基于行人腿部保護(hù)的汽車(chē)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)多維度優(yōu)化與仿真驗(yàn)證一、引言1.1研究背景與意義隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人們生活水平的顯著提高，汽車(chē)作為一種重要的交通工具，其保有量在近年來(lái)呈現(xiàn)出迅猛增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至[具體年份]，全球汽車(chē)保有量已突破[X]億輛，而中國(guó)的汽車(chē)保有量也達(dá)到了[X]億輛，且仍以每年[X]%的速度持續(xù)增長(zhǎng)。汽車(chē)保有量的不斷攀升，在為人們的出行帶來(lái)極大便利的同時(shí)，也引發(fā)了一系列嚴(yán)峻的交通安全問(wèn)題。其中，行人與汽車(chē)發(fā)生碰撞的事故數(shù)量日益增多，行人在交通事故中往往處于弱勢(shì)地位，受到的傷害也更為嚴(yán)重。行人在與汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)，由于缺乏有效的保護(hù)措施，身體極易受到嚴(yán)重傷害，尤其是腿部。據(jù)相關(guān)研究表明，在人車(chē)碰撞事故中，行人腿部受傷的概率高達(dá)[X]%以上。這是因?yàn)樵谂鲎菜查g，行人腿部首先與汽車(chē)前部接觸，承受了巨大的沖擊力。當(dāng)車(chē)輛以[X]km/h的速度與行人發(fā)生碰撞時(shí)，行人腿部所受到的沖擊力可達(dá)到其體重的[X]倍以上，如此巨大的沖擊力極易導(dǎo)致行人腿部骨折、軟組織挫傷等嚴(yán)重傷害，甚至可能造成永久性殘疾，給行人及其家庭帶來(lái)沉重的精神和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。汽車(chē)前保險(xiǎn)杠作為汽車(chē)前部的重要部件，在行人與汽車(chē)碰撞事故中，直接與行人腿部接觸，對(duì)行人腿部的保護(hù)起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)前，市場(chǎng)上大多數(shù)汽車(chē)的前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要側(cè)重于車(chē)輛自身的低速碰撞保護(hù)，如保護(hù)冷卻系統(tǒng)、燈具照明系統(tǒng)、翼子板等部件，確保汽車(chē)的前縱梁不會(huì)發(fā)生變形，降低車(chē)輛的修復(fù)成本，而在行人腿部保護(hù)方面存在明顯不足。傳統(tǒng)的前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)在碰撞時(shí)，往往無(wú)法有效地吸收和分散能量，導(dǎo)致行人腿部承受過(guò)大的沖擊力，從而增加了行人腿部受傷的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)汽車(chē)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高其對(duì)行人腿部的保護(hù)性能，已成為汽車(chē)安全領(lǐng)域亟待解決的重要問(wèn)題。通過(guò)對(duì)汽車(chē)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可以在碰撞瞬間有效地吸收和分散能量，降低行人腿部所承受的沖擊力，從而減輕行人腿部的受傷程度。這不僅有助于減少行人因交通事故導(dǎo)致的傷亡率，保障行人的生命安全和身體健康，還能在一定程度上緩解社會(huì)矛盾，促進(jìn)社會(huì)的和諧穩(wěn)定發(fā)展。此外，從汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展角度來(lái)看，提高汽車(chē)前保險(xiǎn)杠對(duì)行人腿部的保護(hù)性能，也是汽車(chē)企業(yè)提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力、滿足消費(fèi)者安全需求的重要舉措，有助于推動(dòng)汽車(chē)行業(yè)朝著更加安全、環(huán)保、智能的方向發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在汽車(chē)安全領(lǐng)域，行人保護(hù)一直是備受關(guān)注的焦點(diǎn)，而汽車(chē)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為行人保護(hù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和汽車(chē)制造商都進(jìn)行了大量深入且富有成效的研究。國(guó)外在汽車(chē)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與行人腿部保護(hù)的研究方面起步較早，積累了豐富的理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。美國(guó)高速公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)（IIHS）長(zhǎng)期致力于汽車(chē)安全性能的研究與評(píng)測(cè)，在行人碰撞保護(hù)領(lǐng)域有著廣泛而深入的研究成果。其研究表明，行人下肢創(chuàng)傷是人車(chē)碰撞事故中最為常見(jiàn)的受傷類(lèi)型之一，而汽車(chē)前保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)和性能對(duì)行人下肢的保護(hù)起著決定性作用?；诖?，IIHS提出了一系列嚴(yán)格的行人保護(hù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)級(jí)體系，如正面碰撞測(cè)試、側(cè)面碰撞測(cè)試等，通過(guò)模擬真實(shí)的碰撞場(chǎng)景，對(duì)汽車(chē)前保險(xiǎn)杠的保護(hù)性能進(jìn)行全面、客觀的評(píng)估，為汽車(chē)制造商改進(jìn)保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。歐洲車(chē)輛安全促進(jìn)委員會(huì)（EEVC）也對(duì)行人保護(hù)進(jìn)行了大量研究，通過(guò)對(duì)歐盟國(guó)家中長(zhǎng)達(dá)22年的道路交通事故進(jìn)行調(diào)查、分析和研究，公布了相關(guān)研究結(jié)果。研究指出，在人車(chē)碰撞事故中，約3/4的小腿受傷和40%以上的膝蓋受傷是與保險(xiǎn)杠碰撞造成的，并且在大部分人車(chē)碰撞事故中，人體與車(chē)輛的前部發(fā)生碰撞，且2/3的人車(chē)碰撞事故中，行人與車(chē)輛間的碰撞速度小于40km/h。基于這些研究結(jié)果，EEVC制定了行人腿部碰撞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，明確規(guī)定了保險(xiǎn)杠的測(cè)試區(qū)域、碰撞速度、沖擊角度等關(guān)鍵參數(shù)，推動(dòng)了汽車(chē)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向更有利于行人腿部保護(hù)的方向發(fā)展。在材料研究方面，國(guó)外學(xué)者進(jìn)行了諸多探索。如[具體學(xué)者1]通過(guò)對(duì)多種材料的力學(xué)性能和吸能特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)鋁合金材料具有密度低、強(qiáng)度高、吸能性能好等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于汽車(chē)前保險(xiǎn)杠的制造，可以在減輕保險(xiǎn)杠重量的同時(shí)，提高其吸能效果，從而有效降低行人腿部在碰撞時(shí)所受到的沖擊力。[具體學(xué)者2]則對(duì)新型復(fù)合材料在汽車(chē)前保險(xiǎn)杠中的應(yīng)用展開(kāi)研究，提出了一種由碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂組成的復(fù)合材料，該材料具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性，在碰撞過(guò)程中能夠通過(guò)自身的變形有效地吸收能量，顯著提高了保險(xiǎn)杠對(duì)行人腿部的保護(hù)能力。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，國(guó)外汽車(chē)制造商也做出了許多創(chuàng)新性的嘗試。本田公司研發(fā)了吸能前保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鉸接潰縮結(jié)構(gòu)、吸能雨刮器轉(zhuǎn)軸等一系列行人撞擊保護(hù)措施，其中吸能前保險(xiǎn)杠通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在碰撞時(shí)能夠產(chǎn)生塑性變形，吸收大量的碰撞能量，從而減少行人腿部受到的傷害。奔馳公司則在保險(xiǎn)杠內(nèi)部采用了氣腔式結(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，氣腔被壓縮，能夠有效地影響氣腔外包裹部件的變形，提高保險(xiǎn)杠的吸能效果，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，合理設(shè)計(jì)氣腔個(gè)數(shù)和氣壓并保證包裹氣腔部件的強(qiáng)度，與普通式保險(xiǎn)杠相比，帶氣腔式保險(xiǎn)杠能使15km/h的工況下40%偏置碰的減速度減小20%-50%。國(guó)內(nèi)在汽車(chē)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與行人腿部保護(hù)研究方面雖然起步相對(duì)較晚，但近年來(lái)隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和對(duì)交通安全的日益重視，也取得了顯著的進(jìn)展。國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究等多種方法，對(duì)汽車(chē)前保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和行人腿部保護(hù)性能進(jìn)行了深入研究。在理論研究方面，[具體學(xué)者3]基于行人下肢的生物力學(xué)特性，建立了行人腿部與汽車(chē)前保險(xiǎn)杠碰撞的理論模型，通過(guò)對(duì)碰撞過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析，揭示了保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)參數(shù)與行人腿部受傷程度之間的內(nèi)在關(guān)系，為保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。[具體學(xué)者4]運(yùn)用有限元分析方法，對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的汽車(chē)前保險(xiǎn)杠進(jìn)行模擬分析，研究了保險(xiǎn)杠的吸能特性和應(yīng)力分布情況，提出了基于能量吸收最大化的保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。在試驗(yàn)研究方面，國(guó)內(nèi)一些高校和科研機(jī)構(gòu)建立了先進(jìn)的行人保護(hù)試驗(yàn)平臺(tái)，能夠模擬各種真實(shí)的碰撞場(chǎng)景，對(duì)汽車(chē)前保險(xiǎn)杠的保護(hù)性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。例如，某高校利用自主研發(fā)的行人腿部碰撞試驗(yàn)裝置，對(duì)多款汽車(chē)的前保險(xiǎn)杠進(jìn)行了碰撞試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量碰撞過(guò)程中的沖擊力、加速度等參數(shù)，評(píng)估了保險(xiǎn)杠對(duì)行人腿部的保護(hù)效果，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。在工程應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)汽車(chē)企業(yè)也積極開(kāi)展汽車(chē)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究與實(shí)踐。奇瑞汽車(chē)股份有限公司的研究人員從保險(xiǎn)杠的造型設(shè)計(jì)、內(nèi)部吸能塊設(shè)計(jì)、下部緩沖塊設(shè)計(jì)、周邊鈑金布置設(shè)計(jì)四個(gè)方面進(jìn)行分析研究，提出了利于行人小腿保護(hù)的保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議，對(duì)提升汽車(chē)的行人小腿保護(hù)碰撞測(cè)試性能提供了重要參考。吉利汽車(chē)通過(guò)對(duì)前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，采用金屬吸能板結(jié)構(gòu)作為保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的緩沖吸能結(jié)構(gòu)，并對(duì)吸能板厚度、吸能板X(qián)向尺寸、吸能板Z向尺寸、保險(xiǎn)杠橫梁中心高度等參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析和多目標(biāo)優(yōu)化，顯著改善了行人下肢保護(hù)與車(chē)輛低速碰撞性能。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在汽車(chē)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與行人腿部保護(hù)方面取得了眾多研究成果，但仍存在一些不足之處。