楊 娜，劉明敏，趙桂范，蔣熊力忍

(1.哈爾濱工業(yè)大學汽車工程學院，威海 264209； 2.東風日產(chǎn)乘用車公司，廣州 510800)

2016070

基于自適應響應面法的發(fā)動機罩行人頭部保護效果研究*

楊 娜1，劉明敏2，趙桂范1，蔣熊力忍1

(1.哈爾濱工業(yè)大學汽車工程學院，威海 264209； 2.東風日產(chǎn)乘用車公司，廣州 510800)

為使發(fā)動機罩具有較好的行人保護效果，首先根據(jù)行人頭部沖擊器與原車的碰撞仿真結(jié)果，分析了影響行人頭部損傷的主要因素；接著對與各影響因素相關(guān)的發(fā)動機罩關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進行初步優(yōu)化，利用全因子試驗設計對優(yōu)化方案進行仿真；最后利用自適應響應面方法建立人-車事故中行人頭部的HIC值等效模型，確定基于車輛關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件材料、剛度匹配的行人頭部保護優(yōu)化方案，并對方案進行試驗驗證。結(jié)果表明：優(yōu)化所得的發(fā)動機罩總成材料和剛度匹配方案，使行人頭部HIC值降低約10%，發(fā)動機罩總質(zhì)量降低約15%，實現(xiàn)了測試車輛發(fā)動機罩總成對行人頭部保護性能的優(yōu)化和輕量化。

汽車被動安全；行人頭部保護；發(fā)動機罩；自適應響應面法

前言

伴隨著各國行人保護法規(guī)的相繼出臺，國內(nèi)外各大研究機構(gòu)和汽車生產(chǎn)廠商針對行人保護開展了大量的研究，行人保護工作也由開始時的研究事故原因和行人損傷機理，逐漸過渡至車輛行人保護性能的研究。

目前在行人保護的研究中多為對簡化后的發(fā)動機罩結(jié)構(gòu)進行單獨測試[1-9]，未考慮車輛其他部件的影響，且多為單點撞擊測試。由于在人-車碰撞中，行人與車輛發(fā)生碰撞后，很容易與總成中的剛性結(jié)構(gòu)發(fā)生二次碰撞，這也是造成頭部傷害的重要原因；且單點測試方式無法涵蓋試驗中各特征結(jié)構(gòu)對行人傷害值的影響，因此單點的測試方式無法滿足實際試驗需求[10-14]。

事故分析表明發(fā)動機罩對年齡較小的行人更容易造成傷害[15]，因此本文中從車輛對兒童頭部保護性能的研究出發(fā)，利用行人(兒童)頭部模型及整車有限元模型仿真人-車碰撞過程，研究有利于行人頭部保護的發(fā)動機罩總成的材料和剛度匹配問題。

1 行人頭部保護影響因素分析

1.1 頭部沖擊器撞擊試驗點的選擇

根據(jù)EEVC行人保護法規(guī)內(nèi)容，試驗前需對測試車輛的試驗區(qū)域進行劃分[16]，通過發(fā)動機罩前緣基準線、發(fā)動機罩側(cè)面基準線、發(fā)動機罩后緣基準線、包絡線(WAD1000/1250/1500/1700/1800/2100)等參考線將行人頭部試驗區(qū)域劃分為12個部分，成人、兒童頭部碰撞區(qū)域各包括6部分。兒童頭部沖擊器的試驗區(qū)域均位于發(fā)動機罩后緣與防火板之間，考慮發(fā)動機罩板的結(jié)構(gòu)對稱性，在左側(cè)3個區(qū)域內(nèi)各選取一點作為撞擊試驗點(測試點1～3)；此外，為充分考慮車輛前部總成結(jié)構(gòu)的行人保護性能，針對發(fā)動機艙內(nèi)和發(fā)動機罩的“硬點結(jié)構(gòu)”，補充選取5個點作為兒童頭部沖擊器的測試點(測試點4～8)。最終形成的兒童頭部沖擊器測試點分布如圖1所示。

