【文章內容簡介】 階段（圖 11）：①依據(jù)原型繪制二維圖，標注尺寸；②據(jù)二維圖構建幾何模型；③對幾何模型劃分有限元網(wǎng)格；天津科技大學 2022 屆本科生畢業(yè)論文4④仿真模型前處理；⑤仿真試驗求解；⑥求解結果后處理（數(shù)據(jù)可視化） [1]。(3)基于以上的研究，分析討論仿真試驗結果，最終得出結論。圖 11 仿真試驗流程圖幾何模型（CATIA ）網(wǎng)格劃分（HYPERMESH）前處理（VISUALHIV）求解（PAMCRASH）后處理（VISUALVIEWER）二維圖（CAD）天津科技大學 2022 屆本科生畢業(yè)論文5圖 23 行人下肢與汽車前部碰撞是的主要損傷形式 行人安全法規(guī)目前，世界各組織對這三項指標的極限值有著不同的要求和規(guī)定，其中，我國于 2022 年 10 月 30 日發(fā)布我國第一部行人安全保護法規(guī)《GB/T245502022汽車對行人的碰撞保護》 ，于 2022 年 7 月 1 日修改為采用全球技術法規(guī)GTR9《關于機動車碰撞時對行人及弱勢道路使用者加強保護和減輕嚴重傷害的認證統(tǒng)一規(guī)定》 （2022 年英文版）并正式全國實施，成為我國推薦性的國家標準 [1,11]。該行人安全保護法規(guī)規(guī)定，車輛以 40km/h 的速度與行人下肢發(fā)生側面碰撞時，要求：（1） 脛骨加速度 at≤170g；（2） 膝關節(jié)彎曲角度 θ k≤19176。；（3） 膝關節(jié)剪切位移 Skt≤6mm (表 21[4])[1]。（4 ） 圖 22 下肢碰撞傷害指標股骨骨折股骨骨節(jié)骨折韌帶斷裂脛骨骨節(jié)骨折脛骨骨折腓骨骨折脛骨加速度膝關節(jié)剪切位移膝關節(jié)彎曲角度天津科技大學 2022 屆本科生畢業(yè)論文63 汽車前保險杠有限元模型的構建 汽車前保險杠幾何模型的構建整車有限元模型的建立及計算需要花費的大量的精力和時間，且需要有充足的資源支持，因此，在現(xiàn)有的資源和條件下，以兩款汽車為建模的原型，并定義兩款汽車分別為 V1 和 V2，如圖 31 所示。本文僅分別建立 V1 和 V2 的蒙皮、泡沫及橫梁的有限元模型，通過設置相應的材料屬性及邊界條件等來模擬碰撞試驗。(a) V1 建模的原型 (b) V2 建模的原型圖 31 兩款汽車建模的原型 幾何尺寸的確定本節(jié)參考了兩款汽車原型的前保險杠部分測量數(shù)據(jù)，加以修正及簡化，并經(jīng)過計算和經(jīng)驗補全未知的尺寸數(shù)據(jù)，繪制出兩款車型前保險杠系統(tǒng)各主要部件的 CAD 二維圖。由于汽車前保險杠系統(tǒng)的輪廓相當復雜，圓弧面和圓角眾多。而復雜的曲面往往會增加幾何模型建模的難度，甚至降低網(wǎng)格質量，最終影響到試驗分析結果的準確性。因此，為了簡化幾何建模和網(wǎng)格劃分的操作，提高有限元網(wǎng)格的質量，節(jié)省計算時間，優(yōu)化試驗過程，本節(jié)對其原型的外形輪廓作以下處理：（1）忽略原型中過小的斜度；（2）忽略用于尺寸較小且不用于裝配的圓孔；（3）去除原型中的圓角和斜度較小的倒角；（4）尺寸較小的曲線，盡可能采用圓弧代替，如 V1 的車標處；（5）對于復雜多曲率曲面拼接的曲面，盡量簡化為盡可能少的曲率平滑過天津科技大學 2022 屆本科生畢業(yè)論文7度的曲面；（6）部分弧度較小的曲面用平面來代替；（7）對于薄壁件，如 V1 的蒙皮和橫梁，在忠于原型的前提下，盡可能使用均勻的厚度尺寸；（8）對于厚度較大的實體，如 V1 和 V2 的泡沫，同樣的，在忠于原型的前提下，盡可能使用相同的厚度尺寸；（9）所有部件的模型均視為左右對稱；（10）將除厚度尺寸外的其他尺寸值圓整為整數(shù)；其他細微處的處理將體現(xiàn)于 CAD 工程圖中，本文不再一一列舉。