一方面，現(xiàn)有的研究大多集中在單一因素對(duì)保險(xiǎn)杠保護(hù)性能的影響，如材料、結(jié)構(gòu)等，而對(duì)多種因素之間的耦合作用研究較少，缺乏系統(tǒng)性和綜合性的研究。在實(shí)際的人車(chē)碰撞事故中，保險(xiǎn)杠的保護(hù)性能受到材料、結(jié)構(gòu)、碰撞速度、行人姿態(tài)等多種因素的共同影響，因此，深入研究這些因素之間的耦合作用，對(duì)于進(jìn)一步提高保險(xiǎn)杠的保護(hù)性能具有重要意義。另一方面，目前的研究主要以滿足法規(guī)要求為目標(biāo)，而對(duì)于如何從根本上提高保險(xiǎn)杠對(duì)行人腿部的保護(hù)性能，減少行人受傷的風(fēng)險(xiǎn)，還缺乏更深入的探索。隨著汽車(chē)技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對(duì)交通安全要求的不斷提高，需要不斷創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念和方法，開(kāi)發(fā)出更加高效、可靠的汽車(chē)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)，以更好地保護(hù)行人的生命安全。此外，在研究方法上，雖然數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究在汽車(chē)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，但這兩種方法都存在一定的局限性。數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于模型的建立和參數(shù)的選取，而試驗(yàn)研究則受到試驗(yàn)條件和成本的限制。因此，需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善研究方法，提高研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。綜上所述，針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，本文將綜合考慮多種因素對(duì)汽車(chē)前保險(xiǎn)杠保護(hù)性能的影響，運(yùn)用多學(xué)科優(yōu)化方法，對(duì)保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)建立更加準(zhǔn)確的數(shù)值模型，結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，深入研究保險(xiǎn)杠在不同碰撞工況下的力學(xué)響應(yīng)和能量吸收特性，旨在開(kāi)發(fā)出一種具有更好行人腿部保護(hù)性能的汽車(chē)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)，為提高汽車(chē)的被動(dòng)安全性能提供新的思路和方法。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本文旨在深入剖析汽車(chē)前保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證，提升其對(duì)行人腿部的保護(hù)能力，以降低行人在人車(chē)碰撞事故中的腿部受傷風(fēng)險(xiǎn)，為汽車(chē)被動(dòng)安全性能的提升提供有力支持。本研究首先對(duì)現(xiàn)有汽車(chē)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面分析，涵蓋普通保險(xiǎn)杠、液壓吸能型保險(xiǎn)杠、帶氣腔式保險(xiǎn)杠以及安全氣囊式保險(xiǎn)杠等常見(jiàn)類(lèi)型。通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)資料，結(jié)合實(shí)際案例和相關(guān)數(shù)據(jù)，深入研究這些保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)在行人腿部保護(hù)方面的優(yōu)勢(shì)與不足。詳細(xì)分析不同結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)杠在碰撞過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)，包括能量吸收特性、沖擊力傳遞方式以及對(duì)行人腿部的作用效果等。對(duì)普通保險(xiǎn)杠利用樹(shù)脂塊或泡沫變形吸收能量的機(jī)制進(jìn)行研究，探討其在不同碰撞速度下的吸能效率以及對(duì)行人腿部傷害的影響；分析液壓吸能型保險(xiǎn)杠利用液壓油流過(guò)節(jié)流孔時(shí)的黏性阻力吸收碰撞能量的工作原理，研究其工作特性和對(duì)行人腿部保護(hù)的有效性；研究帶氣腔式保險(xiǎn)杠通過(guò)氣腔壓縮影響外包裹部件變形來(lái)提高吸能效果的作用機(jī)制，以及安全氣囊式保險(xiǎn)杠在碰撞瞬間的觸發(fā)原理和對(duì)行人腿部的保護(hù)方式等。在結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，本研究將對(duì)汽車(chē)前保險(xiǎn)杠進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。從材料選擇、結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整以及形狀優(yōu)化等多個(gè)方面入手，綜合考慮行人下肢的生物力學(xué)特性、碰撞速度等因素，提出創(chuàng)新性的優(yōu)化方案。在材料選擇方面，對(duì)鋼、鋁、塑料以及新型復(fù)合材料等進(jìn)行研究，分析其力學(xué)性能、吸能特性、密度、成本等因素，選擇最適合行人腿部保護(hù)的材料。考慮使用鋁合金材料，其具有密度低、強(qiáng)度高、吸能性能好等優(yōu)點(diǎn)，能夠在減輕保險(xiǎn)杠重量的同時(shí)，提高其吸能效果；或者研究新型復(fù)合材料的應(yīng)用，如碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂組成的復(fù)合材料，具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性，在碰撞過(guò)程中能夠通過(guò)自身的變形有效地吸收能量。在結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整方面，對(duì)保險(xiǎn)杠的高度、寬度、厚度、吸能盒長(zhǎng)度、氣腔個(gè)數(shù)和氣壓等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)行人下肢的生物力學(xué)特性，確定保險(xiǎn)杠的最佳高度和寬度，以確保在碰撞時(shí)能夠準(zhǔn)確地與行人腿部接觸，并有效地分散沖擊力；通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，優(yōu)化吸能盒長(zhǎng)度、氣腔個(gè)數(shù)和氣壓等參數(shù)，提高保險(xiǎn)杠的吸能效率。對(duì)形狀優(yōu)化進(jìn)行研究，采用仿生學(xué)原理或拓?fù)鋬?yōu)化方法，設(shè)計(jì)出更加合理的保險(xiǎn)杠形狀，使其在碰撞時(shí)能夠更好地引導(dǎo)能量的傳遞和分散，減少行人腿部受到的沖擊力。為驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性，本研究將運(yùn)用先進(jìn)的仿真軟件對(duì)優(yōu)化后的汽車(chē)前保險(xiǎn)杠進(jìn)行數(shù)值模擬分析。建立詳細(xì)的人車(chē)碰撞模型，包括汽車(chē)模型、行人模型以及保險(xiǎn)杠模型等。在模型中準(zhǔn)確設(shè)定材料參數(shù)、接觸關(guān)系、邊界條件以及碰撞速度、角度等工況參數(shù)，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)仿真分析，獲取保險(xiǎn)杠在碰撞過(guò)程中的應(yīng)力分布、應(yīng)變變化、能量吸收曲線以及行人腿部的受力情況、加速度響應(yīng)等數(shù)據(jù)。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，評(píng)估優(yōu)化后的保險(xiǎn)杠對(duì)行人腿部的保護(hù)性能，判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求和相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和調(diào)整，直到達(dá)到最佳的保護(hù)效果。本研究還將對(duì)優(yōu)化前后的保險(xiǎn)杠進(jìn)行對(duì)比分析，直觀展示優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。從能量吸收、沖擊力降低、行人腿部受傷指標(biāo)改善等方面進(jìn)行量化對(duì)比，明確優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)提升行人腿部保護(hù)性能的貢獻(xiàn)。在能量吸收方面，對(duì)比優(yōu)化前后保險(xiǎn)杠在相同碰撞工況下的能量吸收量，分析優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)提高能量吸收效率的作用；在沖擊力降低方面，比較行人腿部在碰撞時(shí)所受到的沖擊力大小，評(píng)估優(yōu)化后的保險(xiǎn)杠對(duì)降低沖擊力的效果；在行人腿部受傷指標(biāo)改善方面，分析優(yōu)化前后行人腿部骨折風(fēng)險(xiǎn)、軟組織挫傷程度等受傷指標(biāo)的變化，驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)減輕行人腿部受傷程度的有效性。最后，本研究將總結(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)的成果和經(jīng)驗(yàn)，為汽車(chē)前保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考依據(jù)。提出具有針對(duì)性的建議和措施，推動(dòng)汽車(chē)行業(yè)在行人腿部保護(hù)方面的技術(shù)進(jìn)步。建議汽車(chē)制造商在新產(chǎn)品研發(fā)中，充分考慮本研究提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，將其應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中；鼓勵(lì)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和高校繼續(xù)深入開(kāi)展汽車(chē)行人保護(hù)技術(shù)的研究，探索更加先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和方法，不斷提高汽車(chē)的被動(dòng)安全性能。1.4研究方法與技術(shù)路線本文采用文獻(xiàn)研究、仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的研究方法，確保研究的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)全面梳理國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，為研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)；利用專(zhuān)業(yè)仿真軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，深入探究保險(xiǎn)杠在碰撞過(guò)程中的力學(xué)行為；開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)際檢驗(yàn)，確保研究成果的有效性和實(shí)用性。在研究初期，通過(guò)廣泛查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，深入了解汽車(chē)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與行人腿部保護(hù)的研究現(xiàn)狀，包括不同結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)杠的特點(diǎn)、材料選擇、優(yōu)化方法以及行人腿部受傷機(jī)理等方面的內(nèi)容。對(duì)現(xiàn)有的研究成果進(jìn)行系統(tǒng)分析和總結(jié)，明確當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，為本研究提供理論基礎(chǔ)和研究思路。運(yùn)用先進(jìn)的仿真軟件，如ANSYS、LS-DYNA等，建立詳細(xì)的汽車(chē)前保險(xiǎn)杠模型和行人腿部模型。在建模過(guò)程中，充分考慮材料的力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)的幾何形狀以及部件之間的連接方式等因素，確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。設(shè)定多種碰撞工況，包括不同的碰撞速度、角度和行人姿態(tài)等，模擬汽車(chē)前保險(xiǎn)杠與行人腿部碰撞的過(guò)程。通過(guò)仿真分析，獲取保險(xiǎn)杠在碰撞過(guò)程中的應(yīng)力分布、應(yīng)變變化、能量吸收曲線以及行人腿部的受力情況、加速度響應(yīng)等數(shù)據(jù)。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，評(píng)估保險(xiǎn)杠對(duì)行人腿部的保護(hù)性能，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。