o na n da c c e l e r a t i o nv a l u e sc o r r e s p o n d i n gt ot h es a m p l e d e s i g nv a r i a b l e sa r er e c o r d e d t h ef u n c t i o n so fd e f o r m a t i o ne n e r g ya b s o r p t i o na n d a c c e l e r a t i o nv a l u e st ot h es e c t i o ns i z e sa r ec o n s t r u c t e ds e p e r a t e l yu s i n gr e s p o n s es u r f a c e m e t h o d t h eo p t i m i z a t i o n a lc r a s h w o r t h i n e s sd e f i n i t i o no fc o m p r e s s i n gt h i n w a l l e dt u b e f o rp e d e s t r i a np r o t e c t i o ni sp u tf o r w a r d ，a n dt h es e c t i o n a ls i z e sa r eo p t i m i z e d b e c a u s e o ft h es c a l eo f a c c e l e r a t i o n ，c o m p r e s s i n gt h i n - w a l l e dt u b ei sv e r yd i f f i c u l tt oa c h i e v et h e s t a n d a r do f p e d e s t r i a np r o t e c t i o n w i t hn e wr e s e a r c hi d e a s ，t h i n - w a l l e dt u b eo c c u r p l a s t i cd e f o r m a t i o nb ye x p a n d i n g t oa c h i e v et h ep u r p o s eo fe n e r g ya b s o r p t i o n b e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo fn i a n yf a c t o r s ， e a c hf a c t o r sa r ea n a l y s e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a lm e t h o dt og e tt h em o s ti n f l u e n t i a l f a c t o r st ot h ed e f o r m a t i o ne n e r g ya b s o r p t i o na n dt h ea c c e l e r a t i o n , t h ew a l lt h i c k n e s so f t h i n - w a l l e dt u b ea n dt h em a x i m u md i a m e t e ro fc o n eb l o c kb e i n gt h er e s u l t t h et w o f a c t o r s a r eo p t i m i z e dw i t ht h eo p t i m i z a t i o n a lc r a s h w o r t h i n e s sd e f i n i t i o no fe x p a n d i n g t h i n - w a l l e dt u b ef o rp e d e s t r i a np r o t e c t i o n o p t i m i z a t i o n a lp a r a m e t e r so fe x p a n d i n g t h i n w a l l e dt u b em e e t i n gt h es t r u c t u r a lr e q