汽车保险杠的设计

1、邵阳学院毕业论文目录中文摘要2英文摘要31 绪论41.1 汽车正面碰撞防护技术研究的背景和意义41.2 我国汽车碰撞安全法规的发展61.3 国内外汽车正面碰撞法规的对比71.4 国内外汽车正面碰撞防护技术的现状81.5国内外汽车正面碰撞防护技术的发展趋势101.6本文研究的主要内容及其意义132 汽车保险杠的作用和结构类型以及保险杠的建模142.1汽车保险杠的作用142.2汽车保险杠的结构类型142.3汽车保险杠的改进方案以及改进的目的152.4汽车保险杠的建模163 基于ANSYS的有限元分析203.1用ANSYS导入Pro-E绘制的汽车保险杠的三维实体模型204 汽车正面碰撞防护技术的研究

2、和防护装置设计的总结和展望254.1 汽车正面碰撞防护技术的研究和防护装置设计的总结254.2 汽车正面碰撞防护技术研究和防护装置设计的展望25参考文献：27致谢29摘要随着轿车的大规模生产和使用汽车保有量迅速增加,我国交通事故的发生率正在呈持续上升的趋势。也由于车速的不断提高，汽车交通事故的发生率已经大大的增加了。在汽车交通安全事故中, 出现几率最高的是汽车碰撞 , 其中正面碰撞最普遍。据资料显示,汽车发生正面碰撞的概率在40%左右。因此, 研究正面碰撞特性 , 对降低乘员的伤害非常重要。因此对于汽车正面碰撞防护技术的研究和装置的设计或者改进是非常有必要的。而汽车结构中的保险杠是正面碰撞时主

3、 要的承载和吸能构件,提高保险杠的吸收能量的能力可以降低整车碰撞中的加速度,对乘员起保护作用。 本文主要研究的是对汽车保险杠的改进，通过实体建模，并用ANSYS软件进行有限元分析，从而来验证改进装置的可行性以达到结构优化的目的。本文最主要的研究方向是基于ANSYS的有限元分析，对改进后的保险杆进行应力分析。关键词：汽车正面碰撞；汽车正面碰撞防护技术；汽车保险杠；有限元分析；应力分析 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绪论1.1汽车正面碰撞防护技术研究的背景和意义1.1.1汽车正面碰撞防护技术研究的背景表1.1 2003年交通事故统计结果汽车是现今世界上使用最普遍也是最方便的出行交通工具。同时也是对人和社会造成伤害最大的交通工具之一。根据资料记载自1899年第一起有记录的交通死亡事故以来，汽车在方便人类出行的同时，也时刻威胁着人们的生命财产安

9、全。伴随着我国国民经济的快速增长，国内汽车自主品牌也在的崛起，我国汽车保有量也在不断增加，然而交通事故发生率也相应的在上升。汽车产业的迅猛发展在给人们出行带来极大方便的同时，也为人们出行安全带来极大隐患。随着高速公路建设的越来越完善，汽车的行驶速度也在相应的提高。汽车发生交通事故的严重程度也随着汽车的行驶速度的不同而不同！在我国各类的交通事故中，汽车碰撞是两类最常见的交通事故！而汽车正面碰撞、侧面碰撞又是最常见的两类交通事故,表1所示是我国2003年交通事故统计结果1,在我国目前道路交通环境下, 侧面碰撞是发生最频繁事故形态, 但是正面碰撞事故造成的死亡人数最多。因此在各国的碰撞试验研究中正面

10、碰撞形式被作为主要研究对象。由于汽车在碰撞过程中系统的强非线性, 不同的碰撞方式，车身变形和车内人员的动力学响应等差异也很大, 碰撞试验方法的选择对车辆安全性评价的侧重点也是不尽相同的, 所以一个国家的碰撞安全法规对于生产厂家产品开发的设计思想具有直接的影响。国际上对于汽车正面碰撞的试验方法和形式也是不尽相同的，因此不同形式的汽车正面碰撞的试验方法对于汽车正面碰撞防护技术的研究具有指导性的意义。在这样的背景下，仔细研究汽车正面碰撞的形式对于汽车正面碰撞防护技术的研究和防护装置的设计也是非常重要的。表2是当今国际上最典型的几种汽车正面碰撞的实验形式和方法2。1.1.2汽车正面碰撞防护技术研究的意

11、义随着我国人民生活水平的不断提高以及汽车产业的高速发展，汽车作为一种重要的交通工具，被越来越受的人们的喜爱。随着人们物质生活水平的提高，人们对于生活也有了另一种全新的诠释。汽车自然而然成为人们追求的对象。随着我国经济的迅速发展，汽车这种日益重要的交通工具也如雨后春笋一样布满我国的各个角落。随着我国汽车保有量的迅速增长，随之而来的交通事故也在呈爆炸式的增长。各种各样的交通事故给人们的生命安全和财产带来了巨大的损失。如何提高汽车的安全性能，对于汽车正面碰撞防护技术的研究也成了人们日益关注的焦点。根据公安部统计数据显示，2003年全国公路上发生的交通事故总共389 773起，总共造成80 589人死

