轿车前保险杠设计

第1章绪论1.1研究背景随着中国人民生活水平的提高，汽车的普及率也将是在逐渐提高。2022年，中国的机动车保有量已经超过了四点一七亿辆，机动车总驾驶人达到了五点零二亿，其中轿车驾驶人四点六四亿。但是轿车在为人们的日常生活提供了很多方便的同时，车祸也在不断的出现。据官方统计资料表明，二零二一年中国的车辆事故受伤总人数为166473人，死亡总人数可达43601人；而二零二二年的中国车辆事故死亡总人数位149650人，伤亡总数可达42012人[1]，如图1.1为2018年至2022年中国交通事故死亡及受伤人数。汽车交通事故直接经济损失555569万元。图1-12018年至2022年中国交通事故死亡及受伤人数汽车碰撞导致驾驶员及乘客残疾或死亡的主要原因，而前保险杠设计不当是导致这一现象的重要原因之一。例如，如果前保险杠的设计过于宽泛，可能会在车辆行驶过程中对乘客造成撞击，从而增加乘客受伤的风险。1.2选题意义本选题计划完成的轿车前保险杠的设计，对于本科专业的学习的意义是提高了对汽车前保险杠结构的了解，熟悉前保险杠的制造，分析轿车前保险杠结构的稳定性。认识到轿车前保险杆作为汽车被动安全的重要一个部件，不仅可以保护驾驶舱内的人还可以减轻被碰撞行人的损害。本文还了解到轿车前保险杠需要满足的国家标准及其行业现状和制造的工艺条件。除了能够实现对专业知识的综合运用，实现理论应用于实践之外，还能促进对轿车前保险杠结构的深入研究，汽车碰撞试验的发掘，了解保险杠制造的工艺等。同时，本选题的完成，可以帮助实现轿车前保险杠结构问题的解决，提高汽车的被动安全性，使汽车外形更加简洁和美观。1.3国内外研究现状1.3.1国内研究现状高伟伟等人[2]运用HyperMesh和Nastran这两款有限元分析软件，基于振动激励响应的方法，深入研究了前保险杠的强度。成功确定了在额定振动频率下，前保险杠横梁的最大应力值。同时，他们发现前保险杠安装支架在相同振动频率下的最大应力值小于横梁的最大应力，并且两者均低于材料的屈服强度。因此，可以得出结论，即使在路面与发动机振动产生共振的情况下，前保险杠横梁和它的安装支架也不会发生开裂等现象。李忠泉等人[3]采用STAR-CCM+软件仿真，用SolidWorks软件建立汽车三维几何模型并划分网格。发现在汽车高速行驶时受到风阻影响最严重的区域为前保险杠、车头以及挡风玻璃这几处区域。保险杠外形在贴近汽车前端造型弧线时，更有利于减少空气阻力，同时减少前保险杠的横截面的迎风接触面积后能够使空气更快分离，减少汽车的空气阻力系数，并且在保险杠中间挖空同样可以降低了汽车行驶阻力。孙海洋等人[4]通过试验车与Flex-PLI腿型的冲击实验，发现在车辆前保险杠结构和材料选用等方面，要保证车辆的前保险杠中部支撑位置和下部支撑位置的刚度匹配，并降低中部支撑位置材料的刚度，增大溃缩变形的能力，才能在一定程度上降低VRU伤害。杨庆等人[5]则是通过汽车低速碰撞轻量化保险杠安装结构的优化设计，在原有汽车保险杠的基础上改进横梁结构，并通过防撞板与稳定杆来增加横梁的稳固程度，同时又设置第一受力杆、第二受力杆和受力弹簧，来增强保险杠的受力，能够解决现有的保险杠的承受能力偏低以及不能够承受过大的外力而导致的保险杠损坏问题。贾慧芳等人[6]基于前保险杠的约束模态仿真，得到了其固有模态特性，发现得到的数据不会与激振频率重合，符合振动特性要求。他们在有限元分析模型上，根据单位激励下的频率响应获取应力传递函数，再基于功率谱密度曲线和材料S-N曲线得到前保险杠的随机振动疲劳损伤值，满足疲劳性能设计标准，不会发生振动疲劳开裂风险。