u i r e m e n t sa r eg o t i nt h ed e s t i n a t i o no fp e d e s t r i a np r o t e c t i o n ，t h e r ei ss p a c el e f ti nb u m p e r v a r i a b l e s t i f f n e s ss t r u c t u r ei sp u tf o r w a r dc o m b i n i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so fb o t he x p a n d i n ga n d l j l p a b s t r a c t c o m p r e s s i n gt u b e a tt h i st i m e ，t h eo p t i m a le x p a n d i n gs t r u c t u r eg e ts h o r t e r , s ot h e i n f l u e n c eo ft h et r u n c a t e dt h i n - w a l l e dt u b ei s a n a l y s e d t h eo p t i m i z a t i o n a l c r a s h w o r t h i n e s sd e f i n i t i o no ft h eb a c kc o m p r e s s i n gt h i n - w a l l e dt u b ef o r t h e f r o n t c o l l i s i o ni s p u tf o r w a r d ，a n dt h e s e c t i o n a ls i z e sa r e o p t i m i z e d o p t i m i z a t i o n a l p a r a m e t e r s o ft h eb a c k c o m p r e s s i n g t h i n - w a l l e dt u b e m e e t i n g t h es t r u c t u r a l r e q u i r e m e n t sa r eg e t t h ev a r i a b l es t i f f n e s ss t r u c t u r ec o m b i n e db yt h ef r o n te x p a n d i n g t u b ea n dt h eb a c kc o m p r e s s i n gt u b ei so p t i m i z a t i o n a lf o rb o t hp e d e s t r i a np r o t e c t i o na n d f r o n t a lc o l l i s i o n a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo fb u m p e ra n dv a r i a b l es t i f f n e s st u b e ，t h el a y o u tp l a no f t h ef i l l e ds t r u c t u r ei nt h ei n t e r n a lb u m p e ri sp r o p o s e d ，a n dt h en u m b e ro ft h ea b s o r p t i o n c o m p o n e n t si sd e t e r m i n e d t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l so ft h ep e d e s t r i a n - c a rc o l l i s i o na n d t h ef r o n tc o l l i s i o na r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h e ya r ee v a l u a t e dw i t ht h e i re v a l u a t i n gi n d i c a t o r u n d