12、亡，332 694人受伤。从事故形态的分析来看，其中正面碰撞致死率是最高的，在2003年总共发生汽车正面碰撞的事故是133 690起，总共造成30 182人受伤，分别占总数的34.3%，37.5%和39.8%3。因此对于汽车正面碰撞防护技术的研究极其有必要。通过对汽车正面碰撞防护技术的研究可以为汽车制造商提供大量的分析数据和结果，从而大大提高汽车的安全性能，保证人们的生命和财产安全。所以对于汽车正面碰撞防护技术的研究对于社会和人们安全具有极其重要的意义。随着经济时代的到来，我国每年的汽车保有量也在成直线上升。道路也变得越来越拥堵，汽车的速度最低时速也在增加。拥挤的道路外加上汽车速度的增加，也为

13、汽车安全事故带来了潜在的可能。因此每个国家花费在汽车安全防护研究、行人安全研究、乘员安全研究以及各种安全防护装置的研究上的经费是非常巨大的。 Solid92单元实体 1.2 我国汽车碰撞安全法规的发展据统计，我国汽车碰撞安全事故，每年死亡人数高达九万人，相当于一次四川大地震的死亡人数，我国国务院发展研究中心提出了在往后的时间里希望减少10%，为此他们提出了“六E工程”。即立法、教育宣传、执法环境、汽车技术、道路环境、紧急抢救。“立法”是根据我国交通事故和外国先进经验实施的一系列的汽车安全法规，发展汽车碰撞安全法规，发展试验方法和改进技术。安全法规的建立，第一是要收集和分析我国汽车交通事故，根据

14、分析结果来总结出相应的试验法规；第二是参照国外的法规以及他们制定这方面法规的经验，特别是需要出口的汽车必须达到出口国家的相关法规要求。汽车正面碰撞是最常见的交通事故，根据我国2004年的数据统计4，汽车正面碰撞的死亡人数在所有交通事故死亡人数的比例高达34%。我国在2000年开始就已经采用了汽车正面100%和刚醒碰撞壁碰撞的实验法规，主要是因为试验方法简单便于重复和对比。执行几年来也明显提高了汽车碰撞的安全性。但是这种试验和真实的事故差异很大，而且我国出口欧洲和非洲等地的汽车需要符合欧洲的法规要求，而欧洲的法规要求与我国现行的正面碰撞强制法规是不一样的。欧洲执行的ECE R94时采用汽车正面的

15、40%偏置的碰撞法规5。碰撞壁上安装模拟汽车变形的蜂窝铝材料。试验除了必须准确的控制碰撞车速外，还需要控制偏置量在40%+2公分或者40%-2公分之间，而且蜂窝铝材料必须是标准的。我国已经在开始推荐使用了。另外根据我国交通事故发生的特点，侧面碰撞的伤亡率也是比较高的。侧面碰撞主要是由于汽车的侧面防护方面很单薄，因此每年的死亡人数占到了交通事故总死亡人数的30%以上。因此从2006年开始，我国所有的在产车型必须满足侧面碰撞强制性法规。在我国的重大交通事故中，客车的跌落翻滚经常产生群死群伤，另外，如果出口欧洲或者非洲等国家需要通过ECE R66法规。因此建议我国尽快实行这方面的相关法规。1.3 国

16、内外汽车正面碰撞法规的对比 1.3.1国外汽车碰撞标准技术发展目前国际上实车碰撞试验法规主要有美国的FMVSS和欧盟的 ECE体系，其他国家的技术法规大多是参照上述两大法规体系制定的。 正面碰撞试验法规为美国的FMVSS和欧洲的ECE R946,侧面碰撞试验法规为FMVSS 和欧洲的ECE R95美国早在1960年就开始讨论汽车被动安全性能要求，1984年正式颁布了FMVSS 208,规定1987 年以后生产的车型在前排必须安装安全气囊,安全气囊成了FMVSS 208指定的被动约束系统。1998年的修订案要求在2002至2005年之间必须安装1种智能化的安全气囊，以保护离位乘员和婴儿的安全。1

17、973年，美国有关侧面碰撞乘员保护的法规FMVSS 214颁布实施,当时仅规定了车门静强度试验,对门的力变形特性给予了规定7。随后美国运输部和国家公路交通安全管理局（DOT）对该法规实施后的交通事故进行了统计分析,发现就单个车的乘员事故死亡率有所减少。但车对车的乘员事故死亡率没有减少，鉴于该现象，美国公路交通安全管理局(NHTSA)提出采用以实车碰撞方式来评价乘员在侧碰撞事故中的伤害程度的试验方法。1990年美国在FMVSS 214 车门静强度试验法规中追加了实车碰撞试验方法,并于1905年起分阶段实施,后经多次修改和补充,形成现在的内容。欧盟于1905年同时颁布正面碰撞试验法ECE R94和