1.3.2国外探究现状HosseinMohammadi等人[7]发现采用注射成型法、喷涂叠层法、树脂转移模塑技术等方法可以用于生产GFRP复合材料，用GFRP复合材料代替金属材料可以减轻40-60%重量同时保持其刚度和强度。此外，还发现纤维的适当取向和组成可以为GFRP复合材料提供如比铝更高的比刚度和与钢相同的功能性能。Zindani等人[8]将TODIM应用于各种GFRP复合材料，并发现玻璃纤维增强环氧树脂是保险杠梁应用的最佳复合材料。Hosseinzadeh等人[9]使用ANSYSLS-DYNA研究了商用GMT保险杠梁在低速冲击下的冲击行为与包括铝和钢在内的传统材料相比，GFRP复合材料能够显示出非常好的冲击性能。总的来说，国内主要是研究轿车前保险杠的安装方式，通过有限元分析的方法来判断选用材料的结构强度是否符合设计的要求，以及在疲劳损耗等情况下，保险杠的结构分析。国外则是研究保险杠的吸能材料，以及铝合金材料对汽车整车轻量化的优点。1.4主要研究内容与方法1.4.1主要研究内容针对当前在保险杠设计领域存在的设计不合理问题，通过ANSYS有限元分析的方式，得到保险杠外壳形变十分微小，碰撞过程结果。预期保险杠横梁能实现吸能效果。本文的主要研究内容如下：首先，观察汽车前保险杠的基本样式以及汽车的整体尺寸，获得零件的位置和装配关系。其次，基于参考车型，采用CATIA软件构件汽车前保险杠三维模型，并形成有限元模型。再次，通过分析软件对所涉及结构进行静力学分析和模态分析，观察结果是否能够达到设计的合理性。最后，通过碰撞仿真分析，验证所设计结构的碰撞吸能效果，能否达到预期效果。流程图如图1-2所示。查看实物查看实物搭建模型Ansysworkbench分析静力学分析模态分析碰撞分析图1-2研究流程图1.4.2研究方法本课题主要采用以下研究方法：1.文献检索法在对本课题进行设计时，就轿车前保险杠结构设计的发展历史以及国内外发展现状查阅大量的文献，通过总结归纳后进行综述；同时，在保险杠模型、碰撞分析方面通过资料计算后得出最终数据。2.仿真分析法通过对保险杠模型进行静力学和碰撞仿真分析，得到相应数据，完成对所设计结构的校核和性能分析，使设计满足使用要求。3.归纳法对多次静力学分析、模拟碰撞分析数据进行归纳总结分析，形成最终的校核数据。

第2章前保险杠结构及性能工艺分析和要求2.1前保险杠结构分析车辆的前保险杠[10]结构如图2-1所示，主要包括进气格栅、牌照板、吸能材料、横梁、前保险杠外壳等。1-前保险杠横梁纵梁和吸能盒2-吸能泡沫3-保险杠外壳和牌照板以及格栅图2-1汽车前保险杠结构2.2前保险杠性能分析在汽车发展初期，人们主要注重的是汽车本身的强度。在这阶段，汽车保险杠所使用的材料用的是钢，它能够提供汽车前端相对较高的强度，使其在发生碰撞时可以有效的保护汽车使汽车不易变形，但由于汽车前部是钢在发生碰撞时，钢不能够充分缓解碰撞的能量从而会导致汽车、驾驶员和行人受到较大的伤害。随着汽车行业的发展，当人们意识到不能够用钢作为汽车前保险杠的材料时，在汽车前保险杠选用为塑料的材质时，汽车设计师发现汽车在发生碰撞时，它们能够有着吸能缓冲的作用，能够最大化的保护汽车和驾驶员以及行人的安全。因此，随着汽车以及材料行业的发展，更多的吸能缓冲装置也应用于汽车保险杠上。2.3前保险杠工艺分析汽车前保险杠早起是直接选用金属直接冲压或者焊接的方式进行生产，而随着汽车行业的发展以及材料不断的研发，更多新的材料运用于汽车前端，目前汽车前保险杠的生产方式也有很多，有合金材料加工工艺、工程塑料加工工艺、碳纤维加工工艺，这三种工艺见下表2-1保险杠加工工艺及其特点。