盧 朕， 陳君毅， 王宏雁

(1.同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院、車輛工程，上海 200092;2.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院、車輛工程，上海 201804)

0 引言

復(fù)合材料因?yàn)榫哂胁牧闲阅芸梢栽O(shè)計、比強(qiáng)度高、比剛度大、抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車上的應(yīng)用比例日益增多，成為汽車輕量化技術(shù)的必要手段之一.目前，復(fù)合材料主要應(yīng)用于車身部件、燈殼罩、前后護(hù)板、保險橫杠、板彈簧、座椅架、驅(qū)動軸等部件的設(shè)計、仿真與制造，并日趨廣泛[1].

本文探討復(fù)合材料發(fā)動機(jī)罩的設(shè)計過程中，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真計算，但在仿真計算中，既要滿足靜態(tài)方面的性能指標(biāo)，意味著發(fā)動機(jī)罩需要達(dá)到一定的剛度，但過高的剛度又不利于滿足動態(tài)方面行人保護(hù)的性能指標(biāo)，而要求同時滿足這兩方面性能就是要解決這個矛盾的問題[2].這就需要將仿真結(jié)果與所要求的性能指標(biāo)對比之后，不斷就發(fā)動機(jī)罩的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行循環(huán)設(shè)計并仿真，直至在達(dá)到發(fā)動機(jī)罩靜態(tài)性能要求的基礎(chǔ)上，同時滿足動態(tài)行人保護(hù)的性能要求，形成最終復(fù)合材料發(fā)動機(jī)罩的設(shè)計方案，從而有效實(shí)現(xiàn)汽車發(fā)動機(jī)罩部件的輕量化.

1 靜態(tài)性能與動態(tài)行人保護(hù)在仿真中的問題分析

1.1 復(fù)合材料發(fā)動機(jī)罩在各工況下的性能指標(biāo)要求

發(fā)動機(jī)罩動靜態(tài)的各工況性能要求如表1所示，其中靜態(tài)性能包括扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度和模態(tài);動態(tài)性能主要為行人保護(hù)頭部碰撞.

1.2 行人保護(hù)頭部碰撞HIC值介紹

頭部傷害指標(biāo)HIC是由頭部發(fā)生碰撞時產(chǎn)生的加速度及其持續(xù)時間決定的一個物理量，其表達(dá)式為:

式中:a(t)為假人頭部質(zhì)心的合成加速度，用重力加速度g的倍數(shù)表示;T0，TE為碰撞過程的開始時間和結(jié)束時間，t1，t2應(yīng)使上式計算結(jié)果達(dá)到最大值，單位為s.

如圖1所示，在行人保護(hù)頭部碰撞過程中，仿真計算的點(diǎn)共6個.在靠近鉸鏈處和擋風(fēng)玻璃處的點(diǎn)，屬頭部碰撞高危區(qū)域，法規(guī)中要求這些頭部碰撞點(diǎn)的HIC值小于1700;而其他碰撞點(diǎn)的HIC值要求小于1000.

1.3 動態(tài)性能與靜態(tài)指標(biāo)的矛盾分析

此發(fā)動機(jī)罩與以往發(fā)動機(jī)罩的仿真有著不同之處.首先是復(fù)合材料發(fā)動機(jī)罩，而以往的仿真一般是傳統(tǒng)的鋼制件;其次，不僅要進(jìn)行剛度及模態(tài)性能的仿真，還要在行人保護(hù)頭部碰撞方面進(jìn)行仿真.雖然增加材料的厚度會提高部件的剛度，滿足了發(fā)動機(jī)罩的剛度和模態(tài)的性能，但是剛度過大不利于行人保護(hù)，并且增加了部件的材料成本.所以，既要達(dá)到發(fā)動機(jī)罩剛度和模態(tài)性能要求的基礎(chǔ)上，又要滿足行人保護(hù)頭部碰撞的安全規(guī)范，并同時盡量節(jié)約材料成本，在整個仿真過程中就是要著手解決這個問題.

仿真過程中，如果復(fù)合材料的用量多使得結(jié)構(gòu)堅固，靜態(tài)仿真計算結(jié)果好，但也由于剛度過大，導(dǎo)致動態(tài)計算結(jié)果，即對行人保護(hù)頭部碰撞會帶來不利影響，這就要求在結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料用量上著手進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到同時滿足靜態(tài)和動態(tài)兩方面的性能要求.

