基于行人头部保护的风挡玻璃有限元模型及优化研究

摘要

在人-车事故中，行人头部与汽车风挡玻璃发生碰撞是导致行人伤亡的重要原因之一。如何提高行人头部与风挡玻璃碰撞安全性已经成为汽车被动安全研究的热点问题。本文通过数值模拟、试验研究及优化设计对行人头部与夹层风挡玻璃碰撞进行了较为全面的分析研究，期望能够为行人保护研究提供借鉴，减小人-车事故中行人头部的损伤，达到保护行人的目的。
　　在头型冲击器冲击风挡玻璃仿真模型的研究中，分析了扩展有限元方法理论以及与传统有限元方法的区别。推导了Ⅰ型裂纹扩展能量释放率的公式。研究了扩展有限元在ABAQUS中的实现步骤，并利用简单算例验证了扩展有限元模拟裂纹扩展的有效性。通过逆向工程获得了风挡玻璃几何模型，利用HYPERMESH得到风挡玻璃网格模型，将网格模型导入ABAQUS中完成仿真模型的建立，并探讨了几种解决扩展有限元收敛问题的方法。
　　在搭建成人头型冲击器冲击风挡玻璃试验台的研究中，根据国家标准《汽车对行人的碰撞保护》中相关规定，完成成人头型冲击器的设计。分析了PVB夹层风挡玻璃安全性、隔音性等性能。根据国家标准规定，选择试验场地并设计了试验组成结构。基于LABVIEW设计了三轴加速度数据采集模块，并对数据采集设备进行了选型。最终通过试验得到了风挡玻璃裂纹扩展图及加速度时间历程曲线，并验证了仿真模型的准确性。
　　基于行人头部损伤指标对风挡玻璃进行了优化设计。研究了目前常用的行人头部损伤指标，选择HIC值作为优化设计目标，通过改变材料及各层厚度对风挡玻璃进行优化。采用最优拉丁超立方试验设计方法及克里格近似模型，对风挡玻璃材料参数进行优选使得HIC值降低了12.2％。在材料优选的基础上，对风挡玻璃各层厚度进行优化设计，采用试验设计方法对设计空间进行取点，对设计空间建立基于神经网络、切比雪夫正交多项式及克里格近似模型，并通过精度分析对比了近似模型。对近似模型分别采用了多岛遗传优化算法及自适应模拟退火优化算法进行优化，分析对比两种寻优效果。在不显著改变玻璃总厚度的情况下，使得HIC值降低了26.38%，改善了汽车风挡玻璃对行人头部保护性能。

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第1章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 风挡玻璃扩展有限元建模分析

2.1 能量释放率

2.2 扩展有限元理论仿真实现

2.3 风挡玻璃扩展有限元模型建立

2.4 风挡玻璃扩展有限元仿真分析

2.5 本章小结

第3章 风挡玻璃冲击试验与模型仿真对标

3.1 行人保护评价规程

3.2 成人头型冲击器设计

3.3 PVB夹层风挡玻璃特点

3.4 风挡玻璃冲击试验台设计

3.5 风挡玻璃冲击破坏特性试验

3.6 风挡玻璃仿真模型有效性验证

3.7 本章小结

第4章 基于行人头部保护的风挡玻璃优化

4.1行人头部损伤评价标准

4.2 风挡玻璃材料优化近似模型

4.3 风挡玻璃厚度优化近似模型

4.4 基于全局优化算法的风挡玻璃厚度优化设计

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

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