基于兒童頭部保護的發動機罩材料輕量化

王興東，郝琪，張旺，唐有鏡

（湖北汽車工業學院汽車工程學院，湖北 十堰 442002）

道路交通事故死亡人數中行人死亡占比高達30%［1］，行人與轎車發生碰撞時最易受傷的是頭部和大腿，其中頭部傷害最致命。行人頭部在碰撞中主要與發動機罩發生接觸。發動機罩的材料和結構對行人頭部碰撞安全性能有重要影響。針對材料，李飛和Liyang Gu基于等剛度替換原則，實現鋼質發動機罩的碳纖維復合材料替換［2-3］；呂曉江等對比相同結構的碳纖維復合材料和金屬發動機罩，發現碳纖維發動機罩可有效降低峰值頭部合成加速度［4］。針對結構，王鋒等采用結構優化的方法設計出鋁合金發動機罩［5］；王新等提出可折疊變形式發動機罩鉸鏈［6］；楊姝等設計夾芯吸能式發動機罩［7］。上述研究較少考慮實車中有限空間下發動機罩下大剛度部件對行人頭部的影響。文中運用等剛度替換理論確定替換的鋁合金、碳纖維復合材料厚度，根據2018 版C-NCAP 對頭型沖擊器與整車前部模型的碰撞進行仿真，研究3種材料對兒童頭部傷害的影響。

1 有限元模型建立

1.1 車輛前端結構、發動機罩和兒童頭部模型

汽車與行人發生碰撞時，發動機罩產生變形后與艙內剛性部件（如發動機等）接觸，造成二次碰撞。為了保證研究的準確性，采用剛性材料建立某燃油車前艙內的發動機、變速箱、蓄電池、空氣濾清器的簡易模型，如圖1a 所示。由于行人頭部只與車輛的前端結構發生碰撞，車輛A柱之后的結構基本不變形［8］，只需建立車輛前端結構有限元模型進行行人頭部碰撞仿真試驗，在車身截斷處約束6個自由度，有限元模型如圖1b所示。

圖1 某燃油車前艙內部部件及整車子模型

發動機罩內板與左右鉸鏈部分使用螺栓連接。金屬發動機罩內板與加強板、內板與外板之間采用剛性焊接單元連接模擬內外板之間的壓邊連接；復合材料發動機罩內板與加強板、內板與外板之間采用膠粘連接。復合材料發動機罩層合板設計需遵循均衡對稱原則、鋪層定向原則等。研究表明，表面鋪設45°可以明顯改善復合材料的抗沖擊性，有利于載荷擴散［9］。為了最大限度利用碳纖維方向高強度和剛度的特性，選取發動機罩的內外板鋪層方案為［-45°/0°/45°/90°］s。為保證碳纖維復合材料性能，重新設計發動機罩內板，原有金屬件的鏤空以及肋板筋板位置等細微結構做填充處理，金屬和碳纖維發動機罩內板對比如圖2所示，采用殼單元進行網格劃分。

圖2 金屬內板與碳纖維內板模型

兒童頭部模型由鋁制底板、球體、加速度傳感器、合成皮膚構成，合成皮膚用橡膠材料模擬。模型直徑為165 mm，質量為3.47 kg，剖視圖見圖3。

圖3 兒童頭部模型剖視圖

1.2 有限元模型材料

鋼質發動機罩板使用DC01 鋼材、鋁合金發動機罩使用6061 鋁合金，均采用能夠反映材料彈塑性力學性能的多段線性材料MAT24進行模擬。材料參數如表1 所示。碳纖維復合材料發動機罩T300/914 采用正交各向異性MAT54/55 材料模型，能較好地模擬復合材料的漸進破壞，采用Chang-Chang 和Tsai-Wu 失效準則，材料參數［3］如表2 所示；結構膠采用MAT100 材料模型［10］，彈性模量為1515MPa，泊松比為0.41，密度為1.4×10-9t·mm-3。

