汽車(chē)保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)

1、邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)論文目錄中文摘要2英文摘要31 緒論41.1 汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)研究的背景和意義41.2 我國(guó)汽車(chē)碰撞安全法規(guī)的發(fā)展61.3 國(guó)內(nèi)外汽車(chē)正面碰撞法規(guī)的對(duì)比71.4 國(guó)內(nèi)外汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)的現(xiàn)狀81.5國(guó)內(nèi)外汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)101.6本文研究的主要內(nèi)容及其意義132 汽車(chē)保險(xiǎn)杠的作用和結(jié)構(gòu)類型以及保險(xiǎn)杠的建模142.1汽車(chē)保險(xiǎn)杠的作用142.2汽車(chē)保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)類型142.3汽車(chē)保險(xiǎn)杠的改進(jìn)方案以及改進(jìn)的目的152.4汽車(chē)保險(xiǎn)杠的建模163 基于ANSYS的有限元分析203.1用ANSYS導(dǎo)入Pro-E繪制的汽車(chē)保險(xiǎn)杠的三維實(shí)體模型204 汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)的研究

2、和防護(hù)裝置設(shè)計(jì)的總結(jié)和展望254.1 汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)的研究和防護(hù)裝置設(shè)計(jì)的總結(jié)254.2 汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)研究和防護(hù)裝置設(shè)計(jì)的展望25參考文獻(xiàn)：27致謝29摘要隨著轎車(chē)的大規(guī)模生產(chǎn)和使用汽車(chē)保有量迅速增加,我國(guó)交通事故的發(fā)生率正在呈持續(xù)上升的趨勢(shì)。也由于車(chē)速的不斷提高，汽車(chē)交通事故的發(fā)生率已經(jīng)大大的增加了。在汽車(chē)交通安全事故中, 出現(xiàn)幾率最高的是汽車(chē)碰撞 , 其中正面碰撞最普遍。據(jù)資料顯示,汽車(chē)發(fā)生正面碰撞的概率在40%左右。因此, 研究正面碰撞特性 , 對(duì)降低乘員的傷害非常重要。因此對(duì)于汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)的研究和裝置的設(shè)計(jì)或者改進(jìn)是非常有必要的。而汽車(chē)結(jié)構(gòu)中的保險(xiǎn)杠是正面碰撞時(shí)主

3、 要的承載和吸能構(gòu)件,提高保險(xiǎn)杠的吸收能量的能力可以降低整車(chē)碰撞中的加速度,對(duì)乘員起保護(hù)作用。 本文主要研究的是對(duì)汽車(chē)保險(xiǎn)杠的改進(jìn)，通過(guò)實(shí)體建模，并用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，從而來(lái)驗(yàn)證改進(jìn)裝置的可行性以達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。本文最主要的研究方向是基于ANSYS的有限元分析，對(duì)改進(jìn)后的保險(xiǎn)桿進(jìn)行應(yīng)力分析。關(guān)鍵詞：汽車(chē)正面碰撞；汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)；汽車(chē)保險(xiǎn)杠；有限元分析；應(yīng)力分析 ABSTRACT With the mass production of cars and the use of the rapid increase of car ownership ，road traffic

4、accidents in our country has a rising trend. Also due to the continuous improvement of the speed, the incidence of car accidents is greatly increased. In automobile traffic safety accident, most likely to appear is car collision, among them the most common frontal crash. According to the data shows

5、the probability of frontal crash cars in at about 40 %. Therefore, studying the characteristics of frontal impact, is very important to reduce the harm that crew suffer. So for vehicle frontal crash protection technology research and the design of the device or improvement are necessary. The car bum

6、per is positive in the main structure to load and energy absorption components, improve the energy absorption ability of bumper can reduce the acceleration of the vehicle collision, the occupant protection.This paper mainly studies the improvement of the bumper, through the entity modeling, using AN

7、SYS finite element analysis software, to verify the feasibility of the improved device which help to achieve the goal of structural optimization. In this paper, the main research direction is based on the ANSYS finite element analysis, the stress analysis was carried out on the improved bumper.The k

8、ey words: Vehicle frontal crash; Vehicle frontal crash protection technology; The bumper; The finite element analysis; Stress analysis1緒論1.1汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)研究的背景和意義1.1.1汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)研究的背景表1.1 2003年交通事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果汽車(chē)是現(xiàn)今世界上使用最普遍也是最方便的出行交通工具。同時(shí)也是對(duì)人和社會(huì)造成傷害最大的交通工具之一。根據(jù)資料記載自1899年第一起有記錄的交通死亡事故以來(lái)，汽車(chē)在方便人類出行的同時(shí)，也時(shí)刻威脅著人們的生命財(cái)產(chǎn)安

9、全。伴隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)汽車(chē)自主品牌也在的崛起，我國(guó)汽車(chē)保有量也在不斷增加，然而交通事故發(fā)生率也相應(yīng)的在上升。汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展在給人們出行帶來(lái)極大方便的同時(shí)，也為人們出行安全帶來(lái)極大隱患。隨著高速公路建設(shè)的越來(lái)越完善，汽車(chē)的行駛速度也在相應(yīng)的提高。汽車(chē)發(fā)生交通事故的嚴(yán)重程度也隨著汽車(chē)的行駛速度的不同而不同！在我國(guó)各類的交通事故中，汽車(chē)碰撞是兩類最常見(jiàn)的交通事故！而汽車(chē)正面碰撞、側(cè)面碰撞又是最常見(jiàn)的兩類交通事故,表1所示是我國(guó)2003年交通事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果1,在我國(guó)目前道路交通環(huán)境下, 側(cè)面碰撞是發(fā)生最頻繁事故形態(tài), 但是正面碰撞事故造成的死亡人數(shù)最多。因此在各國(guó)的碰撞試驗(yàn)研究中正面

10、碰撞形式被作為主要研究對(duì)象。由于汽車(chē)在碰撞過(guò)程中系統(tǒng)的強(qiáng)非線性, 不同的碰撞方式，車(chē)身變形和車(chē)內(nèi)人員的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)等差異也很大, 碰撞試驗(yàn)方法的選擇對(duì)車(chē)輛安全性評(píng)價(jià)的側(cè)重點(diǎn)也是不盡相同的, 所以一個(gè)國(guó)家的碰撞安全法規(guī)對(duì)于生產(chǎn)廠家產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)思想具有直接的影響。國(guó)際上對(duì)于汽車(chē)正面碰撞的試驗(yàn)方法和形式也是不盡相同的，因此不同形式的汽車(chē)正面碰撞的試驗(yàn)方法對(duì)于汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)的研究具有指導(dǎo)性的意義。在這樣的背景下，仔細(xì)研究汽車(chē)正面碰撞的形式對(duì)于汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)的研究和防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)也是非常重要的。表2是當(dāng)今國(guó)際上最典型的幾種汽車(chē)正面碰撞的實(shí)驗(yàn)形式和方法2。1.1.2汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)研究的意

