（车辆工程专业论文）基于行人保护的汽车前部造型设计.pdf

摘要 摘要 本文以常见的家用轿车为研究对象，通过有限元分析，着重研究不同车辆 结构，包括几何尺寸和刚度在人与车的碰撞事故中对行人头部碰撞损伤的影响。 首先简单阐述了头部撞击的生物力学过程以及相关的有限元理论，并根据e e v c 标准建立了头部的有限元模型，应用分析软件l s d y n a 和i d e a s 模拟计算头 部与发动机罩板的碰撞过程与伤害程度。在此过程中以不同车辆结构为研究对 象，阐述其几何尺寸和刚度的变化对行人碰撞损伤的影响，并以仿真结果为依 据提出改进方向。最后提出了轻量化参数l = 1 ( h 一册) ，以此为指标寻求最 优的发动机罩板结构。 关键词：行人保护，头部碰撞，有限元，轻量化 t h i sp a p e rt a k e st h ec o m m o nf a m i l yp a s s e n g e rv e h i c l ea st h er e s e a r c ho b j e c t , t h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，e m p h a t i c a l l ys t u d i e st h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n t v e h i c l e ss t r u c t u r e ，i n c l u d i n gt h e g e o m e t r ya n dt h es t i f f n e s s ，o nt h ep e d e s t r i a nh e a d i m p a c ti n j u r ya n dt h ed e f o r m a t i o no ft h eb o n n e ti nt h ea c c i d e n tb e t w e e np e d e s t r i a n a n dt h ev e h i c l e t h i sp a p e rf i r s ts i m p l ye l a b o r a t e st h eh e a d i m p a c tb i o m e c h a n i c sp r o c e s sa sw e l l a st h ec o r r e l a t i v ef i n i t ee l e m e n tt h e o r y , a n dt h e ne s t a b l i s ht h eh e a df i n i t ee l e m e n t m o d e la c c o r d i n gt ot h ee e v cs t a n d a r d ，a p p t y i n gt h es o f t w a r el s d y n aa n di - d e a st os i m u l a t ea n dc a l c u l a t et h ei m p a c tp r o c c s sa n dt h ei n j u r yb e t w e e nh e a da n d t h eb o n n e t i nt h i sp r o c e s st h ei n f l u e n c eo fv e h i c l es t r u c t u r eo nt h ep e d e s t r i a ni m p a c t d i n j u r ya r es t u d i e di nt w oa s p e c t s ，n a m e l yt h ev a r i a t i o no fg e o m e t r ya n ds t i f f n e s s ， t h e nan e wi m p r o v e m e n tw i l lb ep r o p o s e db a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s f i n a l l ya l e i g h t w e i g h tp a r a m e t e rl = - 1 比_ m i st a k e ni n t oa c c o u n tt os e a r c ha0 l ，t i m a l b o n n e ts t r u c t u r e k e y w o r d ：p e d e s t r i a np r o t e c t s , h e a di m p a c t , f i n i t ee l e m e n t ，l i g h t w e i g h t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 现代汽车的广泛使用在给人们带来便利的同时也带来了灾难。