基于行人頭部保護的泡沫鋁發動機艙蓋設計研究

徐曉月

（長春汽車工業高等?？茖W校汽車營銷學院，吉林 長春 130013）

基于行人頭部保護的泡沫鋁發動機艙蓋設計研究

徐曉月

（長春汽車工業高等?？茖W校汽車營銷學院，吉林 長春 130013）

搭建了整車與行人頭部撞擊有限元模型，并選擇了碰撞試驗點。應用Hyper Mesh軟件更改原車發動機艙蓋的夾層材料為泡沫鋁，應用LS-DYNA軟件模擬更改材料之后的發動機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點的加速度曲線及頭部損傷值HIC的變化情況。

發動機艙蓋碰撞；行人保護；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

隨著汽車行業的迅速發展，汽車保有量的逐步提高，交通事故的發生得到越來越多的重視。雖然安全汽車結構和安全裝置對車內乘員起到了明顯的保護作用，然而,汽車對行人及其他車外人員造成的傷害仍然很嚴重[1]，大量交通事故的調查表明，車輛前部與行人發生碰撞的交通事故占碰撞總數的70%～85%，而行人頭部與發動機艙蓋及前風擋玻璃發生碰撞導致人頭部受傷約占損傷總數的30%[2]，并常常導致人死亡。因此，車輛安全領域對行人與車輛碰撞的研究得到世界各國的高度重視[3]。通過改進發動機艙蓋的材料，降低結構剛度，改進碰撞區域的能量吸收特性，可減少對行人造成的傷害，哈爾濱工業大學趙桂范教授提出了最佳的纖維鋪設方向[4]；江蘇大學葛如海教授得出了鋁制發動機艙蓋對行人頭部具有更好保護效果的結論[5]；同濟大學盧聯等人探究了復合材料發動機艙蓋的行人保護作用[6]。目前，國內外對發動機艙蓋夾層材料的應用主要有PVC泡沫及鋁蜂窩、NOMEX蜂窩，本文將采用新型復合材料泡沫鋁作為發動機艙蓋的夾層材料進行分析。本設計通過泡沫鋁夾層式發動機艙蓋來進行行人頭部與車輛的碰撞仿真分析，達到保護行人，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

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

本設計中整車有限元模型采用現有某款轎車的模型，其模型共有226個零部件，包括261674個節點，250394個單元，整車質量為2620kg。原車發動機艙蓋采用夾層式發動機艙蓋形式，內外層采用碳纖維復合材料，中間夾層材料采用發泡棉材料，上層由708個節點，658個單元組成，重量為1.251kg；下層由798個節點，658個單元組成，重量為1.245kg；中間夾層材料發泡棉包括1416個節點，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、碰撞分析各試驗點的選擇

本章按照歐洲NCAP(New Car Assessment Program)及歐洲EEVC中關于行人保護的相關規定及對行人頭部試驗區的劃分原則對原車試驗區域進行選擇，確定碰撞仿真的試驗點，利用現有成人及兒童頭部模型進行原車的碰撞仿真，分析并評價原車的行人保護效果。

一般情況下行人保護頭部碰撞結果HIC值偏高的區域主要為：發動機艙蓋蓋鉸鏈附近、車燈及其支架附近、發動機艙蓋與風擋交界處、發動機艙蓋與翼子板交界附近、風擋與A柱交界處和風擋下邊緣、鎖扣附近等。整車與行人頭部碰撞仿真試驗點選擇如圖1及表1所示。

圖1　整車與行人頭部碰撞仿真試驗點選擇

表1　整車與行人頭部碰撞仿真試驗點選擇

3、泡沫鋁夾層式發動機艙蓋仿真碰撞仿真分析

原車的發動機艙蓋材料為發泡棉復合材料，內外層為碳纖維復合材料，中間夾層為發泡棉，本設計更改發動機艙蓋內外層為鋁板，夾層材料為泡沫鋁。在進行材料替換的同時，本設計不改變原發動機艙蓋的結構，確保整車結構的合理性、美觀性及空氣動力學性能。本車發動機艙蓋依舊采用原車階梯式的夾層發動機艙蓋形式，成人頭部試驗區的厚度為10mm，兒童頭部試驗區的厚度為5mm。上半部分厚度為10mm，下半部分為5mm。

改進發動機艙蓋材料之后進行原車與新車的對比分析，分別模擬成人及兒童頭部與發動機艙蓋碰撞的過程，分析改進材料后各試驗點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點的加速度峰值如表2所示。成人及兒童的頭部損傷HIC值如表3所示。

表2　成人頭部各試驗點的加速度峰值及HIC對比

表3　兒童頭部各試驗點的加速度峰值及HIC對比

4、結論

通過各試驗點的加速度峰值對比分析可以看出，改進發動機艙蓋材料之后各點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，改進發動機艙蓋材料之后的HIC值相對于原車有所減弱，說明改進材料之后發動機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. 行人保護技術發展現狀分析[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鍵技術研究[D]. 吉林：吉林大學博士學位論文，2013.

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

[5]葛如海，王廣闊，王岐燕. 鋁質發動機罩的行人碰撞保護研究[J].中國安全科學學報，2007，17(12)：37-41.

[6]盧朕, 王宏雁, 陳君毅. 探究復合材料發動機罩的行人保護作用[J]. 工藝材料, 2012.07.

[7]崔東. 基于行人頭部保護的新型復合材料發動機罩設計[D]. 威海：哈爾濱工業大學（威海）碩士學位論文，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高等?？茖W校汽車營銷學院。研究方向為汽車技術、數字化制造。