【正文】 形單元，減少三角形、四面體、棱柱單元的使用；（3）前保險(xiǎn)杠模型的每一個(gè)方向至少使用三個(gè)單元，盡量保證較均勻的網(wǎng)格大??；（4）為保證計(jì)算精度，避免集中出現(xiàn)銳角單元和翹曲的殼單元 [1]。不同類型的單元有幾十種不同的算法可供選擇。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(jié)構(gòu)體單元（SOLID） 三維實(shí)體結(jié)構(gòu)面單元（PLANE） 平面結(jié)構(gòu)梁?jiǎn)卧˙EAM） 需要承受彎矩的二維結(jié)構(gòu)桿單元（LINK） 只承受軸向力的二維結(jié)構(gòu) 網(wǎng)格質(zhì)量的控制為了盡量避免單元網(wǎng)格質(zhì)量不好而導(dǎo)致計(jì)算步長(zhǎng)的降低而浪費(fèi)過(guò)多的求解時(shí)間以及試驗(yàn)誤差的增加，因此，對(duì)于一個(gè)大型有限元模型，往往需要很多時(shí)天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文13間來(lái)檢查模型單元的質(zhì)量。使用“check elems”、“edges”和“faces”等功能進(jìn)行單元網(wǎng)格質(zhì)量的檢查后，在工作界面上HYPERMESH 軟件會(huì)將模型上不合格的單元顯示成紅色，應(yīng)用“translate” 、“smooth”等功能對(duì)其進(jìn)行修正，如果修正后仍顯示紅色，則需要對(duì)該部件模型重新劃分網(wǎng)格。 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(xiǎn)杠系統(tǒng)裝配模型，確定了 V1和 V2 的 CATIA 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)中各部件的相對(duì)位置和裝配關(guān)系。 V1 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)模型有限元網(wǎng)格的劃分本小節(jié)分別對(duì) V1 各部件進(jìn)行分析和網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分過(guò)程中主要使用了“solids” 、 “midsurfase”、 “quick edit”等命令抽取中面并對(duì)其進(jìn)行修正。最后使用“check elems”等命令檢查網(wǎng)格質(zhì)量并優(yōu)化網(wǎng)格，獲得 V1 蒙皮有限元模型，如圖 311 所示。在開(kāi)始劃分前，為了避免 V1 蒙皮模型的干擾，本節(jié)使用“mark”命令將 V1 蒙天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文14皮模型暫時(shí)隱藏。然后使用“solids”命令建立實(shí)體。其后使用“quick edit” “translate”等命令通過(guò)改變節(jié)點(diǎn)數(shù)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)等方式對(duì) 2D 網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化。獲得 V1 泡沫有限元網(wǎng)格模型，如圖 312 所示。同樣的，首先使用“mark”命令將 V1 蒙皮模型和 V1 泡沫模型暫時(shí)隱藏。其后使用”automesh”命令對(duì)修正后的中面劃分 2D 網(wǎng)格。獲得 V1 橫梁有限元網(wǎng)格模型，如圖 313 所示。圖 314 V1 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)有限元網(wǎng)格模型 V2 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)模型有限元網(wǎng)格的劃分本小節(jié)分別對(duì) V2 各部件進(jìn)行分析和網(wǎng)格劃分。工作過(guò)程中主要使用了“solids” 、“midsurfase”和“quick edit”等命令抽取中面并對(duì)其進(jìn)行修正。最后使用“check elems”等命令檢查網(wǎng)格質(zhì)量并優(yōu)化網(wǎng)格。圖 315 V2 蒙皮有限元網(wǎng)格模型對(duì)于 V2 泡沫模型，其厚度較大但厚度均勻，上下端面、左右端面均為相互天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文16平行的矩形，相比 V2 泡沫模型其輪廓更加簡(jiǎn)單，因此為了用盡可能少的工作時(shí)間獲得更佳的網(wǎng)格質(zhì)量，同樣采用實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。工作過(guò)程中首先使用“edges”命令檢查了自由邊等影響網(wǎng)格質(zhì)量的因素，其后通過(guò)“quick edit”等命令修復(fù)這些因素。其后使用“quick edit” 、 “translate”等命令通過(guò)改變節(jié)點(diǎn)數(shù)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)等方式對(duì) 2D 網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化。