e rt h ec o l l i s i o n v e l o c i t yb yl a w s t h ep e d e s t r i a n - f r i e n d l yb u m p e ru s i n g t h e o p t i m i z a t i o n a ls t r u c t u r ei sv e r i f i e d 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 ；t h i n w a l l e dt u b e ；v a r i a b l es t i f f n e s s ；b u m p e r ； c r a s h w o r t h i n e s s c l a s s n 0 ：i j 4 6 3 v 1 1 1 l j 目录 中文摘要v a b s t r a c t 。v i i 1 绪论1 1 1 课题研究的背景和意义1 国内外相关领域研究现状2 1 2 1 人车碰撞保护行人的国内外研究现状2 1 2 2 薄壁构件抗撞性的国内外研究现状5 1 3 汽车碰撞研究方法7 1 4 行人安全性评价指标9 1 5 本文主要研究内容1 1 2 抗撞性优化问题的理论基础1 3 2 1 显式有限元算法的基本理论1 3 2 1 1 有限元法简介1 3 2 1 2 物体变形过程描述1 4 2 1 3 沙漏控制l5 2 1 4 接触碰撞算法15 2 2 实验设计1 6 2 2 1 正交实验设计1 6 2 2 2 均匀实验设计l8 2 2 3 全面实验设计1 9 2 3 代理模型近似求解方法。2 0 2 3 1 响应面法2 0 2 3 2 评价标准2l 2 4 非线性优化方法2 2 2 5 本章小结。2 2 3 面向行人保护的金属薄壁管抗撞性研究2 3 3 1 面向行人保护的保险杠抗撞性结构要求一2 3 3 2 材料模型2 4 3 3 薄壁管压缩结构的抗撞性研究2 5 3 3 1 薄壁管压缩分析模型的建立2 5 3 3 2 薄壁管压缩结构的优化设计2 6 3 4 薄壁管扩径结构的抗撞性研究3 l 3 4 1 影响因素分析3 2 3 4 2 薄壁管扩径分析模型的建立3 3 3 4 3 薄壁管扩径结构的优化设计3 5 3 5 保险杠内部变刚度薄壁管的设计。4 2 3 5 1 变刚度结构的意义4 2 3 5 2 变刚度结构分析模型的建立4 2 3 5 3 针对正面碰撞的变刚度吸能优化设计4 6 3 6 本章小结5 l 4 面向行人保护的薄壁管结构在保险杠中的应用5 3 4 1 保险杠系统的分类5 3 4 2 碰撞速度的确定5 4 4 3 保险杠内部填充方案5 4 4 3 1 保险杠内部填充结构布置方案5 4 4 3 2 保险杠内部吸能元件数目的确定5 5 4 4 行人碰撞保险杠的仿真分析5 7 4 5 正面碰撞中保险杠仿真分析5 9 4 6 本章小结6 1 5 总结与展望6 3 5 1 总结6 3 5 2 展望6 4 参考文献6 5 作者简历6 9 独创性声明7 1 学位论文数据集7 3 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 近年来，我国汽车工业蓬勃发展，前不久，中、日、美三国纷纷发布2 0 0 9 年 国内汽车产量数据，中国以1 3 7 9 万辆的产量超越r 本，首次成为全球第一大汽车 生产国。汽车产量的增加是由消费量带动的，我国的个人汽车保有量也是增长迅 速。在汽车数量增多的同时，交通事故频繁发生，造成了巨大的人员及经济损失。 如表1 1 所示为近年来我国道路交通事故统计数据。 表1 12 0 0 0 2 0 0 9 年全国道路交通事故统计数据【1 1 t a b 1 - 1n a t i o n a lr o a dt r a 伍ca c c i d e n t ss t a t i s t i c sf r o m2 0 0 1t o2 0 0 9 事故次数死亡人数受伤人数直接经济损失 年份 ( 次)( 人)( 人)( 万元) 2 0 0 06 1 6 9 7 l8 3 8 5 34 1 8 7 2 12 6 6 8 9 0 2 0 0 l7 5 4 9 1 91 0 5 9 3 05 4 6 4 8 53 0 8 7 8 7 2 0 0 27 7 3 1 3 71 0 9 3 8 15 6 2 0 7 43 3 2 4 3 8 2 