基于行人保護的轎車前保險杠設計與分析,基于,行人,保護,維護,轎車,保險杠,設計,分析 畢 業(yè) 設 計（論 文） 設計(論文)題目： 基于行人保護的轎車前保險杠設計與 　　　　　　　　 分析 學生姓名： 二級學院： 班　　級： 提交日期： 目錄 目 錄 摘 要 II Abstract III 1 緒 論 1 1.1 課題研究背景及意義 1 1.2 課題國內外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢 2 1.3 行人保護設施 3 1.4 課題研究內容和方法 3 2 轎車前保險杠概述 5 2.1 保險杠系統(tǒng)的分類 5 2.1.1 非吸能式保險杠 5 2.1.2 吸能式保險杠 5 2.2 轎車前保險杠的設計要求 7 2.3 吸能裝置 8 3 轎車前保險杠建模 9 3.1 主特征建模 9 3.2 附件特征建模 9 4 轎車前保險杠有限元分析 11 4.1 轎車前保險杠模型前處理 11 4.1.1 無吸能盒轎車前保險杠有限元分析 11 4.1.2 有吸能盒轎車前保險杠有限元分析 14 4.2 轎車前保險杠受力后的位移云圖 17 4.3 轎車前保險杠受力后的應力分布 19 4.4 轎車前保險杠對比分析 21 4.5 改進建議及措施 21 5 結論與展望 22 參考文獻 24 致 謝 25 III 摘要 基于行人保護的轎車前保險杠設計與分析 摘 要 轎車與行人發(fā)生碰撞時，前保險杠對行人保護起著重要的作用。課題在基于行人保護的基礎上對常見類型的轎車前保險杠進行了改進，即在保險杠的殼體后面和側面分別加裝吸能裝置，類似于現(xiàn)在大部分轎車前防撞梁上安裝的吸能盒，來進一步有效的提高車輛的安全性。用CATIA軟件建立好有吸能裝置和無吸能裝置的轎車前保險杠模型，模擬行人從正面和側面與車輛發(fā)生碰撞時的狀態(tài)，分別對其進行有限元分析，對比觀察模型受力后的變形狀態(tài)和應力分布模式，指出不足之處并提出自己的改進意見，從而得到更有利于行人保護的轎車前保險杠。 關鍵詞：行人保護；吸能式前保險杠；吸能裝置；建模分析 Abstract Based on the car front bumper design and analysis of pedestrian protection Abstract The front bumper plays an important role in the protection of pedestrians when the collision between car and pedestrian.Subject based on the pedestrian protection then improved common type of front bumper.The energy absorbing device is installed at the back and the side of the rear bumper, which is similar to the energy absorbing box installed on the front part of the front part of the car to further improve the safety of the vehicle. With CATIA software to establish the car front bumpers,one have the energy absorbing devices and the other one not have the energy absorbing,then let the pedestrian simulation from the front and side with the vehicle