11、義隨著我國(guó)人民生活水平的不斷提高以及汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，汽車(chē)作為一種重要的交通工具，被越來(lái)越受的人們的喜愛(ài)。隨著人們物質(zhì)生活水平的提高，人們對(duì)于生活也有了另一種全新的詮釋。汽車(chē)自然而然成為人們追求的對(duì)象。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，汽車(chē)這種日益重要的交通工具也如雨后春筍一樣布滿我國(guó)的各個(gè)角落。隨著我國(guó)汽車(chē)保有量的迅速增長(zhǎng)，隨之而來(lái)的交通事故也在呈爆炸式的增長(zhǎng)。各種各樣的交通事故給人們的生命安全和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了巨大的損失。如何提高汽車(chē)的安全性能，對(duì)于汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)的研究也成了人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)。根據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2003年全國(guó)公路上發(fā)生的交通事故總共389 773起，總共造成80 589人死

12、亡，332 694人受傷。從事故形態(tài)的分析來(lái)看，其中正面碰撞致死率是最高的，在2003年總共發(fā)生汽車(chē)正面碰撞的事故是133 690起，總共造成30 182人受傷，分別占總數(shù)的34.3%，37.5%和39.8%3。因此對(duì)于汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)的研究極其有必要。通過(guò)對(duì)汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)的研究可以為汽車(chē)制造商提供大量的分析數(shù)據(jù)和結(jié)果，從而大大提高汽車(chē)的安全性能，保證人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。所以對(duì)于汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)的研究對(duì)于社會(huì)和人們安全具有極其重要的意義。隨著經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來(lái)，我國(guó)每年的汽車(chē)保有量也在成直線上升。道路也變得越來(lái)越擁堵，汽車(chē)的速度最低時(shí)速也在增加。擁擠的道路外加上汽車(chē)速度的增加，也為

13、汽車(chē)安全事故帶來(lái)了潛在的可能。因此每個(gè)國(guó)家花費(fèi)在汽車(chē)安全防護(hù)研究、行人安全研究、乘員安全研究以及各種安全防護(hù)裝置的研究上的經(jīng)費(fèi)是非常巨大的。 Solid92單元實(shí)體 1.2 我國(guó)汽車(chē)碰撞安全法規(guī)的發(fā)展據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)汽車(chē)碰撞安全事故，每年死亡人數(shù)高達(dá)九萬(wàn)人，相當(dāng)于一次四川大地震的死亡人數(shù)，我國(guó)國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心提出了在往后的時(shí)間里希望減少10%，為此他們提出了“六E工程”。即立法、教育宣傳、執(zhí)法環(huán)境、汽車(chē)技術(shù)、道路環(huán)境、緊急搶救?！傲⒎ā笔歉鶕?jù)我國(guó)交通事故和外國(guó)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)實(shí)施的一系列的汽車(chē)安全法規(guī)，發(fā)展汽車(chē)碰撞安全法規(guī)，發(fā)展試驗(yàn)方法和改進(jìn)技術(shù)。安全法規(guī)的建立，第一是要收集和分析我國(guó)汽車(chē)交通事故，根據(jù)

14、分析結(jié)果來(lái)總結(jié)出相應(yīng)的試驗(yàn)法規(guī)；第二是參照國(guó)外的法規(guī)以及他們制定這方面法規(guī)的經(jīng)驗(yàn)，特別是需要出口的汽車(chē)必須達(dá)到出口國(guó)家的相關(guān)法規(guī)要求。汽車(chē)正面碰撞是最常見(jiàn)的交通事故，根據(jù)我國(guó)2004年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)4，汽車(chē)正面碰撞的死亡人數(shù)在所有交通事故死亡人數(shù)的比例高達(dá)34%。我國(guó)在2000年開(kāi)始就已經(jīng)采用了汽車(chē)正面100%和剛醒碰撞壁碰撞的實(shí)驗(yàn)法規(guī)，主要是因?yàn)樵囼?yàn)方法簡(jiǎn)單便于重復(fù)和對(duì)比。執(zhí)行幾年來(lái)也明顯提高了汽車(chē)碰撞的安全性。但是這種試驗(yàn)和真實(shí)的事故差異很大，而且我國(guó)出口歐洲和非洲等地的汽車(chē)需要符合歐洲的法規(guī)要求，而歐洲的法規(guī)要求與我國(guó)現(xiàn)行的正面碰撞強(qiáng)制法規(guī)是不一樣的。歐洲執(zhí)行的ECE R94時(shí)采用汽車(chē)正面的

15、40%偏置的碰撞法規(guī)5。碰撞壁上安裝模擬汽車(chē)變形的蜂窩鋁材料。試驗(yàn)除了必須準(zhǔn)確的控制碰撞車(chē)速外，還需要控制偏置量在40%+2公分或者40%-2公分之間，而且蜂窩鋁材料必須是標(biāo)準(zhǔn)的。我國(guó)已經(jīng)在開(kāi)始推薦使用了。另外根據(jù)我國(guó)交通事故發(fā)生的特點(diǎn)，側(cè)面碰撞的傷亡率也是比較高的。側(cè)面碰撞主要是由于汽車(chē)的側(cè)面防護(hù)方面很單薄，因此每年的死亡人數(shù)占到了交通事故總死亡人數(shù)的30%以上。因此從2006年開(kāi)始，我國(guó)所有的在產(chǎn)車(chē)型必須滿足側(cè)面碰撞強(qiáng)制性法規(guī)。在我國(guó)的重大交通事故中，客車(chē)的跌落翻滾經(jīng)常產(chǎn)生群死群傷，另外，如果出口歐洲或者非洲等國(guó)家需要通過(guò)ECE R66法規(guī)。因此建議我國(guó)盡快實(shí)行這方面的相關(guān)法規(guī)。1.3 國(guó)

16、內(nèi)外汽車(chē)正面碰撞法規(guī)的對(duì)比 1.3.1國(guó)外汽車(chē)碰撞標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展目前國(guó)際上實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)法規(guī)主要有美國(guó)的FMVSS和歐盟的 ECE體系，其他國(guó)家的技術(shù)法規(guī)大多是參照上述兩大法規(guī)體系制定的。 正面碰撞試驗(yàn)法規(guī)為美國(guó)的FMVSS和歐洲的ECE R946,側(cè)面碰撞試驗(yàn)法規(guī)為FMVSS 和歐洲的ECE R95美國(guó)早在1960年就開(kāi)始討論汽車(chē)被動(dòng)安全性能要求，1984年正式頒布了FMVSS 208,規(guī)定1987 年以后生產(chǎn)的車(chē)型在前排必須安裝安全氣囊,安全氣囊成了FMVSS 208指定的被動(dòng)約束系統(tǒng)。1998年的修訂案要求在2002至2005年之間必須安裝1種智能化的安全氣囊，以保護(hù)離位乘員和嬰兒的安全。1

17、973年，美國(guó)有關(guān)側(cè)面碰撞乘員保護(hù)的法規(guī)FMVSS 214頒布實(shí)施,當(dāng)時(shí)僅規(guī)定了車(chē)門(mén)靜強(qiáng)度試驗(yàn),對(duì)門(mén)的力變形特性給予了規(guī)定7。隨后美國(guó)運(yùn)輸部和國(guó)家公路交通安全管理局（DOT）對(duì)該法規(guī)實(shí)施后的交通事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)就單個(gè)車(chē)的乘員事故死亡率有所減少。但車(chē)對(duì)車(chē)的乘員事故死亡率沒(méi)有減少，鑒于該現(xiàn)象，美國(guó)公路交通安全管理局(NHTSA)提出采用以實(shí)車(chē)碰撞方式來(lái)評(píng)價(jià)乘員在側(cè)碰撞事故中的傷害程度的試驗(yàn)方法。1990年美國(guó)在FMVSS 214 車(chē)門(mén)靜強(qiáng)度試驗(yàn)法規(guī)中追加了實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)方法,并于1905年起分階段實(shí)施,后經(jīng)多次修改和補(bǔ)充,形成現(xiàn)在的內(nèi)容。歐盟于1905年同時(shí)頒布正面碰撞試驗(yàn)法ECE R94和