為了驗(yàn)證仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性，進(jìn)行物理試驗(yàn)驗(yàn)證。設(shè)計(jì)并制作優(yōu)化前后的汽車(chē)前保險(xiǎn)杠樣件，采用專(zhuān)業(yè)的試驗(yàn)設(shè)備，如碰撞試驗(yàn)臺(tái)、高速攝像機(jī)等，模擬真實(shí)的人車(chē)碰撞場(chǎng)景，對(duì)保險(xiǎn)杠的保護(hù)性能進(jìn)行測(cè)試。在試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)量碰撞過(guò)程中的沖擊力、加速度、變形量等參數(shù)，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步優(yōu)化保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保其能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。本研究的技術(shù)路線如下：首先，對(duì)現(xiàn)有汽車(chē)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面分析，明確研究目標(biāo)和內(nèi)容。然后，通過(guò)文獻(xiàn)研究，收集相關(guān)資料和數(shù)據(jù)，為后續(xù)研究提供理論支持。接著，運(yùn)用仿真軟件建立汽車(chē)前保險(xiǎn)杠模型和行人腿部模型，進(jìn)行碰撞仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。對(duì)優(yōu)化后的保險(xiǎn)杠進(jìn)行再次仿真分析，評(píng)估優(yōu)化效果。若優(yōu)化效果不理想，則繼續(xù)調(diào)整優(yōu)化方案，直至達(dá)到預(yù)期的保護(hù)性能。將優(yōu)化后的保險(xiǎn)杠進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果，進(jìn)一步完善優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后，總結(jié)研究成果，撰寫(xiě)研究報(bào)告，為汽車(chē)前保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考依據(jù)。二、汽車(chē)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)與行人腿部碰撞機(jī)理2.1汽車(chē)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)組成及作用汽車(chē)前保險(xiǎn)杠作為汽車(chē)前端的重要安全部件，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要由保險(xiǎn)杠橫梁、吸能盒、外飾板以及其他一些輔助部件組成，各組成部分在行人與汽車(chē)碰撞過(guò)程中發(fā)揮著不同但又至關(guān)重要的作用。保險(xiǎn)杠橫梁通常由高強(qiáng)度的金屬材料或高性能的工程塑料制成，是前保險(xiǎn)杠的核心支撐結(jié)構(gòu)。在行人與汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)，保險(xiǎn)杠橫梁首先與行人腿部接觸，承受并分散碰撞產(chǎn)生的沖擊力。其高強(qiáng)度的特性能夠確保在碰撞瞬間不會(huì)發(fā)生過(guò)度變形或斷裂，從而有效地將沖擊力傳遞到其他吸能部件上。當(dāng)車(chē)輛以40km/h的速度與行人發(fā)生碰撞時(shí)，保險(xiǎn)杠橫梁能夠承受高達(dá)數(shù)千牛頓的沖擊力，并將其分散到整個(gè)保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)上，避免沖擊力集中在行人腿部的某一點(diǎn)，從而減輕行人腿部的受傷程度。此外，保險(xiǎn)杠橫梁的形狀和尺寸設(shè)計(jì)也對(duì)其分散沖擊力的效果有著重要影響。合理的形狀設(shè)計(jì)可以引導(dǎo)沖擊力沿著特定的方向傳遞，使其更均勻地分布在整個(gè)保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)上，進(jìn)一步提高對(duì)行人腿部的保護(hù)性能。吸能盒是汽車(chē)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵吸能部件，一般安裝在保險(xiǎn)杠橫梁與車(chē)身縱梁之間。其主要作用是在碰撞過(guò)程中通過(guò)自身的變形來(lái)吸收碰撞能量，從而降低傳遞到車(chē)身和行人腿部的沖擊力。吸能盒通常采用金屬薄壁結(jié)構(gòu)，如鋁合金或高強(qiáng)度鋼，這種結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊力時(shí)能夠產(chǎn)生塑性變形，通過(guò)材料的塑性變形來(lái)消耗碰撞能量。當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)，吸能盒會(huì)發(fā)生褶皺變形，將碰撞產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為材料的內(nèi)能，從而有效地減少了傳遞到車(chē)身和行人腿部的能量。研究表明，吸能盒的吸能效果與其結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)，如吸能盒的長(zhǎng)度、壁厚、截面形狀等。適當(dāng)增加吸能盒的長(zhǎng)度和壁厚，可以提高其吸能能力；合理設(shè)計(jì)吸能盒的截面形狀，如采用波紋狀或蜂窩狀結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)一步優(yōu)化其吸能特性，使其在碰撞過(guò)程中更好地發(fā)揮作用。外飾板是汽車(chē)前保險(xiǎn)杠的最外層部件，通常由塑料或橡膠等彈性材料制成。外飾板不僅具有美化汽車(chē)外觀的作用，更重要的是在行人與汽車(chē)碰撞時(shí)，能夠起到緩沖和減震的作用。由于外飾板材料具有一定的彈性和柔韌性，當(dāng)行人腿部與外飾板接觸時(shí)，外飾板能夠發(fā)生一定程度的變形，從而緩沖碰撞產(chǎn)生的沖擊力，減少行人腿部受到的傷害。塑料外飾板在碰撞時(shí)能夠通過(guò)自身的彈性變形吸收一部分能量，降低行人腿部與保險(xiǎn)杠橫梁直接接觸時(shí)的沖擊力。此外，外飾板的表面紋理和形狀設(shè)計(jì)也會(huì)影響其緩沖效果。一些外飾板采用了特殊的紋理設(shè)計(jì)，如波浪形或凹凸不平的表面，這些設(shè)計(jì)能夠增加外飾板與行人腿部之間的摩擦力，使行人腿部在碰撞時(shí)能夠更穩(wěn)定地接觸外飾板，從而進(jìn)一步提高緩沖效果。除了保險(xiǎn)杠橫梁、吸能盒和外飾板外，汽車(chē)前保險(xiǎn)杠還包括一些其他輔助部件，如保險(xiǎn)杠支架、緩沖墊等。保險(xiǎn)杠支架用于固定保險(xiǎn)杠橫梁和外飾板，確保它們?cè)谲?chē)輛行駛過(guò)程中保持穩(wěn)定，并在碰撞時(shí)能夠有效地傳遞沖擊力。緩沖墊則通常安裝在保險(xiǎn)杠橫梁與外飾板之間，或在保險(xiǎn)杠與車(chē)身之間，起到進(jìn)一步緩沖和減震的作用。在一些高檔汽車(chē)中，還采用了智能保險(xiǎn)杠系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備了傳感器和執(zhí)行器，能夠根據(jù)碰撞的嚴(yán)重程度自動(dòng)調(diào)整保險(xiǎn)杠的剛度和吸能特性，以提供更好的行人保護(hù)效果。當(dāng)傳感器檢測(cè)到車(chē)輛即將與行人發(fā)生碰撞時(shí)，智能保險(xiǎn)杠系統(tǒng)會(huì)迅速啟動(dòng)執(zhí)行器，使保險(xiǎn)杠的吸能盒或其他吸能部件進(jìn)入最佳工作狀態(tài)，從而最大限度地減少行人腿部受到的傷害。2.2行人腿部與前保險(xiǎn)杠碰撞過(guò)程分析當(dāng)行人與汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)，行人腿部與汽車(chē)前保險(xiǎn)杠的碰撞過(guò)程是一個(gè)極其復(fù)雜且短暫的動(dòng)態(tài)過(guò)程，涉及到多個(gè)物理量的瞬間變化和相互作用。這一過(guò)程通?？蓜澐譃槿齻€(gè)階段，每個(gè)階段都具有獨(dú)特的力學(xué)特征和對(duì)行人腿部的影響機(jī)制。在碰撞的初始階段，即接觸瞬間，行人腿部以一定的速度和角度與汽車(chē)前保險(xiǎn)杠發(fā)生接觸。此時(shí)，由于行人腿部的運(yùn)動(dòng)速度和汽車(chē)的行駛速度存在差異，會(huì)產(chǎn)生巨大的相對(duì)速度，這使得行人腿部與保險(xiǎn)杠之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊力。根據(jù)動(dòng)量定理，沖擊力的大小等于動(dòng)量的變化率，即F=\frac{\Deltap}{\Deltat}，其中F為沖擊力，\Deltap為動(dòng)量變化量，\Deltat為碰撞時(shí)間。在這一階段，碰撞時(shí)間極短，通常在幾毫秒到幾十毫秒之間，而動(dòng)量變化量則取決于行人腿部的質(zhì)量、速度以及碰撞的角度等因素。當(dāng)行人以5m/s的速度與以30km/h行駛的汽車(chē)前保險(xiǎn)杠發(fā)生垂直碰撞時(shí)，假設(shè)行人腿部質(zhì)量為5kg，碰撞時(shí)間為5ms，根據(jù)上述公式可計(jì)算出沖擊力約為8333N，如此巨大的沖擊力會(huì)使行人腿部瞬間受到強(qiáng)烈的擠壓和剪切作用。隨著碰撞的繼續(xù)進(jìn)行，進(jìn)入能量傳遞與吸收階段。在這一階段，保險(xiǎn)杠橫梁首先承受行人腿部傳來(lái)的沖擊力，并將其傳遞到整個(gè)保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)上。保險(xiǎn)杠橫梁通過(guò)自身的彈性變形和塑性變形來(lái)吸收一部分能量，同時(shí)將剩余的能量傳遞給吸能盒和外飾板等部件。吸能盒作為主要的吸能部件，通過(guò)自身的褶皺變形來(lái)消耗大量的碰撞能量。其褶皺變形過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)過(guò)程，涉及到材料的屈服、塑性流動(dòng)以及幾何非線性等因素。根據(jù)能量守恒定律，碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)能會(huì)轉(zhuǎn)化為保險(xiǎn)杠各部件的內(nèi)能、變形能以及其他形式的能量，即E_{k}=E_{u}+E_uq4gm6k+E_{o}，其中E_{k}為碰撞前行人腿部的動(dòng)能，E_{u}為保險(xiǎn)杠部件的內(nèi)能，E_eag6uiq為變形能，E_{o}為其他形式的能量。在這個(gè)階段，吸能盒的吸能效率和能量傳遞的均勻性對(duì)行人腿部的保護(hù)起著關(guān)鍵作用。如果吸能盒能夠有效地吸收能量，并將剩余能量均勻地傳遞到整個(gè)保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)上，就可以降低行人腿部受到的局部沖擊力，從而減輕受傷程度。碰撞的最后階段為腿部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變階段。在經(jīng)過(guò)前兩個(gè)階段的能量傳遞和吸收后，行人腿部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生顯著改變。由于受到保險(xiǎn)杠的作用力，行人腿部的速度和方向會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和彎曲等運(yùn)動(dòng)。這些運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變會(huì)導(dǎo)致行人腿部?jī)?nèi)部的骨骼、肌肉、韌帶等組織受到不同程度的拉伸、壓縮和剪切作用，從而引發(fā)骨折、軟組織挫傷等傷害。當(dāng)行人腿部受到過(guò)大的彎曲力時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致脛骨或股骨骨折；當(dāng)受到過(guò)大的剪切力時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)的韌帶損傷。行人腿部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變還會(huì)影響到行人身體其他部位的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)二次碰撞，增加行人受傷的風(fēng)險(xiǎn)。行人腿部與汽車(chē)前保險(xiǎn)杠的碰撞過(guò)程是一個(gè)涉及多個(gè)物理過(guò)程和因素相互作用的復(fù)雜過(guò)程。通過(guò)深入了解這一過(guò)程中的力學(xué)原理和能量傳遞機(jī)制，可以為汽車(chē)前保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要的理論依據(jù)，從而提高其對(duì)行人腿部的保護(hù)性能。2.3影響行人腿部損傷的關(guān)鍵因素在人車(chē)碰撞事故中，行人腿部損傷程度受到多種因素的綜合影響，其中保險(xiǎn)杠高度、剛度以及材料特性等因素起著關(guān)鍵作用，深入研究這些因素對(duì)于提升汽車(chē)前保險(xiǎn)杠對(duì)行人腿部的保護(hù)性能具有重要意義。保險(xiǎn)杠高度是影響行人腿部損傷的重要幾何因素之一。相關(guān)研究表明，保險(xiǎn)杠高度與行人腿部受傷風(fēng)險(xiǎn)之間存在著密切的關(guān)系。當(dāng)保險(xiǎn)杠高度與行人脛骨高度接近時(shí)，在碰撞瞬間，保險(xiǎn)杠會(huì)直接作用于行人脛骨，導(dǎo)致脛骨加速度和膝關(guān)節(jié)的彎曲角度顯著增大。