基于成年行人頭部保護的汽車發動機罩優化*

張良安 喬維高

(武漢理工大學汽車工程學院1) 武漢 430070) (現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室2) 武漢 430070) (汽車零部件技術湖北省協同創新中心3) 武漢 430070) (武漢理工大學華夏學院4) 武漢 430223)

基于成年行人頭部保護的汽車發動機罩優化*

張良安1,2,3)喬維高1,2,3,4)

(武漢理工大學汽車工程學院1)武漢 430070) (現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室2)武漢 430070) (汽車零部件技術湖北省協同創新中心3)武漢 430070) (武漢理工大學華夏學院4)武漢 430223)

通過正交試驗的方法優化發動機罩結構，以減小成年行人頭部在車-行人碰撞中的傷害.基于Hyper Works和LS-DYNA建立了成人頭型沖擊器與發動機罩的碰撞有限元模型，仿真結果與數值計算結果相符.借助該有限元模型，研究了影響頭部傷害的主要因素的聯合作用，包括發動機罩的強度、傾斜角度、厚度和剛度，并通過正交試驗挑選出了最優水平組合.與初始模型相比，最優水平組合的頭部傷害指標(HIC)降低了19.44%.且HIC對發動機罩的強度、傾斜角度、厚度和剛度的靈敏性依次增加.同時，指出在發動機罩傾斜角度為5°附近做細化研究可進一步提高行人的安全性.

行人頭部保護；發動機罩；碰撞；正交試驗；頭部傷害指標

0 引 言

據統計，2007年中國行人交通事故占交通事故的54.4%[1-2].行人是交通事故中的弱者，其死亡人數占交通事故死亡人數的24.6%[3].經事故分析，行人致死原因62%與頭部傷害有關，而頭部傷害的20%又與發動機罩有關[4].

喬維高等[5]對影響行人頭部傷害的因素進行了深入研究，但并未對這些因素進行方便有效地組合研究.文中運用正交試驗的方法研究發動機罩強度、剛度、厚度和傾斜角度對行人頭部加速度的影響靈敏度，得出并驗證最優水平組合.

1 成人頭型沖擊器有限元模型

頭型沖擊器分為成人和兒童頭型沖擊器.在此，以成人頭型沖擊器為代表.

1.1 成人頭型沖擊器模型的建立

文獻[1]對成人頭型沖擊器的幾何尺寸要求見圖1a)，且應滿足質量m=(4.5±0.1) kg、質心與幾何中心偏差在5 mm以內，對過質心且垂直于沖擊方向的軸的轉動慣量I=0.010～0.013 kg·m2等靜力學條件.

按照圖1a)的要求，可以把模型簡化成底板，球體和頭皮3部分，見圖1b)，幾何參數上設定3個調節參數，建立其質量方程，質心方程和轉動慣量方程，使之滿足靜力學要求，進而可求出設定的3個參數[6].按照設定的幾何尺寸和形狀，可在CATIA中建立初始模型，見圖2.

圖2 成人頭型沖擊器CAD模型

有限元模型在Hyper Mesh中建立.相對于球體和底板，頭型的外層頭皮較易變形，在碰撞過程中易出現負體積而無法運算，故要求網格較細.同時，在頭皮外表面覆蓋一層空殼單元.為了提高計算精度，球體、底板和頭皮兩兩之間共節點連接，外層空殼單元從頭皮三維網格上提取、與頭皮共節點連接，自動面面接觸.網格劃分為5 mm的四面體網格，共有26 910個節點，135 127個單元.

根據材料特性，LS-DYNA中的6號粘彈性材料可以很好地模擬頭皮材料，而球體和底板采用MAT20剛性材料模擬較好.通過建立基于響應面法的參數優化模型，即可得到滿足頻率和加速度等條件的最佳材料參數.最終確定的材料參數見表1，有限元模型見圖3.最終頭型沖擊器的靜力學參數為：m=4.483 kg，質心坐標(0,0,0)，Ix=Iy=0.011 5 kg·m2，符合法規要求.

表1 成人頭型沖擊器材料參數

圖3 成人頭型沖擊器CAE模型

1.2 成人頭型沖擊器的標定

動力學上，成人頭型沖擊器需進行標定試驗，試驗方法見圖4a).跌落高度為(376±1) mm，跌落角度為65°±2°，剛板尺寸大于300 mm×300 mm×50 mm.要求其下落過程不旋轉，且滿足峰值加速度在225～275g之間.

圖4 成人頭型沖擊器

按照上述試驗條件，對頭型進行仿真標定，其模型見圖4b).經過計算和后處理，標定試驗所得頭型質心加速度時間歷程見圖5.易知峰值加速度amax=264g，符合法規要求，可用于以下研究.

圖5 標定模型質心加速度時間歷程

2 發動機罩碰撞仿真及分析

根據某車型發動機罩幾何和材料參數，建立其簡化模型，見圖6.根據球體與薄板沖擊的力學原理，可得到頭型與發動機罩碰撞的微分方程

(1)

(2)

式中：m1,m2為頭型和發動機罩的質量；x1為頭型的位移；x2為發動機罩的變形位移；kb為發動機罩的等效彎曲剛度；km為發動機罩的等效薄膜剛度；h(x1～x2)為碰撞模型的力-位移函數.

