基于行人下肢保护与低速碰撞的前保险杠系统优化设计

摘要

车辆前部保险杠系统是车辆的重要组成部分，在不同的碰撞形式中发挥着不同的作用，其中在行人下肢碰撞及车辆低速碰撞中起着最主要的作用。前保险杠系统作为车身最前端的部件，对行人下肢损伤有直接的影响。此外，在低速碰撞过程中，前保险杠系统也起着保护翼子板、散热器、发动机罩和纵梁等重要部件的作用。因此，前部保险杠系统设计必须综合考虑行人保护与车辆低速碰撞要求。
　　 本论文的目的是优化车辆前部保险杠系统设计，改善碰撞吸能特性，以同时满足法规对行人下肢保护与车辆低速碰撞性能的要求。
　　 首先以湖南大学汽车交通安全研究中心建立的Human BodyModel(HBM)人体下肢有限元模型为基准，对比分析了TR(l)-LFI和LSTC-LFI两款小腿冲击器的生物逼真度，分析结果表明TRL-LFI和LSTC-LFI都不能很好的预测人体下肢膝关节的损伤，特别是膝关节的剪切位移，但就TRL-LFI和LSTC-LFI两者相比较而言，LSTC-LFI优于TRL-LFI的生物逼真度。由此在后续的行人下肢保护研究中，采用LSTC-LFI冲击器对原车型的行人下肢保护性能进行评价，结果表明原车模型的行人下肢保护性能尚不能充分满足法规要求。
　　 同时，分别按照中国的GB17354-1998要求和加拿大的CFVSS215要求对原车的低速碰撞性能进行分析，由于CFVSS215规定的摆锤碰撞速度比GB17354-1998要大，能量相应成平方关系，因此，CFVSS215对前保险杠系统提出了更苛刻的要求。分析结果表明原车能满足GB17354-1998要求，却不能满足CFVSS215要求。原车能满足CFVSS215对“车角”碰撞要求，而不能满足纵向对中碰撞要求。
　　 为此，本文建立了数学代理模型和与之相应的优化目标，结合LS-DYNA仿真分析软件，提出了针对行人下肢保护与车辆低速碰撞要求的前部保险杠系统优化方法和优化流程。通过比较分析，采用吉利EC7上的金属吸能板结构作为保险杠系统的缓冲吸能结构。接着对前部保险杠系统的6个参数进行灵敏度分析，选择了吸能板厚度、吸能板X向尺寸、吸能板Z向尺寸、保险杠横梁中心高度4个设计变量进行下一步优化。通过最优拉丁超立方实验设计的样本点构建了二次响应面数学模型，最后利用NSGA-Ⅱ算法对前部保险杠系统进行了多目标优化，优化结果表明行人下肢保护与车辆低速碰撞性能在满足各自法规的同时显著改善了各自的性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究的背景与意义

1．2 国内外行人下肢保护研究现状

1．3 国内外对车辆低速碰撞研究现状

1．4 国内外对综合考虑行人下肢保护及低速碰撞的研究现状

1．5 本文主要研究内容

第2章 汽车碰撞仿真有限元分析理论

2．1 有限元理论简介

2．2．1 运动方程

2．2．2 质量守恒方程

2．2．3 动量守恒方程

2．2．4 约束条件

2．2．5 有限元方程

2．2．6 显式积分算法

2．2．7 接触算法

2．2 LS-DYNA软件介绍

2．3 本章小结

第3章 车辆的行人下肢保护性能分析

3．1 行人下肢损伤生物力学

3．2 行人下肢的损伤机理

3．2．1 损伤机理

3．2．2 大腿损伤

3．2．3 膝部损伤

3．2．4 小腿损伤

3．3 行人安全性评价方法及安全法规

3．3．1 行人安全法规介绍

3．3．2 行人安全研究方法

3．4 小腿冲击器模型生物逼真度比较分析

3．4．1 行人保护试验小腿冲击器

3．4．2 TRL-LFI与LSTC-LFI仿真生物力学逼真度比较

3．5 仿真模型建立

3．5．1 碰撞车辆建模

3．5．2 碰撞模型建立

3．6 原车模型下肢保护性能评价

3．7 本章小结

第4章 车辆的低速碰撞性能分析

4．1 低速碰撞研究概述

4．2 低速碰撞的相关法规标准

4．3 低速碰撞的仿真模型建立

4．3．1 整车有限元模型的建立

4．3．2 整车有限元模型有效性确认

4．3．3 低速碰撞模型建立

4．4 低速碰撞的仿真结果分析

4．4．1 车辆低速碰撞性能评价方法

4．4．2 中国GB17354-1998摆捶碰撞仿真结果

4．4．3 加拿大CFVSS215摆捶碰撞仿真结果

4．5 本章小结

第5章 前保险杠系统综合优化

5．1 保险杠系统吸能块材料选择

5．1．1 泡沫材料分析

5．1．2 金属吸能板分析

5．1．3 结论

5．2 保险杠系统参数灵敏度分析及优化参数选择

5．2．1 正交试验设计

5．2．2 保险杠系统参数选择和分析

5．2．2 试验结果分析

5．3 基于多目标遗传算法的前部保险杠系统优化

5．3．1 多目标问题描述

5．3．2 多目标优化过程

5．3．3 试验设计

5．3．4 数学模型回归

5．3．5 多目标遗传算法

5．4 保险杠系统优化结果分析

5．5 本章小结

总结和展望

参考文献

致谢

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