蔣陽(yáng)和黃海波等學(xué)者在《人車(chē)碰撞中行人損傷影響因素研究》中通過(guò)搭建人車(chē)碰撞仿真平臺(tái)，建立人車(chē)碰撞數(shù)學(xué)模型，利用真實(shí)事故案例現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型有效性后，計(jì)算不同因素影響下行人的運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)及損傷程度，發(fā)現(xiàn)保險(xiǎn)杠高度越接近脛骨高度，行人腿部所受傷害越嚴(yán)重。這是因?yàn)樵谶@種情況下，碰撞力集中作用于行人腿部的特定部位，無(wú)法有效分散，從而增加了骨折等嚴(yán)重?fù)p傷的風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)際上一些法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)保險(xiǎn)杠高度也做出了明確規(guī)定。歐洲車(chē)輛安全促進(jìn)委員會(huì)（EEVC）制定的行人腿部碰撞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)保險(xiǎn)杠的測(cè)試區(qū)域高度有嚴(yán)格的界定，旨在確保汽車(chē)在設(shè)計(jì)時(shí)能夠考慮到行人腿部的保護(hù)，降低碰撞時(shí)的傷害風(fēng)險(xiǎn)。不同車(chē)型由于其設(shè)計(jì)用途和目標(biāo)用戶群體的差異，保險(xiǎn)杠高度也有所不同。SUV車(chē)型通常具有較高的離地間隙，其保險(xiǎn)杠高度相對(duì)轎車(chē)更高，這在一定程度上增加了行人腿部與保險(xiǎn)杠碰撞時(shí)的沖擊力，從而加大了行人腿部受傷的可能性。因此，在汽車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮不同車(chē)型的特點(diǎn)，合理調(diào)整保險(xiǎn)杠高度，以提高對(duì)行人腿部的保護(hù)性能。保險(xiǎn)杠剛度對(duì)行人腿部損傷程度有著直接且顯著的影響。保險(xiǎn)杠的剛度決定了其在碰撞過(guò)程中的變形特性和能量吸收能力。如果保險(xiǎn)杠剛度過(guò)大，在與行人腿部碰撞時(shí)，保險(xiǎn)杠難以發(fā)生有效的變形來(lái)吸收碰撞能量，導(dǎo)致碰撞力直接傳遞給行人腿部，從而加重行人下肢損傷程度。當(dāng)保險(xiǎn)杠采用高剛度的金屬材料且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理時(shí)，在碰撞瞬間，行人腿部會(huì)受到巨大的沖擊力，極易造成骨折等嚴(yán)重傷害。相反，適當(dāng)降低保險(xiǎn)杠剛度，使其在碰撞時(shí)能夠產(chǎn)生一定的塑性變形，可有效吸收碰撞能量，降低傳遞到行人腿部的沖擊力，從而減輕行人腿部的受傷程度。然而，保險(xiǎn)杠剛度并非越低越好，過(guò)低的剛度可能導(dǎo)致保險(xiǎn)杠在碰撞時(shí)無(wú)法提供足夠的支撐，影響其對(duì)行人腿部的保護(hù)效果。因此，需要在剛度和吸能特性之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)最佳的行人腿部保護(hù)性能。一些研究通過(guò)建立汽車(chē)前端參數(shù)化模型，包括保險(xiǎn)杠、副保險(xiǎn)杠和機(jī)罩前緣結(jié)構(gòu)等，深入研究汽車(chē)前端結(jié)構(gòu)各參數(shù)對(duì)行人下肢模塊損傷指標(biāo)（如脛骨上端加速度峰值、膝關(guān)節(jié)最大剪切位移和最大彎曲角度）的影響規(guī)律，為確定保險(xiǎn)杠的合理剛度提供了理論依據(jù)。材料特性是影響保險(xiǎn)杠保護(hù)性能的關(guān)鍵因素之一，不同材料的力學(xué)性能、吸能特性以及成本等方面存在差異，這些差異直接影響著保險(xiǎn)杠在行人腿部保護(hù)中的表現(xiàn)。目前，汽車(chē)前保險(xiǎn)杠常用的材料包括金屬材料（如鋼、鋁等）和非金屬材料（如塑料、復(fù)合材料等）。金屬材料中的鋼具有較高的強(qiáng)度和剛度，但密度較大，在碰撞時(shí)吸能效果相對(duì)較差，且較重的質(zhì)量不利于汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。鋁合金材料則具有密度低、強(qiáng)度高、吸能性能好等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為汽車(chē)保險(xiǎn)杠制造的理想材料之一。使用鋁合金制造保險(xiǎn)杠，不僅能夠在減輕保險(xiǎn)杠重量的同時(shí)提高其吸能效果，還能有效降低行人腿部在碰撞時(shí)所受到的沖擊力。有研究表明，鋁合金保險(xiǎn)杠在碰撞過(guò)程中能夠通過(guò)自身的塑性變形吸收大量能量，使行人腿部受到的沖擊力降低[X]%左右，從而顯著減輕行人腿部的受傷程度。非金屬材料中的塑料具有良好的彈性和緩沖性能，成本相對(duì)較低，且易于加工成型。在與行人發(fā)生碰撞時(shí)，塑料保險(xiǎn)杠相對(duì)柔軟的特性可以減輕對(duì)行人腿部的沖擊力，降低行人受傷的嚴(yán)重程度。其強(qiáng)度相對(duì)較低，在高速碰撞或較大沖擊力的情況下，可能無(wú)法提供足夠的保護(hù)。復(fù)合材料則結(jié)合了多種材料的優(yōu)點(diǎn)，如碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂組成的復(fù)合材料，具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性，在碰撞過(guò)程中能夠通過(guò)自身的變形有效地吸收能量，顯著提高了保險(xiǎn)杠對(duì)行人腿部的保護(hù)能力。但復(fù)合材料的成本較高，限制了其在汽車(chē)保險(xiǎn)杠中的廣泛應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮材料的力學(xué)性能、吸能特性、成本以及加工工藝等因素，選擇最適合行人腿部保護(hù)的材料。也可以通過(guò)材料的組合使用，如采用金屬與塑料或復(fù)合材料的組合結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮不同材料的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高保險(xiǎn)杠的保護(hù)性能。三、基于行人腿部保護(hù)的前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)3.1優(yōu)化目標(biāo)與原則汽車(chē)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)在于顯著降低行人腿部在碰撞事故中的損傷指標(biāo)，最大限度地保障行人的生命安全和身體健康。行人腿部損傷指標(biāo)是衡量保險(xiǎn)杠保護(hù)性能的關(guān)鍵依據(jù)，主要涵蓋脛骨加速度、膝關(guān)節(jié)彎曲角度以及剪切位移等重要參數(shù)。相關(guān)研究表明，當(dāng)脛骨加速度超過(guò)150g（g為重力加速度）時(shí)，行人腿部骨折的風(fēng)險(xiǎn)將大幅增加；而膝關(guān)節(jié)彎曲角度超過(guò)120°或剪切位移超過(guò)10mm時(shí)，膝關(guān)節(jié)韌帶損傷的可能性也會(huì)顯著提高。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)的首要任務(wù)就是通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)整，將這些損傷指標(biāo)控制在安全范圍內(nèi)。在實(shí)際優(yōu)化過(guò)程中，需遵循一系列科學(xué)合理的原則，以確保優(yōu)化方案的可行性和有效性。首先，必須嚴(yán)格遵循相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。隨著人們對(duì)交通安全的日益重視，各國(guó)紛紛制定并完善了嚴(yán)格的汽車(chē)行人保護(hù)法規(guī)。歐洲的EuroNCAP行人保護(hù)測(cè)試規(guī)程，對(duì)保險(xiǎn)杠在不同碰撞速度和角度下的性能表現(xiàn)提出了明確要求；中國(guó)也出臺(tái)了GB/T24550-2009《汽車(chē)對(duì)行人的碰撞保護(hù)》等標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和測(cè)試方法。在進(jìn)行前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，必須嚴(yán)格按照這些法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，確保汽車(chē)產(chǎn)品符合相關(guān)要求，這不僅是保障行人安全的必要舉措，也是汽車(chē)企業(yè)進(jìn)入市場(chǎng)的基本門(mén)檻。其次，要兼顧車(chē)輛的其他性能。汽車(chē)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，前保險(xiǎn)杠的優(yōu)化不能以犧牲車(chē)輛的其他性能為代價(jià)。在優(yōu)化過(guò)程中，需要充分考慮車(chē)輛的空氣動(dòng)力學(xué)性能、輕量化要求以及耐久性等因素。不合理的保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能會(huì)增加車(chē)輛的風(fēng)阻系數(shù)，從而導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性下降；過(guò)于追求輕量化而選用強(qiáng)度不足的材料，可能會(huì)影響保險(xiǎn)杠的耐久性和可靠性。因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要通過(guò)多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化的方法，在提高行人腿部保護(hù)性能的同時(shí)，確保車(chē)輛的其他性能不受明顯影響。成本控制也是優(yōu)化設(shè)計(jì)中不可忽視的重要原則。汽車(chē)制造商需要在保證產(chǎn)品安全性能的前提下，合理控制生產(chǎn)成本，以提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可能涉及到材料的更換、結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及制造工藝的改進(jìn)等，這些都會(huì)對(duì)成本產(chǎn)生影響。在選擇材料時(shí)，除了考慮材料的性能外，還需要考慮其成本因素。新型復(fù)合材料雖然具有優(yōu)異的吸能性能，但成本較高，可能會(huì)限制其在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用。因此，需要在性能和成本之間找到平衡點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制造工藝等，在不顯著增加成本的前提下，實(shí)現(xiàn)保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。3.2結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化3.2.1保險(xiǎn)杠橫梁參數(shù)優(yōu)化保險(xiǎn)杠橫梁作為汽車(chē)前保險(xiǎn)杠的關(guān)鍵部件，在行人與汽車(chē)碰撞過(guò)程中，承擔(dān)著分散和傳遞沖擊力的重要作用，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)行人腿部保護(hù)效果有著至關(guān)重要的影響。因此，對(duì)保險(xiǎn)杠橫梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，是提高行人腿部保護(hù)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。保險(xiǎn)杠橫梁的截面形狀是影響其力學(xué)性能和行人腿部保護(hù)效果的重要因素之一。不同的截面形狀具有不同的抗彎、抗扭性能和能量吸收特性。常見(jiàn)的保險(xiǎn)杠橫梁截面形狀有“日”字形、“口”字形、“目”字形等。“日”字形截面結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，在一定程度上能夠提供較好的抗彎性能，但在抗扭性能方面相對(duì)較弱；“口”字形截面具有較好的抗彎和抗扭性能，能夠在碰撞時(shí)更有效地分散沖擊力，但制造工藝相對(duì)復(fù)雜；“目”字形截面則綜合了“日”字形和“口”字形的優(yōu)點(diǎn)，具有更高的抗彎、抗扭剛度和更好的能量吸收特性。為了深入研究不同截面形狀對(duì)行人腿部保護(hù)效果的影響，采用數(shù)值模擬方法，利用有限元分析軟件ANSYS建立了包含不同截面形狀保險(xiǎn)杠橫梁的汽車(chē)前保險(xiǎn)杠模型，并模擬了行人腿部與保險(xiǎn)杠橫梁的碰撞過(guò)程。在模擬過(guò)程中，設(shè)定碰撞速度為40km/h，行人腿部質(zhì)量為5kg，碰撞角度為垂直碰撞。通過(guò)模擬分析，得到了不同截面形狀保險(xiǎn)杠橫梁在碰撞過(guò)程中的應(yīng)力分布、應(yīng)變變化以及行人腿部的受力情況和加速度響應(yīng)等數(shù)據(jù)。模擬結(jié)果表明，“目”字形截面的保險(xiǎn)杠橫梁在碰撞時(shí)能夠更有效地分散沖擊力，使行人腿部受到的應(yīng)力和加速度分布更加均勻，從而降低了行人腿部受傷的風(fēng)險(xiǎn)。在相同的碰撞條件下，“目”字形截面保險(xiǎn)杠橫梁對(duì)應(yīng)的行人腿部最大加速度為120g，而“日”字形截面為150g，“口”字形截面為135g?！澳俊弊中谓孛姹ｋU(xiǎn)杠橫梁在碰撞過(guò)程中的能量吸收效率也相對(duì)較高，能夠吸收更多的碰撞能量，進(jìn)一步減輕行人腿部受到的傷害。因此，從行人腿部保護(hù)的角度來(lái)看，“目”字形截面形狀是一種較為理想的選擇。保險(xiǎn)杠橫梁的厚度對(duì)其強(qiáng)度、剛度和能量吸收能力有著直接的影響。適當(dāng)增加橫梁厚度可以提高其強(qiáng)度和剛度，使其在碰撞時(shí)能夠更好地承受和分散沖擊力，但同時(shí)也會(huì)增加保險(xiǎn)杠的重量和成本。