基于行人頭部保護的汽車發(fā)動機罩鉸鏈優(yōu)化設(shè)計

王新，房亮，侯國強，張文超

（1.天津職業(yè)大學(xué)汽車工程學(xué)院，天津 300410 ；2.中國汽車技術(shù)研究中心零部件實驗室，天津 300300）

引言

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，汽車碰撞安全性能已經(jīng)成為影響消費者選購汽車的一項重要原因，同時行人保護性能也越來越受到關(guān)注，降低對行人的傷害，同時降低車主的財產(chǎn)損傷。發(fā)動機罩是行人頭部與車輛發(fā)生碰撞時撞擊概率最高的車身部位，同時由于發(fā)動機罩鉸鏈區(qū)域是發(fā)動機罩剛度最大的部位，其對頭部的損傷最為嚴重[1]。

本文提出一種可折疊變形式發(fā)動機罩鉸鏈，并應(yīng)用HyperMesh軟件建立某轎車及行人頭部有限元模型，通過LS-dyna軟件求解行人頭部撞擊該發(fā)動機罩鉸鏈區(qū)域時的傷害指標，驗證可折疊式發(fā)動機罩鉸鏈設(shè)計的可行性。

1 可折疊變形式發(fā)動機罩鉸鏈

行人與轎車前部碰撞時，發(fā)動機罩鉸鏈處由于剛度大，最易造成行人頭部的嚴重碰撞傷害，為解決這一問題，目前行人碰撞保護的發(fā)動機罩鉸鏈設(shè)計有可壓潰式發(fā)動機罩鉸鏈、可彈起式發(fā)動機罩鉸鏈等，其中可壓潰式發(fā)動機罩鉸鏈存在側(cè)向剛度的不足，壓潰力無法準確確定，保護頭部效果有限；可彈起式發(fā)動機罩鉸鏈成本高，可能出現(xiàn)誤彈起等安全問題。

本文提出的可折疊變形式發(fā)動機罩鉸鏈包括：與車身前指梁固裝的下鉸鏈座、上鉸鏈座、觸發(fā)臂、和用于與發(fā)動機罩連接的機蓋連接板、第一銷軸和旋轉(zhuǎn)銷軸，機蓋連接板的一側(cè)與上鉸接座的上部鉸接，上鉸鏈座的下部與下鉸鏈座的上部相互交錯，并且交錯部分重疊，同時在重疊部上方的上鉸鏈座上固裝有一限位套，且該限位套位于上鉸鏈座遠離下鉸鏈座的一側(cè)；觸發(fā)臂豎直穿過限位套且被該限位套橫向限位，觸發(fā)臂的上端和下端分別形成有上接觸塊和下接觸塊；

第一銷軸和旋轉(zhuǎn)銷軸分別穿過限位套兩側(cè)的重疊部，旋轉(zhuǎn)銷軸安裝在上鉸鏈座的孔的下部向下延伸出弧形軌道內(nèi)，軌道寬度略小于孔的直徑，旋轉(zhuǎn)銷軸的橫向長度大于軌道的寬度，以使該旋轉(zhuǎn)銷軸橫向設(shè)置時被限位于孔內(nèi)；當(dāng)旋轉(zhuǎn)銷軸旋轉(zhuǎn)90°使得第二凸起下移，該旋轉(zhuǎn)銷軸順沿軌道滑動且上鉸鏈座圍繞第一銷軸旋轉(zhuǎn)。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 可折疊變形式發(fā)動機罩鉸鏈結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)行人碰撞到發(fā)動機罩鉸鏈位置時，通過鉸鏈的折疊功能，在發(fā)動機罩縱向上具有更大的緩沖空間，避免頭部砸透發(fā)動機罩外板后與發(fā)動機罩鉸鏈發(fā)生碰撞的情況，可極大降低頭部受到的傷害。與可壓潰式鉸鏈相比，具有可重復(fù)利用和變形可靠的優(yōu)點；與可彈起式鉸鏈相比，成本大大降低，且沒有誤彈起的情況發(fā)生。

2 行人頭部碰撞有限元模型的建立

行人頭部碰撞有限元模型的建立主要考慮以下三方面的內(nèi)容：

2.1 行人頭部模型的建立

本文根據(jù) GTR法規(guī)對行人保護碰撞頭模的要求，利用Hypermesh軟件建立行人頭部沖擊器的有限元模型，為了保證頭部有限元模型準確模擬真實行人頭部碰撞過程中的損傷情況，按照法規(guī)要求的標定程序，利用LS-DYNA軟件計算并反復(fù)修改頭部有限元模型，直至頭部有限元模型符合GTR法規(guī)要求的靜力學(xué)及動力學(xué)性能。

GTR頭部模型沖擊器主要由外邊皮膚、球體、端蓋及位于中心的碰撞加速度傳感器，其中皮膚需要具有彈性，模擬人體的皮膚[2]；加速度能夠反映X、Y、Z三個方向的加速度值。基于以上建模方法，建立的行人頭部有限元模型如圖 2所示。

圖2 行人頭部有限元模型剖視圖

根據(jù)GTR法規(guī)的要求，頭部沖擊器還包括頭型直徑、頭型質(zhì)量、頭部碰撞試驗撞擊速度及碰撞角度要求，如表1所示。

表1 頭部沖擊器主要性能參數(shù)

2.2 行人保護車身有限元模型的建立

用于頭部碰撞仿真的車身有限元模型僅建立A柱及之前的部分，相比于其他碰撞形式仿真分析的有限元模型，行人保護車身有限元模型需細化網(wǎng)格，并準確模擬發(fā)動機罩鎖扣、鉸鏈、發(fā)動機罩內(nèi)外板的包邊結(jié)構(gòu)，準確定義橡膠件、膠粘的仿真參數(shù)[3]。