獲得 V2 泡沫有限元網(wǎng)格模型，如圖 316 所示。但其輪廓相對(duì)平整，可以使用實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。劃分前先使用“edges”命令檢查模型的自由邊并加以修正。其后分別對(duì)這些“塊”進(jìn)行劃分網(wǎng)格。 “solid map”中的“general”及“ends only”等命令將上述劃分的 2D 網(wǎng)格進(jìn)行沿特定路徑的拉伸，完成該“塊”的 3D 網(wǎng)格的劃分。獲得 V2 橫梁有限元網(wǎng)格模型，如圖 317 所示。圖 318 V1 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)有限元網(wǎng)格模型 本章小結(jié) 本章參考某兩款車型 V1 和 V2 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)原型的尺寸及形狀數(shù)據(jù)，通過(guò)測(cè)量、比例計(jì)算等方法確定其各部件的尺寸構(gòu)造，對(duì)原型結(jié)構(gòu)加以修正和簡(jiǎn)化后利用 CAD 軟件繪制出其二維工程圖。其后學(xué)習(xí)并利用 Hypermesh 軟件對(duì)上述建立的前保險(xiǎn)杠幾何模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，最終分別獲得 V1 和 V2 兩款汽車的前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的有限元模型，完成了人車碰撞試驗(yàn)中汽車部分的有限元建模。為了表達(dá)方便直觀，本論文將下肢V1前保險(xiǎn)杠碰撞仿真試驗(yàn)定義為試驗(yàn) 1，將下肢V2 前保險(xiǎn)杠碰撞仿真試驗(yàn)定義為試驗(yàn) 2。工程師們利用它可以減少或擺脫物理樣機(jī)測(cè)試，可以將更多的時(shí)間和精力投入到創(chuàng)建、評(píng)估和管理在真實(shí)碰撞環(huán)境下的模擬樣機(jī)測(cè)試中。PAMCRASH 是基于顯示有限元算法的一種計(jì)算機(jī)三維碰撞沖擊仿真模擬系統(tǒng)，是一個(gè)廣泛應(yīng)用于汽車、航空、電子和材料生產(chǎn)等專業(yè)領(lǐng)域，有關(guān)碰撞、沖擊和安全性模擬測(cè)試等問(wèn)題的解決的實(shí)用工具。其主要顯著特點(diǎn)如表 41 所示。本試驗(yàn)主要描述人車碰撞時(shí)汽車的前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對(duì)行人安全保護(hù)性能的影響，在保證一定精確度的前提下，忽略下肢模型中足掌部與地面之間間的摩擦系數(shù)。因此，本研究不需要設(shè)置驅(qū)動(dòng)裝置，因此無(wú)須考慮下肢有限元模型與驅(qū)動(dòng)裝置在碰撞過(guò)程中的接觸對(duì)試驗(yàn)求解結(jié)果的影響 [1]。因此，為了避免得到錯(cuò)誤的計(jì)算求解結(jié)果，使用的參數(shù)量綱必須是相互匹配的，這點(diǎn)尤其重要。表 42 常用的量綱組合基本物理量 導(dǎo)出物理量序號(hào) 時(shí)間 長(zhǎng)度 質(zhì)量 密度 重力加速度 力 應(yīng)力 能量1 s m Kg Kg/m3 mm 材料屬性 有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性在很大程度上依賴于材料模型的選擇以及材料參數(shù)的確定，花費(fèi)相當(dāng)充足的時(shí)間了解材料模型并獲得準(zhǔn)確的材料參數(shù)尤其必要。其中 V1 和 V2 的蒙皮均為 PA 材料，泡沫均使用 EPP 材料，V1 橫梁的材料為 45 鋼，V2 橫梁為 ZAlSi7Mg 制造。在定義材料時(shí)應(yīng)該注意以下兩點(diǎn)：（1）并不是材料屬性輸入窗口中的所有填選項(xiàng)都必須要輸入數(shù)值，部分不天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文20影響試驗(yàn)求解的參數(shù)可以缺?。唬?）務(wù)必保證所輸入材料參數(shù)單位的統(tǒng)一，錯(cuò)誤的單位制不但會(huì)影響到材料的響應(yīng)，還會(huì)影響到接觸剛度等的計(jì)算 [1]。表 45 相關(guān)模型的厚度參數(shù)模型 厚度（mm）V1 蒙皮 V1 橫梁 V2 蒙皮 邊界條件一項(xiàng)來(lái)自國(guó)際協(xié)調(diào)研究機(jī)構(gòu)（IHRA）的調(diào)研報(bào)告顯示，在汽車與行人相碰天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文21撞的交通事故中，70%的碰撞車速都在 40km/h 以下，而且在此車速下的行人的死亡率也高達(dá) 26%[2]。根據(jù)試驗(yàn)要求，定義下肢有限元模型的初始速度為 40km/h。由于兩款汽車 V1 和V2 的車身尺寸不同，碰撞點(diǎn)分別處于距離地面 512mm 和 438mm 的位置。