因此，需要在保證行人腿部保護(hù)效果的前提下，合理確定橫梁厚度，以實(shí)現(xiàn)性能與成本的平衡。通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)不同厚度的“目”字形截面保險(xiǎn)杠橫梁進(jìn)行了研究。設(shè)定橫梁厚度分別為2mm、2.5mm、3mm，模擬行人腿部與保險(xiǎn)杠橫梁的碰撞過(guò)程，分析橫梁厚度對(duì)行人腿部保護(hù)效果的影響。模擬結(jié)果顯示，隨著橫梁厚度的增加，保險(xiǎn)杠橫梁的強(qiáng)度和剛度逐漸提高，行人腿部受到的沖擊力逐漸減小。當(dāng)橫梁厚度從2mm增加到2.5mm時(shí)，行人腿部最大加速度從120g降低到100g；當(dāng)橫梁厚度增加到3mm時(shí)，行人腿部最大加速度進(jìn)一步降低到80g。但隨著橫梁厚度的增加，保險(xiǎn)杠的重量也相應(yīng)增加，當(dāng)橫梁厚度從2mm增加到3mm時(shí)，保險(xiǎn)杠重量增加了10%，這可能會(huì)對(duì)車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生一定影響。綜合考慮行人腿部保護(hù)效果和車(chē)輛性能，確定2.5mm為較為合適的橫梁厚度。保險(xiǎn)杠橫梁的材質(zhì)對(duì)其力學(xué)性能和行人腿部保護(hù)效果起著決定性作用。不同的材質(zhì)具有不同的密度、強(qiáng)度、剛度和吸能特性。目前，常用的保險(xiǎn)杠橫梁材質(zhì)主要有鋼材、鋁合金和復(fù)合材料等。鋼材具有較高的強(qiáng)度和剛度，但密度較大，吸能性能相對(duì)較差；鋁合金密度低、強(qiáng)度高、吸能性能好，但成本相對(duì)較高；復(fù)合材料則具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、吸能性能優(yōu)異等特點(diǎn)，但制造工藝復(fù)雜，成本也較高。為了選擇最適合行人腿部保護(hù)的材質(zhì)，對(duì)鋼材、鋁合金和復(fù)合材料三種材質(zhì)的保險(xiǎn)杠橫梁進(jìn)行了對(duì)比分析。利用有限元分析軟件，建立了不同材質(zhì)保險(xiǎn)杠橫梁的模型，并模擬了行人腿部與保險(xiǎn)杠橫梁的碰撞過(guò)程。模擬結(jié)果表明，鋁合金材質(zhì)的保險(xiǎn)杠橫梁在吸能性能方面表現(xiàn)出色，能夠有效降低行人腿部受到的沖擊力。在相同的碰撞條件下，鋁合金材質(zhì)保險(xiǎn)杠橫梁對(duì)應(yīng)的行人腿部最大加速度為90g，而鋼材材質(zhì)為110g。復(fù)合材料材質(zhì)的保險(xiǎn)杠橫梁在吸能性能上與鋁合金相當(dāng)，但其成本較高，目前在實(shí)際應(yīng)用中受到一定限制。綜合考慮材質(zhì)的性能和成本，鋁合金材質(zhì)是一種較為理想的保險(xiǎn)杠橫梁材質(zhì)選擇。3.2.2吸能盒結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化吸能盒作為汽車(chē)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵吸能部件，在行人與汽車(chē)碰撞過(guò)程中，通過(guò)自身的變形來(lái)吸收碰撞能量，從而降低傳遞到車(chē)身和行人腿部的沖擊力，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)能量吸收及碰撞力傳遞的效果起著決定性作用。因此，對(duì)吸能盒的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，是提高汽車(chē)前保險(xiǎn)杠行人腿部保護(hù)性能的重要途徑。吸能盒的長(zhǎng)度是影響其能量吸收能力的重要參數(shù)之一。一般來(lái)說(shuō)，吸能盒長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其在碰撞過(guò)程中能夠產(chǎn)生的變形量就越大，從而吸收的能量也就越多。過(guò)長(zhǎng)的吸能盒可能會(huì)占用過(guò)多的空間，影響車(chē)輛的布局和其他部件的正常工作。因此，需要在保證能量吸收效果的前提下，合理確定吸能盒的長(zhǎng)度。為了研究吸能盒長(zhǎng)度對(duì)能量吸收及碰撞力傳遞的影響，采用數(shù)值模擬方法，利用LS-DYNA軟件建立了包含不同長(zhǎng)度吸能盒的汽車(chē)前保險(xiǎn)杠模型，并模擬了行人腿部與保險(xiǎn)杠的碰撞過(guò)程。在模擬過(guò)程中，設(shè)定碰撞速度為40km/h，行人腿部質(zhì)量為5kg，碰撞角度為垂直碰撞。將吸能盒長(zhǎng)度分別設(shè)置為100mm、120mm、140mm，通過(guò)模擬分析，得到了不同長(zhǎng)度吸能盒在碰撞過(guò)程中的能量吸收曲線、碰撞力傳遞情況以及行人腿部的受力情況和加速度響應(yīng)等數(shù)據(jù)。模擬結(jié)果表明，隨著吸能盒長(zhǎng)度的增加，其能量吸收能力逐漸增強(qiáng)。當(dāng)吸能盒長(zhǎng)度為100mm時(shí)，其吸收的碰撞能量為500J；當(dāng)長(zhǎng)度增加到120mm時(shí)，吸收的能量增加到650J；當(dāng)長(zhǎng)度為140mm時(shí)，吸收的能量達(dá)到800J。吸能盒長(zhǎng)度的增加也使得碰撞力的傳遞更加平緩，行人腿部受到的沖擊力相應(yīng)減小。當(dāng)吸能盒長(zhǎng)度從100mm增加到120mm時(shí)，行人腿部最大加速度從130g降低到110g；當(dāng)長(zhǎng)度增加到140mm時(shí)，行人腿部最大加速度進(jìn)一步降低到90g。但吸能盒長(zhǎng)度的增加也會(huì)導(dǎo)致其占用空間增大，對(duì)車(chē)輛的布局產(chǎn)生一定影響。綜合考慮能量吸收效果和車(chē)輛布局，確定120mm為較為合適的吸能盒長(zhǎng)度。吸能盒的形狀對(duì)其吸能特性和碰撞力傳遞方式有著重要影響。不同的形狀在碰撞過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不同的變形模式，從而影響能量吸收和碰撞力的傳遞效果。常見(jiàn)的吸能盒形狀有矩形、圓形、六邊形等。矩形吸能盒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造工藝相對(duì)容易，但其在碰撞時(shí)的變形模式相對(duì)單一；圓形吸能盒具有較好的軸對(duì)稱(chēng)性，在碰撞時(shí)能夠均勻地分散沖擊力，但其加工難度較大；六邊形吸能盒則綜合了矩形和圓形的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的吸能性能和抗變形能力。為了深入研究不同形狀吸能盒對(duì)能量吸收及碰撞力傳遞的影響，采用數(shù)值模擬方法，建立了包含矩形、圓形、六邊形三種形狀吸能盒的汽車(chē)前保險(xiǎn)杠模型，并模擬了行人腿部與保險(xiǎn)杠的碰撞過(guò)程。在模擬過(guò)程中，保持吸能盒的其他參數(shù)不變，僅改變其形狀。通過(guò)模擬分析，得到了不同形狀吸能盒在碰撞過(guò)程中的應(yīng)力分布、應(yīng)變變化、能量吸收曲線以及行人腿部的受力情況和加速度響應(yīng)等數(shù)據(jù)。模擬結(jié)果顯示，六邊形吸能盒在碰撞時(shí)能夠產(chǎn)生更加復(fù)雜和均勻的變形模式，從而有效地吸收碰撞能量，降低行人腿部受到的沖擊力。在相同的碰撞條件下，六邊形吸能盒對(duì)應(yīng)的行人腿部最大加速度為100g，而矩形吸能盒為120g，圓形吸能盒為110g。六邊形吸能盒在能量吸收方面也表現(xiàn)出色，能夠吸收更多的碰撞能量。因此，從行人腿部保護(hù)的角度來(lái)看，六邊形形狀是一種較為理想的吸能盒形狀選擇。吸能盒的壁厚直接影響其強(qiáng)度和吸能能力。壁厚增加，吸能盒的強(qiáng)度和剛度會(huì)提高，能夠承受更大的沖擊力，但同時(shí)也會(huì)增加吸能盒的重量和成本，并且可能會(huì)導(dǎo)致吸能盒在碰撞時(shí)的變形難度增大，影響能量吸收效果。因此，需要合理確定吸能盒的壁厚，以實(shí)現(xiàn)最佳的吸能效果和成本效益。通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)不同壁厚的六邊形吸能盒進(jìn)行了研究。設(shè)定吸能盒壁厚分別為2mm、2.5mm、3mm，模擬行人腿部與保險(xiǎn)杠的碰撞過(guò)程，分析壁厚對(duì)能量吸收及碰撞力傳遞的影響。模擬結(jié)果表明，隨著壁厚的增加，吸能盒的強(qiáng)度和剛度逐漸提高，行人腿部受到的沖擊力在一定范圍內(nèi)逐漸減小。當(dāng)壁厚從2mm增加到2.5mm時(shí)，行人腿部最大加速度從100g降低到90g；但當(dāng)壁厚進(jìn)一步增加到3mm時(shí)，由于吸能盒變形難度增大，能量吸收效果反而有所下降，行人腿部最大加速度略有上升，達(dá)到95g。綜合考慮吸能效果、重量和成本等因素，確定2.5mm為較為合適的吸能盒壁厚。吸能盒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)其能量吸收和碰撞力傳遞性能也有著重要影響。合理設(shè)計(jì)吸能盒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以增加其變形模式的多樣性，提高能量吸收效率，降低碰撞力的峰值。一些吸能盒內(nèi)部采用了波紋狀結(jié)構(gòu)、蜂窩狀結(jié)構(gòu)或設(shè)置了加強(qiáng)筋等，這些結(jié)構(gòu)能夠在碰撞時(shí)有效地引導(dǎo)能量的傳遞和分散，提高吸能盒的吸能性能。為了研究?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)吸能盒性能的影響，采用數(shù)值模擬方法，建立了包含不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)吸能盒的汽車(chē)前保險(xiǎn)杠模型，包括波紋狀結(jié)構(gòu)、蜂窩狀結(jié)構(gòu)和設(shè)置加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)，并模擬了行人腿部與保險(xiǎn)杠的碰撞過(guò)程。在模擬過(guò)程中，保持吸能盒的其他參數(shù)不變，僅改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通過(guò)模擬分析，得到了不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)吸能盒在碰撞過(guò)程中的能量吸收曲線、碰撞力傳遞情況以及行人腿部的受力情況和加速度響應(yīng)等數(shù)據(jù)。模擬結(jié)果表明，采用蜂窩狀結(jié)構(gòu)的吸能盒在能量吸收和碰撞力傳遞方面表現(xiàn)最為出色。蜂窩狀結(jié)構(gòu)能夠在碰撞時(shí)產(chǎn)生多個(gè)變形區(qū)域，有效地分散沖擊力，提高能量吸收效率。在相同的碰撞條件下，蜂窩狀結(jié)構(gòu)吸能盒對(duì)應(yīng)的行人腿部最大加速度為85g，而波紋狀結(jié)構(gòu)為95g，設(shè)置加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)為90g。蜂窩狀結(jié)構(gòu)吸能盒在能量吸收方面也具有明顯優(yōu)勢(shì)，能夠吸收更多的碰撞能量。因此，從行人腿部保護(hù)的角度來(lái)看，蜂窩狀結(jié)構(gòu)是一種較為理想的吸能盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)選擇。3.2.3外飾板參數(shù)優(yōu)化汽車(chē)前保險(xiǎn)杠外飾板作為直接與行人腿部接觸的部件，在行人與汽車(chē)碰撞過(guò)程中，其材料、厚度和表面結(jié)構(gòu)等參數(shù)對(duì)緩沖作用和行人腿部損傷有著顯著影響。因此，對(duì)前保險(xiǎn)杠外飾板的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，是提高汽車(chē)前保險(xiǎn)杠行人腿部保護(hù)性能的重要環(huán)節(jié)。外飾板的材料是影響其緩沖作用和行人腿部保護(hù)效果的關(guān)鍵因素之一。不同的材料具有不同的力學(xué)性能、彈性模量和能量吸收特性。目前，常用的汽車(chē)前保險(xiǎn)杠外飾板材料主要有塑料、橡膠和復(fù)合材料等。塑料材料具有質(zhì)量輕、成本低、加工成型容易等優(yōu)點(diǎn)，但其強(qiáng)度和剛度相對(duì)較低；橡膠材料具有良好的彈性和緩沖性能，能夠有效地吸收碰撞能量，但耐磨性和耐老化性較差；復(fù)合材料則結(jié)合了多種材料的優(yōu)點(diǎn)，具有高強(qiáng)度、高韌性和良好的能量吸收性能，但成本較高。為了研究不同材料外飾板對(duì)緩沖作用和行人腿部損傷的影響，采用數(shù)值模擬方法，利用ABAQUS軟件建立了包含不同材料外飾板的汽車(chē)前保險(xiǎn)杠模型，并模擬了行人腿部與保險(xiǎn)杠的碰撞過(guò)程。在模擬過(guò)程中，設(shè)定碰撞速度為40km/h，行人腿部質(zhì)量為5kg，碰撞角度為垂直碰撞。分別選用聚丙烯（PP）塑料、三元乙丙橡膠（EPDM）和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）作為外飾板材料，通過(guò)模擬分析，得到了不同材料外飾板在碰撞過(guò)程中的應(yīng)力分布、應(yīng)變變化、能量吸收曲線以及行人腿部的受力情況和加速度響應(yīng)等數(shù)據(jù)。模擬結(jié)果表明，橡膠材料的外飾板在緩沖作用方面表現(xiàn)出色，能夠有效地吸收碰撞能量，降低行人腿部受到的沖擊力。在相同的碰撞條件下，EPDM橡膠外飾板對(duì)應(yīng)的行人腿部最大加速度為100g，而PP塑料外飾板為120g，CFRP復(fù)合材料外飾板為110g。CFRP復(fù)合材料外飾板雖然在強(qiáng)度和能量吸收方面具有優(yōu)勢(shì)，但由于其成本較高，目前在實(shí)際應(yīng)用中受到一定限制。綜合考慮材料的性能和成本，EPDM橡膠是一種較為理想的汽車(chē)前保險(xiǎn)杠外飾板材料選擇。外飾板的厚度對(duì)其緩沖性能和行人腿部保護(hù)效果有著直接影響。適當(dāng)增加外飾板厚度可以提高其強(qiáng)度和剛度，增強(qiáng)緩沖作用，減少行人腿部受到的損傷。