基于行人頭部保護和剛度要求的發動機罩內板優化設計

曾小敏+彭雄奇+魯宏升+潘鋒

摘要：提出一種基于行人頭部保護和剛度要求的汽車發動機罩內板優化設計方法，將其應用于某款發動機罩內板的參數化設計和優化分析.對優化方案與初始方案的行人頭部碰撞仿真結果進行對比，結果表明：優化方案在滿足發動機罩剛度要求的前提下能顯著降低行人頭部碰撞的傷害值.該優化方法可行，可為發動機罩內板的優化設計提供參考.

關鍵詞：汽車； 發動機罩； 內板； 行人頭部保護； 參數化設計； 優化； 有限元

中圖分類號： U461.91； TB391.9

文獻標志碼：B

Abstract：An optimization design method on automobile underhood cover inner plate is proposed on the basis of pedestrian head protection and stiffness requirements. The method is applied to the parametrization design and optimization analysis on the inner plate of an underhood cover. The pedestrian head collision simulation results of the original solution and the optimization solution are compared. It is shown that the optimization solution can significantly reduce the pedestrian head collision injury in the precondition of meeting the stiffness requirements of underhood cover. The optimization method is feasible and can provide reference for the underhood cover inner plate optimization design.

Key words：automobile； underhood cover； inner plate； pedestrian head protection； parametrization design； optimization； finite element

0引言

在汽車與行人碰撞事故中，行人頭部是最容易受傷的部位.[1]2009年，世界衛生組織對行人交通事故的調查結果顯示，在所有的人-車碰撞事故中，行人頭部損傷造成死亡的幾率最大，高達55%.[2]行人頭部主要的接觸區域是發動機罩蓋[3]，因此發動機罩結構優化設計需要考慮行人保護以降低頭部傷害.同時，為避免因扭轉或彎曲剛度不足可能引起的振動噪聲和開閉性問題，發動機罩必須具備足夠的整體剛度.[4]目前，國內外的研究工作多數是單純從提高行人頭部保護角度或者從改善剛度性能出發，對發動機罩進行改進設計，很少將2種設計要求同時融入到發動機罩的結構優化設計過程中.

針對上述問題，提出一種基于行人頭部保護和剛度要求的發動機罩優化設計方法.根據GB/T 24550—2009[5]要求，針對某款車型的發動機罩板進行參數化設計和優化，優化過程耦合保護行人頭部和剛度分析要求，提高行人頭部碰撞安全性能.采用LS-DYNA，MSC Nastran與ENKIBONNET分別作為發動機罩頭部碰撞仿真、剛度分析和參數優化的工具，最后通過案例分析驗證該發動機罩內板優化設計方法的可行性.

1仿真模型的建立

1.1發動機罩和頭部模型

發動機罩采用冷軋低碳鋼DC03鋼板，由內外板、鉸鏈及其加強板等構成，見圖1.內外板厚度均為0.7 mm，邊緣處通過外板翻邊的方式連接，厚度為2.1 mm.內外板、鉸鏈及其加強板均采用全積分殼單元模擬，利用實體單元模擬連接結構鉸，采用剛性單元模擬內板、鉸鏈及其加強板的螺栓孔.整個發動機罩有限元模型共有22 733個節點和22 971個單元.發動機罩各部件的模型和材料參數見表1，其中彈塑性材料通過定義各自的真實應力-真實塑性應變關系曲線控制材料的塑性行為.

發動機罩更容易對兒童造成傷害[6]，所以針對兒童頭部撞擊發動機罩進行分析.根據GB/T 24550—2009建立兒童頭部有限元模型，見圖2.頭部模型質量為3.5 kg，外球直徑為165 mm.球體、端蓋和皮膚都用六面體全積分實體單元模擬，內部鋁制球體和端蓋簡化為剛體，外部合成皮膚層采用黏彈性材料.

1.2行人頭部撞擊發動機罩仿真

根據實車安裝情況施加約束條件，發動機罩左右鉸鏈和中間鎖扣位置全約束，兩側的橡膠塊位置施加z方向約束.根據GB/T 24550—2009的試驗條件，將兒童頭部模型以50°撞擊角、35 km/h速度撞擊發動機罩.

案例分析主要驗證該優化方法的可行性，因此僅選擇其中一個頭部傷害值較大的撞擊點進行后續的碰撞分析和優化設計.該點位于發動機罩對稱軸上，靠近鎖扣，撞擊點位置及其有限元模型見圖3.該撞擊點仿真分析得到的行人頭部傷害指標HIC=1 019，超出法規要求（≤1 000），需要進行改進.

1.3發動機罩剛度分析

根據某汽車企業的剛度試驗標準，該發動機罩的剛度分析工況有3種：扭轉工況1、扭轉工況2和側向工況，見圖4.

1）扭轉工況1：左右側鉸鏈約束自由度1，2，3，中間鎖扣位置約束自由度3，在右側橡膠塊上施加z向100 N載荷.

2）扭轉工況2：左右側鉸鏈約束自由度1，2，3，左側橡膠塊位置約束自由度3，在右側橡膠塊上施