表1 鋼、鋁合金材料參數

表2 T300/914材料參數

實車中輪胎采用線彈性材料MAT1 模擬。車身結構件采用MAT24模擬。實體單元與殼單元接觸中采用空材料MAT9生成實體包殼。

1.3 等剛度近似理論

根據等剛度替換理論將發動機罩外板與內板進行材料替換，初步確定替換材料厚度。單個鈑金件的剛度與厚度成非線性關系，近似關系表達為

式中：C為幾何系數；E為彈性模量；t為厚度；λ為厚度指數系數。根據式（1），材料等剛度替換前后的厚度之比為

式中：t0、t1分別為材料替換前后的厚度；E0、E1分別為材料替換前后的彈性模量。對于車身結構，λ通常取1～3［11］。復合材料層合板等效模量的計算有復合材料力學計算法和有限元軟件法［12］。根據表2，通過HyperLaminate 計算得到碳纖維發動機罩等效彈性模量為40GPa。替換前后的厚度及厚度指數系數見表3，碳纖維和金屬發動機罩的質量見表4，鋁合金質量降低32.6%，碳纖維質量降低34.8%。

表3 材料的厚度和厚度指數系數

表4 不同材料發動機罩的質量 kg

2 碰撞仿真模擬

采用頭部損傷標準HIC15來評價頭部損傷。

2.1 碰撞區域劃分及試驗點選擇

2018 版C-NCAP 定義的行人保護頭部區域為包絡線WAD1000、包絡線WAD2100 和2 條發動機罩側面基準線圍成的區域。位于WAD1000 和WAD1700之間且包含這2條包絡線的區域為兒童頭型試驗區域。由圖4可見，該車發動機罩的尺寸范圍主要為兒童碰撞區，因此文中基于兒童頭部保護進行研究。

圖4 試驗點位置示意圖

為了使兒童頭部保護的性能研究更加全面，選取對兒童頭部產生較大HIC15的試驗點?？紤]發動機罩下前艙內部的部件和空間較小的位置、發動機罩的邊緣位置，選擇10個試驗點，試驗點位置如圖4所示，試驗點信息如表5所示。

表5 試驗點信息

2.2 頭型沖擊器標定

對頭型沖擊器模型進行標定，驗證有效性。根據能量守恒，將頭部跌落高度換算為接觸速度，以初速度為2.72 m·s-1、跌落角為50°進行標定。圖5為兒童頭型沖擊器標定仿真的有限元模型。使用LS-DYNA 進行顯式計算，經過CFC1kHz 濾波得到的頭型沖擊器加速度曲線見圖6，加速度最大為284.03g，在法規規定的質心處加速度為245～300g。

圖6 頭型沖擊器加速度曲線

2.3 碰撞仿真參數設定

將頭型沖擊器導入到整車子模型，建立滿足2018 版C-NCAP 碰撞角度與速度的有限元模型。沖擊方向位于車輛縱向平面內，相對于前部結構向后下方，撞擊角度為50°，撞擊時速度為40 km·h-1。頭型沖擊器與發動機罩板、發動機罩與前艙內剛性部件表面的接觸類型為*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE，摩擦系數設定為0.2；發動機罩板總成與頭型沖擊器的接觸類型均為*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE，摩擦系數均設定為0.1。兒童頭部碰撞模型見圖7。

圖7 頭型沖擊器碰撞仿真示意圖

3 碰撞仿真結果分析

3.1 頭部傷害值

10 個碰撞危險點HIC15仿真結果見表6。由表6 可知，鋼質發動機罩有4 個點位HIC15超過閾值1000。采用鋁合金發動機罩后，新增2 個點位HIC15在1000以上，各點HIC15都不同程度升高。采用碳纖維發動機罩后，除2 個點位HIC15小幅度上升外，其余點位HIC15均不同程度下降，所有點位HIC15均在1000 以下，有效降低了碰撞時兒童頭部發生顱骨骨折的概率。

表6 頭部傷害值及變化

3.2 加速度對比分析

頭部加速度-時間曲線呈現多峰特征［13］，頭部模型撞擊機罩過程的波形可細化為3個階段，即發動機罩自身變形過程、邊界支撐介入過程、與發動機罩下硬點再碰撞過程。觀察不同材料發動機罩在相同點位的變形，撞擊點與下部剛性部件接觸情況如表7所示。

