基于RADIOSS的復合材料發動機罩行人保護研究

石紀軍，沈永旭， 劉南南

(賽史品威奧(唐山)結構復合材料有限公司，河北唐山 064099)

0 引言

隨著我國汽車保有量的迅速增加，道路交通事故和事故中傷亡人數也在迅猛增加。我國《汽車對行人的碰撞保護》于2010年9月開始實施。事故中行人頭部是關鍵受傷害部位，頭部在受猛烈撞擊后往往會出現嚴重的顱腦損傷，嚴重時會危及生命。因此開展發動機罩的行人頭部保護研究就顯得尤為重要[1]。

目前發動機罩內外板材質多為成型性能較好的鋼板，亦有部分車型采用鋁質機罩。隨著汽車輕量化需求的不斷加深，近幾年已有汽車廠家、高校科研團隊將目光聚焦于低密度、高強度、力學性能優異的復合材料。但相較于日趨完善、系統的鈑金發動機罩研究，復合材料發動機罩研究工作仍處于初期階段，尤其是行人保護的研究，相關資料甚少。

針對上述問題，本文作者將采用有限元法，以國內某款車型的鋁質發動機罩為例，通過調整內外板厚度為其重新建立復合材料方案，并與現有結構的行人頭碰仿真分析結果進行對比，說明復合材料發動機罩在保證輕量化需求的同時亦能夠滿足行人頭部保護的需要。

1 發動機罩頭碰有限元模型創建

1.1 發動機罩內外板材料及厚度選擇

鋁質發動機罩外板厚度為1.0 mm，內板厚度為0.9 mm，機罩總質量約為14.41 kg；而文中分析所采用的復合材料方案，機罩外板厚度為1.1 mm，材質選用預浸漬長玻纖增強復合材料PCM，內板厚度為1.5 mm，材質選用SMC復合材料，機罩總質量約為10.17 kg，相比鋁材結構減重4.24 kg。

表1所示為鋁材和復合材料參數對比。

表1 鋁材和復合材料參數對比

1.2 建立發動機罩有限元模型

有限元建模使用的前處理工具為HyperMesh，求解器為RADIOSS，后處理工具為HyperView。采用HyperMesh軟件將發動機罩劃分成殼單元網格，網格基礎尺寸8 mm，有限元模型如圖1所示[2]。

圖1 發動機罩有限元模型

在處理發動機罩內外板及附件裝配關系時需注意區別處理：

(1)鋁質發動機罩:內外板通過壓邊的方式連接。支架和內板之間通過鉚接、螺栓等形式連接，可利用剛性單元來模擬；

(2)復合材料發動機罩:內外板、支架和內板之間均通過黏接方式連接，可利用SPRING2N單元來模擬；

(3)隔熱墊、密封條等附件，對行人頭碰結果影響很小，建模時不考慮；

(4)文中分析只作對比使用，不考慮發動機罩與機艙、A柱等周邊件的空間布置安全距離，即除發動機罩、鉸鏈、機罩鎖鉤外，仿真模型不含其他周邊件。

1.3 成人頭部有限元模型

根據EEVC/WG17所規定的要求建立一個頭部有限元模型，所建頭部模型如圖2所示。

圖2 頭部有限元模型

頭部模型主要分為頭皮和頭骨兩層球體模型，通常成人頭部模型質量4.5 kg，兒童頭部模型質量3.5 kg[3]。文中分析結果僅為對比使用，故只采用成人頭部模型，賦予其碰撞初始速度9.7 m/s，沿與水平線呈65°的方向撞擊發動機罩，如圖3所示，圖中θ=65°。

圖3 頭部模型與車體撞擊示意

1.4 建立發動機罩頭碰仿真模型

將發動機罩和頭部模型的有限元模型導入HyperMesh進行碰撞仿真分析，如圖4所示。

圖4 頭部碰撞有限元模型

此時需注意如下幾點：

(1)發動機罩鉸鏈安裝點需全約束，放開鉸鏈轉軸的轉動自由度；前部鎖鉤放開X向轉動，其余自由度全部約束；

(2)頭部模型外表面單元與機罩外板之間、機罩自身均采用自接觸，即接觸類型選擇TYPE7；

(3)模型網格單元不允許存在穿透及干涉情況。

考慮到分析結果僅作為對比使用，將在發動機罩外板上主觀選取5個頭部撞擊點，如圖5所示，觀察各撞擊點的加速度-時間歷程曲線，并將頭部損傷指標HIC作為評價頭部損傷程度的依據。