圖1 兒童頭部沖擊器與原車碰撞仿真的試驗點

1.2 頭部沖擊器與原車碰撞試驗模型的建立

在不同的測試試驗點，分別建立行人頭部沖擊器和測試車輛的碰撞試驗模型。試驗時，頭部沖擊器后板端面與水平方向夾角為50o，沖擊速度為40km/h，頭部沖擊器與發(fā)動機罩外板，防火板、翼子板、玻璃等采用CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE定義接觸，車輛整車定義CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE接觸形式。頭部沖擊器和原車在測試點1的碰撞仿真試驗模型如圖2所示。

圖2 頭部沖擊器和原車在測試點1處的碰撞仿真試驗模型

1.3 原車與頭部沖擊器碰撞仿真試驗結(jié)果分析

利用安裝于頭部沖擊器模型質(zhì)心位置的傳感器，測得該點處的位移、速度和加速度曲線。頭部損傷評價標準(head injury criteria, HIC)為

(1)

式中：a(t)為測量出的頭部加速度，g；t2-t1表示在沖擊過程中記錄開始與記錄結(jié)束兩個時刻之間的某一段時間間隔，s。在該時間間隔內(nèi)HIC取最大值(t2-t1≤15ms)。在EEVC法規(guī)中HIC閾值為1 000，HIC超過1 000時會對人造成致命的傷害。根據(jù)式(1)求得的8個測試點處兒童頭部沖擊器的HIC值如表1所示。

2 行人保護型發(fā)動機罩材料優(yōu)選

本文中在試驗中選取極易對頭部造成二次傷害的發(fā)動機上方即測試點1和緩沖吸能效果較差的蓋鎖處即測試點8作為材料和剛度匹配試驗的評價點。原車模型中，發(fā)動機罩內(nèi)外板、蓋鎖和鉸鏈處加強板材料均通過MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY定義，其原始材料與備選材料的力學性能參數(shù)如表2所示。

表1 兒童頭部沖擊器與原車在各測試點位置碰撞仿真試驗的HIC值

表2 發(fā)動機罩原始材料與備選材料的力學性能參數(shù)

發(fā)動機罩外板作為首先與行人頭部沖擊器接觸的部件，其材料的力學性能對頭部損傷值的影響最為直接；發(fā)動機罩內(nèi)板作為行人頭部撞擊過程中主要的緩沖吸能結(jié)構(gòu)，其材料的力學性能不僅決定了頭部HIC值的大小，也是決定是否發(fā)生二次碰撞的關(guān)鍵因素；加強板材料的力學性能除需滿足工藝要求外，應保證鉸鏈和蓋鎖具有足夠的剛度來約束發(fā)動機罩的位移和振動，并具有足夠的變形空間和較低的垂直剛度來吸收較多的能量。

綜合考慮發(fā)動機罩的外板、內(nèi)板、鉸鏈和蓋鎖處加強板的性能要求與成形工藝，如外板常用翻邊性能良好的冷軋高強度鋼板等，分別將它們換用表2中的備選材料，其余構(gòu)件仍采用原始材料值，測試發(fā)動機罩不同材料構(gòu)件的頭部碰撞響應，得到兩評價點位置兒童頭部HIC值如表3所示。

綜合上述試驗分析可知，有益于兒童頭部保護的發(fā)動機罩總成材料匹配組合為：鉸鏈和蓋鎖處加強板選用1號材料(DC01)，發(fā)動機罩內(nèi)板選用4號材料(DC05)，發(fā)動機罩外板選用6號材料(B180H1)。

表3 換用不同材料的發(fā)動機罩后兒童頭部HIC值

3 行人保護型發(fā)動機罩剛度匹配

根據(jù)設計規(guī)則，結(jié)合測試車輛行人頭部保護的設計需要，定義各部件的厚度設計范圍，如表4所示。

表4 發(fā)動機罩總成各部件厚度的初始值及設計范圍

由于發(fā)動機罩外板和內(nèi)板采用包邊形式連接，因此發(fā)動機罩內(nèi)外板的剛度特性存在一定的交互作用。與此同理，發(fā)動機罩總成的剛度與各部件的剛度亦存在交互影響。因此試驗設計采用全面試驗設計法(full factorial experimental design)，即全因子試驗設計方法。它可以考慮到全部可能的試驗組合，獲得較多的試驗數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果比較準確可靠。每個試驗參變量因子分為3個水平，通過仿真分析得到各匹配方案在兩評價試驗點處的頭部HIC值如表5所示。

