鋁合金抗凹支架行人保護性能研究

劉曉東，韓鵬鵬，陳 娜

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津300300）

0 引言

中國新車型能評估體系 （China New Car Assistant Program，CNCAP）2018年7月開始將行人保護納入評價范圍，包含頭部碰撞和腿部碰撞兩部分［1］。頭部碰撞評價時，需要通過WAD1000、WAD2100包絡線及發動機罩側面參考線等確定碰撞區域范圍。對于轎車、微型車等發動機罩離地高度相對較低的車型，頭部碰撞區域可避開前端發動機罩鎖區域。但對于中、大型SUV，由于其車身離地空間較高，發動機罩前端鎖扣區域一般處于頭部碰撞范圍內。發動機罩鎖區域剛強度較大且可變形吸能空間有限，CNCAP評估體系下常出現較大范圍嚴重失分現象。發動機罩抗凹支架是該區域的一個關鍵吸能部件，抗凹支架結構設計是否合理，對該區域頭部碰撞性能有著重要影響。

鋁合金材料由于具有輕量化、工藝等方面的優勢［2-3］，近年來越來越得到重視，尤其在新能源汽車開發中，鋁合金發動機罩應用越來越多。傳統鋼材料發動機罩下，抗凹支架較多應用的鏤空式結構如圖1所示，此類抗凹支架設計可通過合理布置吸能空間、調整支架剛強度達到較好的行人頭部碰撞保護效果［4-5］。但由于鋁合金與鋼材料在密度、彈性模量等方面具有較大差異，部分鋁合金鏤空式抗凹支架頭部傷害值并不理想，通過單一調整抗凹支架強度較難滿足行人頭部保護性能要求。

本文作者在CNCAP2018評價規程下，基于某鏤空式鋁合金抗凹支架結構，建立了簡化的有限元模型，結合頭部碰撞過程，對頭部運動響應進行了分析，并對頭部所受作用力進行了研究。頭部作用力分解為結構變形抵抗力和隨動質量抵抗力，分析了二者對頭部加速度的影響，結合工程實例對抗凹支架結構進行了優化。

圖1 鏤空式抗凹支架

1 CNCAP行人保護評價方法

2018版CNCAP行人頭部碰撞用成人或兒童頭型以40±0.72 km／h的速度按規定角度沖擊目標汽車，如圖2所示。通過內置的三向加速度傳感器采集信號得到頭部加速度曲線，對曲線進行處理得到HIC15進行評價［1］，計算公式如 （1）所示：

式中：a（t）為頭部沖擊器質心處合成加速度，單位為9.8 m／s2；t1、t2分別為 HIC達到最大時計算窗口的起、止時間，單位為ms，t2-t1≤15 ms。HIC15是CNCAP中評價頭部損傷程度的指標，相關交通事故研究表明，HIC值大小與頭部損傷程度AIS、行人死亡率存在重要關系［6］。

圖2 CNCAP碰撞工況

2 仿真分析

基于某中型SUV結構建立有限元分析簡化模型，其中抗凹支架為鏤空式結構，如圖3所示，支架厚度為1.0 mm，材料為6016鋁合金。選取抗凹支架區域CH1碰撞點進行分析 （圖4所示）。

圖3 抗凹支架結構

圖4 CH1碰撞點

2.1 碰撞結果分析

將碰撞模型代入非線性動力分析軟件DYNA中計算，得到當前鎖扣區域頭部加速度-時間曲線，如圖5所示。各階段發動機罩變形截面圖如圖6所示。

圖5 CH1點加速度-時間曲線

圖6 頭部碰撞過程

結合仿真動畫對碰撞過程各階段進行說明：碰撞發生后0～1 ms內，加速度曲線快速提升，此時頭部開始接觸發動機罩外板、抗凹支架結構；在t＝1～3 ms內，頭部加速度上升緩慢，此階段抗凹支架發生較大變形；t＝3 ms后加速度再次快速提升，在t＝7.3 ms頭部加速度到達峰值，此時頭部侵入深度達到最大并接觸鎖扣加強下板及發動機罩內板結構；之后頭部開始旋轉，在t＝13 ms時進入反彈階段。