圖5 頭部碰撞點分布圖

1.5 行人保護頭部傷害評定

針對發動機罩的行人頭部保護評價，行業內應用較為廣泛的方式是采用頭部損傷指標值(Head Injury Criterion，HIC)來評價行人頭部損傷程度。常見以HIC=1 000作為評價頭部損傷的指標限值，若HIC值低于1 000，則視為行人頭部損傷程度可接受，若高于1 000，則視具體情況對發動機罩及周邊結構進行優化。

HIC值的計算公式為：

(1)

式中:t2-t1為HIC值達到最大值的時間間隔，要求不超過15 ms，即時間間隔大于15 ms的加速度值將被忽略；a(t)為行人頭部質心的合成加速度，常用重力加速度的倍數表示[4]。

2 復合材料與鋁質發動機罩的行人頭部保護效果比較

利用RADIOSS求解器對頭部碰撞模型進行計算，得到兩種材質的發動機罩在各撞擊點的加速度-時間曲線的對比結果。

(1)頭碰撞擊點P1

如圖6所示，頭部模型撞擊到發動機罩中后部位置，鋁質發動機罩在頭碰撞擊點P1的加速度峰值為104.5 g，而復合材料發動機罩在撞擊點P1的加速度峰值為63.9 g，明顯低于鋁質機罩水平。

圖6 撞擊點P1加速度-時間曲線

(2)頭碰撞擊點P2

如圖7所示，頭部模型撞擊到發動機罩左后部位置，鋁質發動機罩在頭碰撞擊點P2的加速度峰值為110 g，而復合材料發動機罩在撞擊點P2的加速度峰值為71.4 g。

圖7 撞擊點P2加速度-時間曲線

(3)頭碰撞擊點P3

如圖8所示，頭部模型撞擊到發動機罩中后部偏左位置，鋁質發動機罩在頭碰撞擊點P3的加速度峰值為81.8 g，而復合材料發動機罩在撞擊點P3的加速度峰值為59.5 g。

圖8 撞擊點P3加速度-時間曲線

(4)頭碰撞擊點P4

如圖9所示，頭部模型撞擊到發動機罩中前部偏左位置，鋁質發動機罩在頭碰撞擊點P4的加速度峰值為101.3 g，而復合材料發動機罩在撞擊點P4的加速度峰值為56.7 g。

圖9 撞擊點P4加速度-時間曲線

(5)頭碰撞擊點P5

如圖10所示，頭部模型撞擊到發動機罩中前部位置，鋁質發動機罩在頭碰撞擊點P5的加速度峰值為105.4 g，而復合材料發動機罩在撞擊點P5的加速度峰值為83.9 g。

圖10 撞擊點P5加速度-時間曲線

通過各撞擊點的加速度-時間曲線圖可知，相同的撞擊點，在撞擊復合材料發動機罩時，頭部模型的加速度峰值均明顯低于鋁質發動機罩，即復合材料發動機罩頭部撞擊瞬間產生的加速度相對更小。

經計算，復合材料發動機罩與鋁質發動機罩的HIC值均小于1 000，即兩種材質發動機罩均滿足行人保護要求；同時，復合材料發動機罩在相同撞擊點的HIC值均低于鋁質發動機罩。頭部損傷值越低，則代表頭部受到的撞擊程度越低，對行人頭部的保護效果就越好。

加速度峰值和HIC值統計數據詳見表2。

表2 加速度峰值和HIC值結果統計表

3 結論

通過對某款鋁質發動機罩開展頭碰仿真分析并對比分析結果，可以得到結論：

(1)從質量上看，鋁質發動機罩外板厚度為1.0 mm，內板厚度為0.9 mm，機罩總質量約為14.41 kg；采用復合材料方案，機罩外板厚度為1.1 mm，內板厚度為1.5 mm，機罩總質量約為10.17 kg，相比鋁材結構減重4.24 kg，即質量上降低了29.4%，可以滿足更高的輕量化需求；

(2)從頭碰加速度結果來看，采用復合材料發動機罩的頭碰加速度峰值低于鋁質發動機罩，而頭碰加速度的減小，也從側面反映出復合材料發動機罩碰撞吸能的效果要更好；

(3)從頭碰損傷值HIC結果來看，采用復合材料發動機罩的頭部損傷值HIC明顯要低于鋁質發動機罩，即頭部模型在撞擊復合材料發動機罩時受的損傷更小，亦可理解為對行人頭部的保護能力更優。

綜上所述，針對同一款發動機罩，文中分析所采用的復合材料方案不但在輕量化效果上優于現有鋁質結構，同時具有更優的行人頭部保護性能，說明只要結構設計得當，復合材料發動機罩亦可以滿足行人保護需求，具有非常好的應用前景。