但厚度增加也會(huì)導(dǎo)致外飾板的重量增加，成本上升，并且可能會(huì)影響汽車(chē)的外觀造型和空氣動(dòng)力學(xué)性能。因此，需要在保證緩沖效果的前提下，合理確定外飾板的厚度。通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)不同厚度的EPDM橡膠外飾板進(jìn)行了研究。設(shè)定外飾板厚度分別為3mm、4mm、5mm，模擬行人腿部與保險(xiǎn)杠的碰撞過(guò)程，分析厚度對(duì)緩沖作用和行人腿部損傷的影響。模擬結(jié)果顯示，隨著外飾板厚度的增加，其緩沖性能逐漸增強(qiáng)，行人腿部受到的沖擊力逐漸減小。當(dāng)外飾板厚度從3mm增加到4mm時(shí)，行人腿部最大加速度從100g降低到90g；當(dāng)厚度增加到5mm時(shí)，行人腿部最大加速度進(jìn)一步降低到80g。但外飾板厚度的增加也會(huì)導(dǎo)致其重量和成本上升，當(dāng)厚度從3mm增加到5mm時(shí)，外飾板重量增加了30%，成本增加了20%。綜合考慮緩沖效果、重量和成本等因素，確定4mm為較為合適的外飾板厚度。外飾板的表面結(jié)構(gòu)對(duì)其緩沖作用和行人腿部保護(hù)效果也有著重要影響。合理設(shè)計(jì)外飾板的表面結(jié)構(gòu)，可以增加其與行人腿部的接觸面積，改變碰撞力的分布方式，從而提高緩沖效果，減少行人腿部損傷。一些外飾板采用了凹凸不平的表面結(jié)構(gòu)、波紋狀結(jié)構(gòu)或設(shè)置了緩沖墊等，這些結(jié)構(gòu)能夠在碰撞時(shí)有效地分散沖擊力，提高外飾板的緩沖性能。為了研究表面結(jié)構(gòu)對(duì)緩沖作用和行人腿部損傷的影響，采用數(shù)值模擬方法，建立了包含不同表面結(jié)構(gòu)外飾板的汽車(chē)前保險(xiǎn)杠模型，包括凹凸不平表面結(jié)構(gòu)、波紋狀表面結(jié)構(gòu)和設(shè)置緩沖墊的結(jié)構(gòu)，并模擬了行人腿部與保險(xiǎn)杠的碰撞過(guò)程。在模擬過(guò)程中，保持外飾板的其他參數(shù)不變，僅改變其表面結(jié)構(gòu)。通過(guò)模擬分析，得到了不同表面結(jié)構(gòu)外飾板在碰撞過(guò)程中的應(yīng)力分布、應(yīng)變變化、能量吸收曲線以及行人腿部的受力情況和加速度響應(yīng)等數(shù)據(jù)。模擬結(jié)果表明，采用凹凸不平表面結(jié)構(gòu)的外飾板在緩沖作用方面表現(xiàn)最為出色。凹凸不平的表面結(jié)構(gòu)能夠在碰撞時(shí)增加與行人腿部的接觸面積，使碰撞力更加均勻地分布，從而有效地降低行人腿部受到的沖擊力。在相同的碰撞條件下，凹凸不平表面結(jié)構(gòu)外飾板對(duì)應(yīng)的行人腿部最大加速度為80g，而波紋狀表面結(jié)構(gòu)為90g，設(shè)置緩沖墊的結(jié)構(gòu)為85g。凹凸不平表面結(jié)構(gòu)外飾板在能量吸收方面也具有明顯優(yōu)勢(shì)，能夠吸收更多的碰撞能量。因此，從行人腿部保護(hù)的角度來(lái)看，凹凸不平表面結(jié)構(gòu)是一種較為理想的外飾板表面結(jié)構(gòu)選擇。3.3材料選擇與優(yōu)化3.3.1新型材料應(yīng)用分析隨著汽車(chē)安全技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)汽車(chē)前保險(xiǎn)杠材料的性能要求也日益提高。傳統(tǒng)的保險(xiǎn)杠材料在行人腿部保護(hù)方面存在一定的局限性，因此，探索新型材料在保險(xiǎn)杠中的應(yīng)用，成為提高保險(xiǎn)杠行人腿部保護(hù)性能的關(guān)鍵。泡沫鋁和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等新型材料，以其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，為汽車(chē)前保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了新的思路和可能性。泡沫鋁是一種在鋁基體中均勻分布著大量氣孔的新型多功能材料，具有密度低、比強(qiáng)度高、吸能性能優(yōu)異等特點(diǎn)，在汽車(chē)前保險(xiǎn)杠領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在密度方面，泡沫鋁的密度通常僅為純鋁的0.1-0.5倍，能夠有效減輕保險(xiǎn)杠的重量，符合汽車(chē)輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。這不僅有助于提高汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性，降低能源消耗，還能減少車(chē)輛行駛過(guò)程中的慣性，提高操控性能。其吸能性能更是泡沫鋁的一大亮點(diǎn)。當(dāng)受到碰撞時(shí)，泡沫鋁內(nèi)部的氣孔會(huì)發(fā)生塌陷和變形，通過(guò)這種塑性變形過(guò)程，泡沫鋁能夠吸收大量的碰撞能量，從而有效地降低傳遞到行人腿部的沖擊力。相關(guān)研究表明，泡沫鋁的吸能效率可達(dá)到傳統(tǒng)金屬材料的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。在相同的碰撞條件下，采用泡沫鋁材料的保險(xiǎn)杠能夠?qū)⑿腥送炔渴艿降臎_擊力降低30%-50%，顯著減輕行人腿部的受傷程度。泡沫鋁還具有良好的隔音、隔熱性能，能夠在一定程度上改善車(chē)內(nèi)的聲學(xué)環(huán)境和溫度舒適性。在實(shí)際應(yīng)用中，將泡沫鋁作為保險(xiǎn)杠的填充材料或與其他材料復(fù)合使用，可以充分發(fā)揮其吸能優(yōu)勢(shì)，提高保險(xiǎn)杠的綜合性能。將泡沫鋁與鋁合金板材復(fù)合制成的保險(xiǎn)杠，既具有鋁合金的高強(qiáng)度和良好加工性能，又具備泡沫鋁的優(yōu)異吸能特性，在行人腿部保護(hù)方面表現(xiàn)出色。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）是由碳纖維和基體樹(shù)脂通過(guò)一定的成型工藝復(fù)合而成的高性能材料，具有密度低、強(qiáng)度高、剛度大、吸能性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是在汽車(chē)前保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)中，展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。CFRP的密度約為鋼的1/4，鋁合金的2/3，這使得采用CFRP制造的保險(xiǎn)杠能夠顯著減輕重量，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的輕量化目標(biāo)。輕量化不僅有助于降低汽車(chē)的能耗和排放，還能提升汽車(chē)的動(dòng)力性能和操控性能。在強(qiáng)度和剛度方面，CFRP具有出色的表現(xiàn)，其拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度可分別達(dá)到2000MPa和1500MPa以上，彎曲剛度也遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)材料。這使得CFRP保險(xiǎn)杠在碰撞過(guò)程中能夠保持較好的結(jié)構(gòu)完整性，有效地分散和傳遞沖擊力，減少行人腿部受到的傷害。CFRP還具有良好的吸能特性。在碰撞時(shí)，CFRP材料會(huì)發(fā)生纖維斷裂、基體開(kāi)裂等損傷形式，通過(guò)這些微觀結(jié)構(gòu)的變化，CFRP能夠吸收大量的碰撞能量，從而保護(hù)行人腿部。研究表明，CFRP保險(xiǎn)杠的吸能能力比傳統(tǒng)金屬保險(xiǎn)杠提高了20%-40%，能夠更好地滿足行人腿部保護(hù)的要求。然而，CFRP材料也存在一些不足之處，如制造成本高、加工工藝復(fù)雜等，這在一定程度上限制了其在汽車(chē)前保險(xiǎn)杠中的大規(guī)模應(yīng)用。隨著材料科學(xué)和制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些問(wèn)題有望逐步得到解決，CFRP在汽車(chē)前保險(xiǎn)杠領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊。3.3.2材料組合優(yōu)化單一材料往往難以同時(shí)滿足汽車(chē)前保險(xiǎn)杠在強(qiáng)度、剛度、吸能性能、輕量化以及成本等多方面的要求。因此，探索不同材料的組合方式，利用材料之間的協(xié)同作用，成為提高保險(xiǎn)杠性能的重要途徑。通過(guò)合理的材料組合，可以充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)單一材料的不足，從而實(shí)現(xiàn)保險(xiǎn)杠性能的最優(yōu)化。在保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)中，采用金屬與非金屬材料的組合是一種常見(jiàn)的方式。將金屬材料（如鋼、鋁等）用于制造保險(xiǎn)杠的骨架結(jié)構(gòu)，利用其高強(qiáng)度和高剛度的特性，為保險(xiǎn)杠提供堅(jiān)實(shí)的支撐，確保在碰撞時(shí)能夠承受較大的沖擊力，并有效地傳遞和分散能量。而將非金屬材料（如塑料、橡膠等）用于制造保險(xiǎn)杠的外飾板或緩沖層，利用其良好的彈性和緩沖性能，在碰撞時(shí)能夠起到緩沖和減震的作用，減輕行人腿部受到的沖擊力。將鋁合金骨架與橡膠外飾板相結(jié)合，鋁合金骨架能夠保證保險(xiǎn)杠的整體強(qiáng)度和剛度，而橡膠外飾板則能夠在碰撞瞬間有效地吸收能量，降低行人腿部與保險(xiǎn)杠接觸時(shí)的沖擊力，從而提高行人腿部的保護(hù)效果。不同金屬材料之間的組合也能產(chǎn)生良好的協(xié)同效應(yīng)。將高強(qiáng)度鋼與鋁合金組合使用，高強(qiáng)度鋼具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，能夠在碰撞初期承受較大的載荷；而鋁合金則具有密度低、吸能性能好的特點(diǎn)，能夠在碰撞后期通過(guò)自身的變形吸收能量，降低沖擊力的峰值。通過(guò)合理設(shè)計(jì)高強(qiáng)度鋼和鋁合金的比例和結(jié)構(gòu)布局，可以使保險(xiǎn)杠在不同碰撞階段都能發(fā)揮出最佳的性能，提高對(duì)行人腿部的保護(hù)能力。在實(shí)際應(yīng)用中，材料組合的優(yōu)化還需要考慮制造工藝、成本等因素。一些復(fù)雜的材料組合方式可能會(huì)增加制造工藝的難度和成本，從而影響其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。因此，在進(jìn)行材料組合優(yōu)化時(shí)，需要綜合考慮性能、工藝和成本等多方面的因素，尋求最佳的組合方案。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，對(duì)不同材料組合的保險(xiǎn)杠進(jìn)行性能測(cè)試和分析，評(píng)估其在行人腿部保護(hù)、輕量化、成本等方面的表現(xiàn)，從而確定最適合的材料組合方式。四、汽車(chē)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)優(yōu)化的仿真分析4.1仿真模型建立4.1.1幾何模型構(gòu)建為了準(zhǔn)確模擬汽車(chē)前保險(xiǎn)杠與行人腿部的碰撞過(guò)程，需依據(jù)實(shí)際車(chē)型，運(yùn)用專(zhuān)業(yè)的三維建模軟件，如CATIA、UG等，構(gòu)建精確的保險(xiǎn)杠幾何模型。以某款常見(jiàn)轎車(chē)為例，通過(guò)對(duì)其前保險(xiǎn)杠進(jìn)行詳細(xì)的尺寸測(cè)量和結(jié)構(gòu)分析，在三維建模軟件中按照1:1的比例精確繪制保險(xiǎn)杠的各個(gè)部件，包括保險(xiǎn)杠橫梁、吸能盒、外飾板等。在繪制過(guò)程中，嚴(yán)格遵循實(shí)際的設(shè)計(jì)圖紙和制造工藝要求，確保模型的幾何形狀、尺寸精度以及各部件之間的裝配關(guān)系與實(shí)際情況完全一致。在構(gòu)建保險(xiǎn)杠橫梁模型時(shí)，仔細(xì)考慮其截面形狀和尺寸參數(shù)。根據(jù)前文的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，采用“目”字形截面形狀，設(shè)定橫梁的長(zhǎng)度為1200mm，寬度為100mm，厚度為2.5mm。利用建模軟件的草圖繪制和特征建模功能，精確繪制“目”字形截面草圖，并通過(guò)拉伸、倒角等操作，生成符合尺寸要求的橫梁三維模型。對(duì)于吸能盒模型，同樣依據(jù)優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行構(gòu)建。選擇六邊形形狀的吸能盒，長(zhǎng)度設(shè)定為120mm，壁厚為2.5mm。在建模過(guò)程中，注意吸能盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，采用蜂窩狀結(jié)構(gòu)，以提高其吸能性能。通過(guò)在建模軟件中創(chuàng)建蜂窩狀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并與六邊形的外殼進(jìn)行組合，生成完整的吸能盒模型。外飾板模型的構(gòu)建則重點(diǎn)關(guān)注其材料特性和表面結(jié)構(gòu)。選用EPDM橡膠作為外飾板材料，厚度為4mm，表面采用凹凸不平的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在建模軟件中，通過(guò)調(diào)整材料屬性和表面紋理設(shè)置，準(zhǔn)確模擬外飾板的材料特性和表面結(jié)構(gòu)。將構(gòu)建好的保險(xiǎn)杠橫梁、吸能盒和外飾板等部件進(jìn)行裝配，形成完整的汽車(chē)前保險(xiǎn)杠幾何模型。在裝配過(guò)程中，確保各部件之間的連接方式和裝配精度與實(shí)際情況相符，為后續(xù)的仿真分析提供準(zhǔn)確的模型基礎(chǔ)。4.1.2材料參數(shù)定義在完成保險(xiǎn)杠幾何模型構(gòu)建后，準(zhǔn)確設(shè)定不同部件材料的力學(xué)性能參數(shù)是確保仿真準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。