18、側(cè)面碰撞法規(guī)ECE R95, 在此之前對(duì)正面碰撞已有其他法規(guī)8。1998年對(duì)碰撞法規(guī)ECE R94進(jìn)行修訂，將碰撞形態(tài)由50km/h帶ASD的30斜角碰撞改為56km/h的ODB垂直碰撞，進(jìn)一步提高汽車(chē)碰撞安全性能要求。1.3.2國(guó)內(nèi)汽車(chē)正面碰撞的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)目前我國(guó)現(xiàn)行流行的有關(guān)汽車(chē)正面碰撞的安全法規(guī)有三種9:第一種是乘用車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)（GB 11551-2003）;第二種C-NCAP前部正面剛性壁障碰撞試驗(yàn)方法;第三種是C-NCAP 前部偏置碰撞試驗(yàn)方法10。 乘用車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)（GB 11551-2003）適用范圍：本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了汽車(chē)正面碰撞時(shí)前排外側(cè)座椅乘員保護(hù)方面的技術(shù)要求和試

19、驗(yàn)方法。本標(biāo)準(zhǔn)只適合M1類車(chē)。 乘用車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)（GB 11551-2003）適用車(chē)型：一、對(duì)碰撞試驗(yàn)結(jié)果有影響的車(chē)輛長(zhǎng)度和寬度二、對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有不同影響的，通過(guò)駕駛員座椅“R”點(diǎn)的橫向平面的前方車(chē)輛結(jié)構(gòu)、尺寸、材料和輪廓。三、對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有影響的乘員艙外形和內(nèi)部尺寸以及保護(hù)系統(tǒng)的形式。四、發(fā)動(dòng)機(jī)的布置（前置、中置或者后置）及排列方式（縱向或者橫向）五、對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有影響的汽車(chē)質(zhì)量C-NCAP前部正面剛性壁障碰撞試驗(yàn)方法C-NCAP前部正面剛性壁障碰撞試驗(yàn)方法的要求：一、試驗(yàn)車(chē)輛100%重疊正面沖擊固定剛性壁障二、碰撞速度為50km/h51km/h(試驗(yàn)速度不得低于50km/h)三、試驗(yàn)車(chē)輛

20、到達(dá)壁障的路線在橫向任一方向偏離理論軌跡均不得超過(guò)150mm四、在前排駕駛員和乘員位置分別放置一個(gè)Hybrid III型第50百分位男性假人，用以測(cè)量前排人員受傷害情況五、在第二排座椅最右側(cè)座位上放置一個(gè)Hybrid III型第5百分位女性假人，用以考核安全帶性能1.4 國(guó)內(nèi)外汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)的現(xiàn)狀 由于汽車(chē)行業(yè)是從國(guó)外西方發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始興起的，所以國(guó)外汽車(chē)行業(yè)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家對(duì)于汽車(chē)的各個(gè)方面都處于領(lǐng)先的地位。不管是對(duì)于汽車(chē)性能的研究還是對(duì)于汽車(chē)安全防護(hù)的研究，它們都是一直處于領(lǐng)先的地位。從有記錄的第一起交通事故以來(lái)，汽車(chē)交通事故致死的人數(shù)和導(dǎo)致的財(cái)產(chǎn)數(shù)額都是巨大的。而其中汽車(chē)正面碰撞帶來(lái)的

21、損失又是所有事故類型中最大的。因此對(duì)于汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)的研究一直都是一個(gè)最前沿的話題。不管是出于對(duì)行人安全的研究，還是對(duì)于駕駛員在汽車(chē)正面碰撞時(shí)的安全研究，各國(guó)都在為了這個(gè)話題，付出自己的努力。1.4.1 國(guó)外汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)研究的現(xiàn)狀國(guó)外開(kāi)展汽車(chē)正面碰撞的研究起步是比較早的。其中最開(kāi)始研究汽車(chē)正面碰撞的是美國(guó)。早期的有關(guān)汽車(chē)碰撞的研究主要是進(jìn)行各種條件下的碰撞試驗(yàn)，其中包括實(shí)車(chē)碰撞和模擬碰撞實(shí)驗(yàn)。因?yàn)橐M(jìn)行實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)，所以研究的成本也很大。也一度為碰撞實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行帶來(lái)了一定的難度。如何既有節(jié)省成本，又能成功的進(jìn)行汽車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)成為當(dāng)時(shí)人們思考的一個(gè)方向。隨著計(jì)算機(jī)的研發(fā)成功，大大的方面

22、了人們的生活，同時(shí)也為其他行業(yè)的研究帶來(lái)新的研究方法。為企業(yè)節(jié)約大量的成本的同時(shí)也提高了企業(yè)研發(fā)人員的工作效率。從上世紀(jì)60年代人們又開(kāi)始了計(jì)算機(jī)模擬碰撞技術(shù)的研究。70年代美國(guó)開(kāi)始使用計(jì)算機(jī)輔助交通事故分析軟件11。最近20多年以來(lái)，汽車(chē)碰撞計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)更是得到了非常迅速的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)有很多成熟的用于汽車(chē)碰撞模擬的想也化軟件包。其中最常見(jiàn)的有限元軟件有：PAMCRASH、MADYMO和Ls-DYNA3D以及ANSYS 、LS-DYNA等有限元分析軟件。這些軟件能夠進(jìn)行車(chē)身結(jié)構(gòu)碰撞大變形模擬和標(biāo)準(zhǔn)假人在碰撞過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析,還可對(duì)法規(guī)碰撞試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。這些功能強(qiáng)大的軟件包在安全車(chē)

23、身開(kāi)發(fā)、碰撞受害者保護(hù)措施優(yōu)化、人體生物力學(xué)、碰撞試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)假人開(kāi)發(fā)等工作中發(fā)揮了很大的作用。目前,國(guó)際上開(kāi)展的汽車(chē)碰撞計(jì)算機(jī)模擬研究主要包括以下兩個(gè)方面12:一方面是事故再現(xiàn)(ACCIDENT RECONSTRUCTION),另一方面是碰撞受害者模擬(CRASH VICTIM SIMULATIONHE)和汽車(chē)結(jié)構(gòu)抗撞性模擬(SIMULATION OF AUTOMOBILE ,SCRASHWORT NESS)。事故再現(xiàn)研究的內(nèi)容是,在汽車(chē)事故發(fā)生后,由汽車(chē)的最終位置開(kāi)始,運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型往回推算,即反向經(jīng)由碰撞后階段-碰撞階段-碰撞前階段,使事故的情況在時(shí)間和空間上得以重現(xiàn)。汽