表2-1保险杠加工工艺及其特点序号工艺特点1合金材料加工工艺对工艺要求较低，生产成本较高，环节较多2工程塑料加工工艺原料损耗少，成品率高，能耗低对环境污染小3碳纤维加工工艺降低了批量加工及定制零部件成本2.4前保险杠材料分析在汽车最开始制造的时候汽车前保险杠是用的钢板，将大约3毫米左右的钢板进行冲压成U形槽钢，然后使车架纵梁铆接或焊接在一起，这样的话会导致保险杠与汽车前部有一小部分的空隙，在外面看上去就不那么美观。随着汽车行业发展以及对汽车节能减排的规定，因而有着汽车轻量化设计的出现，对汽车的整车质量有着要求，所以选择既要在满足强度够高也要满足重量相对较轻。后来由于出现新的材料发现效果更好，于是现在国内外汽车前保险杠选择的是将聚丙烯材料进一步增加韧性，使其具备熔点高、耐热性好、密度小、耐腐蚀等性能特点，此外该材料还具有相对较高的刚性可以抗冲击、耐划伤、方便涂装的性能。常见材料见下表2-2保险杠使用材料。表2-2保险杠使用材料序号材料特点1合金材料，碳素钢、铝合金密度高、不易成型加工2通用塑料，聚丙烯(PP)密度小，有熔点较高、耐腐蚀、抗弯曲3工程塑料，聚碳酸酯类(PC)耐热，抗冲击，且力学性能良好4碳纤维复合材料，片状模塑料复合材料(SMC)高强度、耐热、抗冲击5玻璃纤维增强热塑性塑料(GMT)成型周期短，冲击性能好6碳纤维增强复合材料(CFRP)硬度高于碳钢材料2.5保险杠的基本要求设计保险杠需要考虑不同车型的不同匹配要求、受众人群的需求，这些可通过市场调查来进行分析确定最终的设计方案。。目前汽车保险杠的基本设计要求大致是要满足国家相关的法规要求、满足客户的要求、满足相关模具的生产要求等。其中，保险杠总成要满足的国内法规见下表2-3。表2-3保险杠国内法规序号标准号名称1GB17354-1988汽车前、后端保护装置2GB11566-2009乘用车外部突出物3GB15741-1995汽车和挂号牌及其位置4GB/T24550-2009汽车对行人的碰撞保护根据《GB11566-2009乘用车外部凸出物》的规定，保险杠的两端设计应遵循以下准则：如果保险杠是嵌入式的或者与车身结构融为一体，那么其两端应向车身表面弯曲；或者，保险杠的侧端部向内弯曲，但这样的设计需确保无法被直径为100mm的球体所触及。同时，保险杠的端部和最近的车身表面之间的距离需严格控制在20mm以内，以满足相关标准。另外，若车身的外轮廓线与前保险杠的曲线在垂直投影上相重合，那么在距离车辆前部车身外轮廓线内侧20mm的区域内，以及车身外轮廓线与其与车辆垂直纵向对称平面成15°夹角的两垂直平面相切的法线所围成的区域内，所有点所组成的表面圆角半径必须不小于5mm。在其他情况下，这一圆角半径至少应达到2.5mm。这样的设计标准旨在确保车辆的安全性和外观的协调性。突出物尺寸见下表2-4。表2-4突出物尺寸保险杠区域外边缘曲率半径（mm）保险杠阴影区≥5保险杠阴影区域以外≥2.5保险杠上突出高度＜5mm安装件棱角应圆滑保险杠上突出高度＜1.5mm安装件无要求保险杠阴影区域的确定方法如下：首先，在汽车车身的竖直方向上投射一个影子。接着，确保保险杠处于与这个投影轮廓线相吻合的坚硬平面上。随后，沿着这个轮廓线，在坚硬平面上向内绘制一个宽度为20毫米的环形区域。这个环形区域即为所求的保险杠阴影区域。具体如图2-2所示。图2-2保险杠阴影区域确定方法保险杠上格栅的外部突出物尺寸要求见下表3-4。表3-4上格栅的外部突出物尺寸要求格栅宽度（mm）外边缘曲率半径（mm）>40≥2525~40≥1≤25≥0.5在通常情况下，汽车保险杠的喷涂角度应保持在35°以上，以确保喷涂效果的均匀性和完整性。在设计初期，为了维持喷涂过程中的稳定性，通常会选择45°作为喷涂角度。