collision.After the finite element analysis, the deformation state and stress distribution of the model were observed, and the deficiencies were pointed out and the improvement suggestions were put forward to design the front bumper of the car which is more conducive to the pedestrian protection. Key words: Pedestrian Protection; Energy absorbing front bumper;Energy absorber; Modeling Analysis 第1章 緒論 1 緒 論 1.1 課題研究背景及意義 隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，給人們生活帶來便利的同時，碰撞事故發(fā)生的也越來越多，有數(shù)據(jù)顯示，我國交通事故死亡率居世界前列，而行人在整個交通體系中處于最弱勢的地位，是最容易受到傷害的一類人群，事故帶來的人員傷亡和財產(chǎn)損失都是十分巨大的，這已成為一個非常嚴重的社會問題。由于駕駛習慣、安全意識、道路條件和汽車技術等因素的影響，不可能完全避免交通事故的發(fā)生,怎樣才能最大程度地保護事故發(fā)生時人員的安全、減少事故造成的損失是一個需要不斷深入討論的問題。 圖1.1 行人與車體接觸部位分布情況 由圖1.1可以看出，發(fā)生事故時，行人與車體接觸的部位絕大部分是車身的前部,正是車輛前保險杠所在的位置，所以對碰撞后前保險杠吸能效果的分析和提高它的耐撞性，具有非常重要的意義。 前保險杠屬于汽車被動安全裝置之一，主要起以下五個方面的作用： 1） 當車輛與行人或物體發(fā)生碰撞時，保險杠能夠保護到翼子板、散熱器和燈具等配件。達到降低維修費用，延長汽車使用壽命的效果； 2） 在發(fā)生重大事故時，保險杠能夠把受到的力合理的向車身各個吸能結構傳遞，以免局部變形過大，造成乘員傷害； 3） 當車輛與行人發(fā)生碰撞時，能起到緩沖吸能的效果，降低行人下肢受到的傷害； 4） 通過保險杠外部造型的設計來降低風阻，使之滿足車身氣動性能的要求； 5） 起到裝飾的作用，符合多數(shù)人的審美要求。 好的保險杠設計，不但要有時尚的造型，還要有良好的安全性。好的造型要有好的產(chǎn)品工藝保證,好的安全性要有好的材料和設計結構保證。 1.2 課題國內外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢 為了最大程度地保護好行人，把事故造成的傷害降到最低，國內外科研人員除了不斷研究和開發(fā)各項汽車的被動安全裝置，也在極力討論如何能夠設計出更完美的多功能型保險杠，使之無論在外觀還是實用性能上都能達到最優(yōu)，所以保險杠的設計與優(yōu)化還是具有很廣闊的發(fā)展前景的。 我國個人汽車保有量的不斷增長，帶動汽車保險杠市場需求持續(xù)大幅增加。二十年前，汽車的前后保險杠主要是由厚度為3mm以上的高強度鋼板沖壓而成的，對其表面進行鍍鉻處理，然后將制成的金屬保險杠與車架的縱梁鉚接或者焊接在一起，但是和汽車的車身還是有一段比較大的間隙，像是一個附加上去的部件。隨著工業(yè)技術的革新，汽車保險杠做為一種重要的安全保護裝置也進行了優(yōu)化和改進，塑料材質的保險杠逐漸取代了金屬材質的保險杠。 如圖1.2所示，塑料保險杠不但能夠減少制造的成本，而且對工業(yè)水平的要求也有所降低，更加便于批量生產(chǎn)。