石紀(jì)軍，沈永旭， 劉南南

(賽史品威奧(唐山)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料有限公司，河北唐山 064099)

0 引言

隨著我國(guó)汽車保有量的迅速增加，道路交通事故和事故中傷亡人數(shù)也在迅猛增加。我國(guó)《汽車對(duì)行人的碰撞保護(hù)》于2010年9月開始實(shí)施。事故中行人頭部是關(guān)鍵受傷害部位，頭部在受猛烈撞擊后往往會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的顱腦損傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及生命。因此開展發(fā)動(dòng)機(jī)罩的行人頭部保護(hù)研究就顯得尤為重要[1]。

目前發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板材質(zhì)多為成型性能較好的鋼板，亦有部分車型采用鋁質(zhì)機(jī)罩。隨著汽車輕量化需求的不斷加深，近幾年已有汽車廠家、高?？蒲袌F(tuán)隊(duì)將目光聚焦于低密度、高強(qiáng)度、力學(xué)性能優(yōu)異的復(fù)合材料。但相較于日趨完善、系統(tǒng)的鈑金發(fā)動(dòng)機(jī)罩研究，復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩研究工作仍處于初期階段，尤其是行人保護(hù)的研究，相關(guān)資料甚少。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文作者將采用有限元法，以國(guó)內(nèi)某款車型的鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩為例，通過(guò)調(diào)整內(nèi)外板厚度為其重新建立復(fù)合材料方案，并與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的行人頭碰仿真分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩在保證輕量化需求的同時(shí)亦能夠滿足行人頭部保護(hù)的需要。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩頭碰有限元模型創(chuàng)建

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板材料及厚度選擇

鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板厚度為1.0 mm，內(nèi)板厚度為0.9 mm，機(jī)罩總質(zhì)量約為14.41 kg；而文中分析所采用的復(fù)合材料方案，機(jī)罩外板厚度為1.1 mm，材質(zhì)選用預(yù)浸漬長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料PCM，內(nèi)板厚度為1.5 mm，材質(zhì)選用SMC復(fù)合材料，機(jī)罩總質(zhì)量約為10.17 kg，相比鋁材結(jié)構(gòu)減重4.24 kg。

表1所示為鋁材和復(fù)合材料參數(shù)對(duì)比。

表1 鋁材和復(fù)合材料參數(shù)對(duì)比

1.2 建立發(fā)動(dòng)機(jī)罩有限元模型

有限元建模使用的前處理工具為HyperMesh，求解器為RADIOSS，后處理工具為HyperView。采用HyperMesh軟件將發(fā)動(dòng)機(jī)罩劃分成殼單元網(wǎng)格，網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸8 mm，有限元模型如圖1所示[2]。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩有限元模型

在處理發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板及附件裝配關(guān)系時(shí)需注意區(qū)別處理：

(1)鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩:內(nèi)外板通過(guò)壓邊的方式連接。支架和內(nèi)板之間通過(guò)鉚接、螺栓等形式連接，可利用剛性單元來(lái)模擬；

(2)復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩:內(nèi)外板、支架和內(nèi)板之間均通過(guò)黏接方式連接，可利用SPRING2N單元來(lái)模擬；

(3)隔熱墊、密封條等附件，對(duì)行人頭碰結(jié)果影響很小，建模時(shí)不考慮；

(4)文中分析只作對(duì)比使用，不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)罩與機(jī)艙、A柱等周邊件的空間布置安全距離，即除發(fā)動(dòng)機(jī)罩、鉸鏈、機(jī)罩鎖鉤外，仿真模型不含其他周邊件。

1.3 成人頭部有限元模型

根據(jù)EEVC/WG17所規(guī)定的要求建立一個(gè)頭部有限元模型，所建頭部模型如圖2所示。

圖2 頭部有限元模型

頭部模型主要分為頭皮和頭骨兩層球體模型，通常成人頭部模型質(zhì)量4.5 kg，兒童頭部模型質(zhì)量3.5 kg[3]。文中分析結(jié)果僅為對(duì)比使用，故只采用成人頭部模型，賦予其碰撞初始速度9.7 m/s，沿與水平線呈65°的方向撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)罩，如圖3所示，圖中θ=65°。

圖3 頭部模型與車體撞擊示意

1.4 建立發(fā)動(dòng)機(jī)罩頭碰仿真模型

將發(fā)動(dòng)機(jī)罩和頭部模型的有限元模型導(dǎo)入HyperMesh進(jìn)行碰撞仿真分析，如圖4所示。

圖4 頭部碰撞有限元模型

此時(shí)需注意如下幾點(diǎn)：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈安裝點(diǎn)需全約束，放開鉸鏈轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；前部鎖鉤放開X向轉(zhuǎn)動(dòng)，其余自由度全部約束；

(2)頭部模型外表面單元與機(jī)罩外板之間、機(jī)罩自身均采用自接觸，即接觸類型選擇TYPE7；

(3)模型網(wǎng)格單元不允許存在穿透及干涉情況。

考慮到分析結(jié)果僅作為對(duì)比使用，將在發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板上主觀選取5個(gè)頭部撞擊點(diǎn)，如圖5所示，觀察各撞擊點(diǎn)的加速度-時(shí)間歷程曲線，并將頭部損傷指標(biāo)HIC作為評(píng)價(jià)頭部損傷程度的依據(jù)。