表7 碰撞結果對比

只有鋁合金發動機罩發生二次碰撞的點位C_3_6_L加速度-時間曲線如圖8a所示。鋁合金發動機罩經過變形與邊界支撐階段后與側圍支撐支架發生二次碰撞，HIC15大于鋼質發動機罩。碳纖維發動機罩由于材料在變形階段縱向剛性穩定，接觸力相較金屬塑性階段增加速率快，產生更大的加速度峰值，但到達峰值后橫向剛度低，橫向產生變形，加速度下降較快，HIC15低于金屬發動機罩。

圖8 不同點位加速度-時間曲線示意圖

3種材料均未發生二次碰撞的點位C_0_0加速度-時間曲線如圖8b 所示。鋼質和碳纖維發動機罩處于變形階段，而鋁合金發動機罩處于邊界支撐介入階段，邊界支撐增大撞擊點剛度，故鋁合金發罩加速度峰值最大。雖碳纖維發動機罩加速度峰值大于鋼質發動機罩，但第一峰值到達時間早，達到峰值后無較大的波動，故HIC15低于鋼質發動機罩。而發動機罩邊緣2個點位鉸鏈和電瓶上方，橫向變形小，HIC15略高于鋼質發動機罩。

3 種材料均發生二次碰撞的點位C_1_1_L 加速度-時間曲線如圖8c所示。發動機罩變形后，與下方發動機接觸，產生二次碰撞。鋁合金發動機罩經過變形和邊界支撐階段后殘余速度較大，峰值加速度最大。碳纖維發動機罩峰值加速度略高于鋼質發動機罩，但在峰值持續時間較短，下降較快，二次碰撞前峰值到達時間早，HIC15降低。

只有碳纖維未發生二次碰撞的點位C_2_4_R加速度-時間曲線如圖8d 所示。碳纖維發動機罩處于變形階段。金屬發動機罩與下方發動機接觸，發生二次碰撞，產生較大的頭部加速度峰值。碳纖維發動機罩加速度峰值遠小于金屬發動機罩，在變形后期，由于邊界支撐的介入，產生較小的峰值，加速度峰值到達時間最早，HIC15最低。

鋼質發動機罩發生二次碰撞的點位C_6_5_L加速度-時間曲線如圖8e 所示。鋼質發動機罩經過變形與邊界支撐階段后，與減震器發生二次碰撞，加速度峰值最大。碳纖維發動機罩在變形階段剛性較大，產生的加速度峰值大于鋁合金發動機罩，達到峰值時間較早，但達到峰值后加速度下降較快，HIC15低于鋁合金發動機罩。

3.3 變形對比分析

點位C_0_0 鋼質發動機罩與碳纖維發動機罩變形如圖9所示，碳纖維發動機罩橫向變形范圍明顯大于金屬發動機罩，兒童頭部與發動機罩發生碰撞時，更廣泛的材料參與碰撞能量吸收，兒童頭部保護性能更優。

圖9 C_0_0發動機罩變形圖

4 結論

為降低兒童頭部傷害值和實現整車輕量化，對發動機罩進行材料替換的可行性研究，得到如下結論：1）發動機罩采用碳纖維復合材料與鋼質相比減重率達34.8%，將鋼質發動機罩替換為碳纖維復合材料可以實現較好的輕量化效果。更多的材料參與變形吸能，其加速度波形有利于保護兒童頭部。2）鋁合金發動機罩雖減重率達32.6%，但是HIC15均高于鋼質發動機罩，不推薦使用鋁合金進行發動機罩的材料替換。但如果考慮經濟性，需要使用鋁合金，則要結合具體車型總布置空間，可以采用增大鋁合金發動機罩剛度或增加罩下部件與發動機罩的距離來滿足兒童頭部保護要求。碳纖維復合材料在汽車發動機罩上具有較好的應用前景。