此外，與傳統(tǒng)鋼制件的設(shè)計思路不同，由于復(fù)合材料件的可設(shè)計性強(qiáng)，可在初始設(shè)計時適當(dāng)降低復(fù)合材料的用量，若剛度尚未達(dá)到要求，可在局部增加一些材料，直至滿足剛度和模態(tài)的性能要求，并且要保證滿足動態(tài)計算行人保護(hù)頭部碰撞的性能;若未達(dá)到動靜態(tài)的性能要求，則需要在原來的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上循序漸進(jìn)地改進(jìn)并再次仿真計算，達(dá)到靜態(tài)指標(biāo)的基礎(chǔ)上同時符合動態(tài)行人保護(hù)的性能要求.

2 動態(tài)行人保護(hù)頭部碰撞的作用研究

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

首先應(yīng)用Hypermesh軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，確定發(fā)動機(jī)罩的基本結(jié)構(gòu).如表2所示，以原鋼制件扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度作為約束條件，優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為碳板各處的厚度變化.

表2為碳纖維復(fù)合材料板的優(yōu)化指標(biāo):

表1 各個工況性能要求

碳纖維板的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖2，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化云圖的結(jié)果得出，碳板的四周需要加厚，而中間則可根據(jù)需要適當(dāng)減小厚度，可根據(jù)此拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果以及得出的結(jié)論指導(dǎo)后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計.由云圖可知，碳纖維發(fā)動機(jī)罩的四周需進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的加強(qiáng)，因而可在碳板周邊區(qū)域適當(dāng)選用三明治夾層結(jié)構(gòu).此外，根據(jù)發(fā)動機(jī)罩的配合要求，保留發(fā)動機(jī)罩的密封面，用以在閉合發(fā)動機(jī)罩時保證發(fā)動機(jī)艙的密封性[3].

表2

圖1 行人保護(hù)頭部碰撞點(diǎn)

圖2 拓?fù)鋬?yōu)化云圖

2.2 動靜態(tài)仿真對比分析

2.2.1 材料類型為單向纖維的結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，碳纖維板的四周需要加強(qiáng)，所以在最初結(jié)構(gòu)1A中四周采用三明治夾層結(jié)構(gòu)，這相當(dāng)于鋼制件的內(nèi)板結(jié)構(gòu)，如表3方案1A中的綠色部分所示.經(jīng)過仿真計算，方案1的結(jié)構(gòu)為靜態(tài)仿真結(jié)果較好，但動態(tài)仿真中行人保護(hù)頭部碰撞并不理想，在頭部碰撞的諸多點(diǎn)處如 P08，P11，P19處的HIC值均超過了1700，不符合行人保護(hù)頭部碰撞的法規(guī)要求，所以尚須圍繞行人保護(hù)頭部碰撞在結(jié)構(gòu)上改進(jìn)并仿真.

表3 方案1A的結(jié)構(gòu)設(shè)計(單向纖維)

由此看來，為提高行人保護(hù)效果，需要減少材料的用量，即減薄三明治夾層結(jié)構(gòu)中泡沫的用量，目的是為了降低整體剛度以達(dá)到良好的行人保護(hù)效果.在改進(jìn)的結(jié)構(gòu)1B中，為增強(qiáng)其整體剛度和抗凹性，在發(fā)動機(jī)罩板中間處也采用了三明治夾層結(jié)構(gòu)，碳纖維布的用料也更加節(jié)省.此外，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化云圖上來看，鉸鏈處的三明治結(jié)構(gòu)對整體剛度影響不大，并且為提高行人保護(hù)效果，在鉸鏈處不采用三明治結(jié)構(gòu)，而采用單一的碳板結(jié)構(gòu).方案1B的結(jié)構(gòu)形式在總體上來說更加趨于簡化，經(jīng)過改進(jìn)的結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果表明，其結(jié)構(gòu)形式不僅靜態(tài)性能指標(biāo)達(dá)到要求，而且在動態(tài)行人保護(hù)頭部碰撞方面也達(dá)到了較好的效果，滿足了行人保護(hù)的法規(guī)要求.由此可見，其設(shè)計方案1B可作為參考方案之一，從輕量化效果來看，復(fù)合材料部件重量達(dá)3.3kg，相比原來的鋼制件重量減輕了57.7%(原鋼制發(fā)動機(jī)罩7.8kg)，輕量化效果明顯.結(jié)構(gòu)方案1B的仿真結(jié)果如表4所示.