因為汽車剛性不是靠保險杠來承擔的，而保險杠卻是事故中最容易受到損壞的部件，所以基于對行人的保護、降低車輛自重和便于維修等方面來考慮，塑料材質確實是保險杠的品質之選。當然一些頂級轎跑還會采用一些碳纖維材料來制作保險杠，其主要目的還是為了打造輕量化的車身，提升車輛的加速和制動以及降低燃油的消耗率。 圖 1.2 塑料保險杠 保險杠未來的設計發(fā)展趨勢： 1)輕量化設計。保險杠的結構比較簡單，運用新材料、新工藝和結構優(yōu)化的方法相結合，實現(xiàn)保險杠的輕量化設計，對整車輕量化具有重要意義，相對容易實現(xiàn)，是目前研究的一個熱點。 2)保險杠是傳統(tǒng)的被動安全部件，主動安全與被動安全相結合，是一個值得深入研究的課題。 3)集成性。多數(shù)文獻僅僅從碰撞過程對行人小腿的保護出發(fā)，或者只以碰撞過程吸能最大為目標，進行設計優(yōu)化。而綜合的考慮行人保護、碰撞吸能、保險杠的剛度與強度的合理匹配、空氣動力學、外部造型、模態(tài)等性能的參數(shù)優(yōu)化設計研究的都很少，這是未來改進的重點方向。 1.3 行人保護設施 （1）碰撞緩沖防護系統(tǒng) 碰撞緩沖防護系統(tǒng)主要涉及車身吸能材料的應用，如吸能保險杠、軟性的發(fā)動機蓋、前照燈及附件無銳角等。其中，在發(fā)動機蓋上采用緩沖結構設計，是目前國內汽車制造廠商中較為常見的做法。比如雅閣在發(fā)動機蓋掀起的末端安裝了一個活動鉸鏈，當汽車前部碰撞到行人時，鉸鏈帶動發(fā)動機蓋下沉，從而達到緩沖吸能，減少傷害的作用。此外，前翼子板和保險杠也都預留出了碰撞的空間，同樣起到緩沖作用。 另外，各種新型材料也已開始被應用起來，比如東風雪鐵龍世嘉使用了GE公司的新型行人碰撞保護材料，這種類似塑料的新材料價格甚至高于鋼材，因此在選擇車輛時，不能只看車體的厚度來評價車輛的安全性能。 （2）行人安全保護氣囊 行人保護安全氣囊可進一步避免人體與汽車的風窗玻璃發(fā)生撞擊，以免在猛烈碰撞下行人與車內乘客受到更大的傷害。當汽車與行人發(fā)生正面碰撞時，內置氣囊迅速向前和兩側彈開，托起被撞行人的同時也能有效地阻止行人跌向兩側，避免對其造成二次傷害。目前，行人保護安全氣囊系統(tǒng)已應用于高級轎車上，如保險杠內藏式氣囊、發(fā)動機罩氣囊、前圍安全氣囊等，如圖1.3所示。 圖1.3 行人安全保護氣囊 1.4 課題研究內容和方法 在我國汽車交通事故中，車輛與行人的碰撞統(tǒng)計顯示約占汽車交通事故總數(shù)的27%，并且行人的傷亡率往往很高。所以本課題就從基于行人保護的理論出發(fā)，了解汽車各大制造廠商為行人保護而采取的有效措施，介紹了轎車前保險杠的設計原則和要求。由于本文旨在研究當行人與車輛發(fā)生正面或側面碰撞，車身受到的沖擊破壞還未壓壞金屬橫梁時，如何設計轎車的前保險杠，使之能夠最大程度的保護行人的安全。所以就先按照普通保險杠的設計要求，用CATIA軟件建立出了轎車前保險杠的三維模型，然后依據(jù)自己的想法提出了改進意見，即在保險杠殼體的背部加上一組吸能裝置，再次得出新的三維模型，以便接下來可以將建立好的模型分別導入ANSYS軟件進行分析，根據(jù)分析結果發(fā)現(xiàn)不足之處并提出自己的改進意見，從而設計出更能有效地保護行人安全的轎車前保險杠。 課題的研究涉及到了兩種建模與分析的軟件——CATIA和ANSYS。CATIA支持從項目前階段、具體的設計、分析、模擬、組裝到維護在內的全部設計流程，是一種功能強大且應用非常廣泛的軟件，課題中就利用此軟件建立出了有無吸能裝置的轎車前保險杠的三維模型。然后分別將模型導入到ANSYS軟件中進行有限元分析。有限元分析有如下幾大優(yōu)點：1、能夠增加設計的功能，減少設計成本；2、能夠縮短設計和分析的循環(huán)周期；3、增加產(chǎn)品和工程的可靠性；4、采用優(yōu)化設計，降低材料的消耗和成本；5、在產(chǎn)品制造或工程施工前預先發(fā)現(xiàn)潛在的問題；6、模擬各種試驗方案，減少試驗時間和經(jīng)費；7進行機械事故分析，查找事故原因。 