碳纖維復合材料發動機罩行人保護性能的試驗驗證*

呂曉江劉衛國，2楊海燕孫立志周大永，2

（1.浙江吉利汽車研究院有限公司；2.浙江省汽車安全技術研究重點實驗室）

碳纖維復合材料發動機罩行人保護性能的試驗驗證*

呂曉江1劉衛國1，2楊海燕1孫立志1周大永1，2

（1.浙江吉利汽車研究院有限公司；2.浙江省汽車安全技術研究重點實驗室）

為研究碳纖維復合材料發動機罩行人保護性能，與同結構金屬發動機罩進行了對比試驗驗證。試驗結果表明，碳纖維復合材料發動機罩的頭部合成加速度峰值比金屬發動機罩平均低30%，在結構加強位置類似的情況下，其更有利于降低頭部傷害值；碳纖維復合材料發動機罩對發動機艙內布置影響較小；碳纖維復合材料發動機罩在受到行人頭部沖擊后能夠保證結構的完整性，有利于降低事故維修成本。

1 前言

發動機罩作為行人頭部碰撞沖擊的主要零部件，不但造型對行人保護有影響，其本身的材料及結構也對行人頭部碰撞安全性能有重要影響[1，2]。碳纖維復合材料（Carbon Fiber Composite,CFC）是一種高強度復合材料，主要由作為增強材料的碳纖維和作為基本材料的熱固性樹脂組成。因其具有較高的比強度、比剛性及輕量化效果顯著，因此受到國內外汽車公司及研究機構的廣泛關注[3]。發動機罩采用碳纖維復合材料不僅質量輕，而且便于生產，其綜合成本低于金屬發動機罩[4]。

本文針對某碳纖維復合材料發動機罩進行行人頭部碰撞試驗研究，并與金屬材料發動機罩試驗結果進行對比分析，驗證了碳纖維復合材料發動機罩的行人保護安全性能。

2 碳纖維復合材料發動機罩

2.1 碳纖維復合材料性能

碳纖維復合材料與金屬材料相比具有如下優點：

a.比強度、比模量大。碳纖維復合材料的輕質高強性能顯著，其比強度比鋼材高5倍，比鋁合金高4倍，比模量則是鋼及鋁的4倍。

b. 耐疲勞性能優于金屬材料。碳纖維復合材料的疲勞強度極限為其拉伸強度的70%～80%，在長期交變載荷條件下工作壽命高于金屬材料。

c. 阻尼減振性好。

d. 抗斷裂性好[5]。

另外，經研究表明，復合材料的破壞需經歷基體損傷、開裂、界面脫粘、纖維斷裂等一系列過程，而且當少數增強纖維發生斷裂時，載荷又會通過基體的傳遞分散到其它完好的纖維上，由此降低了發生斷裂的幾率[6]。

2.2 碳纖維復合材料發動機罩的制備

本文以覆蓋中等強度碳纖維的發動機罩內、外板為例，碳纖維基本性能如表1所列[7]。

表1 碳纖維基本性能

碳纖維復合材料成型工藝包括手糊成型、纏繞成型、拉擠成型和樹脂傳遞模塑成型等[8]，因本文中的碳纖維復合材料發動機罩屬小批量生產，因此采用手糊成型工藝。手糊成型工藝流程包括材料準備、手糊成型、固化、修整、檢驗等。該碳纖維復合材料發動機罩制備過程嚴格采用手糊工藝的標準流程，對配膠質量、成型壓力及碳纖維鋪設質量進行了嚴格檢查，能夠保證該小批量產品的質量要求。圖1為碳纖維發動機罩內、外板，其中，發動機罩內板由碳纖維及樹脂組成，發動機罩外板在碳纖維外部額外增加了1層織物進行覆蓋。

通過碳纖維不同排布設計，可以將碳纖維潛在的性能集中到必要的方向上，使發動機罩滿足剛度、強度、抗凹性等要求。碳纖維排布的原則主要為均衡對稱鋪設原則、承載方向鋪設原則和交叉鋪設原則[9]。根據金屬發動機罩內、外板結構，按照承載方向鋪設原則，在發動機罩內板加強筋方向及四周外圍鋪設碳纖維；按照交叉鋪設原則，在發動機罩外板整個區域內十字交叉鋪設碳纖維，且后緣區域鋪設密度較大，如圖2所示。

