基于行人頭部保護(hù)的泡沫鋁發(fā)動機(jī)艙蓋設(shè)計(jì)研究

徐曉月

（長春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校汽車營銷學(xué)院，吉林 長春 130013）

基于行人頭部保護(hù)的泡沫鋁發(fā)動機(jī)艙蓋設(shè)計(jì)研究

徐曉月

（長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校汽車營銷學(xué)院，吉林 長春 130013）

搭建了整車與行人頭部撞擊有限元模型，并選擇了碰撞試驗(yàn)點(diǎn)。應(yīng)用Hyper Mesh軟件更改原車發(fā)動機(jī)艙蓋的夾層材料為泡沫鋁，應(yīng)用LS-DYNA軟件模擬更改材料之后的發(fā)動機(jī)艙蓋與行人頭部碰撞的過程，對比分析了更改材料前后各試驗(yàn)點(diǎn)的加速度曲線及頭部損傷值HIC的變化情況。

發(fā)動機(jī)艙蓋碰撞；行人保護(hù)；泡沫鋁；有限元；LS-DYNA

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.025

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988（2016）11-70-02

引言

隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，汽車保有量的逐步提高，交通事故的發(fā)生得到越來越多的重視。雖然安全汽車結(jié)構(gòu)和安全裝置對車內(nèi)乘員起到了明顯的保護(hù)作用，然而,汽車對行人及其他車外人員造成的傷害仍然很嚴(yán)重[1]，大量交通事故的調(diào)查表明，車輛前部與行人發(fā)生碰撞的交通事故占碰撞總數(shù)的70%～85%，而行人頭部與發(fā)動機(jī)艙蓋及前風(fēng)擋玻璃發(fā)生碰撞導(dǎo)致人頭部受傷約占損傷總數(shù)的30%[2]，并常常導(dǎo)致人死亡。因此，車輛安全領(lǐng)域?qū)π腥伺c車輛碰撞的研究得到世界各國的高度重視[3]。通過改進(jìn)發(fā)動機(jī)艙蓋的材料，降低結(jié)構(gòu)剛度，改進(jìn)碰撞區(qū)域的能量吸收特性，可減少對行人造成的傷害，哈爾濱工業(yè)大學(xué)趙桂范教授提出了最佳的纖維鋪設(shè)方向[4]；江蘇大學(xué)葛如海教授得出了鋁制發(fā)動機(jī)艙蓋對行人頭部具有更好保護(hù)效果的結(jié)論[5]；同濟(jì)大學(xué)盧聯(lián)等人探究了復(fù)合材料發(fā)動機(jī)艙蓋的行人保護(hù)作用[6]。目前，國內(nèi)外對發(fā)動機(jī)艙蓋夾層材料的應(yīng)用主要有PVC泡沫及鋁蜂窩、NOMEX蜂窩，本文將采用新型復(fù)合材料泡沫鋁作為發(fā)動機(jī)艙蓋的夾層材料進(jìn)行分析。本設(shè)計(jì)通過泡沫鋁夾層式發(fā)動機(jī)艙蓋來進(jìn)行行人頭部與車輛的碰撞仿真分析，達(dá)到保護(hù)行人，降低交通事故對行人造成的傷害。

1、整車與行人頭部撞擊模型

在行人頭部與發(fā)動機(jī)艙蓋碰撞時，在頭部與發(fā)動機(jī)艙蓋發(fā)生碰撞之后由于發(fā)動機(jī)艙蓋的下陷很有可能造成行人頭部與發(fā)動機(jī)艙蓋下部的零部件發(fā)生二次碰撞，另外，由于車輛自身懸架、輪胎等相關(guān)因素在碰撞過程中可能發(fā)生下陷的情況，從而對頭部損傷程度造成一定的影響。因此如果單獨(dú)采用發(fā)動機(jī)艙蓋與行人頭部進(jìn)行碰撞，很難模擬真實(shí)的碰撞過程，所得到的數(shù)據(jù)參考價(jià)值不高。為了更準(zhǔn)確的模擬碰撞過程，本設(shè)計(jì)采用整車模型進(jìn)行碰撞分析[7]。本設(shè)計(jì)中整車模型采用現(xiàn)有的某款轎車的有限元模型。

本設(shè)計(jì)中整車有限元模型采用現(xiàn)有某款轎車的模型，其模型共有226個零部件，包括261674個節(jié)點(diǎn)，250394個單元，整車質(zhì)量為2620kg。原車發(fā)動機(jī)艙蓋采用夾層式發(fā)動機(jī)艙蓋形式，內(nèi)外層采用碳纖維復(fù)合材料，中間夾層材料采用發(fā)泡棉材料，上層由708個節(jié)點(diǎn)，658個單元組成，重量為1.251kg；下層由798個節(jié)點(diǎn)，658個單元組成，重量為1.245kg；中間夾層材料發(fā)泡棉包括1416個節(jié)點(diǎn)，658個單元，重量為9.120kg。在LS-DYNA軟件中有近200種材料可供選擇，頭皮部位采用選擇粘彈性材料，頭骨則采用彈性材料。