通過這些修正和簡化，最終分別繪制得到 V1 和 V1 前保險杠系統(tǒng)各主要部件的 CAD 二維圖。 幾何模型的構建 CATIA 軟件簡介CATIA 系列軟件可以幫助客戶實現(xiàn)產(chǎn)品的外型和機構設計，通過環(huán)境模擬對產(chǎn)品性能進行分析和優(yōu)化等。CATIA 軟件已經(jīng)成為汽車、航空航天、船舶、建筑、電力與電子、消費品和通用機械等產(chǎn)品的設計生產(chǎn)的首要 3D 模擬應用軟件。CATIA 軟件能為各類車輛的設計和制造提供了端對端（end to end）的解決方案，尤其在造型、車身結構及引擎設計等方面具有相當出色的表現(xiàn)。CATIA 的可伸縮性及其并行工程能力能夠顯著縮短產(chǎn)品的上市時間。憑著人性化和智能化的功能優(yōu)勢，CATIA 成為了歐洲、北美乃至亞洲各大汽車制造商所用的核心系統(tǒng)。 V1 前保險杠系統(tǒng)幾何模型的構建 本節(jié)應用 CATIA 軟件分別構建 V1 前保險杠系統(tǒng)三大組成部分（蒙皮、泡沫和橫梁）的幾何模型。V1 蒙皮為左右對稱殼體，因此只需創(chuàng)建其左半邊殼體的幾何模型，其后使用“鏡像”命令即可獲得整個 V1 蒙皮的幾何模型。其左半邊殼體靠近對稱面部分可以大致看成一各半月牙的平面沿曲率較小的弧線“掃略”而成的殼體，其遠離對稱面部分可以大致看成一各半月牙的平面沿曲率較大的弧線“掃略”而成的殼體。因此，本節(jié)根據(jù)前文確定的 V1 蒙皮幾何尺寸，在 xoz 平面上使用“草圖”繪制出符合尺寸的半月牙平面，在 xoy 平面上使用“草圖”繪制出曲率較小的弧線。使用“掃略”命令生成截面為半月牙的實體。其遠離對稱面部天津科技大學 2022 屆本科生畢業(yè)論文8分的實體生成方法與前者類似，文節(jié)不再贅述。左半邊實體生成后，使用“凹槽”命令去除模型中的通孔。完成左半邊實體的建模后，使用“鏡像”命令得到整個 V1 蒙皮的實體模型，最后使用“抽殼”命令即得 V1 蒙皮的殼體模型，如圖 32 所示。圖 32 V1 蒙皮的幾何模型V1 泡沫的形狀較簡單，在“草圖”中繪制中心平面和引導線后，通過“掃略”命令獲得沿一定弧度延伸的底面為四邊形的長柱體，其后使用“凹槽”命令生成其下表面的三處通槽。最后得到的 V1 泡沫幾何模型如圖 33 所示。圖 33 V1 泡沫的幾何模型V1 橫梁為左右對稱的殼體，分為支架和梁兩部分。梁部分：首先根據(jù)尺寸數(shù)據(jù)通過在“草圖”中繪制弓形曲線和引導線，在“線框與曲面設計“工作模塊中“掃略”獲得，返回“零部件設計“工作模塊使用“厚曲面”獲得殼體模型，使用“凹槽”命令生成通孔。支架部分：主要用到了“拉伸”命令生成實體，使用“凹槽”命令生成通孔。最終得到的 V1 橫梁的幾何模型如圖 34 所示。天津科技大學 2022 屆本科生畢業(yè)論文9圖 34 V1 橫梁的幾何模型完成 V1 前保險杠系統(tǒng)的三大部件的幾何模型后，在 CATIA 的“裝配件設計”模塊中，使用“現(xiàn)有組件”將三個部件模型導入其中，主要通過“相合約束” 、“偏移約束”和 “角度約束”等命令根據(jù)其位置及裝配關系賦予各部件間的相互約束。