同时，在前期设计过程中，翻边长度需要控制在30mm以内，以避免对喷涂效果造成不良影响。为了确保上述两个关键数据的一致性，可以根据不同产品的特性在允许的范围内进行微调。在实际操作中，至少应确保其中一项数据符合规定要求，另一项数据则可以在保证喷涂效果的前提下进行适当放宽。这样的处理方式能够更灵活地适应不同产品的需求，同时保证喷涂质量的稳定性。3.3保险杠总成工艺保险杠的常用的成型工艺如下表3-5。表3-5保险杠成型工艺序号零部件名称常用成型工艺1保险杠本体注塑+喷涂、注塑+皮纹2格栅/装饰件注塑+喷涂、注塑+皮纹、注塑+电镀、高光+注塑3保险杠拖钩盖板注塑+喷涂、注塑+皮纹

第3章前保险杠设计3.1保险杠的总体设计保险杠的构成包括塑料保险杠壳体、前防撞梁、左右两个吸能盒，以及一系列其他安装部件，汽车前保险杠设计的依据主要是为了在车辆碰撞时吸收碰撞能量，降低对碰撞汽车和行人的损害。因此，保险杠需要尽可能多地吸收在发生碰撞时产生的能量，能够保障行人以及和汽车内部人员的安全。前保险杠的开发设计通过需求分析、功能优化选择最好的方案以后，就需要进行结构的设计，在设计过程中，无论是进行全新的设计，还是借鉴原有产品的元素，都需紧密结合保险杠自身的独特特性来开展设计工作。这样才能确保最终设计出的产品能够严格符合既定的工艺标准。如图3-1为本次设计的大致结构包含横梁、吸能盒、中网、外壳、进气格栅等。1-保险杠横梁和吸能盒2-中网3-前保险杠外壳和进气格栅以及牌照板图3-1汽车前保险杠结构3.2前保险杠面罩对前保险杠面罩设计时候，要从整体角度出发，尽量将主体造型表现充分，尽可能为一个整体，减少不必要的曲面。减少前保险杠的曲面可以使得空气更顺畅地流过车辆前部，减少风阻，从而提高车辆的燃油经济性和行驶稳定性，前保险杠要充分考虑汽车车身形状大小使其与车身保持一致。目前汽车前保险杠面罩如图3-2所示，主要包括进气格栅、牌照板以及外壳等。1-外壳2-牌照板3-进气格栅图3-2汽车前保险杠面罩3.3中网格栅的主要作用是允许空气进入并减少空气阻力，从而提升舱内空气的流动速度，进而增强对汽车内部的冷却效果。因此，在设计中央格栅时，必须确保其具备足够的散热面积，以保证其散热性能的高效发挥。如图3-3。图3-3汽车中网3.4横梁前保险杠的横梁是作为汽车安全方面的部件，对驾驶员以及车内乘客的安全有着保护作用，前防撞梁不仅仅是为了保护汽车，还可以用来传导碰撞时产生的力。汽车横梁有很多形状如表3-1，本次横梁材料选用低碳钢并且采用的形状为Ω形如图3-4。图3-4横梁表3-1常见横梁形状及其效果序号形状效果1Ω形能够引导变形方向，吸能效果好2口字形可变形的范围较大，可以降低后部的受损几率，维修成本比较低3目字形可变形的范围较大，可以降低后部的受损几率，维修成本较低，防护能力比口字形好。4弓字形在保证强度的同时有着不错的吸能效果3.5吸能盒吸能盒位于横梁的后端，是一个用于连接防撞梁与汽车车身前纵梁的金属构件。其主要功能在于吸能，即在汽车遭遇碰撞时，一旦碰撞能量超过其承载能力，吸能盒便会发挥作用，吸收撞击力并发生形变，从而保护汽车的纵梁和车身免受损害。如图3-5。图3-5吸能盒