据统计，目 前全世界每年约有5 0 万人死于交通事故，而整个欧洲每年死于交通事故的人数 不少于4 万，其中约有6 0 0 0 人行人，约占总死亡人数的1 6 ( 统计数字来源：i r t a d 2 0 0 0 ) 。正是因为如此，人们才在提高汽车的动力性、操作稳定性、舒适性以及 各种主动安全方面的研究之外，开始致力于研究如何提高汽车碰撞中对乘员和 行人的保护，即汽车的被动安全性问题。 目前在被动安全性方面车内乘员保护系统已经有了很大的进步，各种安全 气囊、安全带越来越广泛的被使用，甚至已经成为人们购车时的重要选择标准。 也有个别汽车为发动机罩板和保险杠设计了安全气囊，如图1 1 就是在发动机罩 板和前挡风玻璃之问安装了安全气囊来减缓头部撞击。但是由于成本限制和其 他因素的制约这种设计还无法广泛使用，所以目前更多的还是研究如何在汽车 本身结构改进和应用新材料方面提高行人的被动安全性。总体来讲，目前提高 被动安全的配置还被局限于保护车内乘员安全，而对于作为弱势群体的行人的 被动安全性却还没有得到应有的重视i ”。 图1 1 发动罩板和挡风玻璃间气囊的应用 根据n h t s a 提供的数据，美国在1 9 9 6 年行人一车辆碰撞统计中，有5 4 的 死者和7 2 的伤者是与轿车相碰撞；行人碰撞数据研究组织p c d s c t h ep e d e s t r i a n l 第1 章绪论 c r a s hd a t as t u d y ) 的分析报告中指出，行人一车辆交通事故中涉及的肇事车辆 有7 1 是轿车【列。交通事故中对人的保护要求做到尽量全面，但还是有主次之分 的，因为人在事故中不同的部位伤害程度也有所不同，所以在研究具体的保护 措施之首先要了解人体的哪些部位经常与汽车发生碰撞、会与汽车的哪些部件 相撞、撞击后产生什么样的伤害程度。 表1 1 表示交通事故中人身体各部位受到伤害的频率，以美国、德国、日本 和澳大利亚四个国家为仞j 【引，可以看到头部和腿部是最常见的受伤害部位，分别 约占总数的1 3 ，而四个国家的情况基本一致。 表1 1 交通事故中人身体各部位受伤频率 勘毋m 蛔 。礴澎?g h 删”量嘲睦。辅蠢蛐舷一硼姐巍磁 d3 三p o算尹。2 8 9 。3 9 3 0 3 14 0 i f a c e3 7 52 2 蔓 37 4 塑。 n e c k0 以i 代4 3 1 _ i4 - o e k 玎9 铲口l l 芦。8 酿01 0 4 l n 3 0 l a b d e m 蛆7 弘。34 04 严4 9 5 妒0 p 幽蠢5 j o 79 。4 带4 9 6 ， a r m s7 鲈8 2 9 7 0& 俨-3 卫 i 雌 3 3 j 3 1p 3 7 2 i 。1 58 3 26 。 t k m m 0o 。o0 o 俨00 0 ，o t i 口i i 一燃，、，r 弱冁*量鼯籀。二船翻秭i *r 口强搋 图1 2 表示各个碰撞部位导致被撞行人死亡的比例，可以看出交通事故中6 2 的行人死亡是由于头部受到碰撞而引起的【4 l ，所以头部的保护被认为是行人一 车辆碰撞保护的最主要的内容。 图1 2 各部位引起死亡的比例图 表1 2 是珊r a 对行人伤害部位与车辆碰撞位置的统计结果嘲，可以看到最常 2 第1 章绪论 见的与头部相碰撞的部位是挡风玻璃，计3 4 4 例，约占统计事故的4 2 ；其次是 发动机罩表面和翼子板，计2 2 3 例，约占统计事故的2 7 ；占第三位的是挡风玻 璃框架和a 柱，计1 6 8 例，约占统计事故的2 0 。而最常见的与膝盖和小腿相碰 撞的部位是前保险杠，约占统计事故的8 1 。 由此可以得到这样的结论，对行人与车辆碰撞中头部保护措施的研究应该 结合挡风玻璃、引擎盖表面、挡风玻璃框架和a 柱来进行；而腿部保护措施的研 究应该结合保险杠来进行。 表1 2i l i a 的行人伤害部位与车辆碰撞位置统计表 - l a _ _ t i - d - _ - o 晦 l _ - d h - t t e h t - - i k f d _ 0 k 蚺t - t 瓷尝= 塞 e 一 行人的头部和腿部是车辆与行人碰撞中最常见的两个部位，因此研究行人 的头部和腿部在不同形式碰撞中的伤害机理、伤害极限、碰撞的机械响应特性 等对生物力学研究都具有重要的意义。 本文以最常见的家用轿车为研究对象分析车辆的不同几何结构对行人碰撞 结果的影响，具有很强的现实指导意义。 1 2 国内外研究现状及分析 1 2 1 行人头部保护研究概况 行人头部保护研究主要有两大手段，即试验研究和仿真研究。在汽车被动 安全研究领域，试验一直是一个重要的手段【6 l l _ 7 l 。用试验的手段研究行人伤害开 始于6 0 年代早期，并于7 0 年代有了集中的发展，当时使用尸体和实际轿车的车 头一起进行了f i i l l s c a l e 。k r i e g e re ta i 【8 】使用尸体和9 5 的假人分别 采用2 4 、3 2 、4 0 k m h 的速度对行人碰撞后的运动学特性进行分析。 