基于行人头部保护的发动机罩仿真研究

论文摘要

汽车的设计既要考虑对车内人员的保护,也要考虑对车外人员的保护。在交通事故中,车外人员如行人、骑车人等更易受到伤害。行人与轿车发生碰撞的过程中,最易受伤的部位是头部和大腿,其中头部伤害是最为致命的。成人的头部在交通事故中主要和发动机罩发生接触。因此开展汽车发动机罩在交通事故中对行人头部的保护具有重要的现实意义。本文从两方面研究如何改善发动机罩对于行人头部的伤害。一方面是发动机罩的参数方面,另一方面是发动机罩的结构方面。在发动机罩参数方面,发动机罩外板的造型对头部伤害的影响较大,但是发动机罩外板的曲面形状如曲率在设计时需要与整车造型保持一致,不易控制,而发动机罩的厚度是比较容易控制的。在车辆的概念设计阶段,造型确定以后,就可以着手优化发动机罩各板料的厚度。本文探讨了如何优化发动机罩各板料的厚度来提高对行人头部的保护。发动机罩板的厚度设计是一个涉及多目标的问题,在改善对行人头部的保护的同时,得满足轻量化,使整车质量更轻;还应使发动机罩板的一阶模态满足要求并尽量提高,以减少振动噪声。本文就是在提高行人头部保护的目标下,同时希望能使轻量化和模态这两个指标得到提高。本文首先建立了满足法规要求的头部冲击器有限元模型。不同国家的行人保护法规存在差异性,对头部冲击器的要求也不相同。头部冲击器的材料类型和参数的选取带有一定的盲目性。文中总结出了一种普遍适用的材料参数确定方法。在优化发动机罩板,包括外板、内板、加强板、铰链四者厚度的过程中,由于厚度为连续变量,且一次头部与整车前部模型模拟仿真碰撞的过程在一个4cup的计算机上约7小时,时间很长。如果用有限元模型进行迭代优化,仅100次迭代就需一个多月,在工程操作过程中是不切实际的。本文采用了近似模型的方法,分别得到了头部伤害值、模态和质量关于这四个变量的近似模型。然后用近似模型替代有限元模型进行迭代求解。对于这个多目标问题,本文选取了NSGA-Ⅱ遗传优化算法。在发动机罩的结构方面,针对头部与发动机罩上安装铰链的部位碰撞时,头部伤害较大的问题,本文提出一种改进结构。将改进后的结构与原结构进行了仿真对比,验证了改进后的结构对于减轻头部伤害的有效性。这种铰链结构改进形式简单,具有一定的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 行人保护的研究内容和意义
• 1.2 国内外行人安全保护研究现状
• 1.3 行人保护法规
• 1.3.1 欧洲行人保护法规
• 1.3.2 中国行人保护法规
• 1.4 行人保护试验方法
• 1.5 本文的研究内容
• 第二章 成人头部冲击器
• 2.1 头部损伤机理
• 2.2 头部损伤评价标准 HIC（Head Injury Criteria）
• 2.3 成人头部冲击器
• 2.3.1 几何模型
• 2.3.2 有限元模型
• 2.3.3 选择材料模型并赋材料参数
• 2.3.4 头型冲击器标定程序
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于多目标的发动机罩厚度优化
• 3.1 头部与发动机罩碰撞仿真
• 3.2 近似方法理论
• 3.2.1 试验设计
• 3.2.2 近似方法
• 3.3 头部冲击发动机罩的近似模型
• 3.3.1 拉丁超立方试验设计
• 3.3.2 头部冲击发动机罩的多项式响应面近似模型
• 3.3.3 头部冲击发动机罩的径向基函数近似模型（RBF）
• 3.3.4 多目标遗传优化算法
• 3.3.5 发动机罩板的多目标优化
• 3.4 本章小结
• 第四章 发动机罩铰链结构改进
• 4.1 铰链结构改进
• 4.2 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 作者简介
• 致谢