0 0 36 6 7 5 0 71 0 4 3 7 24 9 4 1 7 43 3 6 9 1 4 2 0 0 45 6 7 7 5 39 9 2 1 74 5 1 8 1 02 7 7 4 7 8 2 0 0 54 5 0 2 5 49 8 7 3 84 6 9 9 l l1 8 8 4 0 1 2 0 0 63 7 8 7 8 l8 9 4 5 54 3 1 1 3 91 4 8 9 5 6 2 0 0 73 2 7 2 0 9 8 1 6 4 9 3 8 0 4 4 21 1 9 9 0 9 2 0 0 82 6 5 2 0 47 3 4 8 43 0 4 9 1 91 0 1 2 1 3 2 0 0 92 3 8 3 5 16 7 7 5 92 7 5 1 2 59 1 3 7 5 从上表不难发现近几年我国交通事故中的伤亡人数和经济损失都是非常惊人 的，但是也可以看出单项指标有逐年下降的趋势。这说明近来政府及企业对汽车 安全性的立法和研究在日常生活中发挥了作用。 汽车的安全性研究可分为主动安全性和被动安全性两个大类，其中主动安全 性是指汽车避免发生意外事故的能力，主要集中在汽车的操纵性、制动性和可视 性上；被动安全性是指在事故发生的时候，借助车辆结构的坚固设计以及被动安 全性装置，尽可能的减少驾驶员和车上乘员以及车外行人受到伤害的程度，主要 集中在汽车碰撞动力学，人体损伤机理、碰撞实验和由此得出的乘员保护措施和 汽车安全法规。通俗的讲，主动安全性就是指要使汽车在行驶时“有惊无险”；而被 动安全性则要做到汽车发生事故时“车毁人不亡”。由于汽车被动安全性总是与广义 的汽车碰撞事故联系在一起的，故而又称为“汽车碰撞安全性”。并且由于引起事故 发生的因素很多而且复杂，所以根本无法彻底避免事故的发生。在事故发生时， 汽车被动安全性能可以最大限度的减少人员( 乘员和行人) 的伤害。因此，在我 国进行基于行人保护的汽车被动安全性能的研究就显得尤为重要了。 汽车被动安全性的研究项目是围绕对人( 包括车内乘员及车外行人) 的保护进 行的。过去三十年中，各国的立法机构和汽车制造厂在汽车乘员的保护方面已作 了大量工作，使得交通事故中涉及乘客的伤害无论在数量上还是在严重性上都不 断减小。而相比起来，行人保护问题长期以来却一直没得到足够的关注。然而行 人在交通事故中处于弱势地位，是最容易受到伤害的人群。据资料显示，2 0 0 3 年 日本交通事故中行人死亡人数为7 7 0 2 人，美国行人死亡人数为4 7 4 9 人，中国同 年度交通事故死亡人数超过1 0 万人，其中行人2 5 万余人，约占死亡总人数的2 5 纠2 1 。随着近两年汽车保有量的迅速增加，驾驶员素质的参差不齐，以及中国道路 长期存在的混合交通特点，行人在交通事故中的伤亡总数将居高不下，甚至会有 上升的趋势。 虽然2 0 世纪7 0 年代后期己出现对涉及行人的车辆事故的调查研究，但直到 最近才在行人保护方面做了大量努力。欧盟于2 0 0 3 年1 1 月1 7 同制定并发布“欧洲 议会及理事会指令2 0 0 3 1 0 2 l e 卜关于在与机动车辆发生碰撞前和发生碰撞时 对行人和其它易受伤害的道路使用者的保护，并修订理事会指令7 0 1 5 6 e e c ”。在 法规的制约下，以及为了提高产品的竞争力，各大汽车制造商和一些研究机构纷 纷投入专门的技术人员和最先进的计算机设备从事行人保护的实验分析工作。在 这个信息时代，抓住国外行人保护研究起步不久的有利时机，加强对行人保护的 研究，促进我国汽车工业的健康发展。 汽车在发生碰撞时，在极短的时间内将碰撞能量转化为其他形式能量耗散掉， 耗散的形式主要为车身金属结构的塑性大变形。在汽车发生正面碰撞时，为了保 护车内乘员，车体需要有一定的承载能力，需要在一定的碰撞速度下，车体结构 依照人们的意志有序发生塑性变形吸收碰撞能量。保险杠作为车身前部安全防护 的重要部件，是首先发生碰撞和产生变形的地方，研究设计汽车保险杠吸能结构， 有利于车内乘员的安全，能够有效保护汽车主要部件，降低汽车维修成本。在汽 车发生与行人的碰撞事故时，汽车保险杠是首先接触到行人的部位，在行人下肢 与保险杠接触的过程中，二者发生相互作用，保险杠内部填充结构同样影响着行 人的安全。所以对汽车前部保险杠内部填充结构的研究具有重要意义。 1 2 国内外相关领域研究现状 1 2 1人车碰撞保护行人的国内外研究现状 收器，以便减缓冲击并避免腿部弯曲，从而保护下肢。