最終獲得 V1 前保險杠系統(tǒng)的幾何裝配模型，如圖 35 所示。圖 35 V1 前保險杠系統(tǒng)的幾何裝配模型 V2 前保險杠系統(tǒng)幾何模型的構建 本節(jié)應該用 CATIA 軟件分別建立 V2 前保險杠系統(tǒng)三大組成部分（蒙皮、泡沫和橫梁）的幾何模型。V2 前保險杠系統(tǒng)各部件幾何模型的建模步驟及方法與V1 前保險杠系統(tǒng)中對應的部件相類似，本節(jié)不再贅述。建成的 V2 蒙皮、泡沫和橫梁的幾何模型分別如圖 38 所示。圖 36 V2 蒙皮的幾何模型天津科技大學 2022 屆本科生畢業(yè)論文10圖 37 V2 泡沫的幾何模型圖 38 V2 橫梁的幾何模型將 V2 蒙皮、泡沫和橫梁的幾何模型進行裝配后得到 V2 前保險杠系統(tǒng)的幾何裝配模型，如圖 39 所示。圖 39 V2 前保險杠系統(tǒng)的幾何裝配模型 汽車前保險杠有限元模型的構建 HYPERMESH 軟件簡介HYPERMESH 軟件是美國 Altair 公司研發(fā)的產(chǎn)品，其功能強大，集成了設計與分析所需的各種工具，是世界領先的 CAE 應用軟件包，也是一個創(chuàng)新和開發(fā)天津科技大學 2022 屆本科生畢業(yè)論文11的企業(yè)級 CAE 平臺。在汽車安全領域中，主要應用于碰撞試驗的前處理過程。圖 310 所示為 HYPERMESH 的工作界面。圖 310 HYPERMESH 界面為了讓各行業(yè)的用戶在對各種模型的劃分網(wǎng)格時都能有靈活全面的出色體驗，HYPERMESH 軟件提供了三種劃分網(wǎng)格的方法,其應用范圍列于表 31，結合運用三種網(wǎng)格劃分方法能夠解決各種模型的網(wǎng)格劃分工作。本文只通過自動式和網(wǎng)格優(yōu)化兩種方法劃分網(wǎng)格 [6]。表 31 三種網(wǎng)格劃分方法及其應用范圍網(wǎng)格劃分方法 應用范圍自動式（Auromatic） 通過設定一定的網(wǎng)格參數(shù)對曲面多而復雜的幾何體進行自動劃分網(wǎng)格交互式（Interactive） 主要應用于曲面不多且形狀相對簡單的幾何體，利用這種方法可以修改單元類型、曲面邊界上的網(wǎng)格密度、網(wǎng)格平滑度等參數(shù)；網(wǎng)格優(yōu)化則是對已經(jīng)劃分好的網(wǎng)格作優(yōu)化處理網(wǎng)格優(yōu)化（QI optimized）對已經(jīng)劃分好的網(wǎng)格作優(yōu)化處理天津科技大學 2022 屆本科生畢業(yè)論文12 有限元網(wǎng)格劃分的注意事項 網(wǎng)格劃分劃分有限元網(wǎng)格需要到考慮所要研究的問題的規(guī)模、重點和周期，以及能夠為研究所用的計算機硬件等條件，力求計算時間、計算精度和計算成本的最佳搭配。由于網(wǎng)格密度的大小會直接影響到能量吸收的情況，因此網(wǎng)格劃分不當將導致在受力梯度不大時就得到錯誤的結果。所以，在碰撞模擬試驗前需要仔細安排模型網(wǎng)格的疏密大小，尤其在變網(wǎng)格密度時更需要謹慎，應該要充分地考慮到碰撞時模型的受力分布等情況，以避免由人為的單元劃分而導致模擬結構真實性受到不必要的影響 [1]。