第4章前保险杠有限元分析4.1前保险杠仿真分析的必要性对于传统设计流程而言，一般在进行具体的结构设计然后生成结构的图纸，然后再根据图纸得出实体的模型，通过对实体模型进行反复的测试，来进行判断设计的模型是否符合标准，在这个过程中需要耗费许多的时间、人力以及物力。因此，现在大部分都采用的是用计算机来进行辅助设计，能够有效的节约设计的成本。其中就用有限元分析法，本文中在设计汽车保险杠的过程中应用有限元法，进行静力学分析。4.2前保险杠有限元模型建立在CATIA中绘制外壳模型，然后在ANSYS的workbench平台选择静态结构系统，如图4-1所示为所选的系统。在工程数据添加所需要的材料，从外部导入模型然后进入编辑；在编辑界面选择网格划分，固定支撑，力的大小和方向，在求解界面选择求解的方案。下面将网格的划分，选择的材料，外壳的厚度以及约束设置等几个方面进行说明。图4-1分析系统界面4.3模型的网格划分以及清理在模型网格划分期间，由于一些模型区域导致网格划分错误或者是质量不好的单元，这些单元不仅仅会增加网格划分的时间，还会增加计算时间，而且这部分的网格划分也总是出错，结果往往不是很可靠。因此在进行分析阶段时需要将保险杠外壳的格式进行清理，比如将框框中间的空隙补全，删除影响网格划分的线条等。由于前保险杠外壳各部分是塑料壳体，本次选择材料厚度为2.5mm，选择的是壳单元进行网格划分，本次网格划分大小采用计算机默认状态为4.8339mm，节点404204个，单元23792个，图4-2为网格化效果。图4-2网格划分图4.4前保险杠的材料前保险杠模型选择的材料厚度为2.5mm选取是为了提高计算效率以及符合实际情况。经过查验相关资料汽车前保险杠外壳所选择的材料有ABS、PP、PC等，经过综合考虑，本次选择材料为PP。该材料在室温22℃下，杨氏模量1461，泊松比0.4087，批量模块2667，剪切模量518.56。密度、抗拉强度、拉伸极限强度、热碰撞强度、热导率以及比热，见下表4-1前保险杠外壳材料参数。表4-1前保险杠外壳PP材料的参数密度抗拉强度热碰撞强度热碰撞强度热导率比热9.034e-007kgmm^-334.6MPa37.62MPa9.909e-005C^-12.09e-004Wmm^-1C^-11.6e+006mJkg^-1C^-14.5前保险杠的刚度分析汽车前保险杠外壳作为车辆外观的重要组成部分，其刚度是确保外观稳定性的关键。刚度，即外壳抵抗变形的能力，对于保障车辆的美观至关重要。在车辆行驶或静止时，前保险杠外壳常会受到外部力量的影响，变形难以避免。若变形后无法恢复原状，将对汽车的整体外观造成显著影响。因此，前保险杠外壳必须具备一定的刚度。本文中，关于汽车前保险杠外壳的刚度要求，是依据企业内部相关部门针对特定车型所制定的规范。这些规范明确了在X轴上施加100N的力时，外壳在相应区域的允许变形量。考虑到前保险杠外壳在结构上基本左右对称，本文仅选取外壳的一侧，即前保蒙皮，作为分析对象。根据所研究的车型前保险杠结构特点，在前保险杠上确定了8个关键区域进行详细的刚度分析。图4-4前保险杠外壳按压强度位置如图4-4在前保险杠外壳上8个点施加100N的力，通过仿真计算，仿真结果如图4-5所示，在点A、点B、点D、点E、点F、点H处施加力后，从仿真结果中可以看到，其前保险杠外壳最大形变量为分别为1.5091mm、1.3676mm、0.96269mm、1.0257mm、1.5777mm、0.41164mm，都小于2mm，说明这几个区域在受到力变形后可以恢复到原样；在点C、点G处施加力后，最大变形量为3.797mm、2.4908mm，都小于5mm，说明这几个区域在受到力变形后也可以恢复原形。除此之外，这八个点的最小安全系数分别为：1.2183、1.4502、1.1935、1.3584、3.6029、3.6498、3.3414、4.0239，如图4-6所示。最小安全系数值均大于1，说明设计达到了可靠性和安全性要求。综上所诉，经过对所选的8个施加力点进行测试，前保险杠外壳的变形量均符合企业规定的标准范围[10]。因此，可以得出结论，本文所研究的前保险杠外壳满足其刚度要求。