3 第1 章绪论 目前很大一部分行人保护研究使用的还是整身的试验模型，由于行人与车 辆碰撞的运动学过程和动态响应非常复杂，所以尽管世界上很多国家都投注人 力和物力研究更切合实际碰撞情况的人体模型，但是到目前为止还没有统一的 人体模型可以完全模拟人体的碰撞动态响应。图1 3 所示为不同研究机构开发的 假人【9 l 。 图1 3 不同研究机构开发的假人 6 0 年代以来，随着个人汽车保有量的增加，汽车交通事故也大大增加。各 项法律法规的出台昭示着社会对对汽车安全性的重视。为了达到各项技术和法 律法规指标，汽车生产厂家和设计者必须通过大量的试验，找出有关结构和零 部件的不足之处并加以改进，使其满足标准要求。这种试验需要花费大量的金 钱和时间，而且试验还受到时间、空间、天气等因素的影响。为了能够解决这 些问题，人们便加速发展了数学模拟计算。现在，试验与计算机模拟互相辅助， 相辅相成，极大的提高了人们工作的能动性和效率。此外，随着其它相关领域 的新技术和新理论的不断发展和完善，特别是大型电子计算机的飞速发展，各 种算法的不断改进，使得实现复杂结构的模拟计算成为可能。现在通常采用非 线性大变形有限元方法研究行人与车辆的碰撞问题；采用多刚体动力学方法研 究撞车时乘员或行人的运动状况。对于汽车的设计和研究来说，建立数学模拟 计算模型有极大的实用价值：良好的模型可以有效的提供模拟计算结果，可以 为车辆的初始设计及改进设计提供依据。研究者和设计师们也致力于研究新的 计算方法，尽可能完善地模拟真实碰撞事故发生时结构和部件的变形状态和强 度，以及此时车内乘员和车外行人的运动状态与可能的接触特性。 针对行人头部保护还专门提出了几种评价指标，最常见的是m s ( a b b r e v i a t e dl n j u r ys e r e ) 、h i c ( h e a di n j u r yc f i t e r i o n ) 和m c ( d ) 。r i i c 和 h i c ( d ) 具有相同的性质，只是使用场合有所区别：如果使用的是假人，在计 4 第1 章绪论 算的时候可以直接使用h i c 值来评价头部的伤害程度；如果使用的只是单独的头 部模型，则最好使用h i c ( d ) 值来评价伤害程度，h i c 值和h i c ( d ) 之间具有 如下的关系，h i c ( d ) = 1 6 6 4 + 0 7 5 4 6 6 ( h i c ) t 圳。 虽然a i s 也能够反映人体受伤害的程度，但是因为它缺乏量化的描述，在 评价头部损伤标准时更多的还是使用i - h c 值。按照测试标准，头部碰撞产生的 h 1 c 值不应该超过1 0 0 0 ，即m c ( d ) = 1 6 6 4 + 0 7 5 4 6 6 1 0 0 0 9 2 1 。 众多的研究者以 i 】【c 值作为伤害评价指标对行人头部损伤进行了研究。在试 验方面，m a r t i ne r l m a n n ! “】介绍了模拟行人头部撞击的撞击器模型以及测试装 置，并对整个试验程序进行了简单的介绍；酬im i z u n 0 1 1 2 1 从实际交通事故的统 计资料出发，讨论了头部撞击位置和损伤之间的关系，并依据行人头部撞击试 验的数据，得到头部与发动机罩、前挡风玻璃以及它们的边缘碰撞时的h i c 值， 对头部撞击损伤程度进行了具体的描述。t h o m a s f 1 1 3 1 和m i l l o n i s 1 1 4 l 具体的分析 了行人头部和发动机罩中央部位的碰撞试验过程，并根据1 2 种样车的试验结果 分析得到了发动机罩板对头部撞击的m c 值。 在模拟仿真方面，k a n g 和h s t ”】等人在其文章中介绍t u n i v e r s i t yl o u i s p a s t e u r ( u l p ) 模型，这一早期的模型采用闭合的刚体模拟人的头骨，在仿真计 算时采用六种不同的速度进行研究。研究发现，加速度的仿真结果和试验结果 高度吻合，但是在脑颅压力的仿真和试验结果存在较大的差异。作者同时指出， 截至当时的研究时间只有s r u a n 和z h o u 的头部模型是通过了实验数据验证的。 s r u a n 1 6 1 和k a z u n a r iu 1 1 7 1 介绍了有限元方法建立头部的分析模型，得到脑 的应力和压力分布，并对人体各部位的伤害机理、伤害极限以及人体各部位对 碰撞载荷的机械响应特性进行了细致的研究。 奥迪公司的b e m dm l e k u s c h 和l s d y n a 公司的f r a n zr o t h 1 s l 在专门研究用 i s - d y n a 和m a d y m o 软件仿真的报告中分别采用6 岁的儿童假人和5 的女性 假人在四个不同的碰撞点处进行碰撞仿真，得到不同的加速度历程和相应的h i c 值，得出头部撞击位置和损伤之间的关系。 