24、車(chē)碰撞受害者模擬的研究工作開(kāi)始于60年代中期,使用的動(dòng)力學(xué)分析模型是多剛體系統(tǒng)模型和生物力學(xué)分析模型,分別用來(lái)模擬人體整體動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和人體局部結(jié)構(gòu)傷害程度。汽車(chē)結(jié)構(gòu)抗撞性模擬的動(dòng)力學(xué)分析模型是非線性大變形有限元模型。有限元模型的優(yōu)點(diǎn)在于能真實(shí)地描述結(jié)構(gòu)變形,適用于建立汽車(chē)結(jié)構(gòu)模型及人體局部結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)分析模型。1.4.2 本課題的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)關(guān)于整車(chē)碰撞有限元模型計(jì)算機(jī)模擬方面的工作還處于起步階段,經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)眾多專家學(xué)者的不懈努力取得了一定的成果,但是從研究方法上分主要有多體動(dòng)力學(xué)方法和有限元法。如應(yīng)用多剛體動(dòng)力學(xué)方法建立所研究系統(tǒng)的數(shù)值模型,對(duì)它們進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析。這種方法建模方

25、便,并且速度快,主要用于研究在碰撞過(guò)程中人體和車(chē)輛的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。目前,國(guó)內(nèi)主要使用的軟件有MVMAZD、CAL3D和MADYMO等。1992年,清華大學(xué)的于旭光、黃士霖教授引進(jìn)美國(guó)CAL3D軟件應(yīng)用剛體動(dòng)力學(xué)研究二維狀態(tài)下人體在汽車(chē)碰撞過(guò)程中的響應(yīng),建立了二維乘員-座椅模型13。1998年,清華大學(xué)的陸秋明和黃士霖教授合作開(kāi)發(fā)了汽車(chē)碰撞人體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)三維模擬計(jì)算軟件系統(tǒng)MIJL3D,并運(yùn)用該軟件系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)碰撞行人運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了模擬計(jì)算。在這個(gè)方面吉林工業(yè)大學(xué)的研究成果十分顯著。1997年,吉林工業(yè)大學(xué)郭九大、林逸、劉錫國(guó)運(yùn)用荷蘭所開(kāi)發(fā)的被動(dòng)安全分析軟件MADYMO進(jìn)行了汽車(chē)碰撞仿真的三維人體模型及

26、安全帶保護(hù)作用的研究14。該校的陳欣、林逸、方傳流等又對(duì)多剛體動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行了較系統(tǒng)的分析。郭九大、林逸、王望予等也應(yīng)用了被動(dòng)安全分析軟件MADYMO,建立了用于模擬汽車(chē)碰撞過(guò)程中乘員運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的三維乘員多體系統(tǒng)人體模型,對(duì)先前碰撞的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模擬,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的正確性。在運(yùn)用有限元模擬碰撞仿真方面,1992年湖南大學(xué)宗子安教授將DYNA3D軟件引進(jìn)國(guó)內(nèi),并利用該程序進(jìn)行了假人碰撞試驗(yàn)的有限元分析等研究。該校的鐘志華提出了汽車(chē)碰撞分析的有限元法,還利用DYNA3D軟件對(duì)駕駛員與安全帶構(gòu)造了碰撞模擬模型。吉林工業(yè)大學(xué)對(duì)計(jì)算機(jī)模擬碰撞中所需的汽車(chē)碰撞剛度和汽車(chē)正面碰撞方程

27、等題進(jìn)行了研究;在引進(jìn)了DYNA3D軟件后開(kāi)展了道路交通事故再現(xiàn)的計(jì)算機(jī)模擬研究。吉林工業(yè)大學(xué)與長(zhǎng)春汽車(chē)研究所合作于1997年在SG工圖形工作站上建立了國(guó)內(nèi)第一個(gè)比較完善的整車(chē)碰撞分析模擬,并通過(guò)可視化技術(shù)得到了車(chē)身結(jié)構(gòu)碰撞變形完整過(guò)程的模擬結(jié)果。1997年,清華大學(xué)的王春雨、李一兵和黃士霖應(yīng)用了軟件DYNA3D研究了車(chē)架結(jié)構(gòu)的耐撞性能。在此基礎(chǔ)上,清華大學(xué)進(jìn)行了北京吉普BJZ12車(chē)的車(chē)架碰撞模擬計(jì)算,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)車(chē)架進(jìn)行了改進(jìn)。江蘇理工大學(xué)汽車(chē)學(xué)院蔣曉光和劉星榮應(yīng)用ANSYS與DYNA3D工具軟件,于1999年建立了以張家港牡丹客車(chē)廠生產(chǎn)的MD6601型客車(chē)為原型的汽車(chē)模型,通過(guò)計(jì)算得出

28、了碰撞過(guò)程的位移量、轉(zhuǎn)角、撞擊力、沖量、能量吸收等量的時(shí)間歷程曲線,并可以通過(guò)分析這些曲線對(duì)車(chē)輛的碰撞安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)15。2000年,江蘇理工大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院龔友、劉星榮、葛如海等,應(yīng)用動(dòng)態(tài)非線性有限元法對(duì)小型客車(chē)在正面碰撞過(guò)程中的大變形過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬,并應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA3D軟件,通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬,預(yù)測(cè)了某小型客車(chē)在正面碰撞過(guò)程中變形位置和變形形式。目前的有關(guān)汽車(chē)正面碰撞的試驗(yàn)方法都是采用混合III型第500分位男性假人來(lái)評(píng)定汽車(chē)正面碰撞的安全性16。當(dāng)然對(duì)于汽車(chē)正面碰撞防護(hù)研究的方法也不例外。但是有研究表明，這些試驗(yàn)無(wú)法考核安全氣囊對(duì)小身材乘客頸部造成的意外傷害。美國(guó)

29、在FMVSS 208的修訂方案中增加了40km/h低速碰撞試驗(yàn)，采用混合III型第500分位女性假人和兒童假人來(lái)評(píng)定安全氣囊的傷害17。但從公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看,研究范圍主要集中在汽車(chē)正面碰撞的計(jì)算機(jī)模擬方面。因此,在建立模型、參數(shù)選擇以及碰撞模擬形式上工作仍有待進(jìn)一步深入。現(xiàn)行的正面碰撞試驗(yàn)方法沒(méi)有解決碰撞相容性評(píng)價(jià)問(wèn)題。如果不從法規(guī)上對(duì)汽車(chē)碰撞相容性進(jìn)行合理的規(guī)范的話，作為生產(chǎn)企業(yè)只能通過(guò)提高汽車(chē)車(chē)身前端剛度的辦法提高車(chē)輛對(duì)自身的保護(hù)能力，這樣的安全性競(jìng)爭(zhēng)將造成碰撞相容性的進(jìn)一步惡化，是市場(chǎng)上備受關(guān)注的經(jīng)濟(jì)型轎車(chē)、微型客車(chē)的正面碰撞安全性能和正面碰撞防護(hù)技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究帶來(lái)更大的困難。1.5國(guó)