1)点A总变形2)点B总变形3)点C总变形4)点D总变形5)点E总变形6)点F总变形7)点G总变形8)点H总变形图4-5前保险杠外壳各点处受力后的位移云图1)点A安全系数2)点B安全系数3)点C安全系数4)点D安全系数5)点E安全系数6)点F安全系数7)点G安全系数8)点H安全系数图4-6前保险杠外壳各点处受力后的安全系数4.6前保险杠强度分析关于前保外壳的强度分析，其核心在于评估其在承受外力时抵抗永久变形和断裂的能力。汽车在不同行驶状态下，前保险杠外壳会遭受到来自不同方向的惯性载荷作用。一旦前保险杠外壳所承受的载荷应力超出了其材料的承受极限，结构便可能出现开裂现象。因此，对前保险杠外壳进行强度分析至关重要。在本文中，依据企业内部相关部门针对特定研发车型所制定的相关规定，对前保险杠外壳进行了详尽的强度分析。前保险杆外壳的仿真工况和评价标准如表4-2所示。表4-2强度仿真工况介绍序号工况介绍输出结果目标值1约束车身自由度X方向5g加速度载荷前保外壳最大应力＜90%材料屈服强度2约束车身自由度Y方向5g加速度载荷3约束车身自由度Z方向10g加速度载荷前保外壳材料为PP，其屈服强度为34.6MPa，对前保险杠外壳进行强度分析的结果如图4.8所示，图中所得结果见下表4-3。表4-3仿真分析结果序号部件工况目标值(MPa)分析值(MPa)1前保外壳X向最大应力（图4-8(1)）≤31.141.03982Y向最大应力（图4-8(2)）0.62343Z向最大应力（图4-8(3)）3.9414由表4-3可知在以下三种不同工况下，前保险杠外壳的最大应力均低于材料的屈服应力，因此可以判定其满足强度要求。(1)X方向5g加速度载荷(2)-Y向5g加速度载荷(3)Z向10g加速度载荷图4-8前保险杠外壳X、Y、Z方向施加载荷后的应力云图4.7前保险杠模态分析4.7.1前保险杠外壳共振原因通常情况下，如果振动频率与系统的固有频率相接近，会引发共振现象。共振现象的发生，往往会对汽车造成严重的损害，汽车的振动来源于以下方面：(1)路面的不平整；(2)由于转向、振动、减速等运动状态的变化和汽车在行驶过程中由于空气所造成的振动；(3)动力传动系统的扭转振动通过耦合引起车辆的振动。在上述提到的三个因素中，路面的不平整是汽车行驶过程中产生振动的主要诱因。因此，在本次分析中，主要关注由路面不平整引起的振动，其频率范围大致为0至25Hz。4.7.2前保险杠模态仿真分析模态，作为结构系统固有的特性，通过深入的分析能够揭示结构在特定频率范围内最易受到影响的模态特性。由此，可以进一步了解在这些频率段内结构发生共振的风险。因此，模态分析在结构动态设计以及设备故障诊断中发挥着至关重要的作用。对于汽车前保险杠外壳而言，模态分析能够揭示其在自由状态下的固有频率和振动形态。这一分析有助于预测汽车前保险杠结构与路面在动态交互过程中可能产生的干扰，从而为结构设计和优化提供有力支持。图4-9是本文对所研究保险杠外壳进行约束模态分析，得出的一阶模态和位移云图。4-9前保险杠一阶模态位移云图经过对前保险杠外壳的一阶模态结果进行核查，得知本文所研究的模型一阶固有频率为55.145Hz，这一数值明显高于由路面不平整所引起的0至25Hz频率范围。因此，该设计在一定程度上有效地避免了前保险杠发生共振的风险。