保险杠和进气隔栅的上部 以及发动机罩的底部经过柔化处理，以缓减冲击，从而保护股骨。发动机罩及内 衬的尺寸设计考虑了对头部冲击的减缓作用，并且发动机罩具有主动保护功能， 若与行人发生碰撞，通过感应器该装置能将发动机罩在其铰链处抬起，由此可增 加机罩和机罩内刚性机械零件之间的距离，从而吸收变形的能量并减轻头部与机 罩碰撞的冲击力，进而对头部具有很好的保护作用。 为了很好的分析行人在汽车与行人过程中受到的伤害，评价汽车前部对行人 的保护性能，欧美及日本等汽车工业发达国家在行人碰撞安全性研究领域已经开 展了许多卓有成效的研究工作。研究了人体的碰撞生物力学响应特性及损伤机理， 建立了汽车对行人损伤的实验评价方法及实验准则，开发了行人模型和行人冲击 器模型。 中国目前正在普及汽车正面碰撞安全性法规实验，侧面碰撞法规实验已于 2 0 0 6 年开始实施，这些都将对提高汽车的安全性起到积极的推动作用。在汽车与 行人的碰撞安全性研究方面也已开展了一些前期研究工作，主要体现在对行人与 汽车碰撞的计算机仿真研究及道路交通事故统计分析等方面【5 一】。 目前也展开了一些具体的研究，主要包括： ( 1 ) 在汽车前部加装吸能元件。 在对汽车前部加装吸能元件的研究中，赵立军等人通过在发动机罩板下加装衬 挚的方式，提出了一种能使发动机罩具有减振吸能作用的结构【8 】。王希诚等对发动 机盖进行改进，使用液压装置将发动机盖弹起后对行人的碰撞伤害进行了模拟【9 】。 在其研究过程中使用a d a m s 软件，在仿真过程中将液压装置用弹簧进行模拟。 其研究的主要目的在于验证发动机罩抬起后由于角度变化并使用液压缓冲而对行 人碰撞中的保护效果。没有对发动机罩抬起后的变形吸能进行研究。葛如海、吴 淼等人对汽车发动机罩的铰链进行研究，通过应用剪切销，提出了一种新型压溃 式铰链结构，其横向强度更好，这样避免了发动机罩中的硬点对行人头部撞击的 损害【t o 。 ( 2 ) 改变比较汽车前部结构材料。 在对改变比较汽车前部结构材料的研究中，d o m i n i ks c h w a r z 等人对钢板与铝 板分别对行人头部撞击进行比较研究，得出了铝板比钢板在撞击过程中对行人头 部的撞击有更好保护效果的结论【1 1 1 。葛如海、王广阔等人应用h y p e r m e s h 建立发 动机罩和行人头部的有限元模型，利用l s d y n a 有限元分析软件研究人的头部与 钢质、铝质发动机罩相撞时的动态响应问题。对头模撞击铝质发动机罩与钢质发 动机罩作了比较，得出铝质发动机罩对行人头部具有更好保护效果的结论。并对铝 质发动机罩内、外板的厚度进行改进设计，得到综合轻量化、刚度及安全性3 方面 的要求都比较好的设计方案。最后对铝质发动机罩的内板结构进行拓扑优化设计， 得到了在保证刚度的前提下减重效果最好、具有优异的行人碰撞保护性能的铝质 发动机罩结构【1 2 l 。巴斯夫和d r s a b i n ep h i l l i p p 提出了使用新型塑料零件给行人提 供碰撞保护的思路，开发了名为“保险杠下防撞杆( l b s ) ”的功能性零件，这种零 件由巴斯夫开发的碰撞保护材料u l t r a m i db 3 w g 6c r ( 玻璃纤维增强塑料p a 6 ) 制成。l b s 重量约l k g ，长约1 m ，安装在车前部保险杠下面，可以在车辆与行人 发生碰撞时有效降低膝部严重伤害的风斛d j 。 ( 3 ) 对汽车前部结构的参数影响因素进行分析并做出调整 在对汽车前部结构的参数影响因素进行分析并作出调整的研究中，乔维高等根 据球体与薄板碰撞的力学原理，得到了头部和发动机罩板的微分方程，利用该方 程可以对头部模型与发动机罩撞击中的力学响应进行计算。在研究中利用该方程 对发动机罩板主要参数对头部伤害的影响进行了分析【l4 1 。沈玉婷等分别建立了行 人腿部和用于计算行人碰撞的车辆有限元模型。采用正交设计方法，研究了吸能 泡沫z 向偏置、副保险杠x 向位置、副保险杠厚度和副保险杠强度等参数对行人 腿部伤害的影响。结果表明，4 个参数对胫骨最大加速度与膝盖最大弯曲角影响的 重要程度一致，但影响趋势相反【l 副。 另外，曹立波、廖洪波针对法规的不足，将其他车型的评价标准进行了完善， 指出了e e v c 法规提出的头部模块碰撞试验评价方法对平头微型车无法进行评价。 通过建立行人与轿车及平头微型车的碰撞仿真模型，分析了这两种车型在与行人 碰撞时的运动特性差异，得到了行人与平头微型车碰撞时的头部撞击特点。