30、內(nèi)外汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1.5.1 國(guó)內(nèi)汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)研究的發(fā)展趨勢(shì) 隨著全球一體化的進(jìn)程快速推進(jìn)，世界上各國(guó)的聯(lián)系也在日益不斷的加強(qiáng)。在一體化的進(jìn)程中，各國(guó)既有競(jìng)爭(zhēng)，又有合作，在合作中競(jìng)爭(zhēng)的同時(shí)也在競(jìng)爭(zhēng)中融入合作。當(dāng)然，汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展亦是如此。目前，我國(guó)汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是加快本國(guó)核心技術(shù)的研發(fā)、對(duì)現(xiàn)有裝置進(jìn)行改進(jìn)，然后借助國(guó)外的豐富經(jīng)驗(yàn)加以參考，最終促進(jìn)本國(guó)自主研發(fā)的進(jìn)程。在進(jìn)行汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)研究的關(guān)鍵是對(duì)汽車(chē)正面碰撞測(cè)試技術(shù)的研發(fā)設(shè)計(jì)。目前我國(guó)擁有的硬件資源包括如下：1） 國(guó)際先進(jìn)的完整碰撞測(cè)試設(shè)備、正面ODB/側(cè)面/尾部碰撞、行人保護(hù)/前后防護(hù)、靜態(tài)翻

31、滾/內(nèi)部突出物、約束系統(tǒng)研發(fā)試驗(yàn) 2) 精確碰撞力墻測(cè)試系統(tǒng) 3) 經(jīng)驗(yàn)豐富的碰撞實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)能力4）領(lǐng)先的被動(dòng)安全測(cè)試技術(shù) 目前我國(guó)汽車(chē)碰撞防護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是與資源與技術(shù)雄厚的外國(guó)公司進(jìn)行合作的并加以技術(shù)引進(jìn)。本文引用中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心的資料和圖片加以說(shuō)明我國(guó)汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)研究的發(fā)展趨勢(shì)。汽車(chē)工程院與瑞士KISTLER公司合作,國(guó)內(nèi)首家引進(jìn)并應(yīng)用“精確碰撞力強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)”18。該測(cè)試系統(tǒng)將搭載在碰撞實(shí)驗(yàn)設(shè)備上，精確測(cè)量汽車(chē)實(shí)車(chē)碰撞（正面碰撞和偏置碰撞）中碰撞力的大小、分布及時(shí)間歷程，為先進(jìn)被動(dòng)技術(shù)研究、汽車(chē)被動(dòng)安全性能的開(kāi)發(fā)和排查重大設(shè)計(jì)問(wèn)題提供了先進(jìn)的技術(shù)手段。 圖1-5-1 汽車(chē)

32、實(shí)車(chē)正面碰撞（搭載了精確碰撞力墻測(cè)試系統(tǒng)） 圖1-5-2 汽車(chē)實(shí)車(chē)偏置碰撞（搭載了精確碰撞力墻測(cè)試系統(tǒng)） 圖1-5-3 精確碰撞力墻測(cè)試系統(tǒng)1.5.2國(guó)外汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)研究的發(fā)展趨勢(shì)由于國(guó)外汽車(chē)行業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家在汽車(chē)行業(yè)的起步比較早，各方面的體系也比較完善，研究設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)條件都處于世界領(lǐng)先水平，所以國(guó)外技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家基本是以本國(guó)自主研發(fā)為主的。但是，總的趨勢(shì)都是不變的，都是以提高汽車(chē)的安全性能來(lái)保護(hù)乘員和行人的安全為出發(fā)點(diǎn)的。目前的趨勢(shì)是在現(xiàn)有已經(jīng)成熟的技術(shù)上對(duì)一些裝置進(jìn)行改進(jìn)或者優(yōu)化設(shè)計(jì)的?，F(xiàn)有已經(jīng)趨于成熟的汽車(chē)正面碰撞防護(hù)裝置有：汽車(chē)防碰撞司機(jī)自救裝置、汽車(chē)縱梁前段的碰撞吸能結(jié)構(gòu)、汽

33、車(chē)碰撞緩沖裝置、正面兼顧偏置碰撞能量吸收裝置及帶有該裝置的汽車(chē)、汽車(chē)碰撞保險(xiǎn)杠、汽車(chē)正面碰撞變形引導(dǎo)裝置、十字架式汽車(chē)防碰撞裝置、機(jī)械泄能式汽車(chē)碰撞保護(hù)裝置、汽車(chē)碰撞防護(hù)減震器、汽車(chē)碰撞座椅防夾裝置、汽車(chē)碰撞緩沖保護(hù)器等等。還有對(duì)于一些汽車(chē)碰撞防護(hù)裝置（如汽車(chē)保險(xiǎn)杠、安全氣囊、汽車(chē)吸能盒以及保險(xiǎn)杠前縱梁等）的優(yōu)化，例如根據(jù)有關(guān)力學(xué)知識(shí)，對(duì)汽車(chē)保險(xiǎn)杠進(jìn)行優(yōu)化（改變保險(xiǎn)杠的正面受力面積，從而減少汽車(chē)正面碰撞的沖擊力度）。還有就是研究有關(guān)汽車(chē)正面碰撞的防護(hù)技術(shù)研究的方法以及有關(guān)汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)研究的實(shí)驗(yàn)裝置：氣動(dòng)活塞式汽車(chē)零部件碰撞試驗(yàn)機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)零部件碰撞試驗(yàn)機(jī)、壓縮天然氣汽車(chē)碰撞試驗(yàn)后燃?xì)庀?/p>

34、統(tǒng)高壓密封性能安全檢測(cè)方法、汽車(chē)碰撞變形檢測(cè)傳感器、汽車(chē)前碰撞實(shí)驗(yàn)防火墻侵入量測(cè)量計(jì)算及云圖繪制方法、基于無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的汽車(chē)碰撞預(yù)警系統(tǒng)等等。1.6本文研究的主要內(nèi)容及其意義由于所學(xué)知識(shí)有限，本文主要的內(nèi)容是以某汽車(chē)的保險(xiǎn)杠為研究對(duì)象，以現(xiàn)有所學(xué)的課本專業(yè)知識(shí)以及力學(xué)知識(shí)對(duì)某汽車(chē)保險(xiǎn)杠進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。然后以相關(guān)的軟件（Pro-E）進(jìn)行建模、進(jìn)行有限元分析改進(jìn)裝置的可行性，主要是借助于所熟悉的軟件進(jìn)行分析-ANSYS。從而達(dá)到對(duì)本課題進(jìn)行研究的目地研究。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示19,我國(guó)道路交通事故死亡的人數(shù)從2001年起每年都在 10萬(wàn)人以上,2004 年更是達(dá)到10.7萬(wàn)人；2008 年全國(guó)共發(fā)生道路

35、交通事故265204 起，造成 73484 人死亡、304919 人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失10.1億元。歐洲洲雖然在1990年到2004年期間歐盟25國(guó)的輕型汽車(chē)總數(shù)增加了382.16億，但每年交通事故死亡率從 1991 年 162 人/百萬(wàn)人下降到 2004 年的 95 人/百萬(wàn)人【】。這代表 2004 年共約 43358 人死于交通事故。暫時(shí)的數(shù)據(jù)顯示， 2005 年事故總數(shù)可能下降到約4.2萬(wàn)。在歐洲，行人死亡估計(jì)約每年 7000 人【】。歐洲交通事故的下降同嚴(yán)格的汽車(chē)安全法規(guī)是密不可分的。大量的交通事故帶來(lái)的碰撞安全問(wèn)題越來(lái)越引起政府和社會(huì)的關(guān)注。通過(guò)實(shí)際情況來(lái)看絕大多數(shù)汽車(chē)碰撞的道路事故