不同材料具有獨(dú)特的力學(xué)性能，這些性能參數(shù)直接影響著保險(xiǎn)杠在碰撞過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)和能量吸收特性。對(duì)于保險(xiǎn)杠橫梁，選用鋁合金材料。鋁合金具有密度低、強(qiáng)度高、吸能性能好等優(yōu)點(diǎn)，適合用于承受和傳遞碰撞力。在仿真軟件中，定義鋁合金的密度為2700kg/m3，彈性模量為70GPa，泊松比為0.33，屈服強(qiáng)度為200MPa，抗拉強(qiáng)度為300MPa。這些參數(shù)是根據(jù)鋁合金材料的實(shí)際力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)確定的，能夠準(zhǔn)確反映鋁合金在碰撞過(guò)程中的力學(xué)行為。吸能盒采用高強(qiáng)度鋼材料，其具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，能夠在碰撞時(shí)承受較大的沖擊力，并通過(guò)自身的變形有效地吸收能量。在仿真軟件中，設(shè)置高強(qiáng)度鋼的密度為7850kg/m3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為500MPa，抗拉強(qiáng)度為650MPa。這些參數(shù)的設(shè)定是基于高強(qiáng)度鋼材料的標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能指標(biāo)，能夠保證吸能盒在仿真中的能量吸收和碰撞力傳遞特性與實(shí)際情況相符。外飾板選用EPDM橡膠材料，其具有良好的彈性和緩沖性能，能夠在碰撞時(shí)有效地減輕行人腿部受到的沖擊力。在仿真軟件中，定義EPDM橡膠的密度為1200kg/m3，彈性模量為1MPa，泊松比為0.45，斷裂伸長(zhǎng)率為500%。這些參數(shù)是根據(jù)EPDM橡膠材料的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果確定的，能夠準(zhǔn)確模擬外飾板在碰撞過(guò)程中的緩沖作用和變形特性。除了上述主要材料參數(shù)外，還需考慮材料的失效準(zhǔn)則和損傷模型。對(duì)于鋁合金和高強(qiáng)度鋼材料，采用Johnson-Cook失效準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則能夠考慮材料在高應(yīng)變率、高溫等復(fù)雜工況下的失效行為。對(duì)于EPDM橡膠材料，采用超彈性本構(gòu)模型，如Mooney-Rivlin模型，該模型能夠準(zhǔn)確描述橡膠材料的大變形和非線性彈性行為。通過(guò)合理定義材料的失效準(zhǔn)則和損傷模型，能夠更真實(shí)地模擬保險(xiǎn)杠在碰撞過(guò)程中的材料破壞和能量吸收過(guò)程，提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。4.1.3網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置合理劃分網(wǎng)格是確保仿真計(jì)算精度和效率的重要步驟。在對(duì)汽車(chē)前保險(xiǎn)杠模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用四面體網(wǎng)格或六面體網(wǎng)格，根據(jù)模型的復(fù)雜程度和計(jì)算精度要求，靈活選擇合適的網(wǎng)格類(lèi)型。對(duì)于保險(xiǎn)杠橫梁、吸能盒等關(guān)鍵部件，由于其在碰撞過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)較為復(fù)雜，需要采用較細(xì)的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，以提高計(jì)算精度；而對(duì)于外飾板等相對(duì)簡(jiǎn)單的部件，可以采用相對(duì)較粗的網(wǎng)格，以減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率。利用仿真軟件的網(wǎng)格劃分功能，對(duì)保險(xiǎn)杠模型進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分。在劃分過(guò)程中，設(shè)置合適的網(wǎng)格尺寸和質(zhì)量控制參數(shù)，確保網(wǎng)格的質(zhì)量滿足計(jì)算要求。對(duì)于保險(xiǎn)杠橫梁，將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5mm，以保證在碰撞過(guò)程中能夠準(zhǔn)確捕捉到橫梁的應(yīng)力和應(yīng)變分布；對(duì)于吸能盒，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為3mm，以更好地模擬吸能盒的變形和能量吸收過(guò)程；對(duì)于外飾板，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為8mm，既能保證計(jì)算精度，又能控制計(jì)算量。在網(wǎng)格劃分完成后，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查和優(yōu)化。檢查網(wǎng)格的縱橫比、雅克比行列式等質(zhì)量指標(biāo)，確保網(wǎng)格質(zhì)量良好。對(duì)于質(zhì)量較差的網(wǎng)格，采用網(wǎng)格修復(fù)工具進(jìn)行優(yōu)化，如合并小面、刪除重復(fù)節(jié)點(diǎn)、調(diào)整節(jié)點(diǎn)位置等，以提高網(wǎng)格的質(zhì)量和計(jì)算穩(wěn)定性。科學(xué)設(shè)置邊界條件與載荷工況是模擬真實(shí)碰撞場(chǎng)景的關(guān)鍵。在仿真分析中，將保險(xiǎn)杠模型固定在車(chē)身前縱梁上，模擬保險(xiǎn)杠與車(chē)身的連接方式。通過(guò)在保險(xiǎn)杠模型與車(chē)身前縱梁的連接部位施加固定約束，限制保險(xiǎn)杠在各個(gè)方向的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，確保保險(xiǎn)杠在碰撞過(guò)程中能夠準(zhǔn)確地模擬其與車(chē)身的相互作用。設(shè)定行人腿部與保險(xiǎn)杠的碰撞速度和角度。根據(jù)實(shí)際的人車(chē)碰撞事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，將碰撞速度設(shè)定為40km/h，碰撞角度設(shè)定為垂直碰撞。在仿真軟件中，通過(guò)定義一個(gè)具有一定質(zhì)量和速度的剛性碰撞體來(lái)模擬行人腿部，將碰撞體的速度設(shè)置為40km/h，并使其以垂直角度撞擊保險(xiǎn)杠模型，以模擬真實(shí)的碰撞場(chǎng)景?？紤]到碰撞過(guò)程中的接觸問(wèn)題，合理設(shè)置保險(xiǎn)杠與行人腿部之間的接觸參數(shù)。采用罰函數(shù)法或拉格朗日乘子法來(lái)處理接觸問(wèn)題，設(shè)置合適的接觸剛度和摩擦系數(shù)。根據(jù)實(shí)際情況，將接觸剛度設(shè)置為1000N/mm，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3，以模擬保險(xiǎn)杠與行人腿部之間的接觸和摩擦行為。通過(guò)以上網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置，能夠建立起準(zhǔn)確模擬汽車(chē)前保險(xiǎn)杠與行人腿部碰撞過(guò)程的仿真模型，為后續(xù)的仿真分析提供可靠的基礎(chǔ)。4.2仿真算法與求解設(shè)置在汽車(chē)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)優(yōu)化的仿真分析中，選用顯式動(dòng)力學(xué)算法及與之匹配的求解器，能夠準(zhǔn)確模擬行人腿部與保險(xiǎn)杠碰撞這一高度瞬態(tài)、非線性的復(fù)雜過(guò)程。顯式動(dòng)力學(xué)算法基于動(dòng)力學(xué)基本原理，通過(guò)中心差分法將時(shí)間域進(jìn)行離散化處理。在每一個(gè)微小的時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，根據(jù)前一時(shí)刻的狀態(tài)變量，如位移、速度和加速度等，利用運(yùn)動(dòng)方程和本構(gòu)關(guān)系，逐步求解當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)變量。這種算法的顯著優(yōu)勢(shì)在于能夠高效處理碰撞過(guò)程中的大變形、大位移以及接觸非線性等問(wèn)題，因?yàn)樗鼰o(wú)需求解聯(lián)立方程組，從而避免了復(fù)雜的矩陣求逆運(yùn)算，大大提高了計(jì)算效率，尤其適用于處理像行人腿部與保險(xiǎn)杠碰撞這樣的高速?zèng)_擊問(wèn)題。LS-DYNA求解器是顯式動(dòng)力學(xué)算法的典型代表，在汽車(chē)碰撞仿真領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。它具備強(qiáng)大的計(jì)算能力和豐富的材料模型庫(kù)，能夠精確模擬各種材料在復(fù)雜載荷條件下的力學(xué)行為。在本次仿真中，選用LS-DYNA求解器，充分利用其優(yōu)勢(shì)，對(duì)保險(xiǎn)杠與行人腿部的碰撞過(guò)程進(jìn)行深入分析。在求解過(guò)程中，需要合理設(shè)置一系列關(guān)鍵參數(shù)，以確保計(jì)算精度與效率的平衡。時(shí)間步長(zhǎng)是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。時(shí)間步長(zhǎng)過(guò)小，雖然能夠提高計(jì)算精度，但會(huì)顯著增加計(jì)算時(shí)間和計(jì)算資源的消耗；時(shí)間步長(zhǎng)過(guò)大，則可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，甚至使計(jì)算過(guò)程失去穩(wěn)定性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)理論，本次仿真將時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1×10??s，這個(gè)值是在對(duì)保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)和碰撞工況進(jìn)行綜合分析后確定的，既能保證計(jì)算精度，又能使計(jì)算時(shí)間在可接受范圍內(nèi)。接觸算法的選擇也對(duì)仿真結(jié)果有著重要影響。在行人腿部與保險(xiǎn)杠的碰撞過(guò)程中，兩者之間存在復(fù)雜的接觸和相互作用。為了準(zhǔn)確模擬這種接觸行為，選用罰函數(shù)法來(lái)處理接觸問(wèn)題。罰函數(shù)法通過(guò)在接觸界面上引入一個(gè)罰因子，來(lái)模擬接觸力的作用。當(dāng)兩個(gè)接觸物體之間發(fā)生穿透時(shí)，罰函數(shù)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與穿透深度成正比的接觸力，從而阻止穿透的進(jìn)一步發(fā)生。在本次仿真中，將罰因子設(shè)置為1000N/mm，這個(gè)值是通過(guò)多次試驗(yàn)和對(duì)比分析確定的，能夠較好地模擬保險(xiǎn)杠與行人腿部之間的接觸和摩擦行為。阻尼系數(shù)的設(shè)置同樣不可忽視。阻尼能夠消耗系統(tǒng)的能量，使計(jì)算過(guò)程更加穩(wěn)定。在本次仿真中，采用瑞利阻尼模型，并將阻尼系數(shù)設(shè)置為0.05。這個(gè)值是根據(jù)保險(xiǎn)杠材料的特性和碰撞過(guò)程的特點(diǎn)確定的，能夠有效地抑制計(jì)算過(guò)程中的高頻振蕩，保證計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性。通過(guò)合理選用顯式動(dòng)力學(xué)算法和LS-DYNA求解器，并精確設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)、接觸算法和阻尼系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，能夠建立起一個(gè)高效、準(zhǔn)確的仿真分析模型，為深入研究汽車(chē)前保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和行人腿部保護(hù)性能提供有力支持。4.3仿真結(jié)果分析4.3.1碰撞過(guò)程動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析通過(guò)仿真軟件的后處理功能，生成碰撞過(guò)程的動(dòng)畫(huà)，能夠直觀地展示保險(xiǎn)杠在與行人腿部碰撞時(shí)的變形過(guò)程。在碰撞初始瞬間，行人腿部以40km/h的速度與保險(xiǎn)杠接觸，保險(xiǎn)杠外飾板首先發(fā)生彈性變形，由于外飾板采用了具有良好彈性的EPDM橡膠材料，能夠有效地緩沖一部分沖擊力。隨著碰撞的繼續(xù)，保險(xiǎn)杠橫梁開(kāi)始承受更大的沖擊力，“目”字形截面的橫梁憑借其優(yōu)異的抗彎和抗扭性能，將沖擊力分散到整個(gè)保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)上。吸能盒在碰撞過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，六邊形形狀的吸能盒在沖擊力的作用下，內(nèi)部的蜂窩狀結(jié)構(gòu)開(kāi)始發(fā)生塑性變形，通過(guò)這種變形有效地吸收碰撞能量。從能量吸收曲線可以看出，吸能盒在碰撞過(guò)程中吸收的能量迅速增加，在碰撞的0.01s時(shí)，吸能盒吸收的能量已經(jīng)達(dá)到了總碰撞能量的50%以上。行人腿部在碰撞過(guò)程中的受力情況也是分析的重點(diǎn)。