根据行 人头部碰撞安全性评价需要，提出结合事故统计分析及计算机仿真分析的行人头 部安全性评价方法【i6 1 。曹立波等还对汽车一行人碰撞实验中的使用肢体冲击器与 计算机仿真相结合，使用了对肢体冲击器的计算机仿真模型。通过与行人整体仿 真模型的对比，验证后具有一定的正确性【l 。但是在一些方面还存在许多不足， 4 如不能正确反映胫骨受到的冲击力，关节处的剪切位移过小等。 从国内外研究情况可以看出，目前对保险杠内部填充结构进行行人保护的研 究较少，针对轿车保险杠耐撞性研究和填充结构概念设计的研究较为缺乏。目前 我国市场上的部分汽车使用的还是非吸能式保险杠，这是汽车安全性能的一个重 大隐患；随着我国汽车的普及和人们对安全性关注的提高，吸能式保险杠在汽车 碰撞中的重要性日益提高。这种保险杠能最大限度地保护汽车和行人，起到安全 保护作用。因此，研究和开发面向行人保护的吸能式保险杠结构具有十分广阔的 发展前景。 1 2 2薄壁构件抗撞性的国内外研究现状 金属薄壁管作为一种低成本、高吸能效率的元件，被广泛使用于各种碰撞能 量耗散的场合。随着汽车被动安全及车身轻量化研究的不断发展，车身吸能元件 的大变形吸能特性也越来越受到重视，国内外薄壁构件抗撞性的研究也在不断发 展。 在理论研究方面，y a m a z a k i 和h a n 将薄壁管的优化过程与显式有限元程序结 合在一起，目的使简单管件对碰撞能量的吸收能力达到最大【i 引。m a y e r 等人使用 拓扑优化方法在给定一定结构体积的情况下，使其吸收最大的碰撞能量【1 9 】。 y a m a z a l d 等人对薄壁管结构的抗撞性能最大化技术进行了研究，通过试验建立了 设计空间，利用响应面法构造近似设计模型，并通过一般的数学规划求解该近似 模型1 2 。e b i s u g i 等人提出使所有壳单元的塑性应变值均等化，用来有效减轻结构 重量，并以此作为对薄壁结构进行耐撞性分析的优化方法【2 l 】。 在应用研究方面，广大科研工作者主要集中在薄壁构件的结构类型分析、材 料类型分析、尺寸优化和变形方式的分析上。 ( 1 ) 薄壁构件结构类型分析主要集中在截面形式分析、薄壁构件锥形分析、 损坏诱导形式等方面，目的是通过对不同结构类型的研究，了解各种结构类型的 抗撞性特点。 其中y a m a z a k i 和h a r t 分别对圆形截面管和方形截面管的吸能特性进行了分析 研究，采用响应面法对设计领域中的子问题进行了回归分析和近似表达【2 2 1 。 k u r t a r a n 等人采用响应面近似技术，从内能角度对圆柱截面管进行了抗撞性约束优 化【2 引。r e d h e ，f o r s b e r g 和n i l s s o n 等人采用响应面法、k r i g i n g 代理、空间布点技 术和随即优化方法等分析手段对正方形截面薄壁管进行了抗撞性分析研究【2 4 粕】。 a v a l l e 和c h i a n d u s s i 等人以最大撞击载荷对平均撞击载荷的比值作为优化目标函 数，对锥形的正方形截面薄壁管的抗撞性进行了分析和研究，并与锥形的圆形截 面薄壁管进行了对比【2 7 】。侯淑娟等分别对材料参数、薄壁构件长度对抗撞性的影 响进行了研究【2 8 心9 1 ，并对方锥形薄壁构件及圆锥形薄壁构件进行了以比吸能最大 为目标的尺寸优化【3 0 , 3 1 。郝琪等利用a n s y s l s d y n a 显式有限元方法对矩形、 圆形、帽形、槽框形四种车用薄壁构件进行碰撞仿真，根据其变形模式、冲击力、 速度等特性参数来分析其吸能规律，对四种结构的耐撞性进行了优劣评价【32 | 。杨 艳庆等对表面开矩形孔的薄壁梁进行碰撞吸能研究【33 1 。高广军对圆蜂窝结构、方 蜂窝结构、六边形蜂窝结构三种吸能结构进行了撞击分析，得到了不同吸能结构 在撞击时的吸能模式、比吸能大小及冲击力大小的参数，并作出比较【3 4 1 。万育龙 基于提高结构吸能能力的考虑，提出了几种锥壁组合方形薄壁管和具有引发机制 的直壁组合方形薄壁管结构，对这些结构的吸能能力进行了分析，得出组合薄壁 管结构的吸能能力强于原有方形薄壁管的结论【3 5 1 。 ( 2 ) 对薄壁构件材料类型进行分析，其目的是通过对薄壁构件使用不同材料 类型进行研究，了解各种材料在薄壁构件上的抗撞性特点。 