23 第2章 轎車前保險杠概述 2 轎車前保險杠概述 2.1 保險杠系統(tǒng)的分類 按功能來分，保險杠可分為非吸能式和吸能式，如圖2.1所示。非吸能式保險杠沒有內襯，支架也基本不能吸能，所以緩沖吸能的能力較差，只起到裝飾作用，而不起到保護作用。吸能式保險杠的安全性和與車身造型的協(xié)調性都比較好，所以被廣泛的應用于現(xiàn)代轎車上。 a) b) c) d) 圖2.1 a)b)非吸能式 c)d)吸能式 2.1.1 非吸能式保險杠 非吸能式顧名思義就是指不具有緩沖吸能性的保險杠，主要運用在商用車上，且外板多由金屬材料制成。 豐田汽車作為日系車的領導品牌，曾經(jīng)推出過一款轎車，沒有給它設計吸能盒結構，而是采用了單一的B型前保險杠。與安裝了吸能盒的車型對比來說，發(fā)生輕微碰撞時對前縱梁造成的損壞比較輕，維修費自然也較低。但是發(fā)生大的碰撞后，整個前縱梁都會報廢，反而增加了極大的維修成本。 非吸能式保險杠自身的剛性較大，在碰撞時防護自身的同時，也會對其他車輛和行人造成較大的傷害。根據(jù)2013年頒布的《汽車防護杠》行業(yè)標準，非吸能式保險杠將逐漸被淘汰，取而代之的將是吸能式保險杠。 2.1.2 吸能式保險杠 吸能式保險杠的防護結構由兩部分組成，一是應主要由彈性較大的泡沫塑料制成，能夠達到減輕行人受傷害的目的。二是要有能夠吸收碰撞能量的裝置，例如金屬構架、半硬質橡膠緩沖結構、全塑料結構等裝置。常見的吸能式保險杠主要由外蓋板、橫杠、內襯和支架等部分組成，其中支架和內襯也都可以作為緩沖吸能的元件。 吸能式保險杠按緩沖吸能方式的不同可分為：自身吸能式、液壓吸能式、帶氣腔式和安全氣囊式。 （1） 自身吸能式保險杠 如圖2.2所示，大部分轎車用的都是自身吸能式保險杠，因為這種形式的保險杠結構比較簡單，發(fā)生撞擊時，主要通過內襯和支架的變形來緩沖吸能。所以支架需要有一定的強度，通常由一些金屬材料制成，而內襯的材料卻有很多選擇，例如各種塑料、泡沫狀金屬材料、蜂窩狀材料等。這種保險杠的緩沖性能由所選緩沖材料的特性決定。 圖2.2 自身吸能式保險杠 （2） 液壓吸能式保險杠 橫杠內側加強件通過橡膠墊與液壓緩沖減震器的活塞桿相連接，活塞桿為空心結構，內裝有浮動活塞，活塞將其隔成左、右兩腔，左腔充滿氮氣，右腔充滿液壓油，活塞桿外圓柱面與緩沖缸內圓柱面滑動配合，緩和液壓缸內液壓油與活塞桿右腔相通。緩沖缸固定在車架或車身加強件上。當汽車與障礙物發(fā)生碰撞時，保險杠受到的沖擊力傳到活塞桿上，活塞桿端部向右移動，擠壓液壓油通過節(jié)油孔向活塞桿右腔流動，推動浮動活塞向左移動，并使氮氣受到壓縮。這樣利用液壓油通過節(jié)流孔時的粘性阻力吸收撞擊的能量，吸收能量的效率可以高達80％。這類油氣彈簧式的緩沖減震器有效利用了氣體緩沖、液體節(jié)流減振的工作方式，工作特性比較穩(wěn)定。撞擊后靠氮氣產(chǎn)生復原動力，使保險杠復位。這種保險杠由于造價較高，通常用在高檔轎車上，如圖2.3所示。 圖2.3 液壓緩沖型保險杠 1-橫杠 2-橫杠內側加強件 3-氮氣 4-活塞桿 5-浮動活塞 6-液壓油 7-節(jié)流孔 8-緩沖缸及其支座 （3） 帶氣腔式保險杠 這種類型的保險杠通常會把氣腔作為內襯，裝在外蓋板和橫杠中間。發(fā)生碰撞時，氣腔會被壓縮，會影響其外面包裹部件的變形方式，來改善吸能效果。研究表明，合理地設計氣腔數(shù)量和氣壓能優(yōu)化包裹氣腔部件的強度，這種保險杠比普通式保險杠的性能要好很多。 （4） 帶安全氣囊型 這是一種專為保護行人而設計的保險杠，由傳感器、充氣泵和氣囊等部件構成，并集中裝入了保險杠內。