對加速度曲線進行處理，得到CH1碰撞點頭部傷害值結果，如表1所示，HIC15達1 395.3，按CNCAP評估該點得分僅為0.25分。

表1 CH1傷害值計算結果

抗凹支架區域HIC15較高，存在以下兩方面問題： （1）碰撞初期頭部加速度值偏低，碰撞能量吸收不足，1 ms頭部加速度僅為50×9.8 m／s2左右；（2）HIC值計算窗口內，平均加速度偏大。在峰值附近4～13 ms，頭部加速度維持較高水平，導致HIC15計算時間段內平均加速度達97.1×9.8 m／s2。

提升頭部碰撞初始加速度，降低峰值附近平均加速度，有利于改善CH1處頭部傷害值。

2.2 加速度曲線簡化

加速度曲線按形狀常分為前三角波、后三角波、矩形波［7-9］。CH1處在碰撞初期t＝0～3 ms加速度值較低；峰值時刻出現較晚，在t＝7 ms左右，曲線形狀可簡化為峰值時刻較晚的后三角波形式。對CH1點加速度曲線進行簡化，如圖7所示。

圖7 CH1點加速度曲線簡化

簡化曲線中，在碰撞初期t＝0～3 ms曲線出現一定的凸形狀波動，在約t＝7～13 ms出現凹狀波動。凸形波動提升了前期加速度，凹狀波動也使峰值之后的加速度有所降低。如果能夠提升凸、凹波動幅度，將有利于提升前期吸能、降低HIC15平均加速度，從而降低HIC15值。

3 頭部受力分析

頭部加速度是由碰撞中發動機罩對頭部的抵抗作用產生的作用力決定的，加速度曲線波動反映了碰撞過程中所受抵抗力的變化。

3.1 頭部抵抗力產生機制

頭部沖擊發動機罩時，一方面使發動機罩產生結構變形，另一方面會帶動碰撞點附近部分發動機罩結構隨著頭部一起運動。頭部受到的抵抗力由兩部分組成：一部分是發動機罩變形抵抗力，另一部分是隨動質量抵抗力［10-12］。

頭部沖擊簡化模型如圖8所示，可將發動機罩簡化為彈簧加質量塊組合，沖擊時彈簧產生結構變形抵抗力，質量塊m2產生隨動質量抵抗力。

圖8 簡化碰撞模型

其中：F是總作用力；F1是結構變形抵抗力；F2是隨動質量抵抗力；k是彈簧剛度系數；x表示彈簧變形量。

在實際頭部與車碰撞中，k代表發動機罩等變形部件的等效剛度系數，x代表頭部侵入深度。k主要由發動機罩等變形部件的結構形式、材料力學性能決定。m2是表示發動機罩跟隨頭部運動部分的等效質量。m2與發動機罩隨動區域的范圍有關，隨動區域范圍越大、m2越大；另一方面隨動區域大小相同時，發動機罩材料密度越大，m2越大。

鋼材料發動機罩常通過調整結構鋼強度優化頭部碰撞效果，對隨動質量因素考慮相對較少。而鋁合金材料密度、彈性模量等性能參數與鋼差異較大，發動機罩的剛度系數、隨動質量因素也存在較大差別，單一優化結構鋼強度較難達到預期效果。

3.2 CH1點作用力影響分析

在模型中調整發動機罩的材料密度進行仿真，如表2所示。

表2 密度設置 g·cm-3

密度設為0.01 g／cm3時，已經遠低于初始密度值，此時隨動質量m2相對較小，隨動質量抵抗力大大降低。將模型代入DYNA進行求解，得到頭部加速度曲線，并與初始狀態結果對比，曲線如圖9所示。

圖9 改變密度加速度曲線對比

與初始結果相比，降低密度后加速度曲線發生了一定波動。在初始階段約t＝3 ms內，曲線發生一定程度的下降，在此階段由于發動機罩結構變形較小，結構變形抵抗力較低，隨動質量因素對加速度作用明顯。t＝3 ms以后曲線波動幅度相對較小，CH1點處頭部受力以結構變形抵抗力為主，隨動質量因素對加速度作用不明顯，說明在此階段結構剛度系數較大，這是由于觸底鎖扣加強板等不易變形結構造成的。鋁合金機罩CH1點隨動質量因素僅在碰撞初期對頭部加速度產生一定影響，CH1處隨動質量不足，整體作用不明顯。