36、中都與汽車(chē)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)有關(guān)，因此對(duì)汽車(chē)保險(xiǎn)杠的研究也越來(lái)越受到重視。尤其是對(duì)汽車(chē)保險(xiǎn)杠的碰撞特性和碰撞過(guò)程中的吸能特性兩個(gè)方面的研究，對(duì)于提高汽車(chē)碰撞安全性能、減少損失和傷害等幾個(gè)主要方面具有重要意義。 汽車(chē)保險(xiǎn)杠的重要組成部分保險(xiǎn)杠骨架作為吸收和緩和外界沖擊力的安全裝置，對(duì)防護(hù)車(chē)身前后部、保護(hù)駕乘人員以及行人安全都起著極其重要的作用。特別是汽車(chē)的前保險(xiǎn)杠骨架，在發(fā)生高速碰撞時(shí)，必須保證自身不會(huì)斷裂的同時(shí)并且能夠有效地連結(jié)車(chē)身的兩根前縱梁，把碰撞的動(dòng)能的絕大部分傳遞給兩根縱梁，并由縱梁繼續(xù)將碰撞能量進(jìn)行傳遞分解最終通過(guò)各部分的鈑金件的變形來(lái)吸收，從而確保駕乘人員的必要的生存空間20。同時(shí)在行人保

37、護(hù)方面，也要求汽車(chē)保險(xiǎn)杠能夠起到保護(hù)行人腿部的作用，可以說(shuō)對(duì)保險(xiǎn)杠的安全要求越來(lái)越嚴(yán)格。 在汽車(chē)前后左右四個(gè)主要方向的碰撞中，正面碰撞發(fā)生的幾率是最高的，而且汽車(chē)正碰和后碰必然要首先涉及到保險(xiǎn)杠的碰撞，但目前許多國(guó)產(chǎn)車(chē)的保險(xiǎn)杠吸能性較差。隨著汽車(chē)安全法規(guī)的要求越來(lái)越嚴(yán)格，在汽車(chē)發(fā)生碰撞事故時(shí)如何有效保護(hù)駕乘人員和行人的人身安全，減輕傷害程度，已經(jīng)成為是現(xiàn)代汽車(chē)設(shè)計(jì)和制造中需要重點(diǎn)考慮方向，而提高汽車(chē)安全部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也成為設(shè)計(jì)選擇之一。以此同時(shí)能源緊張和環(huán)保要求也越來(lái)越高，因此車(chē)身輕量化的設(shè)計(jì)也是一個(gè)必然要求和發(fā)展趨勢(shì)。因此研究汽車(chē)保險(xiǎn)杠不管是對(duì)于汽車(chē)碰撞過(guò)程中的成員保護(hù)還是對(duì)于行人安全的保護(hù)

38、都有極其重要的意義。2 汽車(chē)保險(xiǎn)杠的作用和結(jié)構(gòu)類型以及保險(xiǎn)杠的建模2.1汽車(chē)保險(xiǎn)杠的作用汽車(chē)保險(xiǎn)杠作為汽車(chē)車(chē)身的重要組成部分之一，其發(fā)揮的作用主要表現(xiàn)在以下四大方面21： 1) 低速碰撞時(shí)保護(hù)相關(guān)部件的作用。當(dāng)汽車(chē)發(fā)生低速碰撞(通常小于l0km/h)時(shí)，保護(hù)汽車(chē)前部安裝的翼子板、散熱器、發(fā)動(dòng)機(jī)罩和前部燈具等易損部件。2)對(duì)事故中行人保護(hù)的作用。當(dāng)汽車(chē)與行人發(fā)生碰撞事故時(shí)，最大限度保護(hù)好行人免收致命傷害。3)符合空氣動(dòng)力學(xué)要求。即保險(xiǎn)杠作為車(chē)身的一部分要滿足車(chē)身空氣動(dòng)力性的要求。4)裝飾和美化作用。作為大眾生活中的消費(fèi)品必然要滿足和受到人們審美觀點(diǎn)的影響。從被動(dòng)安全性的要求來(lái)看，前兩個(gè)方面顯得尤

39、其必要。由于汽車(chē)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在低速碰撞和行人保護(hù)這兩方面所起的決定性作用，因此成為國(guó)內(nèi)外汽車(chē)被動(dòng)安全方面的研究重點(diǎn)之一。2.2汽車(chē)保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)類型汽車(chē)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)是轎車(chē)車(chē)身的重要組成部分之一，常見(jiàn)的轎車(chē)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)通常由橫梁、內(nèi)襯件、支撐骨架及緩沖吸能件等幾個(gè)部分組成。低速碰撞過(guò)程中，汽車(chē)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)主要通過(guò)金屬內(nèi)襯橫梁和金屬支架的塑性變形吸收碰撞動(dòng)能。中、低檔轎車(chē)一般采用結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、成本較低的簡(jiǎn)易型汽車(chē)保險(xiǎn)杠，可直接通過(guò)支架固定到車(chē)身上，此類汽車(chē)保險(xiǎn)杠的緩沖和吸能能力較差。在高檔轎車(chē)上則通常安裝具有良好緩沖吸能能力的汽車(chē)保險(xiǎn)杠。此類汽車(chē)保險(xiǎn)杠由橫杠、內(nèi)襯加強(qiáng)件和樹(shù)脂類的泡沫填料等組成，在汽車(chē)保險(xiǎn)杠

40、與車(chē)身底部縱梁之間安裝吸能緩沖器。目前，我國(guó)大部分轎車(chē)仍采用簡(jiǎn)易型汽車(chē)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)，其主要由金屬抗彎內(nèi)村橫梁、外覆蓋件以及金屬支架等主要部分組成。 按材料汽車(chē)保險(xiǎn)杠分為金屬材料汽車(chē)保險(xiǎn)杠和非金屬材料汽車(chē)保險(xiǎn)杠。金屬材料汽車(chē)保險(xiǎn)杠一般由橫杠、側(cè)角、托架三個(gè)部分組成。橫杠的橫截面狀為“U”形，其內(nèi)側(cè)一般裝有加強(qiáng)件，橫杠與加強(qiáng)件常用螺栓連接固定，這樣可以增強(qiáng)橫杠的強(qiáng)度和剛度。橫杠通過(guò)托架裝到車(chē)架或車(chē)身支撐梁上。非金屬材料汽車(chē)保險(xiǎn)杠通常用于轎車(chē)，非金屬材料的汽車(chē)保險(xiǎn)杠采用模壓塑料板材、聚丙烯材料、玻璃纖維增強(qiáng)塑料等制成，這些材料的機(jī)械性能一般接近冷軋鋼板的機(jī)械性能，可是其密度僅有鋼材的20%左右。客車(chē)和

41、貨車(chē)常用金屬材料的汽車(chē)保險(xiǎn)杠，高強(qiáng)度鋼板具有較高的強(qiáng)度和良好的沖壓性能。金屬材料制造的汽車(chē)保險(xiǎn)杠一般常用這種鋼板通過(guò)沖壓工藝制造成。 按功能汽車(chē)保險(xiǎn)杠又可分為非吸能式汽車(chē)保險(xiǎn)杠和吸能式汽車(chē)保險(xiǎn)杠兩大類。非吸能式汽車(chē)保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)形式很簡(jiǎn)單。在發(fā)達(dá)國(guó)家，在轎車(chē)上塑料保險(xiǎn)杠的使用增加較快，但是這種塑料汽車(chē)保險(xiǎn)杠一般只起到裝飾的作用，不能夠起到很好的保護(hù)作用。隨著世界上車(chē)輛保有量的增加，前后兩側(cè)發(fā)生的事故比較頻繁。由于沒(méi)有足夠的強(qiáng)度和剛度來(lái)抵御強(qiáng)烈的碰撞，塑料汽車(chē)保險(xiǎn)杠在撞車(chē)時(shí)往往起不到很好的保護(hù)作用，從使得翼子板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、散熱器、燈具等受到比較嚴(yán)重的損壞。對(duì)于大客車(chē)來(lái)說(shuō)，其前圍損壞嚴(yán)重時(shí)能夠損壞風(fēng)