2、碰撞分析各試驗(yàn)點(diǎn)的選擇

本章按照歐洲NCAP(New Car Assessment Program)及歐洲EEVC中關(guān)于行人保護(hù)的相關(guān)規(guī)定及對行人頭部試驗(yàn)區(qū)的劃分原則對原車試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行選擇，確定碰撞仿真的試驗(yàn)點(diǎn)，利用現(xiàn)有成人及兒童頭部模型進(jìn)行原車的碰撞仿真，分析并評價(jià)原車的行人保護(hù)效果。

一般情況下行人保護(hù)頭部碰撞結(jié)果HIC值偏高的區(qū)域主要為：發(fā)動機(jī)艙蓋蓋鉸鏈附近、車燈及其支架附近、發(fā)動機(jī)艙蓋與風(fēng)擋交界處、發(fā)動機(jī)艙蓋與翼子板交界附近、風(fēng)擋與A柱交界處和風(fēng)擋下邊緣、鎖扣附近等。整車與行人頭部碰撞仿真試驗(yàn)點(diǎn)選擇如圖1及表1所示。

圖1　整車與行人頭部碰撞仿真試驗(yàn)點(diǎn)選擇

表1　整車與行人頭部碰撞仿真試驗(yàn)點(diǎn)選擇

3、泡沫鋁夾層式發(fā)動機(jī)艙蓋仿真碰撞仿真分析

原車的發(fā)動機(jī)艙蓋材料為發(fā)泡棉復(fù)合材料，內(nèi)外層為碳纖維復(fù)合材料，中間夾層為發(fā)泡棉，本設(shè)計(jì)更改發(fā)動機(jī)艙蓋內(nèi)外層為鋁板，夾層材料為泡沫鋁。在進(jìn)行材料替換的同時，本設(shè)計(jì)不改變原發(fā)動機(jī)艙蓋的結(jié)構(gòu)，確保整車結(jié)構(gòu)的合理性、美觀性及空氣動力學(xué)性能。本車發(fā)動機(jī)艙蓋依舊采用原車階梯式的夾層發(fā)動機(jī)艙蓋形式，成人頭部試驗(yàn)區(qū)的厚度為10mm，兒童頭部試驗(yàn)區(qū)的厚度為5mm。上半部分厚度為10mm，下半部分為5mm。

改進(jìn)發(fā)動機(jī)艙蓋材料之后進(jìn)行原車與新車的對比分析，分別模擬成人及兒童頭部與發(fā)動機(jī)艙蓋碰撞的過程，分析改進(jìn)材料后各試驗(yàn)點(diǎn)的加速度的曲線變化趨勢及頭部損傷值HIC值的大小。成人及兒童的頭部各試驗(yàn)點(diǎn)的加速度峰值如表2所示。成人及兒童的頭部損傷HIC值如表3所示。

表2　成人頭部各試驗(yàn)點(diǎn)的加速度峰值及HIC對比

表3　兒童頭部各試驗(yàn)點(diǎn)的加速度峰值及HIC對比

4、結(jié)論

通過各試驗(yàn)點(diǎn)的加速度峰值對比分析可以看出，改進(jìn)發(fā)動機(jī)艙蓋材料之后各點(diǎn)加速度峰值明顯減小，相對于原車加速度曲線波動減弱，說明泡沫鋁夾層材料有良好的吸振作用。通過頭部損傷值HIC的對比可以看出，改進(jìn)發(fā)動機(jī)艙蓋材料之后的HIC值相對于原車有所減弱，說明改進(jìn)材料之后發(fā)動機(jī)艙蓋與行人碰撞對行人造成的損傷程度有所降低。

[1]韓曉磊; 徐晶才. 行人保護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].汽車工程師,2014.08.

[2]S. Iskander Faros, Peter J. Schuster. Body Concept Design for Pedestrian Head form Impact. SAE paper. 2003, 2003-01-1300: 1-5.

[3]胡侃. 車身碰撞安全的若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 吉林：吉林大學(xué)博士學(xué)位論文，2013.

[4]趙桂范，趙立軍，杜星文. 復(fù)合材料車身對頭部撞擊損傷的模擬[J]. 汽車技術(shù),2003,(3)：11-14.

[5]葛如海，王廣闊，王岐燕. 鋁質(zhì)發(fā)動機(jī)罩的行人碰撞保護(hù)研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，17(12)：37-41.

[6]盧朕, 王宏雁, 陳君毅. 探究復(fù)合材料發(fā)動機(jī)罩的行人保護(hù)作用[J]. 工藝材料, 2012.07.

[7]崔東. 基于行人頭部保護(hù)的新型復(fù)合材料發(fā)動機(jī)罩設(shè)計(jì)[D]. 威海：哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）碩士學(xué)位論文，2010.

Design of Aluminum Foam Engine Hood Based on Pedestrian Head Protection

Xu Xiaoyue
（Changchun automotive industry college institute of marketing, Jilin Changchun 130013 )

Built vehicle and pedestrian head impact finite element model, and select the crash test points. Hyper Mesh application software changes the original car bonnet of aluminum foam sandwich material, the application of LS-DYNA simulation software engine hatch with a pedestrian head impact of process changes material after the comparative analysis of the acceleration curve before and after each test material change and points head injury changes the value of HIC.

engine hood collision; pedestrian protection foam aluminum; finite element; ls-dyna

U467 文獻(xiàn)表示碼：A

1671-7988（2016）11-70-02

徐曉月（1988-），女，初級工程師，就職于長春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校汽車營銷學(xué)院。研究方向?yàn)槠嚰夹g(shù)、數(shù)字化制造。