18、侧面碰撞法规ECE R95, 在此之前对正面碰撞已有其他法规8。1998年对碰撞法规ECE R94进行修订，将碰撞形态由50km/h带ASD的30斜角碰撞改为56km/h的ODB垂直碰撞，进一步提高汽车碰撞安全性能要求。1.3.2国内汽车正面碰撞的法规标准目前我国现行流行的有关汽车正面碰撞的安全法规有三种9:第一种是乘用车正面碰撞的乘员保护（GB 11551-2003）;第二种C-NCAP前部正面刚性壁障碰撞试验方法;第三种是C-NCAP 前部偏置碰撞试验方法10。 乘用车正面碰撞的乘员保护（GB 11551-2003）适用范围：本标准规定了汽车正面碰撞时前排外侧座椅乘员保护方面的技术要求和试

19、验方法。本标准只适合M1类车。 乘用车正面碰撞的乘员保护（GB 11551-2003）适用车型：一、对碰撞试验结果有影响的车辆长度和宽度二、对试验结果有不同影响的，通过驾驶员座椅“R”点的横向平面的前方车辆结构、尺寸、材料和轮廓。三、对试验结果有影响的乘员舱外形和内部尺寸以及保护系统的形式。四、发动机的布置（前置、中置或者后置）及排列方式（纵向或者横向）五、对试验结果有影响的汽车质量C-NCAP前部正面刚性壁障碰撞试验方法C-NCAP前部正面刚性壁障碰撞试验方法的要求：一、试验车辆100%重叠正面冲击固定刚性壁障二、碰撞速度为50km/h51km/h(试验速度不得低于50km/h)三、试验车辆

20、到达壁障的路线在横向任一方向偏离理论轨迹均不得超过150mm四、在前排驾驶员和乘员位置分别放置一个Hybrid III型第50百分位男性假人，用以测量前排人员受伤害情况五、在第二排座椅最右侧座位上放置一个Hybrid III型第5百分位女性假人，用以考核安全带性能1.4 国内外汽车正面碰撞防护技术的现状 由于汽车行业是从国外西方发达国家开始兴起的，所以国外汽车行业比较发达的国家对于汽车的各个方面都处于领先的地位。不管是对于汽车性能的研究还是对于汽车安全防护的研究，它们都是一直处于领先的地位。从有记录的第一起交通事故以来，汽车交通事故致死的人数和导致的财产数额都是巨大的。而其中汽车正面碰撞带来的

21、损失又是所有事故类型中最大的。因此对于汽车正面碰撞防护技术的研究一直都是一个最前沿的话题。不管是出于对行人安全的研究，还是对于驾驶员在汽车正面碰撞时的安全研究，各国都在为了这个话题，付出自己的努力。1.4.1 国外汽车正面碰撞防护技术研究的现状国外开展汽车正面碰撞的研究起步是比较早的。其中最开始研究汽车正面碰撞的是美国。早期的有关汽车碰撞的研究主要是进行各种条件下的碰撞试验，其中包括实车碰撞和模拟碰撞实验。因为要进行实车碰撞试验，所以研究的成本也很大。也一度为碰撞实验的进行带来了一定的难度。如何既有节省成本，又能成功的进行汽车碰撞实验成为当时人们思考的一个方向。随着计算机的研发成功，大大的方面

22、了人们的生活，同时也为其他行业的研究带来新的研究方法。为企业节约大量的成本的同时也提高了企业研发人员的工作效率。从上世纪60年代人们又开始了计算机模拟碰撞技术的研究。70年代美国开始使用计算机辅助交通事故分析软件11。最近20多年以来，汽车碰撞计算机模拟技术更是得到了非常迅速的发展，现在已经有很多成熟的用于汽车碰撞模拟的想也化软件包。其中最常见的有限元软件有：PAMCRASH、MADYMO和Ls-DYNA3D以及ANSYS 、LS-DYNA等有限元分析软件。这些软件能够进行车身结构碰撞大变形模拟和标准假人在碰撞过程中的动态响应分析,还可对法规碰撞试验进行计算机仿真。这些功能强大的软件包在安全车

23、身开发、碰撞受害者保护措施优化、人体生物力学、碰撞试验用标准假人开发等工作中发挥了很大的作用。目前,国际上开展的汽车碰撞计算机模拟研究主要包括以下两个方面12:一方面是事故再现(ACCIDENT RECONSTRUCTION),另一方面是碰撞受害者模拟(CRASH VICTIM SIMULATIONHE)和汽车结构抗撞性模拟(SIMULATION OF AUTOMOBILE ,SCRASHWORT NESS)。事故再现研究的内容是,在汽车事故发生后,由汽车的最终位置开始,运用经验建立的运动学和动力学模型往回推算,即反向经由碰撞后阶段-碰撞阶段-碰撞前阶段,使事故的情况在时间和空间上得以重现。汽