在行人與車輛碰撞，觸及保險杠的瞬間，保險杠內藏推板迅速落下，從而阻止行人被撞倒在車底，同時，保險杠前方和兩側的氣囊快速充氣，將被撞行人托起。這種保險杠可以有效地減輕被撞行人受到的傷害，防止行人滾落到路中間，并且能夠控制汽車實施緊急制動。但目前仍處于研究和試驗階段。 2.2 轎車前保險杠的設計要求 汽車發(fā)動機艙的潰縮區(qū)域一般分為三個等級，依次是變形區(qū)、相容區(qū)和自身保護區(qū)。而前保險杠屬于變形區(qū)，是車身結構中的重要組成部分，作為被動安全裝置之一，在行人保護和低速碰撞等方面起著舉足輕重的作用。 轎車前保險杠應遵循如下幾點設計要求：? 當車輛與行人發(fā)生碰撞時，前保險杠能夠最大限度的減輕對行人帶來的傷害；? （2）當車輛受到輕微碰撞時，前保險杠能吸收撞擊產(chǎn)生的能量，并且能夠自動恢復，降低維修費用；? （3）發(fā)生低速碰撞時，轎車的前保險杠能夠保護好冷卻系統(tǒng)、燈具照明系統(tǒng)、翼子板等部件，確保車輛的前縱梁不會發(fā)生形變；? （4）前防撞橫梁的作用主要是將碰撞產(chǎn)生的能量均勻的傳遞到后方的吸能元件和車身的前縱梁上，當發(fā)生較嚴重的事故時，確保汽車前縱梁壓潰后的內侵量不會過大。? （5）前保險杠橫梁是車輛約束系統(tǒng)的控制單元（ECU），是最先感知車輛碰撞減速度的部件，橫梁的強度對 ECU 判斷安全氣囊點火時刻具有重要的意義。? 車輛與行人發(fā)生碰撞時，對行人的保護和車內乘員的保護是不同的，行人與車輛的運動狀態(tài)和相對位置等許多因素都比乘員復雜，且具有不確定性。行人受傷的主要原因和影響因素分別為汽車的速度、汽車前部的結構形狀和碰撞區(qū)能量吸收的特性。 所以在實際條件下，改進汽車結構使其能夠最大程度的保護行人的方法有： （1）優(yōu)化汽車前部結構，在發(fā)生碰撞時降低汽車與行人之間的相對碰撞速度。但由于人體身高、體重等方面存在較大的差異，很難針對不同體型的人群進行優(yōu)化，目前還沒有一個普遍適用的設計原則。 （2）采用改進的材料，安裝專用的防護裝置等方法來降低碰撞區(qū)域的剛度，達到改進碰撞區(qū)域吸能效果的目的。 2.3 吸能裝置 因為課題主要考慮的是靜態(tài)分析，即在受到一個固定力的作用下，如何改進轎車前保險杠，使之能夠最大程度的保護行人是研究的重點。大多數(shù)行人與車輛碰撞的事故中，車輛受到的破壞都不是特別嚴重，很少會壓斷前防撞橫梁，而大多數(shù)汽車上都會在主梁后面加裝兩個吸能盒如圖2.4所示，在車輛發(fā)生低速碰撞時能夠有效的吸收碰撞產(chǎn)生的能量，主要保護的是乘員的安全和車身的完整性，所以筆者就考慮是否能夠把類似的吸能裝置加裝到前保險杠的后側，以便在發(fā)生小的碰撞時能夠更加充分的吸能緩沖，保護行人的同時也盡量減少車輛的維修費用。 不同的車輛上安裝的吸能盒都需要根據(jù)車子實際的性能來設計它的尺寸、形狀和選取材料等，但添加吸能盒可以提高車輛的安全性能，這是毋庸置疑的。如何在汽車上合理的添加吸能裝置，使其能夠發(fā)揮出最佳的吸能效果，最大程度的保護好行人是一個很值得深究的問題。 圖2.4 吸能盒的布置 第3章 轎車前保險杠建模 3 轎車前保險杠建模 3.1 主特征建模 打開CATIA軟件，繪制出轎車前保險杠的外殼模型，如圖3.1所示。 圖3.1 前保險杠主特征建模 3.2 附件特征建模 在主特征建模的基礎上，對前保險杠殼體進行適當?shù)牟眉艉颓嫣砑?，形成前霧燈槽和輪罩面等，并設置其長為1925mm，寬為715mm，高為538mm,平均壁厚為3.5mm，如圖3.2所示。 圖3.2 前保險杠附件特征建模 在建立好的模型上添加三個吸能裝置,考慮到車身的輕量化設計，模擬吸能盒有實心與空心之分，實心吸能盒如圖3.3所示，空心吸能盒平均壁厚為2mm，如圖3.4所示。 