最終制備好的碳纖維復合材料發動機罩總質量為11.03 kg，與金屬發動機罩相比減重率為35%。

3 行人保護試驗驗證

3.1 試驗工況

參照631/2009/EC歐盟行人保護法規，選用兒童頭型沖擊器進行試驗，兒童頭型質量為3.5 kg，發射角度為50°，碰撞速度為35 km/h[10]。將不同材料發動機罩分別安裝在白車身臺架上，白車身高度按照正常行駛高度調節，并利用三坐標儀測量碰撞點坐標，保證試驗對象及試驗結果的可重復性。圖3所示為白車身臺架。

為驗證碳纖維的實際應用效果，根據碳纖維的鋪設區域選取3個碰撞點進行對比試驗，如圖4所示，其中CH1點位于發動機罩后緣右側區域，該區域碳纖維鋪設密度較大；CH2點位于發動機罩前部區域，該區域碳纖維鋪設位置與金屬發動機罩內板前部加強結構方向相同；CH3點位于發動機罩中間左側區域，該區域碳纖維鋪設位置與金屬發動機罩內板左側加強結構方向相同。碰撞點坐標見表2。

表2 兒童頭部碰撞點坐標

3.2 結果分析

3.2.1 加速度-時間曲線分析

圖5為碳纖維復合材料發動機罩與金屬發動機罩的加速度-時間曲線對比結果。由圖5可看出，2種材料發動機罩的加速度-時間曲線趨勢一致，碳纖維復合材料發動機罩的頭部合成加速度峰值均低于金屬發動機罩。

表3為最大加速度及HIC值的對比結果，可知頭部最大合成加速度平均降低30%。

表3 最大加速度及HIC值對比

由試驗結果可知，所有HIC值均滿足行人保護法規限值（HIC＜1 000）要求。在CH1點，碳纖維復合材料發動機罩的HIC值高于金屬發動機罩，主要原因是碳纖維在發動機罩外板后緣處布置密度較大，導致發動機罩后緣剛度大，進而使CH1點處HIC值增高；在CH2點和CH3點，碳纖維復合材料發動機罩的HIC值低于金屬發動機罩，并且這2個碰撞位置處的碳纖維布置方向與金屬材料發動機罩加強筋位置基本一致，說明在結構加強位置類似的情況下，碳纖維發動機罩更有利于降低頭部傷害值。

3.2.2 加速度-位移曲線分析

圖6為碳纖維復合材料發動機罩與金屬發動機罩的加速度-位移曲線對比結果。由圖6可看出，在CH1點，碳纖維復合材料發動機罩侵入量較低，主要是由于其后緣剛度大導致；在CH2點和CH3點，碳纖維復合材料發動機罩最大動態侵入量比金屬發動機罩多10 mm左右，但對發動機艙內零部件布置空間影響不大。綜上所述，碳纖維復合材料發動機罩的初始剛度曲線較平緩，在設計時可以結合發動機罩不同區域的HIC值要求及總布置空間來進行碳纖維的鋪設布置。

Test Validation for Pedestrian Protection Performance of CFRP Hood

Lv Xiaojiang1,Liu Weiguo1,2,Yang Haiyan1,Sun Lizhi1,Zhou Dayong1,2
（1.Geely Automobile Institute;2.Zhejiang Key Laboratory of Automobile Safety Technology）

In order to study the pedestrian protection performance of hood made of carbon fiber reinforced plastic（CFRP）,we perform test validation and compare it with metal hood of the same structure.Test results show that using CFRP hood,the synthetic acceleration peak value of the pedestrian’s head is 30%lower than that of the metal hood on average,this is more helpful to reduce the injury to the head with similar position of reinforced structure.CFRP hood has little influence on the engine cabin package,and this kind of hood can ensure the integrity of the structure after being impacted by head of pedestrian,which is conducive to reduce the maintenance cost.

Engine hood,CRFP,Pedestrian protection,Test

發動機罩 碳纖維復合材料 行人保護 試驗

U467.1+4

A

1000-3703（2015）01-0059-04

浙江省汽車安全技術研究重點實驗室建設項目（2009E10013）。