24、车碰撞受害者模拟的研究工作开始于60年代中期,使用的动力学分析模型是多刚体系统模型和生物力学分析模型,分别用来模拟人体整体动力学响应和人体局部结构伤害程度。汽车结构抗撞性模拟的动力学分析模型是非线性大变形有限元模型。有限元模型的优点在于能真实地描述结构变形,适用于建立汽车结构模型及人体局部结构的生物力学分析模型。1.4.2 本课题的国内研究现状 国内关于整车碰撞有限元模型计算机模拟方面的工作还处于起步阶段,经过国内众多专家学者的不懈努力取得了一定的成果,但是从研究方法上分主要有多体动力学方法和有限元法。如应用多刚体动力学方法建立所研究系统的数值模型,对它们进行运动分析和动力分析。这种方法建模方

25、便,并且速度快,主要用于研究在碰撞过程中人体和车辆的动态响应。目前,国内主要使用的软件有MVMAZD、CAL3D和MADYMO等。1992年,清华大学的于旭光、黄士霖教授引进美国CAL3D软件应用刚体动力学研究二维状态下人体在汽车碰撞过程中的响应,建立了二维乘员-座椅模型13。1998年,清华大学的陆秋明和黄士霖教授合作开发了汽车碰撞人体运动响应三维模拟计算软件系统MIJL3D,并运用该软件系统对汽车碰撞行人运动响应进行了模拟计算。在这个方面吉林工业大学的研究成果十分显著。1997年,吉林工业大学郭九大、林逸、刘锡国运用荷兰所开发的被动安全分析软件MADYMO进行了汽车碰撞仿真的三维人体模型及

26、安全带保护作用的研究14。该校的陈欣、林逸、方传流等又对多刚体动力学的计算机模拟进行了较系统的分析。郭九大、林逸、王望予等也应用了被动安全分析软件MADYMO,建立了用于模拟汽车碰撞过程中乘员运动学、动力学响应的三维乘员多体系统人体模型,对先前碰撞的运动进行了模拟,并通过试验验证了该模型的正确性。在运用有限元模拟碰撞仿真方面,1992年湖南大学宗子安教授将DYNA3D软件引进国内,并利用该程序进行了假人碰撞试验的有限元分析等研究。该校的钟志华提出了汽车碰撞分析的有限元法,还利用DYNA3D软件对驾驶员与安全带构造了碰撞模拟模型。吉林工业大学对计算机模拟碰撞中所需的汽车碰撞刚度和汽车正面碰撞方程

27、等题进行了研究;在引进了DYNA3D软件后开展了道路交通事故再现的计算机模拟研究。吉林工业大学与长春汽车研究所合作于1997年在SG工图形工作站上建立了国内第一个比较完善的整车碰撞分析模拟,并通过可视化技术得到了车身结构碰撞变形完整过程的模拟结果。1997年,清华大学的王春雨、李一兵和黄士霖应用了软件DYNA3D研究了车架结构的耐撞性能。在此基础上,清华大学进行了北京吉普BJZ12车的车架碰撞模拟计算,并根据计算结果对车架进行了改进。江苏理工大学汽车学院蒋晓光和刘星荣应用ANSYS与DYNA3D工具软件,于1999年建立了以张家港牡丹客车厂生产的MD6601型客车为原型的汽车模型,通过计算得出

28、了碰撞过程的位移量、转角、撞击力、冲量、能量吸收等量的时间历程曲线,并可以通过分析这些曲线对车辆的碰撞安全性进行评价15。2000年,江苏理工大学汽车与交通工程学院龚友、刘星荣、葛如海等,应用动态非线性有限元法对小型客车在正面碰撞过程中的大变形过程进行了计算机模拟,并应用ANSYS/LS-DYNA3D软件,通过计算机模拟,预测了某小型客车在正面碰撞过程中变形位置和变形形式。目前的有关汽车正面碰撞的试验方法都是采用混合III型第500分位男性假人来评定汽车正面碰撞的安全性16。当然对于汽车正面碰撞防护研究的方法也不例外。但是有研究表明，这些试验无法考核安全气囊对小身材乘客颈部造成的意外伤害。美国

29、在FMVSS 208的修订方案中增加了40km/h低速碰撞试验，采用混合III型第500分位女性假人和儿童假人来评定安全气囊的伤害17。但从公开发表的文献来看,研究范围主要集中在汽车正面碰撞的计算机模拟方面。因此,在建立模型、参数选择以及碰撞模拟形式上工作仍有待进一步深入。现行的正面碰撞试验方法没有解决碰撞相容性评价问题。如果不从法规上对汽车碰撞相容性进行合理的规范的话，作为生产企业只能通过提高汽车车身前端刚度的办法提高车辆对自身的保护能力，这样的安全性竞争将造成碰撞相容性的进一步恶化，是市场上备受关注的经济型轿车、微型客车的正面碰撞安全性能和正面碰撞防护技术的开发研究带来更大的困难。1.5国