柏林工业大学的r f r 6 m i n g ，m k i i h n 和v s c h i n d l e r 1 9 1 模拟计算了六种不同 速度下头部与发动机碰撞的加速度历程，文中指出随着速度的增加，行人头部 受伤害的危险性也增加。 a t s u h i r o 加j 和y a s u k i 2 1 j 分别作了头部撞击发动机的有限元数值仿真，并同时 5 第1 章绪论 与试验结果进行了对比。 o a n as c h f i s z l e r l 2 2 1 在m a d y m o 和s i m p a c k 平台下同样运用多刚体动力学的 方法建立了行人的整身碰撞模型，并且以实际发生的行人车辆事故为例采用完 整的车辆和行人参数计算了行人碰撞的角加速度历程、力变形、接触力时间以 及速度时间之间的关系曲线。 过去几十年国外对行人碰撞损伤的研究主要集中在对损伤机理的理解并发 现引起损伤的相关因素的研究。今后的研究重点将会转为解决实际问题，其目 标是着眼于车体结构的设计以减轻事故中行人受损伤程度。 目前，对行人保护的研究可以归纳为下面的三个方面： ( 1 ) 行人事故数据的研究。研究行人事故数据可以收集现有汽车对行人伤害 方面的信息，为现有车辆的改进提供依据，同时也可以为将来的汽车设计提供 部分指导方向； ( 2 ) 行人事故的再现。用试验手段研究汽车与假人或尸体的碰撞，分析行人 在碰撞过程中的运动响应，为接下来的仿真计算提供依据； ( 3 ) 碰撞的有限元数值仿真。 本文在研究车体结构对行人损伤影响问题时，基本采用了上述的研究思路， 首先采用数学模型方法和有限元法，分析行人头部与发动机罩板相撞过程中的 动态响应。分析车身结构参数对头部的动力学响应；建立头部与发动机罩板接 触撞击的数学模型，研究人车相撞过程中，头部所受到的撞击载荷，撞击损伤 以及汽车结构参数对头部损伤的影响；在此基础上确定如何从车辆角度进行外 形结构或材料的优化，从而达到保护行人的目的，这对于我国汽车的安全设计 和人的和谐发展具有重要现实意义 1 2 2 接触碰撞理论研究概述 接触问题源于固体力学，在机械工程中有着广泛的应用，其本身具有极大 的非线性行为。接触问题的处理非常麻烦，算法复杂且耗时惊人，所以为了能 够提高计算的精度和效率，首先必须理解接触问题的特性并建立合理的模型。 物体碰撞接触响应特性的表示方法很多，例如有力一变形曲线，或力、变形、 加速度的时间历程等。准确的响应曲线是计算各种伤害指标的基础。研究人体 与汽车的撞击损伤，首先是研究它们之间的碰撞响应特性，这是典型的撞击接 6 第1 章绪论 触问题。物体间的撞击是工程技术中的一个重要研究课题，也是力学分析中的 难点之一。 由于接触问题处理起来非常复杂，所以关于这方面的理论研究进展比较缓 慢，很久以来h e r t z 理论几乎是解决接触问题的唯一途径。但是近年来计算机及 数值分析技术的出现使得这一问题的研究有了迅速的发展。目前接触问题主要 采用有限元法、边界元法等数值解法。 在弹性撞击中，最常用到的是= h e r t z 撞击理论。h e r t z 接触定律认为钢球与 弹性薄板的撞击接触力为： f ( t ) - j 0 6 2 ( 3 - - 1 ) 式中，6 一压入位移，6 = h 一； h 一撞击物的位移； 一钢球撞击长为a 宽为b 的矩形简支板中心时板的横向位移； k 一计算系数，该系数依赖于板与球的材料和几何形状，k 一磊豪耸妨 m - 去；蠢，静鼍字d f 叫一扣雠一f 渺 ( 3 2 ) ( 3 3 ) m o o ne1 2 3 】将h e r t z 撞击理论引申到各向异性体。此后，研究者们大多采用复 合材料来研究验证撞击理论o g o l d s m i t hw 等人口j 采用变形协调关系a - - n w 作为基本方程来研究梁和板 的撞击问题，其中a 为压痕，u 是撞击物的位移，w 是受撞结构的位移或挠度。可 以看出a ，i 1 ，w 都是接触力的函数，要确定这个撞击接触力，则应从关系式a - - u w 中解出。但是如何确定受撞区局部的力痕关系式却是解决问题的关键点，同时 也是难点。目前大多数的分析都是以准静态试验的结果作为基础的。g o l d s m i t hw 等研究者采用拟静态h e r t z 公式，通过动量原理，得到撞击力和撞击时间的下列 表达式： f - 严咖警 仁 第1 章绪论 f 半售5 - 1 m v 0 2 j 1 4 丘 l 式中，口。一最大的接近值； m 球体质量： k - 材料和几何形状确定的参数。 j a e s e u n gc h e o n 等人【2 5 】研究了钢球和s m c 材料的接触力一压痕关系，各 参数同样也是由静力压痕试验来确定的。在静力压痕试验中，加载曲线基本上 是符合h e r t z 定律，但是在卸载过程中，卸载曲线与加载曲线之间的误差比较大。 c t s 岫等人闭采用口一一矽碍，冬，f ) 作为基本方程对纤维增强板与小球 之间的撞击力预测进行了比较系统的研究， 式中，a 一压入位移； 一弹丸的位移； 形碍，要，f ) 一受撞板中点的位移 最后的积分方程形式为： 毒声- v ，一爿，。