圖5 頭部碰撞點(diǎn)分布圖

1.5 行人保護(hù)頭部傷害評(píng)定

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩的行人頭部保護(hù)評(píng)價(jià)，行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的方式是采用頭部損傷指標(biāo)值(Head Injury Criterion，HIC)來(lái)評(píng)價(jià)行人頭部損傷程度。常見以HIC=1 000作為評(píng)價(jià)頭部損傷的指標(biāo)限值，若HIC值低于1 000，則視為行人頭部損傷程度可接受，若高于1 000，則視具體情況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩及周邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

HIC值的計(jì)算公式為：

(1)

式中:t2-t1為HIC值達(dá)到最大值的時(shí)間間隔，要求不超過(guò)15 ms，即時(shí)間間隔大于15 ms的加速度值將被忽略；a(t)為行人頭部質(zhì)心的合成加速度，常用重力加速度的倍數(shù)表示[4]。

2 復(fù)合材料與鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩的行人頭部保護(hù)效果比較

利用RADIOSS求解器對(duì)頭部碰撞模型進(jìn)行計(jì)算，得到兩種材質(zhì)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩在各撞擊點(diǎn)的加速度-時(shí)間曲線的對(duì)比結(jié)果。

(1)頭碰撞擊點(diǎn)P1

如圖6所示，頭部模型撞擊到發(fā)動(dòng)機(jī)罩中后部位置，鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩在頭碰撞擊點(diǎn)P1的加速度峰值為104.5 g，而復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩在撞擊點(diǎn)P1的加速度峰值為63.9 g，明顯低于鋁質(zhì)機(jī)罩水平。

圖6 撞擊點(diǎn)P1加速度-時(shí)間曲線

(2)頭碰撞擊點(diǎn)P2

如圖7所示，頭部模型撞擊到發(fā)動(dòng)機(jī)罩左后部位置，鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩在頭碰撞擊點(diǎn)P2的加速度峰值為110 g，而復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩在撞擊點(diǎn)P2的加速度峰值為71.4 g。

圖7 撞擊點(diǎn)P2加速度-時(shí)間曲線

(3)頭碰撞擊點(diǎn)P3

如圖8所示，頭部模型撞擊到發(fā)動(dòng)機(jī)罩中后部偏左位置，鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩在頭碰撞擊點(diǎn)P3的加速度峰值為81.8 g，而復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩在撞擊點(diǎn)P3的加速度峰值為59.5 g。

圖8 撞擊點(diǎn)P3加速度-時(shí)間曲線

(4)頭碰撞擊點(diǎn)P4

如圖9所示，頭部模型撞擊到發(fā)動(dòng)機(jī)罩中前部偏左位置，鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩在頭碰撞擊點(diǎn)P4的加速度峰值為101.3 g，而復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩在撞擊點(diǎn)P4的加速度峰值為56.7 g。

圖9 撞擊點(diǎn)P4加速度-時(shí)間曲線

(5)頭碰撞擊點(diǎn)P5

如圖10所示，頭部模型撞擊到發(fā)動(dòng)機(jī)罩中前部位置，鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩在頭碰撞擊點(diǎn)P5的加速度峰值為105.4 g，而復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩在撞擊點(diǎn)P5的加速度峰值為83.9 g。

圖10 撞擊點(diǎn)P5加速度-時(shí)間曲線

通過(guò)各撞擊點(diǎn)的加速度-時(shí)間曲線圖可知，相同的撞擊點(diǎn)，在撞擊復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩時(shí)，頭部模型的加速度峰值均明顯低于鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩，即復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩頭部撞擊瞬間產(chǎn)生的加速度相對(duì)更小。

經(jīng)計(jì)算，復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩與鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩的HIC值均小于1 000，即兩種材質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩均滿足行人保護(hù)要求；同時(shí)，復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩在相同撞擊點(diǎn)的HIC值均低于鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩。頭部損傷值越低，則代表頭部受到的撞擊程度越低，對(duì)行人頭部的保護(hù)效果就越好。

加速度峰值和HIC值統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 加速度峰值和HIC值結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某款鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩開展頭碰仿真分析并對(duì)比分析結(jié)果，可以得到結(jié)論：

(1)從質(zhì)量上看，鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板厚度為1.0 mm，內(nèi)板厚度為0.9 mm，機(jī)罩總質(zhì)量約為14.41 kg；采用復(fù)合材料方案，機(jī)罩外板厚度為1.1 mm，內(nèi)板厚度為1.5 mm，機(jī)罩總質(zhì)量約為10.17 kg，相比鋁材結(jié)構(gòu)減重4.24 kg，即質(zhì)量上降低了29.4%，可以滿足更高的輕量化需求；

(2)從頭碰加速度結(jié)果來(lái)看，采用復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩的頭碰加速度峰值低于鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩，而頭碰加速度的減小，也從側(cè)面反映出復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩碰撞吸能的效果要更好；

(3)從頭碰損傷值HIC結(jié)果來(lái)看，采用復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩的頭部損傷值HIC明顯要低于鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩，即頭部模型在撞擊復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩時(shí)受的損傷更小，亦可理解為對(duì)行人頭部的保護(hù)能力更優(yōu)。

綜上所述，針對(duì)同一款發(fā)動(dòng)機(jī)罩，文中分析所采用的復(fù)合材料方案不但在輕量化效果上優(yōu)于現(xiàn)有鋁質(zhì)結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有更優(yōu)的行人頭部保護(hù)性能，說(shuō)明只要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得當(dāng)，復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩亦可以滿足行人保護(hù)需求，具有非常好的應(yīng)用前景。