42、窗玻璃、方向盤(pán)、儀表盤(pán)，直至對(duì)駕駛員和前排成員造成傷害。隨著對(duì)車(chē)輛碰撞安全方面的重視，世界上許多國(guó)家紛紛制定相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。比較主流的保險(xiǎn)杠標(biāo)準(zhǔn)有：美國(guó)的汽車(chē)保險(xiǎn)杠標(biāo)準(zhǔn)(FMVSS-CFR581)、歐盟的車(chē)輛前部防護(hù)裝置法規(guī) (ECE-R42)、中國(guó)的汽車(chē)前后端保護(hù)裝置國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB 17354-1998）22?？梢哉f(shuō)開(kāi)發(fā)安全型汽車(chē)保險(xiǎn)杠已經(jīng)成為世界各國(guó)汽車(chē)保險(xiǎn)杠行業(yè)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。2.3汽車(chē)保險(xiǎn)杠的改進(jìn)方案以及改進(jìn)的目的 本文的改進(jìn)方案就是通過(guò)汽車(chē)保險(xiǎn)杠進(jìn)行分析研究之后。根據(jù)現(xiàn)有的汽車(chē)保險(xiǎn)杠模型（圖2-3），然后加入自己想法進(jìn)行保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。改進(jìn)后的保險(xiǎn)杠模型如圖24所示。圖2-3 -1

43、 保險(xiǎn)杠初始模型圖2-3-2 改進(jìn)后的汽車(chē)保險(xiǎn)杠模型改進(jìn)該保險(xiǎn)杠的目的主要是通過(guò)改進(jìn)原有的保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)，來(lái)滿足在某一車(chē)速范圍內(nèi)（3060km/h），當(dāng)汽車(chē)出現(xiàn)碰撞的時(shí)候，能夠首先通過(guò)保險(xiǎn)杠橫梁的變形首先來(lái)接受外部的沖擊能量，達(dá)到吸能緩沖的作用，盡可能減少汽車(chē)碰撞的程度。2.4汽車(chē)保險(xiǎn)杠的建模在研究有關(guān)汽車(chē)正面碰撞防護(hù)裝置的研究中，建立裝置的實(shí)體模型是進(jìn)行裝置可行性研究的基石。只有先建立好裝置的基本實(shí)體模型，才能進(jìn)行下一步的有關(guān)分析。如運(yùn)用有限元分析裝置的可行性以及裝置的設(shè)置或者改進(jìn)是否合理。由于所學(xué)知識(shí)有限，本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是以現(xiàn)有所學(xué)知識(shí)對(duì)現(xiàn)有簡(jiǎn)單的保險(xiǎn)杠進(jìn)行裝置改進(jìn)。根據(jù)現(xiàn)有所學(xué)三維制圖軟件進(jìn)

44、行實(shí)體建模，本次建模主要是運(yùn)用三維制圖軟件Pro-E進(jìn)行實(shí)體建模的。汽車(chē)保險(xiǎn)杠的實(shí)體建模過(guò)程：第一步，首先通過(guò)Pro-E的草繪界面，繪制改進(jìn)后的汽車(chē)保險(xiǎn)杠的基本外形 圖2-4-1 保險(xiǎn)杠外形草繪第二步，通過(guò)Pro-E的拉伸命令工具，對(duì)上述草繪零件進(jìn)行拉伸操作。拉伸效果如圖2-4-2所示 圖2-4-2 橫梁拉伸第三步，再次利用ProE的草繪編輯器，繼續(xù)繪制后續(xù)部件。如圖2-4-3所示 圖2-4-3 草繪編輯 第四步，利用Pro-E拉伸工具命令，對(duì)上述草繪進(jìn)行再一次的拉伸，拉伸效果如圖2-4-4所示圖2-4-4保險(xiǎn)桿的拉伸第五步，再次使用拉伸工具，選擇去除材料模版繼續(xù)進(jìn)行拉伸命令圖2-4-5保險(xiǎn)桿

45、草繪圖2-4-6保險(xiǎn)杠模型以上就是對(duì)改進(jìn)后的汽車(chē)保險(xiǎn)杠的實(shí)體建模的全部過(guò)程。3 基于ANSYS的有限元分析3.1用ANSYS導(dǎo)入Pro-E繪制的汽車(chē)保險(xiǎn)杠的三維實(shí)體模型第一步，進(jìn)行網(wǎng)格劃分 圖3.1 SOLID923-D10節(jié)點(diǎn)四面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分 第二步 對(duì)上述模型進(jìn)行約束，約束上表面。在保險(xiǎn)杠的橫梁上加載1000N的均布荷載，然后得到保險(xiǎn)杠的應(yīng)變圖。圖32 施加1000N的保險(xiǎn)杠應(yīng)變圖第三步 在進(jìn)行約束后，在汽車(chē)保險(xiǎn)杠的上表面施加一個(gè)垂直方向的1000N的正壓力，然后觀察保險(xiǎn)杠上表面的應(yīng)力分布情況以及保險(xiǎn)杠的應(yīng)力云圖。 圖3-3 施加1000N保險(xiǎn)杠的應(yīng)力分布圖 第四步 在保險(xiǎn)杠的橫梁上施加

46、3000N的正壓力，得到保險(xiǎn)杠的應(yīng)變分布情況圖3-4 施加3000N后保險(xiǎn)杠的應(yīng)變圖第五步 在保險(xiǎn)杠的橫梁上施加3000正壓力，得到保險(xiǎn)杠的應(yīng)力分布云圖圖3-5 施加3000N后保險(xiǎn)杠的應(yīng)力云圖 第六步 對(duì)保險(xiǎn)杠的兩根縱梁進(jìn)行約束，再依次在兩根縱梁的兩端加1000N和3000N的正向的壓力后，得到保險(xiǎn)桿的應(yīng)變圖和應(yīng)力分布云圖。圖3-6 施加1000N后保險(xiǎn)桿的應(yīng)變圖3-7 施加1000N后保險(xiǎn)桿的應(yīng)力分布云圖圖3-8 施加3000N后保險(xiǎn)桿的應(yīng)變圖3-9 施加3000N后保險(xiǎn)桿的應(yīng)力分布云圖分析：通過(guò)上述的有限元分析的應(yīng)變圖來(lái)看，當(dāng)給保險(xiǎn)杠施加1000N的正向力的時(shí)候，保險(xiǎn)桿的沒(méi)有出現(xiàn)太大的應(yīng)