聯立式(1)和式(2)，可對頭型與發動機罩碰撞過程的動力學響應進行計算，得到的頭型質心峰值加速度約為171g.

頭型沖擊器以9.7±0.2 m/s的速度撞擊發動機罩，碰撞點位于中心線上離發動機罩前緣1.0 m處，沖擊方向與水平面呈65°±2°的夾角.碰撞過程中頭型與發動機罩自動面面接觸.

經過LS-DYNA求解計算得到的質心加速度時間歷程曲線見圖6，整體上曲線呈現出一個峰值，峰值加速度約為163g.與計算模型的誤差在5%以內，該模型可用于后續分析和仿真.曲線的單峰主要是頭型直接與發動機罩外板碰撞產生的較大反作用力而形成的.波峰加速度與外板厚度、外板材料和接觸部件數等有關[7].

圖6 初始模型質心加速度時間歷程

HIC為頭部傷害程度的重要評價指標，其值越小表示頭部傷害程度越小，對行人的保護越有利.按式(3)計算.

(3)

式中：t1,t2為碰撞中的2個時刻，t2-t1≤15 ms；a為頭型質心加速度時間歷程，g.

經過濾波和計算，得到該模型的HIC=1 368，遠大于法規規定的1 000.本人在前續研究中，已經探討了發動機罩外板厚度、屈服強度、長度、和曲率半徑對HIC值的影響[8-9].故文中運用正交試驗的方法對發動機罩強度、剛度、厚度和傾斜角度進行優化設計.

3 正交試驗優化方案

3.1 正交試驗

由材料力學知，可用材料的屈服強度和罩板的長度分別表示發動機罩的強度和剛度.根據該車型實際情況，分別選取其屈服強度、長度、厚度和傾斜角度上的3個水平，見表2.

表2 因素水平表

該問題為4因素3水平，采用L9(34)正交試驗表，只需做9次仿真試驗即可得出最佳水平組合，見表3.

表3 L9(34)正交試驗表及統計結果

3.2 正交試驗結果分析

按表3依次進行仿真試驗，并記錄試驗結果于表3中.其中，Ⅰj，Ⅱj，Ⅲj為第j個因素的1，2，3水平的HIC總和；Rj為第j個因素的水平極差.

最優水平組合分析及驗證：每個因素的每個水平均與其他因素水平進行了一次試驗，故Ⅰj，Ⅱj，Ⅲj可分別代表該因素的3個水平的優化作用大小.其中：Ⅰj，Ⅱj，Ⅲj越小，該水平越優.易知，該組試驗的最優水平組合為A1B1C2D1.

按照A1B1C2D1水平進行驗證試驗，其仿真結果見圖7，其峰值加速度約為160g，HIC=1 102.相對于初始模型，HIC減小了19.44%.

圖7 優化模型質心加速度時間歷程

靈敏度分析：某因素的水平變動造成試驗結果變化越大，有理由認為頭部傷害指標對該因素越靈敏.由表3可知，RA

進一步的細化研究分析：由表3可知，可對各因素水平下的HIC值做如下統計，觀察其變化趨勢，其結果見圖9.對于罩板傾斜角度在5°附近做更細化的研究，適當降低強度，厚度和長度可能得到更優結果.

圖8 各因素水平的HIC變化趨勢

4 結 論

1) 正交試驗得到的最優水平組合為A1B1C2D1.其仿真試驗得到的HIC約為1 102，相對于原模型，降低了19.44%.

2) 罩板強度、剛度、厚度和傾斜角度4個因素中，HIC對其靈敏度從小到大依次為：強度<傾斜角度<厚度<剛度.

3) 為了得到更優化的結果，可以對罩板傾斜角度在5°附近做更細化的研究.

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Optimization of Vehicle Engine Hood Based on Protecting Adult-pedestrian Head

ZHANG Liang’an1,2,3)QIAO Weigao1,2,3,4)

(SchoolofAutomotiveEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyofAutomotiveComponents,Wuhan430070,China)2)(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,Wuhan430070,China)3)(WuhanUniversityofTechnologyHuaxiaCollege,Wuhan430223,China)4)

In order to reduce adult-pedestrian head injury during vehicle-pedestrian collision, the paper aims to optimize the structure of engine hood by orthogonal experiment. In the paper, a FEM model of an adult-head form impactor colliding with an engine hood is built based on Hyper Works and LS-DYNA and its results are consistent with numerical results. Based on the FEM model, the combining effect for head injury of many main factors including the strength, tilt angle, thickness and stiffness of hood has been studied and the optimal combining level has been selected by arranging orthogonal experiment. Compared with the original model, the head injury criterion (HIC) of the optimal structure reduces 19.44% and the sensitivity ofHICis gradually increasing in the strength, tilt angle, thickness and stiffness of hood. Meanwhile, the article points out that refinement study on tilt angle of hood around 5°can further improve the pedestrian’s safety to.

pedestrian head protection; engine hood; collision; orthogonal experiment;HIC

2016-10-31

*汽車零部件技術湖北省協同創新中心專項項目資助(20132r0001)

U461.91

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.030

張良安(1992—):男,碩士生,主要研究領域為汽車被動安全、汽車CAD/CAE