第5章前保险杠碰撞仿真5.1保险杠碰撞前的处理前保险杠的构造主要包括保险杠外壳、横梁和吸能盒这几个部分。在正面碰撞中，保险杠横梁承担着首要的吸能角色，紧接着吸能盒作为第二道防线，共同确保汽车受到最小的碰撞伤害。吸能盒一般被安装在保险杠防撞梁的两端，当碰撞发生时，它会受力裂开，从而吸收冲击能量，保护汽车本身免受进一步损害。至于吸能盒的材质，外层采用的是碳纤维增强复核材料（CFRP），这种材料既坚固又轻便，能有效分散冲击力。而内层则选择低碳钢板或铝合金，其中铝合金材料不仅重量轻，而且导热性能良好。这意味着在碰撞时，铝合金能够迅速将产生的热量传导到空气中，有效防止因过热而引发的爆炸等危险情况。通过这样精心的设计和选材，汽车前保险杠能够在关键时刻发挥出重要的保护作用，确保驾驶者和乘客的安全。本文利用ANSYSworkbench平台上的LS-DYNA系统进行碰撞分析，在分析前大致为五个阶段，首先导入三维模型；并根据本次设计的需求进行简化模型；对模型进行有限元网格的划分；碰撞前的处理；设置碰撞的速度等参数，进行求解；最后根据分析结果进行处理，具体流程如图5-1所示。LS-DYNALS-DYNA有限元网格划分三维模型导入工程数据初始条件参数选择建立模型求解分析原因图5-1碰撞分析流程5.2保险杠防撞梁的模型构建用于本次碰撞分析的是前保险杠的横梁和吸能盒。在进行保险杠碰撞时，将进行简化只呈现横梁和吸能盒，但由于网格划分情况得到需要在分析情况，经过综合计算情况需要简化吸能盒的形状才能进行计算。本次构建了正面100%正面碰撞，40%的重叠偏置正面碰撞以及25%偏置正面碰撞。如图5-1。(1)100%正面碰撞(2)40%重叠偏置正面碰撞(3)25%重叠偏置正面碰撞图5-2保险杠防撞梁总模型5.4碰撞分析的建立5.4.1初始分析本次碰撞试验方法：①车辆处于静止状态；②用横梁撞击钢性墙；③碰撞的速度控制在30km/h。模型从外部导入，保险杠防撞梁选用材料为结构钢，环境温度为22℃，平均应力250MPa。5.4.2网格密度ANSYS的Workbench平台中LS-DYNA系统内提供了多种划分网格密度方法。网格的大小和形状会对模拟仿真的准确性造成影响，因此在网格的大小选择与网格形状是十分重要的，但是在网格划分的时候不仅仅需要关注其结果计算的准确性，还要考虑其计算的效率等其它问题。仿真模型的网格划分的合理程度对其模型的结构变形状态、速度和加速度都有着重要的影响，控制好网格前保险杠的网格大小划分，才能够得到合适的仿真结果。将所建立的三维模型导入ANSYSworkbench的LS-DYNA平台中，对其进行有限元网格划分。防撞梁进行划分，并且汽车车身简化，撞击墙也选用几何单元进行划分。本次碰撞分析进行了简化，因此没有防撞梁外部的保险杠面罩和上面的格栅等部件，这些部件在发生碰撞时发生的影响可以忽略不计，进而可以减少仿真时间。本文对保险杠防撞梁采用四边形网格划分大小为5mm，节点数为46132，总共100140个单元。如图5-3为网格划分图。图5-3网格划分图5.5仿真分析在碰撞过程中，沙漏能是指示由于某些数值计算的原因产生的一种非物理能量。这种能量并不反映实际的物理现象而是数值模拟的一种误差。因此，沙漏能的大小通常被用来评估模拟结果的准确性。在行业标准中，沙漏能控制在总能量的一个较小百分比内，通常认为如果沙漏能小于总能量的5%，则模拟结果是可接受的[11]。这是因为过高的沙漏能可能会影响模拟结果的可靠性，从而影响到对汽车安全性的评估。本次碰撞分析沙漏能均小于5%，如图5-4所示，数值分别为3.5%、4%、1.5%，所以可以认为本次碰撞能量是合理的。通过观察能量曲线可以发现，在正面100%碰撞能量曲线中能量误差为-31.131mj，在正面40%重叠偏置碰撞碰撞能量曲线中能量误差为-1.428mj，在正面25%重叠偏置碰撞能量曲线中能量误差为-4.9701mj。在碰撞过程中由于总能量和参考能量的能量值相差很小所以误差很小导致曲线重合如图5-5所示，所以说在发生碰撞过程中是能量损耗很低的。