x f f 胁一面4 蠢。耋匀f ( o s i n o f 用数值方法解此方程可以得到力变化曲线。 此后他们开发了新的撞击力计算方法并取得了较好的结果计算仍然以 口一w 0 一矿，导，f ) 作为基本方程。压入位移与力的关系通过静态压入试验得到， 计算方法采用有限元方法，在计算时不仅考虑到了板层的正交分布问题，同时 还将层板组分、辅层方向等都予以考虑，此种计算方法使复杂的撞击力的预报 成为可能。 l i n 和l 肌f 2 7 】采用静力压痕代替经典赫兹定律研究了复合材料板和壳的撞击 问题。k n s h i c a k u m a 掣冽采用一阶剪切变形理论与经典赫兹接触理论相结合 研究了复合材料层板的撞击问题。 k e e r ( 1 9 8 4 ) 2 9 1 研究了非赫兹接触撞击，这种处理方法的特点是将结构的整体 8 第1 章绪论 变形和接触区的局部变形结合相起来，有效地预测了各向同性梁和板的撞击响 应。 s h i c a k u m a r p q 将复合材料板简化为己知刚度的弹簧系统来预测复合材料板 被小球碰撞产生的撞击压力及其时间历程。 从上面的总结中可以看出，通过准静态试验确定静凹痕定律来模拟低速撞 击的接触响应是接触中极为常用的一种研究手段。但静凹痕定律中许多参数都 依赖于两个撞击物的材料、几何形状等因素，在实际的试验中并不容易得到具 有共性的结果。文献1 3 1 j 仍然以h e r t z 接触理论为基础，根据被撞击物体的动态响 应方程，推导出撞击力f m 的非线性v a l e r i e 积分方程，使撞击力的预测有了一个 具有共性的关系式。该方法弥补了准静态试验确定静凹痕的不足，本文采用的 就是这种预测方法。 1 2 3 行人保护测试标准概述 为了更好的保护行人，欧洲、美国、日本等汽车发达国家一直致力于发展 行人保护测试方法。1 9 9 0 年，在e c ( 欧洲委员会) 的委托下，一系列欧洲汽车安全 机构产生了，这些机构开发了一套精确的、可重复的行人撞击试验程序，用来 模拟典型的行人一车辆碰撞事故【3 2 1 。1 0 年前欧洲车辆安全促进委员会e e v c ( e u r o p e a ne n h a n c e dv e h i c l e s a f e t y c o m m i t t c e ) 向欧盟提交了有关“行人撞击测 试”的报告，建议制定一种撞击测试的方法，用于评估交通事故中车辆对行人 的伤害性。下面介绍几个常见的行人碰撞测试机构及相应的测试方法。 1 、e e v c 测试方法1 3 3 】 e e v c 是较早的从事行人碰撞研究的组织，该组织提出了各种测试方法，并 与1 9 8 7 年春建立了e e v c 行人保护第十工作组( e e v cw g l 0 ) ，这个工作组的任 务就是确定测试方法以及行人与汽车前部相撞时被保护的接受程度。之后成立 的e e v cw g l 7 的主要任务是在e e v cw g l 0 测试方法的基础上，以事故数据、 生物力学的发展和测试结果为依据予以调整，e e v cw g l 7 基于子系统的测试， 主要包括保险杠、发动机罩板引边和发动机罩板上表面。测试方法要求能够评 价汽车各部分的结构，e e v c 子系统的测试部位和测试用的撞击器的结构如图1 4 所示。 9 第1 章绪论 图1 4 既删撞测试子系统 2 、i s o 测试方法田l i s o 在1 9 8 7 年建立了行人保护工作组( i s o ，r c 2 2 s c l 0 w g 2 ) ，专门从事成人 腿部碰撞研究和儿童成人头部碰撞研究。它提供的测试方法与e e v c 相同，也是 子系统测试的方法，i s o 和e e v c 的研究辅助手段基本相同，但是研究结果有几点 不同：i s o t c 2 2 s c l o w g 2 采用的头部撞击测试采用的是自由飞行的头部撞击模 型，其头部质量与人头部实际质量相符：因此i s o 成人头部模型的质量为4 5 k g ， 与e e v c 要求的4 8 k g 有所差距，原因是e e v c 同时还考虑了颈部的质量。 i s o 和e e v c 的计算机模拟结果表明，行人头部碰撞情况很明显受到车辆外形 和刚度等条件的影响。 3 、假人测试方法p 3 l 采用子系统测试方法，能够使用特定的撞击器与特定的车辆部位发生碰撞， 从而直接得到某一特定车辆的碰撞表现，既简便又有目的性，但是想通过这种测 试方法得到行人整个身体反应的变化几乎是不可能的，也许腿部与保险杠之间 的碰撞会影响到身体的其他部位与车辆的其他部件之间的碰撞结果，因此整体 假人的发展是必不可少的。目前用于试验的假人包括混合假人i i 号和i i i 号，旋 转对称假人( r s p d ) 等。然而他们产生的运动学特性却不同于p 姗s 测试结果。 目前，一个名为p o l a r 的假人被g e s c ，h o n d a r & d 和j a r i 开发出来，第一版本的 p o l a ri 是在n h t s a 正面假人t h o r 的基础上修正过来的，这种修正主要是为了得 到更准确的侧面碰撞运动学响应。