探究復合材料發(fā)動機罩的行人保護作用①

盧 朕， 陳君毅， 王宏雁

(1.同濟大學中德學院、車輛工程，上海 200092;2.同濟大學 汽車學院、車輛工程，上海 201804)

0 引言

復合材料因為具有材料性能可以設計、比強度高、比剛度大、抗疲勞性能好等優(yōu)點，因此在汽車上的應用比例日益增多，成為汽車輕量化技術的必要手段之一.目前，復合材料主要應用于車身部件、燈殼罩、前后護板、保險橫杠、板彈簧、座椅架、驅動軸等部件的設計、仿真與制造，并日趨廣泛[1].

本文探討復合材料發(fā)動機罩的設計過程中，需要進行結構設計與仿真計算，但在仿真計算中，既要滿足靜態(tài)方面的性能指標，意味著發(fā)動機罩需要達到一定的剛度，但過高的剛度又不利于滿足動態(tài)方面行人保護的性能指標，而要求同時滿足這兩方面性能就是要解決這個矛盾的問題[2].這就需要將仿真結果與所要求的性能指標對比之后，不斷就發(fā)動機罩的結構方案進行循環(huán)設計并仿真，直至在達到發(fā)動機罩靜態(tài)性能要求的基礎上，同時滿足動態(tài)行人保護的性能要求，形成最終復合材料發(fā)動機罩的設計方案，從而有效實現汽車發(fā)動機罩部件的輕量化.

1 靜態(tài)性能與動態(tài)行人保護在仿真中的問題分析

1.1 復合材料發(fā)動機罩在各工況下的性能指標要求

發(fā)動機罩動靜態(tài)的各工況性能要求如表1所示，其中靜態(tài)性能包括扭轉剛度、彎曲剛度和模態(tài);動態(tài)性能主要為行人保護頭部碰撞.

1.2 行人保護頭部碰撞HIC值介紹

頭部傷害指標HIC是由頭部發(fā)生碰撞時產生的加速度及其持續(xù)時間決定的一個物理量，其表達式為:

式中:a(t)為假人頭部質心的合成加速度，用重力加速度g的倍數表示;T0，TE為碰撞過程的開始時間和結束時間，t1，t2應使上式計算結果達到最大值，單位為s.

如圖1所示，在行人保護頭部碰撞過程中，仿真計算的點共6個.在靠近鉸鏈處和擋風玻璃處的點，屬頭部碰撞高危區(qū)域，法規(guī)中要求這些頭部碰撞點的HIC值小于1700;而其他碰撞點的HIC值要求小于1000.

1.3 動態(tài)性能與靜態(tài)指標的矛盾分析

此發(fā)動機罩與以往發(fā)動機罩的仿真有著不同之處.首先是復合材料發(fā)動機罩，而以往的仿真一般是傳統的鋼制件;其次，不僅要進行剛度及模態(tài)性能的仿真，還要在行人保護頭部碰撞方面進行仿真.雖然增加材料的厚度會提高部件的剛度，滿足了發(fā)動機罩的剛度和模態(tài)的性能，但是剛度過大不利于行人保護，并且增加了部件的材料成本.所以，既要達到發(fā)動機罩剛度和模態(tài)性能要求的基礎上，又要滿足行人保護頭部碰撞的安全規(guī)范，并同時盡量節(jié)約材料成本，在整個仿真過程中就是要著手解決這個問題.

仿真過程中，如果復合材料的用量多使得結構堅固，靜態(tài)仿真計算結果好，但也由于剛度過大，導致動態(tài)計算結果，即對行人保護頭部碰撞會帶來不利影響，這就要求在結構設計和材料用量上著手進行改進，達到同時滿足靜態(tài)和動態(tài)兩方面的性能要求.

此外，與傳統鋼制件的設計思路不同，由于復合材料件的可設計性強，可在初始設計時適當降低復合材料的用量，若剛度尚未達到要求，可在局部增加一些材料，直至滿足剛度和模態(tài)的性能要求，并且要保證滿足動態(tài)計算行人保護頭部碰撞的性能;若未達到動靜態(tài)的性能要求，則需要在原來的結構基礎上循序漸進地改進并再次仿真計算，達到靜態(tài)指標的基礎上同時符合動態(tài)行人保護的性能要求.

2 動態(tài)行人保護頭部碰撞的作用研究

2.1 結構優(yōu)化

首先應用Hypermesh軟件進行結構拓撲優(yōu)化，確定發(fā)動機罩的基本結構.如表2所示，以原鋼制件扭轉剛度和彎曲剛度作為約束條件，優(yōu)化的目標函數為碳板各處的厚度變化.

表2為碳纖維復合材料板的優(yōu)化指標:

表1 各個工況性能要求

碳纖維板的拓撲優(yōu)化結果如圖2，根據拓撲優(yōu)化云圖的結果得出，碳板的四周需要加厚，而中間則可根據需要適當減小厚度，可根據此拓撲優(yōu)化結果以及得出的結論指導后續(xù)的結構設計.由云圖可知，碳纖維發(fā)動機罩的四周需進行結構上的加強，因而可在碳板周邊區(qū)域適當選用三明治夾層結構.此外，根據發(fā)動機罩的配合要求，保留發(fā)動機罩的密封面，用以在閉合發(fā)動機罩時保證發(fā)動機艙的密封性[3].