(1)100%正面碰撞能量曲线图(2)40%重叠偏置正面碰撞能量曲线图(3)25%重叠偏置正面碰撞能量曲线图图5-4横梁正面碰撞能量总曲线图(1)100%碰撞能量损耗曲线图(2)40%重叠偏置碰撞能量曲线(3)25%重叠偏置碰撞能量曲线图图5-5横梁正面碰撞能量损耗总曲线图5.6变形分析由于在碰撞过程中能量误差很低，说明在碰撞前后能量基本保持不变。在正面100%碰撞过程中，总变形为1.2499mm，40%重叠偏置正面碰撞总变形为2.9769mm，25%重叠偏置正面碰撞总变形为4.9998mm，均小于5mm，形变微小，如图5-6所示，并且在该过程等效弹性应变最大值分别为0.0024822、0.0088566、0.016834，如图5-7所示。说明前保险杠横梁受力时的变形程度较小，说明前保险杠横梁在碰撞过程中有着保护作用，因此可以得出保险杠系统在发生碰撞时能够对对车内结构或者与之发生碰撞的物体之间起到保护作用。(1)100%正面碰撞位移云图(2)40%重叠偏置正面碰撞位移云图(3)25%重叠偏置正面碰撞位移云图5-6横梁正面碰撞位移总云图(1)正面100%碰撞等效弹性应变(2)40%偏置碰撞等效弹性应变(3)25%偏置碰撞等效弹性应变5-7横梁正面碰撞弹性应变总云图综上所述，在发生碰撞过程中横梁能够发挥保护作用，并且发生最大不超过5mm的形变，说明在过程中前保险杠横梁吸收了部分碰撞的能量，可以得出保险杠系统在发生碰撞时起到了保护作用，因此本次设计符合要求。

第6章总结与展望6.1总结汽车的前保险杠是汽车不可或缺的关键部件，它在汽车的外观和安全性方面都有着重要的作用。从外观角度来看，前保险杠以其独特的造型使汽车更加美观。而从安全层面来看，前保险杠在遭遇碰撞时，能够发挥缓冲作用，能够有效保护汽车前部的其他重要部件，保护车内人员安全。更为值得一提的是，当汽车和行人发生碰撞的情况下，前保险杠还会保护行人的安全，体现了其人文关怀和安全设计的重要性。本文通过对某车型的前保险杠系统的碰撞性能要求，采用有限元仿真的方法进行了研究，工作和结论如下：（1）经过深入查阅众多汽车前保险杠系统的相关资料，本文详细解析了前保险杠的结构组成、功能作用以及当前的研究进展。同时，对汽车前保险杠结构有着大致的了解。此外，本文还研究了有限元仿真的基本理论，包括前保险杠外壳的强度刚度以及模态分析，以及碰撞过程中涉及的碰撞分析的处理方法。这些研究为本文的仿真分析提供了有力的参考和理论依据，确保了分析结果的准确性和可靠性。（2）建立了某汽车的前保险杠有限元模型，通过静力学分析得出，在前保险杠外壳上选取8个易变形的点施加100N的力，对八个点的造成的形变分别为：1.5091mm、1.3676mm、3.797mm、0.96269mm、1.0257mm、1.5777mm、2.4908mm、0.41164mm，均小于5mm，说明这几个区域在受到力之后可以恢复到原样；这些点的最小安全系数分别为：1.2183、1.4502、1.1935、1.3584、3.6029、3.6498、3.3414、4.0239，均大于1说明设计符合可靠性和安全性。在模态分析获得了前保险杠一阶模态分析频率为55.145Hz，大于一般路面不平整度的0~25Hz，表明前保险杠可以避免发生共振现象。（3）对前保险杠系统进行了100%的正面碰撞仿真分析、正面40%重叠偏置正面碰撞、正面25%重叠偏置正面碰撞。在碰撞过程中能量误差分别为：-31.131mj、-1.428mj、-4.9701mj数值相差不大，说明满足能量守恒，其分析也具有可靠性。得到其发生总变形分别为：1.2499mm、2.9769mm、4.9998mm，均小于5m