现在最新版本的假入是p o l a ri i 。它具有与人 类组织极为相近的膝盖和胫骨，并且有适应性良好的肩膀。 1 0 第1 章绪论 4 、i h r a - p s i 作组测试方法唧 i h r a 成立之初就责成生物力学工作组开发更加合理的假人模型。但是，这 个工作组成员认为开发这种模型的可能性非常低，因为它需要耗费大量的时间 和金钱。同时，行人假人模型在行人保护测试中也存在着很多不足之处，其中 最明显的是，在实际测试中必须找到一系列的、不同规格的假人才能够再现实 际碰撞情况中的行人的身高等情况。因为假人的身高需要覆盖儿童到极高的成 年人的整个范围，因此这个工作组最终采用的仍然是与i s o t c 2 2 s c l o w g 2 和 e e v cw g l 7 相同的子系统试验方法。 图1 5 所示为i h r a 、i s o 和e e v c 关于头部撞击模型的比较。 缫露缫麟缨露嚣黢黪霪馨鬻陵 嬲嚣燃 i a 训 j - _ l i “ h”ku m _ - 艄o 埘叮一 q 0 l fn o 嘞啕一 重口- b i 瞄0 奄弼l _ 蕾 埘i 一 柚_ 姻p - k 面t 4 _ 母 d - 一口山 _ h 勇毋 坤 啊口t _ _ 姗柚瑚l 哪知- 1 4 _ d - z -缸6 - 自 h u 咖冠舡k 删月； d k l 神 o h贰 h i a j 疆n 5 n “mm( 圳l o p - f _ m l 口t l bu 虹”b l _ t 一l - 蛐葛d - -悃回o 伪荐州跚呼 - d ：i _ d 柚 _ 由目h _ 嗽一 扣h 矗 _ - - 岫“岫；_ 日 i _ 正蕾q 由 i d 嵇 霸。 蛔 咖0 l ， l 蛳b n l 翔d ，- l 。瑚3 种 t _ h 州_ 铡i 五_ - z _e 蕾i 由 h d b d 御h 霸d r l l a o 由- 腻 卸e u 卸c u ( i _ 蛳m自晴 - 鸯姗 。= t 吐j _ h b t - 山t _ 口l i t 图1 5i h p a 、i s o 棚c 关于头部撞击模型的比较 1 3 本文主要工作 本文以常见的家用轿车为研究对象，整体的阐述如何设计合理的汽车车头， 并以行人头部与发动机罩板的碰撞为例，通过有限元理论和仿真分析，着重研 究不同车辆结构对行人头部碰撞损伤的影响，这里对车辆结构的影响分作两个 1 1 第1 章绪论 方面，即几何尺寸和刚度变化的影响，在探讨刚度影响时主要研究不同的材料 及罩板内部不同结构对行人头部碰撞的影响，这里以轻量化指标作为所使用的 不同材料的衡量标准，力求设计出满足行人保护要求的发动机罩板，主要工作 如下： ( 1 ) 第二章以整个车头为研究对象，详细阐述整个车头的设计要求，其中包 括保险杠、发动机罩板引边、发动机罩和前挡风玻璃的整体设计理念。 ( 2 ) 第三章简单介绍有限元理论，重点根据h e r t z 的球与薄板接触分析理论 建立撞击模型。 ( 3 ) 第四章根据e e v c 的撞击试验模型要求，在l s - d y n a 平台下建立头部与发 动机罩板的碰撞模型。 ( 4 ) 第五章利用建立的模型，具体分析不同情况下行人头部碰撞后的损伤， 以及不同形式的发动机罩板对头部损伤的影响。以分析结果为依据，提出有利 于行人保护的车头设计思路。 ( 5 ) 第六章在有限元分析软件i - d e a s 平台下做发动机罩板内外结构的静 力学分析，阐述罩板不同的刚度对行人碰撞的影响，并提出轻量化参数l = i ( 球辨) ，以此为指标寻求最优的发动机罩板结构。 ( 6 ) 第七章系统总结本文的研究工作及成果。 第2 章汽车前部的整体设计 2 1 引言 第2 章汽车前部的整体设计 现代汽车从应用功能上来讲可以划分出不同的种类，不同种类的汽车在外 形上也各不相同，比如一般的两厢、三厢轿车保险杠安装的较低，且多为集成 式，并不过分突出，发动机罩板前端过渡的也很平滑；对比来讲s u v 具有更加突 出的保险杠，发动机罩板前端与冷却栅格的过渡角甚至几乎达到直角；而单厢 车的发动机罩板倾斜角比起上述的两款车型都要大很多。这些外形上面的因素 在实际碰撞中对行人的安全性具有至关重要的影响。本文就选取最常见的家用 轿车作为研究对象探索如何设计出更具有行人保护潜力的汽车车头。 2 2 行人碰撞安全主要影响因素 为了说明行人被撞后被动安全性的影响因素，首先要清楚行人与车辆碰撞 的动态过程。如图2 1 所示，这个动态过程可以分做三个阶段，每一阶段中有不 同的碰撞行0 4 1 。 匡猫e 澍巨i i 科婚毋一 一忡”i 一竺兰 i 脚 一i 图2 1 行人一轿车碰撞过程 接触阶段 行人与轿车的初次碰撞开始于轿车的前保险杠处，该处的接触力同时引起行 人的平移和转动，碰撞点与行人重心之间的距离越远，则产生的旋转运动越大， 在动量矩的作用下行人的胸部和头部撞击在发动机罩板、前挡风玻璃边框、挡 风玻璃或车顶上，这一阶段的碰撞称为初次碰撞。 