單面接觸無(wú)需定義接觸面和目標(biāo)面，這種算法十分適用于事先不知道接觸方案的情況。而面面接觸則適用于一個(gè)物體的面穿透另一個(gè)物體的面的情況。對(duì)稱罰函數(shù)法是軟件默認(rèn)的接觸算法，很少激起網(wǎng)格的靈能模式，不會(huì)產(chǎn)生噪音。而分配參數(shù)法則只適用于滑動(dòng)界面接觸問(wèn)題的處理 [4]。表 46 人體下肢 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)碰撞模型的接觸定義接觸模型 接觸類型 摩擦系數(shù)1 前保險(xiǎn)杠模型全部部件自接觸 單面接觸 2 下肢模型自身接觸 自動(dòng)接觸 3 下肢模型與前保險(xiǎn)杠接觸 面面接觸 4 下肢肌肉與骨骼接觸 面面接觸 求解時(shí)間由前人的仿真試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，汽車與行人在碰撞 30ms 后，力學(xué)指標(biāo)基本穩(wěn)定。 碰撞模型完成碰撞仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷那疤幚磉^(guò)程后，得到試驗(yàn) 1 和試驗(yàn) 2 的仿真試驗(yàn)起點(diǎn)模型分別如圖 4圖 42 所示。以 V1 橫梁的參數(shù)輸入為例，如圖 43 所示，將材料編號(hào)輸入到“IDMAT” ，將密度輸入到“RHO” ，將彈性模量輸入到“E” ，將泊松比輸入到“NU” ，將屈服應(yīng)力輸入到“SIGMAy”等。通過(guò) PAMCRASH 軟件中的 VISUALVIEWER 模塊獲得的脛骨加速度時(shí)間曲線、膝關(guān)節(jié)剪切位移時(shí)間曲線、膝關(guān)節(jié)彎曲角度時(shí)間曲線，分別如圖 45 和圖 46 所示。圖 48 試驗(yàn) 1 中下肢模型在不同時(shí)刻的變形圖 49 試驗(yàn) 2 中下肢模型在不同時(shí)刻的變形 仿真結(jié)果的分析與討論 獨(dú)立分析分別對(duì)兩款汽車的碰撞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行以下獨(dú)立分析：（1）對(duì)于試驗(yàn) 1：由圖 46（a）可得脛骨峰值加速度為 ，小于法規(guī)所規(guī)定的 170g；從圖 46（b）可見(jiàn)，碰撞的 030ms 間，最大的膝關(guān)節(jié)彎曲角度為 176。；同時(shí)由圖 46（c）得出最大的膝關(guān)節(jié)剪切位移為 ，符合法規(guī)中要求小于 6mm 的規(guī)定。因此，可以論定 V1 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)符合行人保護(hù)法規(guī)的規(guī)定，在碰撞事故發(fā)生時(shí)能夠?yàn)樾腥颂峁┯行У谋Ｗo(hù)。并繼續(xù)增大；同時(shí)由圖 47（c）得出最大的膝關(guān)節(jié)剪切位移為 ，符合法規(guī)中要求小于 6mm 的規(guī)定。與此對(duì)應(yīng)的是，如圖 49 所示，股骨在 10ms 左右出現(xiàn)裂口，在 15ms 時(shí)已經(jīng)斷開(kāi)。綜合以上分析可以論定，V2 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)不能滿足行人保護(hù)法規(guī)的要求，而且在汽車以 40km/h 的速度與行人發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)導(dǎo)致行人下肢嚴(yán)重的骨折甚至致殘，嚴(yán)重威脅到行人的人身安全。從結(jié)構(gòu)上看，V1 蒙皮與下肢模型的接觸面積較大，能夠減少應(yīng)力集中；V2 橫梁的厚度較厚，不能有效的通過(guò)橫梁的變形來(lái)緩和汽車對(duì)行人的沖擊載荷。綜合上述分析，文論文認(rèn)為，可以通過(guò)增大蒙皮外表面積、減小橫梁厚度、改變緩沖泡沫的材料等措施改良 V2 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)，使之更有利于行人的安全防護(hù)。另外，本章通過(guò)比較試驗(yàn) 1 和試驗(yàn) 2 中兩種前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)和材料的異同，提出了可能改善 V2 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)對(duì)行人的保護(hù)性能的改進(jìn)方案。以人車碰撞事故特征為參考，人體下肢損傷機(jī)理為理論，行人安全評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法為準(zhǔn)則，建立兩款汽車前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的有限元模型，與人體下肢有限元模型進(jìn)行碰撞仿真試驗(yàn)。