車身的連接形式主要包括點焊、二氧化碳保護焊、膠粘、螺栓連接，其中點焊應(yīng)用Hypermesh中的點焊單元模擬，材料為mat100，二氧化碳保護焊與螺栓連接通過剛性連接進行模擬，膠粘通過建立實體單元，并合并膠體實體單元與鈑金件殼單元相鄰的網(wǎng)格節(jié)點進行模擬。建立完成的車身有限元模型如圖3所示。

圖3 發(fā)動機罩有限元模型

圖4 發(fā)動機罩有限元模型

其中發(fā)動機罩鉸鏈的模擬是本文的關(guān)鍵，發(fā)動機罩鉸鏈通過螺栓與發(fā)動機罩內(nèi)板、前指梁進行連接，螺栓通過剛體單元進行模擬；鉸鏈銷軸的旋轉(zhuǎn)關(guān)系通過定義鉸鏈副revolute進行模擬，對于本文提到的可折疊變形式發(fā)動機罩鉸鏈，通過spot weld單元進行折疊機構(gòu)的模擬，定義spot weld單元的斷裂時刻，實現(xiàn)觸發(fā)可折疊變形式發(fā)動機罩鉸鏈的折疊。建立的發(fā)動機罩及鉸鏈模型如圖4所示。

2.3 碰撞接觸關(guān)系的定義

接觸關(guān)系是進行碰撞仿真分析的關(guān)鍵，對于行人頭部碰撞仿真分析，主要定義車身各部分的自接觸、頭部模型的自接觸以及頭部模型與車身之間的接觸關(guān)系。

3 頭部碰撞有限元仿真計算

本文通過LS-dyna軟件進行碰撞仿真分析的求解，通過對比原傳統(tǒng)式發(fā)動機罩鉸鏈與可折疊變形式發(fā)動機罩鉸鏈的頭部碰撞仿真結(jié)果，得出以下兩方面的：

（1）鉸鏈位置碰撞應(yīng)力云圖，主要用于評價鉸鏈區(qū)域的受力情況，衡量鉸鏈是否發(fā)生塑性變形，是否可以重復(fù)使用。

其中傳統(tǒng)發(fā)動機罩鉸鏈碰撞云圖如圖5所示，可折疊變形式發(fā)動機罩鉸鏈碰撞云圖如圖6所示，通過對比可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)鉸鏈模型在碰撞時的最大應(yīng)力為260.6Mp，發(fā)生在鉸鏈銷軸附件，根據(jù)材料的力學(xué)參數(shù)判斷依據(jù)發(fā)生塑性變形；可折疊變形式發(fā)動機罩鉸鏈在碰撞時最大應(yīng)力為208.0Mp，同樣發(fā)生在鉸鏈銷軸附件，但未達到材料的屈服極限，該鉸鏈可以重復(fù)使用。

圖5 傳統(tǒng)發(fā)動機罩鉸鏈碰撞云圖

圖6 可折疊變形式發(fā)動機罩 鉸鏈碰撞云圖

（2）傳統(tǒng)鉸鏈與可折疊變形式鉸鏈頭部損傷值比較，用于衡量兩款鉸鏈對于行人頭部的包含情況。

運用HIC值計算頭部的損傷情況，其計算公式如下[4]：

其中，a為頭部質(zhì)心處的合成加速度，g；

t1和t2是碰撞的任意兩個時刻，s；

通過比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)行人頭部撞擊發(fā)動機罩鉸鏈區(qū)域時，傳統(tǒng)鉸鏈的行人頭部損傷指標HIC值為2949.8，超出行人保護安全法規(guī)要求的小于1350，可折疊變形式發(fā)動機罩鉸鏈的行人頭部損傷指標HIC值為201.9，遠小于行人保護安全法規(guī)要求的小于1350限值，行人頭部加速度曲線及HIC值曲線如圖7所示。

圖7 行人頭部加速度及HIC值曲線

4 結(jié)論

通過對比傳統(tǒng)發(fā)動機罩鉸鏈及可折疊變形式發(fā)動機罩鉸鏈行人頭部碰撞仿真結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1）傳統(tǒng)發(fā)動機罩鉸鏈由于在碰撞過程中達到材料的屈服極限，因此在碰撞后需要更換，維修成本高，可折疊變形式發(fā)動機罩鉸鏈碰撞過程中未達到材料的屈服極限，因此可以重復(fù)利用，大大降低維修成本；

（2）通過對于傳統(tǒng)鉸鏈與可折疊變形式發(fā)動機罩鉸鏈在鉸鏈區(qū)域?qū)θ祟^部造成的損傷指標HIC，發(fā)現(xiàn)可折疊變形式發(fā)動機罩鉸鏈由于折疊變形，在碰撞過程中可以給頭部提供更大的緩存空間，因此其傷害值原小于傳統(tǒng)鉸鏈給頭部造成的損傷值，可以有效保護行人頭部。

（3）目前，國內(nèi)外汽車行人保護性能主要應(yīng)用有限元碰撞理論進行研究和設(shè)計，并最終采用試驗的方法驗證行人保護性能；仿真結(jié)果的準確性主要由以下兩方面決定[5]：

1）頭部仿真模型的建立標定是否準確，是否精確模擬真人頭部碰撞時的傷害指標；

2）發(fā)動機罩緩沖塊等非線性材料的模擬；因此該行人保護可折疊變形式發(fā)動機罩鉸鏈的包含效果還需實驗進行驗證。

本文根據(jù)有限元碰撞理論并應(yīng)用碰撞仿真分析軟件進行發(fā)動機罩鉸鏈的優(yōu)化設(shè)計，提升了汽車行人保護性能的同時縮短研發(fā)周期降低設(shè)計成本。