30、内外汽车正面碰撞防护技术的发展趋势1.5.1 国内汽车正面碰撞防护技术研究的发展趋势 随着全球一体化的进程快速推进，世界上各国的联系也在日益不断的加强。在一体化的进程中，各国既有竞争，又有合作，在合作中竞争的同时也在竞争中融入合作。当然，汽车行业的发展亦是如此。目前，我国汽车正面碰撞防护技术的发展趋势是加快本国核心技术的研发、对现有装置进行改进，然后借助国外的丰富经验加以参考，最终促进本国自主研发的进程。在进行汽车正面碰撞防护技术研究的关键是对汽车正面碰撞测试技术的研发设计。目前我国拥有的硬件资源包括如下：1） 国际先进的完整碰撞测试设备、正面ODB/侧面/尾部碰撞、行人保护/前后防护、静态翻

31、滚/内部突出物、约束系统研发试验 2) 精确碰撞力墙测试系统 3) 经验丰富的碰撞实验室的建设能力4）领先的被动安全测试技术 目前我国汽车碰撞防护技术的发展趋势是与资源与技术雄厚的外国公司进行合作的并加以技术引进。本文引用中国汽车技术研究中心的资料和图片加以说明我国汽车正面碰撞防护技术研究的发展趋势。汽车工程院与瑞士KISTLER公司合作,国内首家引进并应用“精确碰撞力强测试系统”18。该测试系统将搭载在碰撞实验设备上，精确测量汽车实车碰撞（正面碰撞和偏置碰撞）中碰撞力的大小、分布及时间历程，为先进被动技术研究、汽车被动安全性能的开发和排查重大设计问题提供了先进的技术手段。 图1-5-1 汽车

32、实车正面碰撞（搭载了精确碰撞力墙测试系统） 图1-5-2 汽车实车偏置碰撞（搭载了精确碰撞力墙测试系统） 图1-5-3 精确碰撞力墙测试系统1.5.2国外汽车正面碰撞防护技术研究的发展趋势由于国外汽车行业发达的国家在汽车行业的起步比较早，各方面的体系也比较完善，研究设备以及实验条件都处于世界领先水平，所以国外技术发达的国家基本是以本国自主研发为主的。但是，总的趋势都是不变的，都是以提高汽车的安全性能来保护乘员和行人的安全为出发点的。目前的趋势是在现有已经成熟的技术上对一些装置进行改进或者优化设计的。现有已经趋于成熟的汽车正面碰撞防护装置有：汽车防碰撞司机自救装置、汽车纵梁前段的碰撞吸能结构、汽

33、车碰撞缓冲装置、正面兼顾偏置碰撞能量吸收装置及带有该装置的汽车、汽车碰撞保险杠、汽车正面碰撞变形引导装置、十字架式汽车防碰撞装置、机械泄能式汽车碰撞保护装置、汽车碰撞防护减震器、汽车碰撞座椅防夹装置、汽车碰撞缓冲保护器等等。还有对于一些汽车碰撞防护装置（如汽车保险杠、安全气囊、汽车吸能盒以及保险杠前纵梁等）的优化，例如根据有关力学知识，对汽车保险杠进行优化（改变保险杠的正面受力面积，从而减少汽车正面碰撞的冲击力度）。还有就是研究有关汽车正面碰撞的防护技术研究的方法以及有关汽车正面碰撞防护技术研究的实验装置：气动活塞式汽车零部件碰撞试验机、电动汽车零部件碰撞试验机、压缩天然气汽车碰撞试验后燃气系

34、统高压密封性能安全检测方法、汽车碰撞变形检测传感器、汽车前碰撞实验防火墙侵入量测量计算及云图绘制方法、基于无线网格网络的汽车碰撞预警系统等等。1.6本文研究的主要内容及其意义由于所学知识有限，本文主要的内容是以某汽车的保险杠为研究对象，以现有所学的课本专业知识以及力学知识对某汽车保险杠进行优化设计。然后以相关的软件（Pro-E）进行建模、进行有限元分析改进装置的可行性，主要是借助于所熟悉的软件进行分析-ANSYS。从而达到对本课题进行研究的目地研究。根据统计资料显示19,我国道路交通事故死亡的人数从2001年起每年都在 10万人以上,2004 年更是达到10.7万人；2008 年全国共发生道路