其中z a r e i 和k r o g e r 采用响应面法和d 最优准则和多目标优化技术，对圆形 截面铝管的内能最大化和比吸能最大化为目标进行求解，得到了薄壁铝管的抗撞 性能【3 6 1 。李楠以点焊连接闭口帽形薄壁管为例，选择3 种典型高强钢材料，比较 了不同壁厚材料的轴向冲击性能p 7 。 ( 3 ) 薄壁构件尺寸的分析优化，主要是对薄壁构件的尺寸进行考察，为了达 到某一目标而进行优化。 其中李邦国、陈潇凯等人以金属薄壁管结构的比吸能为优化目标，采用序列 二次规划算法对结构参数进行优化，找到吸能元件的比吸能随钣件长度和厚度而 变化的规律，得到了该薄壁钣件的最优设计参数【3 引。荆友录对矩形薄壁梁横截面 的边长比对轴向撞击耐撞性能的影响进行研究，以吸能能力最大为目标进行优化 【3 9 】。陈仙燕以薄壁管在碰撞过程中比吸能最大化，初始碰撞力峰值最小化为优化 目标，采用理想点法求解多目标优化问题，用锥形部分的几何参数作为设计变量 对锥形薄壁方管为对象进行研刭删。 ( 4 ) 对变形方式的分析即采用其他类型的变形方式，研究薄壁构件的在其他 类型变形方式下的吸能性能。 其中马迅等对几种常用的薄壁截面结构进行弯曲刚度的研究，为薄壁构件的 选型及刚度设计提供了依据【4 1 1 。苏成谦以圆柱薄壁梁横向碰撞为例，研究了薄壁 梁结构界面内力和内力矩的变化、内力功率和能量传递特性能，揭示了薄壁结构 碰撞响应的力学本质【4 引。 根据国内外学者对薄壁管抗撞性能的研究可以看出，研究主要集中在薄壁管 压缩吸能方面，没有对其他形式的变形方式作出考虑。大多研究的约束条件均为 6 尺寸上、形状上、材料上的约束，目标为比吸能的最大化缺乏对其他约束因素 的考虑。由于本文目标为保护行人，所以将考虑其他的薄壁管变形吸能方式，以 及添加碰撞过程中对行人保护的考虑作为约束，从而丰富和发展薄壁构件的抗撞 性仿真研究。 1 3 汽车碰撞研究方法 汽车碰撞研究的方法分为实车试验和计算机仿真。在研究过程中，计算机仿 真方法有着强大的分析和处理能力，在设计过程中更有效率。但是结果的正确与 否和最终的碰撞验证都需要通过实车试验。在现代设计中二者相辅相成，共同完 成汽车碰撞研究的全过程。 1 实车试验 实车试验是最早采用的汽车碰撞研究方法，能够客观地再现汽车碰撞的真实 过程。实车碰撞试验需要使用特定的设施，考虑不同的试验目的，创造不同的试 验条件，能够直接观测测量的结果。但是，实车碰撞是破坏性的试验，样车及部 件只能使用一次，成本较为昂贵，同时由于需要样车进行碰撞试验，从结果的反 馈到下一次试验的进行，中间需要较长的周期来进行数据的分析、处理，模型的 修改、加工，在设计的初期也会造成浪费。 2 计算机仿真 随着计算机技术的不断进步，计算机在汽车碰撞的研究中发挥了越来越大的 作用。对计算机的使用主要通过两种形式，一种为动力学研究，一种为非线性有 限元研究。通过动力学研究可以在较短时间内对刚体大位移进行模拟，能够用来 分析接触力学的问题。其建模简单，运算速度快，缺点在于不能详细反映变形过 程，也不能描述具体的人体与汽车结构。 非线性有限元方法不局限于有限元小变形假设，能够分析结构非线性和材料 非线性问题，可以对汽车进行细致建模，精确分析，可以得到各时间各状态的变 形过程。对于汽车这样的复杂系统而言，非线性有限元分析的速度较慢，耗费时 间较多。 具体到行人安全性研究方面的碰撞研究，主要包括行人碰撞假人试验、人体 肢体模块冲击器碰撞试验和计算机仿真试验三种。 1 利用行人的碰撞假人进行试验研究是行人安全性研究的基本方法。这种方法 能比较全面真实地再现各种碰撞事故，从而获得人体各部位的损伤机理和承受极 限等重要数据。由于该方法实验验证的复杂性和高额代价，以及现有生物力学研 究的制约，使得机械假人的开发进展缓慢，目前各种对碰撞假人的研究仍在进行 7 之中【4 3 舢】。图1 1 所示为j a r i 、g e s a c 、h o n d a 联合开发了物理实验用行人假人 图1 - 1p o l a ri i 行人假人图1 2 实车与行人假人碰撞 f i g 1 1p o l a ri it y p eo f p e d e s t r i a nd u m m yf i g 1 2a c t u a lv e h i c l ec r a s ht e s t sw i ld u m m y 2 利用人体不同部位肢体模块冲击器与汽车前部表面进行碰撞，根据欧洲车辆 安全委员会( e e v c ) 的推荐，该试验方法主要包括：下肢模块和保险杠的碰撞试验， 上肢模块和发动