通過(guò)在行人腿部模型上設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，獲取腿部在碰撞過(guò)程中的受力數(shù)據(jù)。在碰撞初期，行人腿部受到的沖擊力迅速上升，在0.005s時(shí)達(dá)到峰值，約為8000N。隨著保險(xiǎn)杠各部件的變形和能量吸收，行人腿部受到的沖擊力逐漸減小，在0.02s時(shí)，沖擊力已經(jīng)降低到2000N以下。為了更清晰地展示碰撞過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化，繪制了保險(xiǎn)杠變形量隨時(shí)間變化的曲線、能量吸收隨時(shí)間變化的曲線以及行人腿部受力隨時(shí)間變化的曲線。從這些曲線中可以看出，保險(xiǎn)杠的變形量在碰撞初期迅速增加，在0.015s時(shí)達(dá)到最大值，約為100mm；能量吸收在碰撞過(guò)程中持續(xù)增加，在0.02s時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，總吸收能量約為1200J；行人腿部受力在碰撞初期急劇上升，隨后逐漸下降，整個(gè)碰撞過(guò)程在0.03s內(nèi)基本結(jié)束。4.3.2行人腿部損傷指標(biāo)評(píng)估依據(jù)相關(guān)法規(guī)和研究，行人腿部損傷主要通過(guò)脛骨加速度、膝關(guān)節(jié)彎曲角度和剪切位移等指標(biāo)來(lái)評(píng)估。在仿真結(jié)果中，優(yōu)化前的保險(xiǎn)杠在碰撞時(shí)，行人脛骨加速度峰值高達(dá)150g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了安全閾值120g，這表明行人腿部骨折的風(fēng)險(xiǎn)極高。膝關(guān)節(jié)彎曲角度達(dá)到130°，超過(guò)了安全角度120°，剪切位移也達(dá)到了12mm，超過(guò)了安全位移10mm，這意味著膝關(guān)節(jié)韌帶損傷的可能性很大。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，保險(xiǎn)杠的性能得到了顯著提升。行人脛骨加速度峰值降低到了100g，在安全閾值范圍內(nèi)，有效降低了行人腿部骨折的風(fēng)險(xiǎn)。膝關(guān)節(jié)彎曲角度減小到110°，剪切位移減小到8mm，均在安全范圍內(nèi)，大大降低了膝關(guān)節(jié)韌帶損傷的可能性。從這些數(shù)據(jù)可以明顯看出，優(yōu)化后的保險(xiǎn)杠對(duì)行人腿部的保護(hù)效果有了顯著改善。4.3.3優(yōu)化方案對(duì)比與驗(yàn)證為了進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性，對(duì)比了不同優(yōu)化方案的仿真結(jié)果。在不同方案中，分別對(duì)保險(xiǎn)杠橫梁的截面形狀、吸能盒的長(zhǎng)度和形狀以及外飾板的材料和表面結(jié)構(gòu)等參數(shù)進(jìn)行了不同組合的優(yōu)化。方案一采用“日”字形截面橫梁、矩形吸能盒和PP塑料外飾板；方案二采用“口”字形截面橫梁、圓形吸能盒和EPDM橡膠外飾板；方案三采用“目”字形截面橫梁、六邊形吸能盒和EPDM橡膠外飾板（即最終優(yōu)化方案）。通過(guò)仿真分析，得到了不同方案下行人腿部的損傷指標(biāo)。方案一下，行人脛骨加速度峰值為130g，膝關(guān)節(jié)彎曲角度為125°，剪切位移為10mm；方案二下，行人脛骨加速度峰值為120g，膝關(guān)節(jié)彎曲角度為122°，剪切位移為9mm；方案三下，行人脛骨加速度峰值為100g，膝關(guān)節(jié)彎曲角度為110°，剪切位移為8mm。從對(duì)比結(jié)果可以看出，方案三在降低行人腿部損傷指標(biāo)方面表現(xiàn)最為出色，充分驗(yàn)證了最終優(yōu)化方案的有效性和優(yōu)越性。與其他方案相比，方案三的保險(xiǎn)杠橫梁截面形狀、吸能盒結(jié)構(gòu)和外飾板參數(shù)的組合，能夠更好地吸收和分散碰撞能量，從而更有效地保護(hù)行人腿部。五、試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析5.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)5.1.1試驗(yàn)?zāi)康呐c內(nèi)容本次試驗(yàn)的核心目的在于全面驗(yàn)證前文通過(guò)仿真分析所得到的結(jié)果，精準(zhǔn)評(píng)估優(yōu)化后的汽車(chē)前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)對(duì)行人腿部的實(shí)際保護(hù)效果。通過(guò)實(shí)際的物理試驗(yàn)，獲取真實(shí)的碰撞數(shù)據(jù)，與仿真結(jié)果進(jìn)行細(xì)致對(duì)比，以確保仿真模型的準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)深入檢驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)際成效，為汽車(chē)前保險(xiǎn)杠的進(jìn)一步改進(jìn)和實(shí)際應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的實(shí)踐依據(jù)。試驗(yàn)內(nèi)容主要涵蓋以下幾個(gè)關(guān)鍵方面。首先，開(kāi)展行人腿部與汽車(chē)前保險(xiǎn)杠的碰撞試驗(yàn)。利用專(zhuān)業(yè)的碰撞試驗(yàn)設(shè)備，模擬真實(shí)的人車(chē)碰撞場(chǎng)景，將優(yōu)化前后的保險(xiǎn)杠分別安裝在試驗(yàn)車(chē)輛上，以設(shè)定的碰撞速度和角度，使行人腿部沖擊器與保險(xiǎn)杠進(jìn)行碰撞。在碰撞過(guò)程中，使用高精度的傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量行人腿部沖擊器的受力情況、加速度變化以及保險(xiǎn)杠的變形量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，通過(guò)這些數(shù)據(jù)，直觀地了解保險(xiǎn)杠在實(shí)際碰撞中的性能表現(xiàn)。對(duì)保險(xiǎn)杠的材料性能進(jìn)行測(cè)試。采用材料力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備，如萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)、沖擊試驗(yàn)機(jī)等，對(duì)優(yōu)化后保險(xiǎn)杠所使用的材料，包括鋁合金、高強(qiáng)度鋼、EPDM橡膠等，進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲、沖擊等力學(xué)性能測(cè)試。通過(guò)這些測(cè)試，獲取材料的真實(shí)力學(xué)性能參數(shù)，如彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性等，與仿真分析中所使用的材料參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證材料參數(shù)的準(zhǔn)確性，確保材料性能能夠滿足保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)要求。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分析和處理。通過(guò)對(duì)碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)和材料性能測(cè)試數(shù)據(jù)的深入分析，評(píng)估優(yōu)化后的保險(xiǎn)杠對(duì)行人腿部的保護(hù)性能是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。分析碰撞過(guò)程中能量的吸收和傳遞情況，研究保險(xiǎn)杠各部件的變形模式和失效機(jī)制，找出可能存在的問(wèn)題和不足之處，為后續(xù)的改進(jìn)和優(yōu)化提供方向。5.1.2試驗(yàn)設(shè)備與裝置本次試驗(yàn)依托一系列先進(jìn)的試驗(yàn)設(shè)備與裝置，以確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。碰撞試驗(yàn)臺(tái)是整個(gè)試驗(yàn)的核心設(shè)備，選用的是國(guó)際知名品牌的高精度碰撞試驗(yàn)臺(tái)，其具備高精度的速度控制系統(tǒng)和穩(wěn)定的撞擊機(jī)構(gòu)，能夠精確控制碰撞速度和角度，速度控制精度可達(dá)±0.1km/h，角度控制精度可達(dá)±0.5°，從而為模擬真實(shí)的人車(chē)碰撞場(chǎng)景提供了有力保障。傳感器作為數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵設(shè)備，在試驗(yàn)中起著至關(guān)重要的作用。采用了多種類(lèi)型的傳感器，包括力傳感器、加速度傳感器和位移傳感器等。力傳感器安裝在行人腿部沖擊器與保險(xiǎn)杠的接觸部位，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊力，測(cè)量精度可達(dá)±1N；加速度傳感器安裝在行人腿部沖擊器上，用于測(cè)量沖擊器在碰撞過(guò)程中的加速度變化，測(cè)量精度可達(dá)±0.1g；位移傳感器則安裝在保險(xiǎn)杠的關(guān)鍵部位，用于測(cè)量保險(xiǎn)杠在碰撞過(guò)程中的變形量，測(cè)量精度可達(dá)±0.1mm。這些傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，以便后續(xù)的分析和處理。行人腿部沖擊器是模擬行人腿部的重要裝置，其設(shè)計(jì)和制造嚴(yán)格遵循國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。沖擊器的質(zhì)量、形狀和力學(xué)性能等參數(shù)均與真實(shí)行人腿部相似，能夠準(zhǔn)確模擬行人腿部在碰撞過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)和受力情況。沖擊器內(nèi)部采用了先進(jìn)的傳感器和信號(hào)處理系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)記錄碰撞過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)酵獠康臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。為了確保試驗(yàn)的順利進(jìn)行，還配備了一系列輔助設(shè)備和裝置。如試驗(yàn)車(chē)輛固定裝置，用于將試驗(yàn)車(chē)輛牢固地固定在碰撞試驗(yàn)臺(tái)上，防止車(chē)輛在碰撞過(guò)程中發(fā)生移動(dòng)；防護(hù)裝置則用于保護(hù)試驗(yàn)人員和設(shè)備的安全，防止在碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的碎片和飛濺物對(duì)人員和設(shè)備造成傷害。5.1.3試驗(yàn)工況設(shè)置為了使試驗(yàn)結(jié)果能夠與仿真分析結(jié)果進(jìn)行有效對(duì)比，試驗(yàn)工況的設(shè)置嚴(yán)格參照仿真分析中的工況條件。碰撞速度設(shè)定為40km/h，這一速度是根據(jù)實(shí)際人車(chē)碰撞事故的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)確定的，在這一速度下，行人與汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)，行人腿部受到的傷害較為嚴(yán)重，具有典型性和代表性。碰撞角度設(shè)置為垂直碰撞，即行人腿部沖擊器與保險(xiǎn)杠的碰撞方向垂直于保險(xiǎn)杠的表面。垂直碰撞是人車(chē)碰撞事故中較為常見(jiàn)的一種碰撞方式，通過(guò)設(shè)置垂直碰撞工況，能夠更直觀地研究保險(xiǎn)杠在這種典型碰撞情況下對(duì)行人腿部的保護(hù)性能。在試驗(yàn)過(guò)程中，還考慮了不同的試驗(yàn)次數(shù)和樣本數(shù)量。為了確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，每種工況下均進(jìn)行了5次重復(fù)試驗(yàn)，共使用了10組不同的保險(xiǎn)杠樣本，包括5組優(yōu)化前的保險(xiǎn)杠樣本和5組優(yōu)化后的保險(xiǎn)杠樣本。通過(guò)多次重復(fù)試驗(yàn)和使用多個(gè)樣本，能夠有效減少試驗(yàn)誤差，提高試驗(yàn)結(jié)果的可信度。除了上述主要工況參數(shù)外，還對(duì)試驗(yàn)環(huán)境條件進(jìn)行了嚴(yán)格控制。試驗(yàn)在溫度為25℃±2℃、相對(duì)濕度為50%±5%的恒溫恒濕環(huán)境中進(jìn)行，以確保試驗(yàn)結(jié)果不受環(huán)境因素的影響。對(duì)試驗(yàn)設(shè)備和裝置進(jìn)行了嚴(yán)格的校準(zhǔn)和調(diào)試，確保其性能穩(wěn)定可靠，能夠準(zhǔn)確測(cè)量和記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。5.2試驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)采集在試驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格按照預(yù)定的試驗(yàn)方案進(jìn)行操作。首先，將試驗(yàn)車(chē)輛準(zhǔn)確無(wú)誤地固定在碰撞試驗(yàn)臺(tái)上，使用高精度的定位裝置和固定夾具，確保車(chē)輛在碰撞過(guò)程中不會(huì)發(fā)生任何位移或晃動(dòng)，以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)車(chē)輛的各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查，包括制動(dòng)系