論文主要的研究工作及研究成果總結(jié)如下：（1）利用 CAD 軟件繪制了兩款汽車前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)各部件的零件圖；（2）利用 CATIA 軟件建立了兩款汽車前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)各部件及其裝配件的幾何模型；（3）應(yīng)用 HYPERMESH 軟件分別對(duì)兩款汽車前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的裝配件模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到其有限元網(wǎng)格模型；（4）利用 PAMCRASH 軟件對(duì)模型進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，先后完成了試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷那疤幚?、求解和后處理的過(guò)程，最終得到試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明：V1 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)符合我國(guó)行人保護(hù)法規(guī)的規(guī)定，能夠有效保護(hù)行人的安全；V2 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)不能滿足我國(guó)行人保護(hù)法規(guī)的要求，會(huì)對(duì)行人的安全造成嚴(yán)重的威脅。該流程在本論文中被驗(yàn)證適用于前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及安全性能的分析研究。（2）本論文將從本校損傷生物力學(xué)與車輛安全工程中心引進(jìn)的成年男性下肢仿真模型，與本文構(gòu)建的汽車前保險(xiǎn)杠有限元模型進(jìn)行碰撞仿真試驗(yàn)。在模型上的創(chuàng)新是對(duì)前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的新的探索，為行人保護(hù)法規(guī)和前保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供有用的建天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文29議。本論文對(duì)汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大范圍的簡(jiǎn)化，僅建立了汽車前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)部分進(jìn)行有限元碰撞分析。（2）由于試驗(yàn)條件的限制，不能獲得有關(guān)參數(shù)的第一手資料，建立的前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)模型與其原型會(huì)有形狀和尺寸細(xì)節(jié)上的偏差，增加了試驗(yàn)結(jié)果的誤差。（3）同樣由于資源有限，本論文只能對(duì)前文引進(jìn)的 50 百分位成年男性的下肢進(jìn)行碰撞仿真分析。（4）本論文更加側(cè)重于汽車前保險(xiǎn)杠安全性能在行人碰撞安全方面的研究，將來(lái)還應(yīng)該在乘員安全保護(hù)方面深入研究。（6）影響前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)行人保護(hù)性能的主要因素在將來(lái)的工作中有待分析與求證。因此，在將來(lái)的研究生學(xué)習(xí)與工作中，定會(huì)參與到更多的汽車安全性能方面的研究和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，為我國(guó)汽車安全研究的進(jìn)步與發(fā)展作出自己應(yīng)有的貢獻(xiàn)。首先，要感謝指導(dǎo)教師李海巖教授。在論文選題之初，在李老師的指導(dǎo)下，本人查閱了大量相關(guān)文獻(xiàn)并了解論文課題的當(dāng)前研究發(fā)展?fàn)顩r，因而能夠跟進(jìn)世界科技水平的發(fā)展，把握研究方向，最終確定論文題目。為讓本人更快更容易的入門(mén)計(jì)算機(jī)模擬所需要應(yīng)用的軟件，李老師安排了相關(guān)軟件的入門(mén)講座，對(duì)本人學(xué)習(xí)這些軟件提供了必不可少的幫助。在整個(gè)過(guò)程中，李老師對(duì)理論知識(shí)的熟練掌握、對(duì)學(xué)生的嚴(yán)格要求和對(duì)科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度本人留下了非常深刻的印象，讓本人受益匪淺，受用終身。在課題開(kāi)展期間，本人得到了呂文樂(lè)博士的關(guān)心和指導(dǎo)，在開(kāi)題報(bào)告的撰寫(xiě)、計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)的開(kāi)展以及論文的撰寫(xiě)等過(guò)程中出現(xiàn)的難題的解決上，呂博士都給予本人相當(dāng)大的指導(dǎo)和技術(shù)支持，在此，尤其表示深切的感謝！感謝本校損傷生物力學(xué)與車輛安全工程中心的全力支持。另外，感謝學(xué)校，在這里，我獲得了人生最寶貴的財(cái)富——知識(shí)。