47、變。當(dāng)給保險(xiǎn)杠施加3000N的正向力的時(shí)候，保險(xiǎn)桿出現(xiàn)了明顯的應(yīng)變。從應(yīng)力分布云圖來(lái)看，當(dāng)施加的力增大的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)某一側(cè)應(yīng)力比較集中的情況，當(dāng)應(yīng)力增大到一定程度上的時(shí)候，保險(xiǎn)桿就會(huì)被剪斷。而保險(xiǎn)杠的原理就是犧牲保險(xiǎn)桿為代價(jià)，起到吸能緩沖的作用，減少汽車(chē)受損害的程度。 4汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)的研究和防護(hù)裝置設(shè)計(jì)的總結(jié)和展望 4.1 汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)的研究和防護(hù)裝置設(shè)計(jì)的總結(jié)本文在列舉了大量的有關(guān)汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)研究的相關(guān)資料和文獻(xiàn)。對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)相關(guān)法規(guī)以及立法做了簡(jiǎn)單的介紹，并對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)的現(xiàn)狀做了簡(jiǎn)單的介紹以及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀的對(duì)比。本文主要是對(duì)汽車(chē)保

48、險(xiǎn)杠的簡(jiǎn)單改進(jìn)，由于實(shí)驗(yàn)條件有限。本文是根據(jù)已有成熟的汽車(chē)保險(xiǎn)杠的裝置進(jìn)行簡(jiǎn)單的改進(jìn)，建立了外加力撞擊汽車(chē)保險(xiǎn)杠的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。然后分析汽?chē)保險(xiǎn)杠的應(yīng)力分布，以及應(yīng)力集中的情況。關(guān)于汽車(chē)正面碰撞的過(guò)程是非常復(fù)雜的，汽車(chē)在碰撞瞬間的過(guò)程也是用肉眼觀察不出來(lái)的。只有借助某些實(shí)驗(yàn)加以實(shí)驗(yàn)仿真軟件進(jìn)行分析，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的可行性進(jìn)行最終的評(píng)估。本文只是依據(jù)有關(guān)的法規(guī)，對(duì)汽車(chē)正面碰撞保險(xiǎn)杠應(yīng)力分布的情況進(jìn)行分析的。然后得出該方案是否合理或者可行的結(jié)論。由于實(shí)驗(yàn)條件的有限，不能進(jìn)行有關(guān)汽車(chē)正面碰撞的實(shí)驗(yàn)。本文只能借助一些三維軟件進(jìn)行模型建立，然后通過(guò)ANSYS軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。就仿真這一塊而言，我覺(jué)得我還有

49、很多的地方欠缺考慮和改進(jìn)。主要有：（1）汽車(chē)正面碰撞是一個(gè)實(shí)體碰撞的過(guò)程，它是一個(gè)碰撞與工程力學(xué)相結(jié)合的一個(gè)課題。本課題中只涉及到力與實(shí)體碰撞的研究，而未考慮實(shí)際線加速度和角加速度在汽車(chē)正面碰撞的過(guò)程中對(duì)汽車(chē)保險(xiǎn)杠的傷害程度，以及汽車(chē)保險(xiǎn)杠的實(shí)際變形情況。（2）汽車(chē)正面碰撞是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程。在實(shí)際汽車(chē)碰撞的研究中，有條件的公司、企業(yè)以及研究院都是以汽車(chē)實(shí)體進(jìn)行正面碰撞，然后借助計(jì)算機(jī)的輔助對(duì)汽車(chē)碰撞的過(guò)程、車(chē)速等等因素加以控制，然后在通過(guò)數(shù)據(jù)或者云圖對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。由于實(shí)驗(yàn)條件有限以及本人所學(xué)知識(shí)有限，本文只是把碰撞過(guò)程簡(jiǎn)化為沖擊力汽車(chē)保險(xiǎn)杠實(shí)體的這樣一個(gè)模型。（3）在汽車(chē)正面碰撞的研究建

50、模的過(guò)程中，簡(jiǎn)化了很多東西，使得很多仿真出來(lái)的東西與實(shí)際情況存在很大的差異。實(shí)驗(yàn)的可靠性較低，不確定度也較大。例如：實(shí)際的汽車(chē)正面碰撞過(guò)程是以測(cè)試力墻汽車(chē)為碰撞模型。（4）本文只是選用了汽車(chē)保險(xiǎn)杠這單一因素進(jìn)行改進(jìn)和研究的。汽車(chē)保險(xiǎn)杠罩和汽車(chē)保險(xiǎn)杠的有關(guān)因素都加以忽略。如汽車(chē)保險(xiǎn)杠罩的材料、汽車(chē)保險(xiǎn)杠的材料。 （5）對(duì)于汽車(chē)保險(xiǎn)杠的改進(jìn)，在進(jìn)行建模、有限元模擬仿真之后，還需進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)，只有通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，才能應(yīng)用于工程實(shí)踐當(dāng)中。4.2 汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)研究和防護(hù)裝置設(shè)計(jì)的展望汽車(chē)正面碰撞是一個(gè)永遠(yuǎn)不會(huì)過(guò)時(shí)的研究課題。汽車(chē)正面碰撞涉及到很多安全方面的問(wèn)題。汽車(chē)正面碰撞也將一如既往的成為研究

51、的大熱門(mén)，因?yàn)槊磕耆蛞驗(yàn)槠?chē)正面碰撞導(dǎo)致的安全事故是最嚴(yán)重的，造成的死亡人數(shù)也是最多的，帶來(lái)的損失也是很慘重的。由于汽車(chē)正面碰撞在汽車(chē)安全事故所占巨大的比例，對(duì)于汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)的研究也是人們所關(guān)注的課題，不管是企業(yè)還是研究機(jī)構(gòu)將會(huì)加大對(duì)汽車(chē)正面碰撞防護(hù)技術(shù)研究的投入。同樣，以后的研究方向也不僅僅局限于汽車(chē)正面碰撞。汽車(chē)正面碰撞防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)也是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，對(duì)于現(xiàn)有的防護(hù)裝置的改進(jìn)也在日益的完善。隨著汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展，各方面的技術(shù)日益趨于完善和成熟。汽車(chē)的安全性能也在極大的提高。例如，以前對(duì)于乘員在汽車(chē)碰撞的保護(hù)主要是用安全氣囊保護(hù)人體的頭部，人體的其他部位得不到保護(hù)?，F(xiàn)在隨著防護(hù)技術(shù)

52、的成熟，人體其他的部位也可以得到保護(hù)。如保護(hù)膝蓋部位的安全氣囊（別克汽車(chē)的某一款車(chē)型）。參考文獻(xiàn)： 1 公安部交通管理局. 中華人民共和國(guó)道路交通事故統(tǒng)計(jì)資料匯編 G. 2003 2 邱少波、張雨、唐洪斌，汽車(chē)正面臺(tái)車(chē)碰撞試驗(yàn)裝置，2005.06.08 專利號(hào)：03213301.4 3 朱西產(chǎn).實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo).世界汽車(chē)，1998.5 4 朱西產(chǎn). 中國(guó)汽車(chē)安全現(xiàn)狀與安全法規(guī). 第一屆國(guó)際汽車(chē)交通安全研討會(huì). 2000.12. 湖南大學(xué) 5 Xi Chan Zhu, Xuan Wang, Hong Guang Li, Jian Yuan, Xing Ye Feng . Study on the Body Models of Chinese Adults and Compare of Impact Response With Hybrid .1999 JSAE Spring Convention (9934573), YOKOHAMA, JAPAN, 1999.5. 6 Brian T. Park.