35、交通事故265204 起，造成 73484 人死亡、304919 人受伤，直接财产损失10.1亿元。欧洲洲虽然在1990年到2004年期间欧盟25国的轻型汽车总数增加了382.16亿，但每年交通事故死亡率从 1991 年 162 人/百万人下降到 2004 年的 95 人/百万人【】。这代表 2004 年共约 43358 人死于交通事故。暂时的数据显示， 2005 年事故总数可能下降到约4.2万。在欧洲，行人死亡估计约每年 7000 人【】。欧洲交通事故的下降同严格的汽车安全法规是密不可分的。大量的交通事故带来的碰撞安全问题越来越引起政府和社会的关注。通过实际情况来看绝大多数汽车碰撞的道路事故

36、中都与汽车保险杠系统有关，因此对汽车保险杠的研究也越来越受到重视。尤其是对汽车保险杠的碰撞特性和碰撞过程中的吸能特性两个方面的研究，对于提高汽车碰撞安全性能、减少损失和伤害等几个主要方面具有重要意义。 汽车保险杠的重要组成部分保险杠骨架作为吸收和缓和外界冲击力的安全装置，对防护车身前后部、保护驾乘人员以及行人安全都起着极其重要的作用。特别是汽车的前保险杠骨架，在发生高速碰撞时，必须保证自身不会断裂的同时并且能够有效地连结车身的两根前纵梁，把碰撞的动能的绝大部分传递给两根纵梁，并由纵梁继续将碰撞能量进行传递分解最终通过各部分的钣金件的变形来吸收，从而确保驾乘人员的必要的生存空间20。同时在行人保

37、护方面，也要求汽车保险杠能够起到保护行人腿部的作用，可以说对保险杠的安全要求越来越严格。 在汽车前后左右四个主要方向的碰撞中，正面碰撞发生的几率是最高的，而且汽车正碰和后碰必然要首先涉及到保险杠的碰撞，但目前许多国产车的保险杠吸能性较差。随着汽车安全法规的要求越来越严格，在汽车发生碰撞事故时如何有效保护驾乘人员和行人的人身安全，减轻伤害程度，已经成为是现代汽车设计和制造中需要重点考虑方向，而提高汽车安全部件的结构强度也成为设计选择之一。以此同时能源紧张和环保要求也越来越高，因此车身轻量化的设计也是一个必然要求和发展趋势。因此研究汽车保险杠不管是对于汽车碰撞过程中的成员保护还是对于行人安全的保护

38、都有极其重要的意义。2 汽车保险杠的作用和结构类型以及保险杠的建模2.1汽车保险杠的作用汽车保险杠作为汽车车身的重要组成部分之一，其发挥的作用主要表现在以下四大方面21： 1) 低速碰撞时保护相关部件的作用。当汽车发生低速碰撞(通常小于l0km/h)时，保护汽车前部安装的翼子板、散热器、发动机罩和前部灯具等易损部件。2)对事故中行人保护的作用。当汽车与行人发生碰撞事故时，最大限度保护好行人免收致命伤害。3)符合空气动力学要求。即保险杠作为车身的一部分要满足车身空气动力性的要求。4)装饰和美化作用。作为大众生活中的消费品必然要满足和受到人们审美观点的影响。从被动安全性的要求来看，前两个方面显得尤

39、其必要。由于汽车保险杠系统在低速碰撞和行人保护这两方面所起的决定性作用，因此成为国内外汽车被动安全方面的研究重点之一。2.2汽车保险杠的结构类型汽车保险杠系统是轿车车身的重要组成部分之一，常见的轿车保险杠系统通常由横梁、内衬件、支撑骨架及缓冲吸能件等几个部分组成。低速碰撞过程中，汽车保险杠系统主要通过金属内衬横梁和金属支架的塑性变形吸收碰撞动能。中、低档轿车一般采用结构形式简单、成本较低的简易型汽车保险杠，可直接通过支架固定到车身上，此类汽车保险杠的缓冲和吸能能力较差。在高档轿车上则通常安装具有良好缓冲吸能能力的汽车保险杠。此类汽车保险杠由横杠、内衬加强件和树脂类的泡沫填料等组成，在汽车保险杠

40、与车身底部纵梁之间安装吸能缓冲器。目前，我国大部分轿车仍采用简易型汽车保险杠系统，其主要由金属抗弯内村横梁、外覆盖件以及金属支架等主要部分组成。 按材料汽车保险杠分为金属材料汽车保险杠和非金属材料汽车保险杠。金属材料汽车保险杠一般由横杠、侧角、托架三个部分组成。横杠的横截面状为“U”形，其内侧一般装有加强件，横杠与加强件常用螺栓连接固定，这样可以增强横杠的强度和刚度。横杠通过托架装到车架或车身支撑梁上。非金属材料汽车保险杠通常用于轿车，非金属材料的汽车保险杠采用模压塑料板材、聚丙烯材料、玻璃纤维增强塑料等制成，这些材料的机械性能一般接近冷轧钢板的机械性能，可是其密度仅有钢材的20%左右。客车和