將加速度曲線進行簡化，如圖10所示。密度由2.7 g／cm3降低至0.01 g／cm3后，簡化曲線在0～7 ms上升段、7～13 ms下降段近似直線，不再出現凸、凹狀波動，說明凸、凹狀波動與隨動質量抵抗力存在著重要聯系。

在模型中提升材料密度進行仿真分析，計算得到加速度對比曲線，如圖9所示；并對曲線進行簡化處理，如圖10所示。隨著密度提升，隨動區域質量增加、隨動質量抵抗力變大，簡化曲線中凸、凹狀波動幅度也呈增加趨勢。

圖10 降低密度簡化曲線對比

由于隨動質量增加，碰撞初期加速度提升，說明該階段隨動質量抵抗力與結構變形抵抗力相互疊加，提升隨動質量，有助于提升碰撞初期加速度；而峰值至反彈階段，由于隨動質量提升，頭部加速度減小，說明該階段隨動質量作用力與結構變形抵抗力相互抵消，提升隨動質量，有助于降低該階段加速度。

密度提升至5.6 g／cm3時，隨動質量抵抗力對整個碰撞過程影響顯著。鋼材料密度達7.85 g／cm3，對于鋼材料發動機罩，隨動質量因素影響較大。而鋁合金材料密度僅2.7 g／cm3，當前抗凹支架區域隨動質量因素作用不足。

由加速度曲線計算得到HIC15，如表3所示。隨著密度提升，HIC15明顯下降。說明適當增加隨動質量，有助于減小抗凹支架處頭部傷害值。

表3 不同密度下HIC15

3.3 提升抗凹支架密度分析

在模型中單獨調整抗凹支架密度進行分析。計算得到加速度曲線，如圖11所示；處理曲線計算HIC15，如表4所示。

圖11 不同抗凹支架密度下加速度曲線對比

表4 不同抗凹支架密度下HIC15

隨著密度提升，HIC15呈降低趨勢。但HIC15變化幅度、曲線變化均不顯著，說明當前鏤空式結構下，抗凹支架結構對整體隨動質量影響不顯著。

4 抗凹支架優化分析

由上述分析可知，提升隨動質量，有助于改善抗凹支架處頭部傷害值，但當前鏤空形式抗凹支架的隨動質量不足。因此提出兩種連續式抗凹支架結構，如圖12所示。

圖12 兩種連續式抗凹支架結構

形式一采用連續式抗凹支架結構，形式二在形式一基礎上增加加強筋以提升隨動區域范圍。計算得到兩種方案下加速度曲線與HIC15，分別如圖13、表5所示。

圖13 3種形式抗凹支架加速度曲線對比

表5 HIC15計算結果

兩種連續式抗凹支架結構下，結果均有所改善，HIC15值均降低。碰撞初期加速度值更高，峰值后加速度降低，說明隨動質量抵抗力變大。

形式二抗凹支架下結果改善更顯著。對比1.5 ms時刻抗凹支架變形云圖 （如圖14所示）可知，形式二中由于帶有加強筋，隨動區域范圍更大，有利于提升碰撞中的隨動質量。

圖14 抗凹支架變形云圖

5 總結

本文作者對鋁合金材料下，發動機罩抗凹支架區域的行人保護性能進行了研究。利用簡化模型對抗凹支架區域頭部碰撞進行仿真分析，對碰撞中頭部所受作用力進行了分解。通過研究不同密度下頭部加速度曲線的變化規律，分析了隨動質量抵抗力的影響效果。結合分析結果對抗凹支架結構進行優化。總結如下：

（1）與鋼材料相比，鋁合金密度偏小，碰撞中抗凹支架區域隨動質量不足。

（2）對于鋁合金抗凹支架，適當提升隨動質量抵抗力，有助于提升碰撞初期頭部加速度、降低峰值后加速度，改善HIC15。

（3）連續式抗凹支架結構有助于提升鋁合金機罩隨動質量，同時加強筋結構有助于提升連續式抗凹支架的隨動區域范圍，從而提升隨動質量抵抗力。

該研究對鋁合金材料抗凹支架等部件的結構設計具有一定參考意義。