表4 方案1B結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果

2.2.2 材料類型為纖維織物的結(jié)構(gòu)方案

各結(jié)構(gòu)方案經(jīng)過布局甚至整體上的改進(jìn)，并經(jīng)仿真計算，達(dá)到動靜態(tài)的性能指標(biāo)后，方能得出一個較為理想的方案.根據(jù)復(fù)合材料可設(shè)計性強(qiáng)的特點(diǎn)，本著盡量節(jié)省材料的原則，設(shè)計方案2A(方案2A結(jié)構(gòu)見表5)結(jié)構(gòu)用料較少，所以方案2A的靜態(tài)仿真結(jié)果較差，尤其是扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度兩性能指標(biāo)，而動態(tài)行人保護(hù)頭部碰撞只在P01點(diǎn)處的HIC值略微超過了1700，可見行人保護(hù)的效果尚好，所以改進(jìn)方法是需要加強(qiáng)其整體剛度以提高靜態(tài)性能[4].

進(jìn)而對方案2A的結(jié)構(gòu)再次改進(jìn)，即保持原來整體結(jié)構(gòu)不改變的情況下，增加發(fā)動機(jī)罩整體和局部的碳纖維用量，從而得改進(jìn)結(jié)構(gòu)2B.經(jīng)仿真計算，方案2B不僅達(dá)到了靜態(tài)計算中各個工況的性能要求，并且行人保護(hù)頭部碰撞的HIC值也較為符合法規(guī)的要求(仿真結(jié)果如表7所示)，但所得的HIC數(shù)值上來看，有5個碰撞點(diǎn)均超過1000，可見行人保護(hù)效果并不十分明顯.從輕量化的減重效果方面來看，方案2B重量為3.16kg，減重效果達(dá)59.5%，輕量化效果較好.

表5 方案2A結(jié)構(gòu)設(shè)計(纖維織物)

表6 方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(纖維織物)

表7 方案2B和3B結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果

由于方案2A和2B的結(jié)構(gòu)形式分別在靜態(tài)和動態(tài)計算結(jié)果中均未達(dá)到特別理想的效果，所以著手從整體的結(jié)構(gòu)形式以及材料選擇上進(jìn)行改進(jìn).此后的設(shè)計方案中，考慮到材料成本和行人保護(hù)效果，方案3A的部件2大部分使用了玻璃纖維來替代碳纖維，從而得到設(shè)計方案3A的結(jié)構(gòu)形式如表6所示，其整體結(jié)構(gòu)意在提高整體剛度性能和行人保護(hù)效果.方案3A經(jīng)仿真計算，雖然滿足了靜態(tài)性能要求，但在行人保護(hù)P01點(diǎn)處頭部碰撞的HIC值超過了1700，因此并未達(dá)到行人保護(hù)的法規(guī)要求，所以需對該處的結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步改進(jìn).

設(shè)計方案3B在方案3A的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的簡化，去掉了P01點(diǎn)處周圍，也即密封面和鉸鏈位置處的泡沫夾層結(jié)構(gòu)而改用單一碳板的結(jié)構(gòu)，以此降低此處的剛度而達(dá)到保護(hù)行人頭部的效果.方案3B經(jīng)仿真計算，此種結(jié)構(gòu)不僅滿足了靜態(tài)方面的性能要求，而且也滿足了動態(tài)行人保護(hù)頭部碰撞的法規(guī)要求.輕量化效果方面，方案3B重量為3.0kg，相比原鋼制件減重效果達(dá)61.5%，減重效果明顯.結(jié)構(gòu)方案3B的仿真結(jié)果如表7 所示[5].

4 結(jié)論

各方案經(jīng)結(jié)構(gòu)和材料上的不斷改進(jìn)和仿真，終于得到了幾個較為完善的方案結(jié)構(gòu).方案1A的結(jié)構(gòu)雖然十分堅固，整體剛度較大，但不利行人保護(hù)，經(jīng)結(jié)構(gòu)上的再次改進(jìn)，也即所用的泡沫進(jìn)一步減少且均勻分布于碳板，雖然剛度稍低，但行人保護(hù)表現(xiàn)較好，可作為所選方案之一;方案2B與方案2A的整體結(jié)構(gòu)形式相同，但較2A相比，方案2B的復(fù)合材料用量在整體和局部有所增加，不僅靜態(tài)計算結(jié)果符合要求，而且行人保護(hù)效果也尚可，可列為所選方案之一;方案3B為方案3A的改進(jìn)方案，較方案3A相比，更加節(jié)省材料，即去掉了密封面和鉸鏈位置處的夾層結(jié)構(gòu)而改用單一碳板，既滿足了靜態(tài)性能要求，也滿足動態(tài)行人保護(hù)頭部碰撞的要求，較好的解決了動靜態(tài)這對矛盾的性能指標(biāo)[6].從輕量化效果上來看，方案3B比原來的鋼制件減輕了61.5%的重量，可見設(shè)計方案3B為這些方案中的最佳方案.

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