41、货车常用金属材料的汽车保险杠，高强度钢板具有较高的强度和良好的冲压性能。金属材料制造的汽车保险杠一般常用这种钢板通过冲压工艺制造成。 按功能汽车保险杠又可分为非吸能式汽车保险杠和吸能式汽车保险杠两大类。非吸能式汽车保险杠的结构形式很简单。在发达国家，在轿车上塑料保险杠的使用增加较快，但是这种塑料汽车保险杠一般只起到装饰的作用，不能够起到很好的保护作用。随着世界上车辆保有量的增加，前后两侧发生的事故比较频繁。由于没有足够的强度和刚度来抵御强烈的碰撞，塑料汽车保险杠在撞车时往往起不到很好的保护作用，从使得翼子板、发动机罩、散热器、灯具等受到比较严重的损坏。对于大客车来说，其前围损坏严重时能够损坏风

42、窗玻璃、方向盘、仪表盘，直至对驾驶员和前排成员造成伤害。随着对车辆碰撞安全方面的重视，世界上许多国家纷纷制定相关法规和标准。比较主流的保险杠标准有：美国的汽车保险杠标准(FMVSS-CFR581)、欧盟的车辆前部防护装置法规 (ECE-R42)、中国的汽车前后端保护装置国家标准（GB 17354-1998）22。可以说开发安全型汽车保险杠已经成为世界各国汽车保险杠行业的一个发展趋势。2.3汽车保险杠的改进方案以及改进的目的 本文的改进方案就是通过汽车保险杠进行分析研究之后。根据现有的汽车保险杠模型（图2-3），然后加入自己想法进行保险杠的结构改进。改进后的保险杠模型如图24所示。图2-3 -1

43、 保险杠初始模型图2-3-2 改进后的汽车保险杠模型改进该保险杠的目的主要是通过改进原有的保险杠结构，来满足在某一车速范围内（3060km/h），当汽车出现碰撞的时候，能够首先通过保险杠横梁的变形首先来接受外部的冲击能量，达到吸能缓冲的作用，尽可能减少汽车碰撞的程度。2.4汽车保险杠的建模在研究有关汽车正面碰撞防护装置的研究中，建立装置的实体模型是进行装置可行性研究的基石。只有先建立好装置的基本实体模型，才能进行下一步的有关分析。如运用有限元分析装置的可行性以及装置的设置或者改进是否合理。由于所学知识有限，本次设计的重点是以现有所学知识对现有简单的保险杠进行装置改进。根据现有所学三维制图软件进

44、行实体建模，本次建模主要是运用三维制图软件Pro-E进行实体建模的。汽车保险杠的实体建模过程：第一步，首先通过Pro-E的草绘界面，绘制改进后的汽车保险杠的基本外形 图2-4-1 保险杠外形草绘第二步，通过Pro-E的拉伸命令工具，对上述草绘零件进行拉伸操作。拉伸效果如图2-4-2所示 图2-4-2 横梁拉伸第三步，再次利用ProE的草绘编辑器，继续绘制后续部件。如图2-4-3所示 图2-4-3 草绘编辑 第四步，利用Pro-E拉伸工具命令，对上述草绘进行再一次的拉伸，拉伸效果如图2-4-4所示图2-4-4保险杆的拉伸第五步，再次使用拉伸工具，选择去除材料模版继续进行拉伸命令图2-4-5保险杆

45、草绘图2-4-6保险杠模型以上就是对改进后的汽车保险杠的实体建模的全部过程。3 基于ANSYS的有限元分析3.1用ANSYS导入Pro-E绘制的汽车保险杠的三维实体模型第一步，进行网格划分 图3.1 SOLID923-D10节点四面结构的网格划分 第二步 对上述模型进行约束，约束上表面。在保险杠的横梁上加载1000N的均布荷载，然后得到保险杠的应变图。图32 施加1000N的保险杠应变图第三步 在进行约束后，在汽车保险杠的上表面施加一个垂直方向的1000N的正压力，然后观察保险杠上表面的应力分布情况以及保险杠的应力云图。 图3-3 施加1000N保险杠的应力分布图 第四步 在保险杠的横梁上施加

46、3000N的正压力，得到保险杠的应变分布情况图3-4 施加3000N后保险杠的应变图第五步 在保险杠的横梁上施加3000正压力，得到保险杠的应力分布云图图3-5 施加3000N后保险杠的应力云图 第六步 对保险杠的两根纵梁进行约束，再依次在两根纵梁的两端加1000N和3000N的正向的压力后，得到保险杆的应变图和应力分布云图。图3-6 施加1000N后保险杆的应变图3-7 施加1000N后保险杆的应力分布云图图3-8 施加3000N后保险杆的应变图3-9 施加3000N后保险杆的应力分布云图分析：通过上述的有限元分析的应变图来看，当给保险杠施加1000N的正向力的时候，保险杆的没有出现太大的应