圖3.3 有實心吸能盒的前保險杠 圖3.4 有空心吸能盒的前保險杠 第4章 轎車前保險杠有限元分析 4 轎車前保險杠有限元分析 4.1 轎車前保險杠模型前處理 啟動workbench，在ANSYS Workbench主界面中選擇Units（單位）→Metric(kg,m,s,℃,A,N,V)命令，設置模型單位。 雙擊主界面Toolbox（工具箱）中的Static Structural，創(chuàng)建分析項目A，如圖4.1所示。 圖4.1 主界面 4.1.1 無吸能盒轎車前保險杠有限元分析 1、導入前保險杠模型 在A3欄的Geometry上單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇Replace Geometry→Browse命令，彈出“打開”對話框，選取文件進行導入，當“？”變成“√”表示實體模型已經(jīng)存在。 雙擊項目A中的A3欄Geometry，此時會進入到DM界面，單擊Generate按鈕，即可顯示生成的幾何體，如圖4.2所示。 圖4.2 保險杠模型導入到ANSYS 單擊DM界面右上角的關閉按鈕，退出DM，返回到Workbench主界面。 2、 添加材料 設置無吸能盒的轎車前保險杠的材料為工程塑料。 3、網(wǎng)格劃分 單擊Model分析樹中的Mesh項，為網(wǎng)格劃分添加尺寸控制。對三維模型進行網(wǎng)格劃分的時候，考慮到電腦的計算水平，應盡量選擇質量好的網(wǎng)格，如圖4.3所示。 圖4.3 網(wǎng)格劃分 4、施加約束 對已經(jīng)畫好網(wǎng)格的有限元模型施加約束，固定住模型的兩側，如圖4.4a)和4.4b)所示。 圖4.4 a)對模型右側施加約束 圖4.4 b)對模型左側施加約束 5、提交計算 模擬行人與車輛發(fā)生正面碰撞時的情況，設置壓力為5000N，如圖4.5所示。 圖4.5 正面受力 模擬行人與車輛發(fā)生側面碰撞時的情況，設置壓力為5000N，如圖4.6所示。 圖4.6 側面受力 4.1.2 有吸能盒轎車前保險杠有限元分析 （1）把吸能盒為實心的轎車前保險杠模型也按上述方法導入workbench進行分析，具體操作步驟如圖所示。 圖4.7 導入模型賦予材料 圖4.8 網(wǎng)格劃分 對導入模型的兩側分別施加固定約束，如圖4.9a)和4.9b)所示。 圖4.9 a)對模型右側施加約束 圖4.9 b)對模型左側施加約束 模擬行人與車輛發(fā)生碰撞時，前保險杠正面和側面受到力的情況，如圖4.10和4.11所示。 圖4.10 正面受力 圖4.11 側面受力 （2） 把有空心吸能盒裝置的轎車前保險杠的三維模型導入進workbench分析，過程同上，具體操作步驟如圖所示。 圖4.12 導入模型 圖4.13 網(wǎng)格化分 在模型兩側分別施加兩個固定約束，如圖4.14a)和1.14b)所示。 圖4.14 a)在模型左側施加約束 圖4.14 b)在模型右側施加約束 模擬行人與車輛發(fā)生碰撞時，前保險杠正面和側面受到力的情況，如圖4.15和4.16所示。 圖4.15 正面受力 圖4.16 側面受力 4.2 轎車前保險杠受力后的位移云圖 查看無吸能盒保險杠的位移云圖，如圖4.17和4.18所示。 圖4.17 無吸能盒正面受力位移云圖 由圖上數(shù)據(jù)可知，無吸能盒保險杠正面受壓時，產(chǎn)生的最小位移量為0，最大位移量為1.0116mm。 圖4.18 無吸能盒側面受力位移云圖 由圖上數(shù)據(jù)可知，無吸能盒保險杠側面受壓時，產(chǎn)生的最小位移量為0，最大位移量為0.27905mm。 查看有實心吸能盒保險杠的位移云圖，如圖4.19和4.20所示。 圖4.19 實心吸能盒正面受力位移云圖 由圖上數(shù)據(jù)可知，實心吸能盒保險杠正面受壓時，產(chǎn)生的最小位移量為0，最大位移量為0.29045mm。 