表2

圖1 行人保護頭部碰撞點

圖2 拓撲優(yōu)化云圖

2.2 動靜態(tài)仿真對比分析

2.2.1 材料類型為單向纖維的結構方案

根據優(yōu)化結果，碳纖維板的四周需要加強，所以在最初結構1A中四周采用三明治夾層結構，這相當于鋼制件的內板結構，如表3方案1A中的綠色部分所示.經過仿真計算，方案1的結構為靜態(tài)仿真結果較好，但動態(tài)仿真中行人保護頭部碰撞并不理想，在頭部碰撞的諸多點處如 P08，P11，P19處的HIC值均超過了1700，不符合行人保護頭部碰撞的法規(guī)要求，所以尚須圍繞行人保護頭部碰撞在結構上改進并仿真.

表3 方案1A的結構設計(單向纖維)

由此看來，為提高行人保護效果，需要減少材料的用量，即減薄三明治夾層結構中泡沫的用量，目的是為了降低整體剛度以達到良好的行人保護效果.在改進的結構1B中，為增強其整體剛度和抗凹性，在發(fā)動機罩板中間處也采用了三明治夾層結構，碳纖維布的用料也更加節(jié)省.此外，從結構優(yōu)化云圖上來看，鉸鏈處的三明治結構對整體剛度影響不大，并且為提高行人保護效果，在鉸鏈處不采用三明治結構，而采用單一的碳板結構.方案1B的結構形式在總體上來說更加趨于簡化，經過改進的結構仿真結果表明，其結構形式不僅靜態(tài)性能指標達到要求，而且在動態(tài)行人保護頭部碰撞方面也達到了較好的效果，滿足了行人保護的法規(guī)要求.由此可見，其設計方案1B可作為參考方案之一，從輕量化效果來看，復合材料部件重量達3.3kg，相比原來的鋼制件重量減輕了57.7%(原鋼制發(fā)動機罩7.8kg)，輕量化效果明顯.結構方案1B的仿真結果如表4所示.

表4 方案1B結構的仿真結果

2.2.2 材料類型為纖維織物的結構方案

各結構方案經過布局甚至整體上的改進，并經仿真計算，達到動靜態(tài)的性能指標后，方能得出一個較為理想的方案.根據復合材料可設計性強的特點，本著盡量節(jié)省材料的原則，設計方案2A(方案2A結構見表5)結構用料較少，所以方案2A的靜態(tài)仿真結果較差，尤其是扭轉剛度和彎曲剛度兩性能指標，而動態(tài)行人保護頭部碰撞只在P01點處的HIC值略微超過了1700，可見行人保護的效果尚好，所以改進方法是需要加強其整體剛度以提高靜態(tài)性能[4].

進而對方案2A的結構再次改進，即保持原來整體結構不改變的情況下，增加發(fā)動機罩整體和局部的碳纖維用量，從而得改進結構2B.經仿真計算，方案2B不僅達到了靜態(tài)計算中各個工況的性能要求，并且行人保護頭部碰撞的HIC值也較為符合法規(guī)的要求(仿真結果如表7所示)，但所得的HIC數值上來看，有5個碰撞點均超過1000，可見行人保護效果并不十分明顯.從輕量化的減重效果方面來看，方案2B重量為3.16kg，減重效果達59.5%，輕量化效果較好.

表5 方案2A結構設計(纖維織物)

表6 方案結構設計(纖維織物)

表7 方案2B和3B結構的仿真結果

由于方案2A和2B的結構形式分別在靜態(tài)和動態(tài)計算結果中均未達到特別理想的效果，所以著手從整體的結構形式以及材料選擇上進行改進.此后的設計方案中，考慮到材料成本和行人保護效果，方案3A的部件2大部分使用了玻璃纖維來替代碳纖維，從而得到設計方案3A的結構形式如表6所示，其整體結構意在提高整體剛度性能和行人保護效果.方案3A經仿真計算，雖然滿足了靜態(tài)性能要求，但在行人保護P01點處頭部碰撞的HIC值超過了1700，因此并未達到行人保護的法規(guī)要求，所以需對該處的結構做進一步改進.

設計方案3B在方案3A的結構基礎上，將結構作進一步的簡化，去掉了P01點處周圍，也即密封面和鉸鏈位置處的泡沫夾層結構而改用單一碳板的結構，以此降低此處的剛度而達到保護行人頭部的效果.方案3B經仿真計算，此種結構不僅滿足了靜態(tài)方面的性能要求，而且也滿足了動態(tài)行人保護頭部碰撞的法規(guī)要求.輕量化效果方面，方案3B重量為3.0kg，相比原鋼制件減重效果達61.5%，減重效果明顯.結構方案3B的仿真結果如表7 所示[5].

4 結論

各方案經結構和材料上的不斷改進和仿真，終于得到了幾個較為完善的方案結構.方案1A的結構雖然十分堅固，整體剛度較大，但不利行人保護，經結構上的再次改進，也即所用的泡沫進一步減少且均勻分布于碳板，雖然剛度稍低，但行人保護表現較好，可作為所選方案之一;方案2B與方案2A的整體結構形式相同，但較2A相比，方案2B的復合材料用量在整體和局部有所增加，不僅靜態(tài)計算結果符合要求，而且行人保護效果也尚可，可列為所選方案之一;方案3B為方案3A的改進方案，較方案3A相比，更加節(jié)省材料，即去掉了密封面和鉸鏈位置處的夾層結構而改用單一碳板，既滿足了靜態(tài)性能要求，也滿足動態(tài)行人保護頭部碰撞的要求，較好的解決了動靜態(tài)這對矛盾的性能指標[6].從輕量化效果上來看，方案3B比原來的鋼制件減輕了61.5%的重量，可見設計方案3B為這些方案中的最佳方案.

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