面向行人保护的保险杠薄壁填充结构研究

摘要

行人在整个交通体系中处于最弱势地位,是交通事故中最容易受到伤害的人群,数据显示行人在交通事故中的伤亡人数居高不下。目前对行人的保护问题越来越多地得到了各国政府和汽车制造企业的重视。在人车碰撞中,前保险杠是与行人发生最初接触的部位,同时也是汽车发生正面碰撞时首要接触和进行吸能的部位,所以对前保险杠内部填充结构在保护行人及应对正面碰撞方面进行研究是非常迫切和必要的。
　　 本文指出面向行人保护的保险杠填充结构要求,刚度上应适中,提出设计的准则为在保护行人的前提下,碰撞过程中的变形吸能值达到最大。首先针对传统的薄壁管压缩结构进行研究,以截面尺寸为设计变量,根据全面实验设计选取样本点,分别对各样本模型利用AnsyS/LS-DYNA软件进行有限元分析,记录各样本设计变量对应的变形吸能值和加速度值,利用响应面法分别建立变形吸能值、加速度值对截面尺寸的近似函数。提出薄壁管碰撞对于行人保护的抗撞性优化定义,对薄壁管压缩结构的截面尺寸进行优化。由于加速度范围的原因,无法得到优化结果,意味着传统的薄壁管压缩结构不利于对行人下肢的保护作用。
　　 继而从新的思路,以扩径作为薄壁管的变形方式进行抗撞性研究。由于存在多个影响因素,首先采用正交实验方法对影响变形吸能及加速度的各因素进行比较分析,得到薄壁管壁厚和锥块最大外径为影响最大的两个因素。根据对于行人保护的抗撞性优化定义,对这两个参数进行优化,得到了能够满足行人保护要求的薄壁管扩径结构参数。
　　 在达到保护行人的目的后,保险杠内部尚有剩余空间,结合薄壁管扩径和压缩两种结构的特点,提出变刚度结构。此时的最优扩径结构长度上变短,对变刚度结构前部扩径薄壁管截短的影响进行分析。针对汽车正面碰撞的要求,提出优化定义,对后端压缩管进行优化设计。得出能够应对汽车正面碰撞的最优后部压缩管结构尺寸参数。最优前部扩径结构与后部压缩结构结合得到的变刚度结构即为能在人-车碰撞中保护行人及汽车正面碰撞中保护驾乘人员的最优化结构。
　　 根据汽车保险杠结构及变刚度结构的形式,提出保险杠内部填充结构的布置方案并确定吸能元件的数目。建立行人碰撞保险杠和汽车正面碰撞中保险杠的有限元模型。在法规要求的碰撞速度下,分别对撞击行人及汽车正面碰撞中保险杠系统的指标进行评价,验证了采用优化填充结构的行人友好保险杠的有效性。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外相关领域研究现状

1.2.1 人-车碰撞保护行人的国内外研究现状

1.2.2 薄壁构件抗撞性的国内外研究现状

1.3 汽车碰撞研究方法

1.4 行人安全性评价指标

1.5 本文主要研究内容

2 抗撞性优化问题的理论基础

2.1 显式有限元算法的基本理论

2.1.1 有限元法简介

2.1.2 物体变形过程描述

2.1.3 沙漏控制

2.1.4 接触碰撞算法

2.2 实验设计

2.2.1 正交实验设计

2.2.2 均匀实验设计

2.2.3 全面实验设计

2.3 代理模型近似求解方法

2.3.1 响应面法

2.3.2 评价标准

2.4 非线性优化方法

2.5 本章小结

3 面向行人保护的金属薄壁管抗撞性研究

3.1 面向行人保护的保险杠抗撞性结构要求

3.2 材料模型

3.3 薄壁管压缩结构的抗撞性研究

3.3.1 薄壁管压缩分析模型的建立

3.3.2 薄壁管压缩结构的优化设计

3.4 薄壁管扩径结构的抗撞性研究

3.4.1 影响因素分析

3.4.2 薄壁管扩径分析模型的建立

3.4.3 薄壁管扩径结构的优化设计

3.5 保险杠内部变刚度薄壁管的设计

3.5.1 变刚度结构的意义

3.5.2 变刚度结构分析模型的建立

3.5.3 针对正面碰撞的变刚度吸能优化设计

3.6 本章小结

4 面向行人保护的薄壁管结构在保险杠中的应用

4.1 保险杠系统的分类

4.2 碰撞速度的确定

4.3 保险杠内部填充方案

4.3.1 保险杠内部填充结构布置方案

4.3.2 保险杠内部吸能元件数目的确定

4.4 行人碰撞保险杠的仿真分析

4.5 正面碰撞中保险杠仿真分析

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

作者简历

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