圖4.20 實心吸能盒側面受力云圖 由圖上數(shù)據(jù)可知，實心吸能盒保險杠側面受壓時，產(chǎn)生的最小位移量為0，最大位移量為0.049087mm。 查看有空心吸能盒保險杠的位移云圖，如圖4.21和4.22所示。 圖4.21 空心吸能盒正面受力云圖 由圖上數(shù)據(jù)可知，空心吸能盒保險杠正面受壓時，產(chǎn)生的最小位移量為0，最大位移量為0.32599mm。 圖4.22 空心吸能盒側面受力云圖 由圖上數(shù)據(jù)可知，空心吸能盒保險杠正面受壓時，產(chǎn)生的最小位移量為0，最大位移量為0.057258mm。 4.3 轎車前保險杠受力后的應力分布 查看無吸能盒保險杠的應力云圖，如圖4.23和4.24所示。 圖4.23 無吸能盒保險杠正面受力應力云圖 由圖可知，無吸能盒保險杠正面受壓時，作用在上面的最小應力為8.3613e-11Mpa,最大應力為31.473Mpa。 圖4.24 無吸能盒保險杠側面受力應力云圖 由圖可知，無吸能盒保險杠側面受壓時，作用在上面的最小應力為2.2662e-11Mpa,最大應力為11.532Mpa。 查看有實心吸能盒保險杠的應力云圖，如圖4.25和4.26所示。 圖4.25 實心吸能盒保險杠正面受力應力云圖 由圖可知，實心吸能盒保險杠正面受壓時，作用在上面的最小應力為1.0566e-11Mpa，最大應力為10.973Mpa。 圖4.26 實心吸能盒保險杠側面受力應力云圖 由圖可知，實心吸能盒保險杠側面受壓時，作用在上面的最小應力為5.4297e-12Mpa，最大應力為4.6729Mpa。 查看有空心吸能盒保險杠的應力云圖，如圖4.27和4.28所示。 圖4.27 空心吸能盒保險杠正面受力應力云圖 由圖可知，空心吸能盒保險杠正面受壓時，作用在上面的最小應力為2.0653e-12Mpa，最大應力為12.587Mpa。 圖4.28 空心吸能盒保險杠側面受力應力云圖 由圖可知，空心吸能盒保險杠側面受壓時，作用在上面的最小應力為7.0202e-13Mpa，最大應力為8.8938Mpa。 4.4 轎車前保險杠對比分析 在保險杠的正面和側面施加同樣大小的力，對比得到的位移云圖，不管有沒有安裝吸能裝置，保險杠的外形均發(fā)生了形變。有吸能裝置的位移量明顯比無吸能裝置的小，而實心的吸能盒位移量又比空心的小，盡管只相差了一點點。 對比有無吸能盒情況下保險杠的米塞斯應力云圖，無論是正面受力還是側面受力，無吸能盒保險杠受到的應力都比較集中，而有吸能盒保險杠的應力云圖顯示其所受的應力都相對比較分散，所以無吸能裝置的保險杠明顯被壓壞了，有空心吸能裝置的損壞也比較明顯，而有實心吸能裝置的保險杠看起來幾乎無損。有吸能裝置的保險杠所受最大應力遠小于沒有吸能裝置的保險杠所受到的最大應力，而且實心的比空心的吸能盒分散力的效果更強。 所以在基于行人保護的前提要求下，有吸能裝置的轎車前保險杠能夠緩沖吸收和均勻擴散出更多的能量，更加的安全可靠，值得在所有轎車上加裝。而對比實心和空心吸能盒造成的位移量，差別并不是很大，如果只考慮位移大小和車身的輕量化設計，采用空心的吸能盒會更合適。而對比它們受到的最大應力值，實心吸能盒又有明顯的優(yōu)勢。所以合理地設計吸能盒對優(yōu)化轎車前保險杠來說是非常重要的。 4.5 改進建議及措施 （1） 行人與車輛碰撞的發(fā)生一般都是低速的，由ANSYS分析得出的結論可以看出，雖然大部分的轎車前保險杠都已經(jīng)采用較軟的塑料制成，但是為了盡可能地保護行人安全和轎車前保險杠少受破壞，降低修復的成本，添加合理的吸能裝置明顯可以做到更好。 （2） 雖然課題中考慮到了對比空心和實心吸能盒的吸能特性，但是沒有考慮車身輕量化等要求，對其材料、形狀和尺寸等進行細致的設計和分析。在受到同樣的碰撞條件下，吸能盒能夠通過更平穩(wěn)的壓潰來吸收更多的能量，是以后研究的重點之一。 （3）由于筆者能力有限，并沒有用假人進行碰撞仿真試驗，仿真試驗可以更直接更清晰更全面的了解到設計存在的不足之處，也便于對不足之處加以修改。