1 3 第2 章汽车前部的整体设计 飞出阶段 在接触阶段由于车辆给了行人一个加速度，行人随之进入了飞出阶段，如果 碰撞速度很高或者车辆未经刹车，行人极有可能被压入车底，飞出阶段过后行 人跌落在车道上，称为二次碰撞，如果在二次碰撞后行人还与道路旁的其他障 碍物发生碰撞，则称之为第三方碰撞。 滑落阶段 这一阶段是指行人从跌落至路面开始，直至静止于路面的过程。 行人碰撞安全性的主要影响因素可以分做以下几个方面，即行人自身的因 素、车辆侧因素和道路交通设施的因素。从行人自身方面来讲，包括行人的身 高、体重、行走方式和行走速度等要素；道路交通设施对行人的碰撞安全性也 有一定的影响，例如路边的台阶很可能是行人头部致伤的障碍。 在碰撞中对行人安全影响最大的车辆自身方面的因素包括车辆的质量、外部 的几何形状和车身的刚度。l e f l e r 和g a b l e r 3 5 1 认为不同的汽车质量并非是对行 人的碰撞安全影响最大的因素，起主导作用的应该是车辆外部的几何形状。他 们在文章中曾经引用了w o o d ，d p 的研究成果来说明这个结论。 假设有质量为m m 的轿车与质量为m 一的静止不动的行人以速度、7 0 相碰 撞，假设在碰撞位置处他们具有相同的碰撞速度，行人的旋转半径为k ，行人重 心( c g ) 与发动机罩板前端的垂直高度差为h ，初次碰撞( 即行人腿部与保险杠 之间的碰撞) 后行人重心的速度为i 蚓： ，2 啊，眩瓦希，再瓦儿 _ 1 ，啊一。晒瓦= 干瓦丁瓦，“ u1 对于成年人，假设其体重“一= 7 5 k g ，身高l = 1 7 5 c m ，旋转半径和重心高 度与整体身高l 具有这样的关系【3 7 l ： k = o 2 3 l k 2 0 5 7 l 由此计算可知k = o 4 m ，而h 。= 1 o m ，为了独立的比较质量的影响，这里忽略了轿 车和s u v 在外形上的不同，而假设行人的重心( c g ) 与发动机罩板引边的垂直高 度差h = o 1 5 m ，令轿车和s u v 的平均质量分别为1 2 7 5 和1 6 2 5 k g i 圳，公式2 1 说明， 对于与轿车的碰撞，初次碰撞后行人重心速度相当于行人一轿车碰撞速度的8 3 ，而对于与s u v 的碰撞，初次碰撞后行人重心速度相当于行人- - s u v 碰撞速度 的8 4 。很明显，如果只考虑轿车和s u v 在质量上的不同，那么这在初次碰撞的 1 4 第2 章汽车前部的整体设计 动力传递上完全是可以被忽略的因素。m i z u n oa n dk a j z e r 在对日本的实碰数据 进行研究后也得到了相似的结论l 叫。 欧洲交通安全委员会在其行人一车辆碰撞安全方面将焦点集中于两个方 面，其一是降低车身的刚度，其二是为保险杠、发动机罩板前端和发动机罩板 表面提供足够的变形空间，由此可见车辆的外部几何形状的确是影响行人安全 的根本因素1 4 0 j 。 2 3 基于行人被撞安全保护的车头设计规范 如上所述影响行人碰撞安全的车辆侧因素主要集中在车头的外部几何要素 和各部分的刚度，所以本文以车头形状对行人的碰撞安全性的影响为研究内容， 重点阐述车头形状的影响结果以及改变的趋势。 目前国际上根据惯例可以将载人轿车分傲如下图2 2 所示的六大类 1 4 1 】，图2 2 大致描述了不同款车型的外形特点，而具体的车头几何参数在 图2 3 中列出。 图2 2 轿车分类图 1 5 第2 章汽车前部的整体设计 r o d 删e 2 i r 一 n 罩板倾角 n 挡风璃硝帽角 n 车身高度 i i ci t r i m l 挡风玻璃苜角矗度 i ；1 1 1 1 1 l 罩板前角高廑 h i i l 保险杠内角高度 h _i m m j 保险杠前角高度 i k i m m l 毋睑扛宽度 1 | i m m 】 r 4 v e r s a l z g e f l 口s e e v gd |1 1 1 1 1 1 1 j 保险杠鹾库i 。 i m m l 罩板长度 k i m m l 车失长度kl m m ! 车粤张与挡风玻璃长之和 ki m m 】 疆盖长度l州 i m m l 妊长度2 鸣 i , m l 盖长廑3- d 量 i m m 】 图2 3 轿车车头几何参数 h p p 7 6 b 而除了外形之外，车身的挠性也是影响人车碰撞安全性的一个重要因素。 轿车车身的挠性是由其各个部位的刚度决定的，图2 4 中用三角号标出的部位就 是影响车身挠性的各个部件。 车项 图2 4 对车身挠性产生影响的各个部件 车头的造型和各部件的刚度是影响人车相撞中行人被动安全性的主要方 面，而这两个方面之间又是互相联系的，车头造型的改变可能会改变其相关部 件的刚度，因而在汽车的设计中要综合考虑这两方面的因素，使之达到最合理 1 6 第2 章汽车前部的整体设计 的匹配。 车头重要的部件包括保险杠、发动机罩板、发动机罩板引边和前挡风玻璃 四个部分。下面就这四个部件的设计规范做一总结。 