本文中有限元模型的整體網(wǎng)格尺寸控制在10mm 左右，局部細節(jié)區(qū)域應該控制在 5mm 左右。另外，劃分網(wǎng)格時還需注意以下幾點：（1）盡可能不使用過小的網(wǎng)格單元，以免網(wǎng)格密度過大而縮小時間步長；（2）盡量使用四邊形單元，減少三角形、四面體、棱柱單元的使用；（3）前保險杠模型的每一個方向至少使用三個單元，盡量保證較均勻的網(wǎng)格大小；（4）為保證計算精度，避免集中出現(xiàn)銳角單元和翹曲的殼單元 [1]。 單元特性在 HYPERMESH 軟件中，用戶可根據(jù)分析需要，在其豐富的單元庫中選擇便于試驗計算與求解的單元類型，其中各主要單元類型的使用范圍如表 32 所示。不同類型的單元有幾十種不同的算法可供選擇。本論文采用的單元類型主要包括殼單元和實體單元。表 32 HYPERMESH 軟件中的主要單元類型的使用范圍單元類型 使用范圍殼單元（SHELL） 薄板和曲面結構體單元（SOLID） 三維實體結構面單元（PLANE） 平面結構梁單元（BEAM） 需要承受彎矩的二維結構桿單元（LINK） 只承受軸向力的二維結構 網(wǎng)格質量的控制為了盡量避免單元網(wǎng)格質量不好而導致計算步長的降低而浪費過多的求解時間以及試驗誤差的增加，因此，對于一個大型有限元模型，往往需要很多時天津科技大學 2022 屆本科生畢業(yè)論文13間來檢查模型單元的質量。單元質量檢查主要包括三個方面：重合節(jié)點和重合單元檢查，自由邊和自由面檢查及單元形狀檢查。使用“check elems”、“edges”和“faces”等功能進行單元網(wǎng)格質量的檢查后，在工作界面上HYPERMESH 軟件會將模型上不合格的單元顯示成紅色，應用“translate” 、“smooth”等功能對其進行修正，如果修正后仍顯示紅色，則需要對該部件模型重新劃分網(wǎng)格。經(jīng)檢查和修正，本試驗模型的所有單元均合格 [9]。 有限元網(wǎng)格的劃分上一章中已經(jīng)建立了 V1 和 V2 的 CATIA 前保險杠系統(tǒng)裝配模型，確定了 V1和 V2 的 CATIA 前保險杠系統(tǒng)中各部件的相對位置和裝配關系。因此本章只需將上一章所建立 V1 和 V2 的 CATIA 前保險杠系統(tǒng)裝配模型“另存為” “igs”格式，導入到 HYPERMESH 軟件當中，進行網(wǎng)格劃分。 V1 前保險杠系統(tǒng)模型有限元網(wǎng)格的劃分本小節(jié)分別對 V1 各部件進行分析和網(wǎng)格劃分。 對于 V1 蒙皮模型，由于其為薄壁件，而且曲面片較多、輪廓相當復雜，因此適合采用殼單元劃分網(wǎng)格，此時采用殼單元可以提高網(wǎng)格質量及縮短工作時間。網(wǎng)格劃分過程中主要使用了“solids” 、 “midsurfase”、 “quick edit”等命令抽取中面并對其進行修正。其后使用”automesh”命令對中面劃分 2D 網(wǎng)格。最后使用“check elems”等命令檢查網(wǎng)格質量并優(yōu)化網(wǎng)格，獲得 V1 蒙皮有限元模型，如圖 311 所示。圖 311 V1 蒙皮有限元網(wǎng)格模型對于 V1 泡沫模型，由于其厚度較大，但輪廓十分簡單，因此適合采用實體單元劃分網(wǎng)格，此時采用實體單元可以更能夠提高網(wǎng)格質量及縮短工作時間。在開始劃