如果以后有條件和精力的話，可以對基于行人保護的轎車前保險杠的優(yōu)化進行深入討論。 （4）從基于行人保護方面來設計和改進轎車前保險杠，除了加裝吸能盒之外，帶安全氣囊型的保險杠也屬于研究的熱門，它主要采用氣囊作為吸能裝置，減少了高強度鋼的應用，也降低了制造的成本，在汽車與行人發(fā)生正面碰撞時能夠最大程度的保護到行人的安全。 第5章 結論與展望 5 結論與展望 現(xiàn)在大部分汽車制造商都只考慮到發(fā)生較大的交通事故時，利用安裝在前防撞梁上的吸能盒來吸收和分散大部分能量，達到保護車內乘員的安全和避免縱梁受到損壞的目的，而本課題需要研究的是如何設計出能夠更好的保護行人安全的轎車前保險杠。碰撞就會產(chǎn)生能量這是必然，想要保護行人就要讓車輛能夠最大程度的吸收和擴散掉更多由碰撞產(chǎn)生的力。所以筆者就考慮，如果在保險杠殼體后方加裝一些吸能裝置是否能夠在保護行人方面達到更好的效果。 通過對比無吸能裝置保險杠和有吸能裝置保險杠的位移云圖和應力云圖，我們可以很清楚的看到，有吸能裝置的保險杠的位移量和受到的最大應力明顯比沒有吸能裝置的小，無論吸能盒是實心還是空心的。但是由于筆者時間和精力有限，并沒有研究哪種材料、尺寸和形狀的吸能盒，在滿足車身輕量化的條件下，吸能效果最佳，這一點未來可以深入討論。 其實在轎車前后保險杠上加裝泡沫吸能裝置最初是由日本的技術人員提出并研發(fā)的，一些日系車上早已運用上了，采用泡沫吸能不但效果好、質量輕、造價低，還便于回收處理。引來許多德產(chǎn)和國產(chǎn)企業(yè)的紛紛效仿，雖然還沒有強制要求在所有轎車上都加裝這類吸能裝置，但它的吸能效果可以說是有目共睹的，在保護行人方面確實能夠起到很大的作用，希望以后能夠被普及和推廣。 總之，課題的研究成果對基于行人保護的轎車前保險杠的設計與分析具有一定的意義，但是行人的安全保護是一個長期且艱難的問題，需要更多的研究者日后來繼續(xù)完善。 參考文獻 參考文獻 [1]魏顯坤、夏銘.轎車保險杠的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].四川兵工學報,2013,34（2） [2]智淑亞.汽車車身結構與設計[M].北京：機械工業(yè)出版社,2014. 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[21]李黎明.ANSYS有限元分析實用教程[M].清華大學出版社,2005. 25 致謝 致 謝 畢業(yè)設計，從選題開始到完成正文，共經(jīng)歷了四個多月的時間，也是我在大學生活中感到任務最繁重的一段時期。為了能夠更好的完成這個任務，從初期我就查閱和收集了大量和課題有關的資料，自學了從沒接觸過的制圖軟件，一次一次的和指導老師討論存在的問題，一遍一遍的修改不足之處。雖然歷時長，任務重，但是在老師和同學們的幫助下，在自己的認真努力下，還是如期的交出了這份稚嫩的答卷。 在論文完成之際，我要特別感謝我的指導老師——智淑亞老師對我的關心與指導。在撰寫論文的過程中，智老師傾注了大量的時間與心血，無論是在論文的選題、構思和資料的收集方面，還是在論文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了智老師悉心細致的教誨和無私的幫助，特別是她廣博的學識、深厚的學術素養(yǎng)、嚴謹?shù)闹螌W精神和一絲不茍的工作作風使我終生受益，在此表示真誠地感謝和深深的謝意。在論文的寫作過程中，也得到了同學們很多的寶貴建議，在此一并致以誠摯的謝意。感謝所有關心、支持、幫助過我的良師益友。最后，向在百忙中抽出時間對本文進行評審并提出寶貴意見的各位老師表示衷心地感謝！由于筆者的理論水平有限，論文中的設計難免存在疏漏和不足之處，懇請各位老師批評指正！