47、变。当给保险杠施加3000N的正向力的时候，保险杆出现了明显的应变。从应力分布云图来看，当施加的力增大的时候会出现某一侧应力比较集中的情况，当应力增大到一定程度上的时候，保险杆就会被剪断。而保险杠的原理就是牺牲保险杆为代价，起到吸能缓冲的作用，减少汽车受损害的程度。 4汽车正面碰撞防护技术的研究和防护装置设计的总结和展望 4.1 汽车正面碰撞防护技术的研究和防护装置设计的总结本文在列举了大量的有关汽车正面碰撞防护技术研究的相关资料和文献。对国内外有关汽车正面碰撞防护技术相关法规以及立法做了简单的介绍，并对当前国内外汽车正面碰撞防护技术的现状做了简单的介绍以及国内外现状的对比。本文主要是对汽车保

48、险杠的简单改进，由于实验条件有限。本文是根据已有成熟的汽车保险杠的装置进行简单的改进，建立了外加力撞击汽车保险杠的试验模型。然后分析汽车保险杠的应力分布，以及应力集中的情况。关于汽车正面碰撞的过程是非常复杂的，汽车在碰撞瞬间的过程也是用肉眼观察不出来的。只有借助某些实验加以实验仿真软件进行分析，然后对实验装置的可行性进行最终的评估。本文只是依据有关的法规，对汽车正面碰撞保险杠应力分布的情况进行分析的。然后得出该方案是否合理或者可行的结论。由于实验条件的有限，不能进行有关汽车正面碰撞的实验。本文只能借助一些三维软件进行模型建立，然后通过ANSYS软件进行简单的分析。就仿真这一块而言，我觉得我还有

49、很多的地方欠缺考虑和改进。主要有：（1）汽车正面碰撞是一个实体碰撞的过程，它是一个碰撞与工程力学相结合的一个课题。本课题中只涉及到力与实体碰撞的研究，而未考虑实际线加速度和角加速度在汽车正面碰撞的过程中对汽车保险杠的伤害程度，以及汽车保险杠的实际变形情况。（2）汽车正面碰撞是一个十分复杂的过程。在实际汽车碰撞的研究中，有条件的公司、企业以及研究院都是以汽车实体进行正面碰撞，然后借助计算机的辅助对汽车碰撞的过程、车速等等因素加以控制，然后在通过数据或者云图对实验进行评估。由于实验条件有限以及本人所学知识有限，本文只是把碰撞过程简化为冲击力汽车保险杠实体的这样一个模型。（3）在汽车正面碰撞的研究建

50、模的过程中，简化了很多东西，使得很多仿真出来的东西与实际情况存在很大的差异。实验的可靠性较低，不确定度也较大。例如：实际的汽车正面碰撞过程是以测试力墙汽车为碰撞模型。（4）本文只是选用了汽车保险杠这单一因素进行改进和研究的。汽车保险杠罩和汽车保险杠的有关因素都加以忽略。如汽车保险杠罩的材料、汽车保险杠的材料。 （5）对于汽车保险杠的改进，在进行建模、有限元模拟仿真之后，还需进行实物试验，只有通过反复的实验，才能应用于工程实践当中。4.2 汽车正面碰撞防护技术研究和防护装置设计的展望汽车正面碰撞是一个永远不会过时的研究课题。汽车正面碰撞涉及到很多安全方面的问题。汽车正面碰撞也将一如既往的成为研究

51、的大热门，因为每年全球因为汽车正面碰撞导致的安全事故是最严重的，造成的死亡人数也是最多的，带来的损失也是很惨重的。由于汽车正面碰撞在汽车安全事故所占巨大的比例，对于汽车正面碰撞防护技术的研究也是人们所关注的课题，不管是企业还是研究机构将会加大对汽车正面碰撞防护技术研究的投入。同样，以后的研究方向也不仅仅局限于汽车正面碰撞。汽车正面碰撞防护装置的设计也是人们关注的焦点，对于现有的防护装置的改进也在日益的完善。随着汽车行业的发展，各方面的技术日益趋于完善和成熟。汽车的安全性能也在极大的提高。例如，以前对于乘员在汽车碰撞的保护主要是用安全气囊保护人体的头部，人体的其他部位得不到保护。现在随着防护技术

52、的成熟，人体其他的部位也可以得到保护。如保护膝盖部位的安全气囊（别克汽车的某一款车型）。参考文献： 1 公安部交通管理局. 中华人民共和国道路交通事故统计资料汇编 G. 2003 2 邱少波、张雨、唐洪斌，汽车正面台车碰撞试验装置，2005.06.08 专利号：03213301.4 3 朱西产.实车碰撞试验方法和评价指标.世界汽车，1998.5 4 朱西产. 中国汽车安全现状与安全法规. 第一届国际汽车交通安全研讨会. 2000.12. 湖南大学 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.