2 3 1 保险杠 保险杠是大多数行人与汽车碰撞的第一个接触位置，保险杠的设计必须要 对行人保护有利，因为它对碰撞中的后续运动方式和碰撞结果起到决定性的作 用，保险杠的设计可以遵循下面的设计规范。 2 3 1 1 外形 根据h o e 8 4 ，g r 0 8 9 b 的规定，为了减少伤害，保险杠前端角的高度应该介于 2 5 0 - - 3 5 0 m m 之问，而根据f i d v s s 2 1 5 的规定，这个值已经调整为4 0 6 - - 5 0 8 r a m 。如 果保险杠安装过低，那么人车相撞时碰撞点与行人重心之间的高度差就会相应 的增加，从而就会引起很高的动量矩和很高的头部撞击速度；反过来讲，如果 保险杠安装的太高，那么会引起更为严重的膝盖伤害。 保险杠与人腿的接触面宽度值应该有1 0 0 硼n 或者更多，这样力的传递面就会 变大，而单位面积的压力也会变小。但是有时因为在保险杠区域需要为发动机 冷却器散热而开孔，所以这个条件也许并不能实现。这时最好将保险杠和前端 扰流板做成一体，这样行人的总体负荷就会降低。根据h o b 8 5 ，成年行人的受力 载荷在保险杠和前扰流板的分配为6 0 ：4 0 ，而且这两个部件的表面要求尽量平 直。 保险杠与发动机罩板前端倾角也有自己的设计规范，根据n n 8 2 的要求， 这个角度应该小于舳。，这个角度引起的行人向车辆的伏倒动作和之后的头部碰 撞比起陡峭的车头更加利于行人保护。 2 3 1 2 刚度 行人的生物机械极限值决定了车身的动态刚度以及保险杠的挠性，对于保 险杠和大腿的碰撞，其限定值为4 0 0 0 1 0 0 0 0 n ，而对于保险杠和小腿的碰撞其 极限值为4 0 0 0 n ，为了保证这些极限值，可以通过在保险杠加上缓冲材料来实现。 1 7 第2 章汽车前部的整体设计 根据a p p 7 6 b ，在保险杠上装入缓冲材料可以通过两种不同的类型来实现。 这种变体都是聚氨酯材料，其一是符合塑性变形曲线的聚氮酯泡沫( 压缩型) ， 其二是具有弹性变形特性的微细胞聚氨酯弹性塑料( 弯扭型) 。图2 5 就是其中 的一个实例。另外可用的变形空问也是车身刚度的一个重要的评价标准，研究 表明，为了能够明显降低行人腿部的加速度，需要预留1 5 0 m m 的变形空间，而保 险杠本身并不能独立的提供这么多的变形空间，可以通过将由保险杠、散热栅 格和罩板引边组成的车头前部集成一体来提供这个较大的变形空问。 图2 5u n i e a r1 9 8 1 2 3 2 发动机罩引边 发动机罩板引边的设计目前更多的还是考虑到空气动力学的因素以及各个 厂家现有的模型系列来设计，从行人碰撞保护角度来讲对发动机罩板引边的设 计要求在于对其挠性的要求。 2 3 2 i 外形 根据h a r 8 5 b 的研究，如果将发动机罩板引边高度从6 0 0 m m 升高至8 5 0 唧，则 头部撞击在发动机罩板上的载荷会降至原来的4 0 ；而如果将保险杠前端和发 动机罩板引边之间的距离由原来的3 5 0 唧缩小至o 咖，则头部碰撞的载荷会减少 到原来的3 0 ；1 9 8 2 年e e v c n n 8 2 的一项研究表明，如果发动机罩板的高度 介于6 7 0 - - 7 3 0 m m ，则基本可以避免儿童头部与汽车的相撞：此外，如果将发动 机罩板引边的半径设置为1 5 0 m m ，则可以减少车辆对成人腰腹部和儿童上身的伤 害。 1 8 第2 章汽车前部的整体设计 2 3 幺2 刚度 根据集成式车头的设计准则，要求发动机罩板引边具有和保险杠相同的生 物机械极限值，即最大不超过4 0 0 0 n 的力和l o c m 的变形。作为刚度较低的保险杠 和刚度相对高的发动机罩板之间的过渡区域，发动机罩板引边需要保证能够使 这两个部分过渡平稳。 2 3 3 前挡风玻璃 前挡风玻璃在行人与家用轿车的碰撞中具有很重要的意义，因为在家用轿 车上行人的覆盖曲线超过了发动机罩板的后端而延伸至前挡风玻璃甚至达到车 顶上，雨刷、a 柱、顶棚框架和后视镜都属于前挡风玻璃的范围。 2 3 2 2 外形 如果前玻璃较浅的安装在车架上，那么头部与玻璃撞击时的损伤将会有所 缓解，而玻璃车顶和侧面的车身过渡的地方尽量避免尖角。 满足空气动力学要求的玻璃斜度也同样有利于对行人的保护，如果玻璃与 水平所成的角小于3 5 。，则碰撞时行人头部所受的损伤会小一些，但是为了满足 车辆长度要求，家用轿车的前玻璃要求的倾斜角都比较高，因此要求在这些地 方适当降低刚度。 2 3 2 2 刚度 前挡风玻璃要求在与行人碰撞时不能脱离窗框而顶进驾驶室内，与使用单 层安全玻璃相比，采用多层的安全玻璃能够减小头部被切伤的危险性。 在雨刷处尽量使用缓冲材料，由于使用单臂雨刷时驾驶员的可视范围小， 相对容易发生事故，因此要避免事故发生就要尽量不使用这种雨刷。 玻璃的密封应该具有吸能作用。 2 3 4 发动机罩板 发动机罩是轿车前端的面积最大的曲面部件，它对行人事故的结果具有很 大的影响，尤其是对行人头部的碰撞伤害具有决定性的作用。 罩板作为主要研究对象将在下面的章节详细介绍。 1 9 第2 章汽车前