碰撞前測試點1和測試點8對應的發(fā)動機罩位置與下面的硬點結(jié)構(gòu)之間的距離分別為69和40mm。結(jié)合發(fā)動機罩碰撞的變形結(jié)果可知，方案1和方案2中，在評價點1處頭部與發(fā)動機頂部發(fā)生了二次碰撞，造成兒童頭部HIC值偏高。

通過對不同剛度匹配條件下的兒童頭部HIC值比較分析可知：(1)人-車碰撞中，決定兒童頭部傷害值大小的主要因素是發(fā)動機罩內(nèi)外板的剛度，在內(nèi)外板剛度不改變的情況下，鉸鏈處加強板剛度改變時，頭部HIC值變化較??；(2)當內(nèi)外板剛度在一定范圍內(nèi)時，隨著內(nèi)外板材料剛度的減小，評價點處的HIC值也隨之降低。當超過這一范圍時，由于發(fā)動機罩對頭部緩沖吸能作用不足，極易導致頭部與發(fā)動機艙內(nèi)部件產(chǎn)生二次碰撞。

表5 各剛度匹配方案下兩評價試驗點處兒童頭部的HIC值

4 基于自適應響應面法的發(fā)動機罩設計

4.1 自適應響應面優(yōu)化過程

在剔除發(fā)生頭部二次碰撞的方案1和方案2后，所設計部件的總質(zhì)量如表6所示，表中的m指發(fā)動機罩內(nèi)外板、包邊、蓋鎖加強板和鉸鏈加強板的總質(zhì)量。

表6 發(fā)動機罩總成剛度匹配有效試驗部件總質(zhì)量

利用最小二乘法可擬合出HIC1和HIC8關(guān)于變量x1(發(fā)動機罩外板的厚度)，x2(發(fā)動機罩內(nèi)板和蓋鎖處加強板的厚度)和x3(鉸鏈處加強板的厚度)的2階多項式自適應響應面近似函數(shù)模型為

HIC1(x1,x2,x3)=787.03-1328.38x1-297.53x2+

1313.88x1x2+8.49x1x3+11.60x2x3

(2)

HIC8(x1,x2,x3)=1810.79+114.90x1-2293.14x2-

1060.08x1x2+12.75x1x3+34.12x2x3

(3)

根據(jù)實際情況，發(fā)動機罩的質(zhì)量與部件厚度呈線性關(guān)系，因此發(fā)動機罩內(nèi)外板、蓋鎖加強板和鉸鏈加強板的總質(zhì)量采用的擬合式為

m(x1,x2,x3)=0.0024+6.7893x1+

6.0990x2+0.1069x3

(4)

(5)

(6)

表7 響應面近似模型的預測精度

運用自適應響應面近似模型進行優(yōu)化，其優(yōu)化目標與約束條件為

優(yōu)化目標(Object)：HIC1，HIC8最??；

約束(s.t.)：m≤7.5kg。

根據(jù)優(yōu)化目標和約束條件，對近似模型進行優(yōu)化迭代求解。HIC1，HIC8和m的迭代總次數(shù)設置為30，部分迭代結(jié)果如表8所示。

表8 HIC1，HIC8和m的近似模型的部分迭代求解結(jié)果

上表中迭代步5～8優(yōu)化后得到的結(jié)果均能滿足約束條件和目標值，綜合剛度匹配試驗和近似模型的迭代優(yōu)化結(jié)果可知，迭代步7～8中的剛度條件下，兒童頭部在評價點1處極易出現(xiàn)二次碰撞，未能在工程實踐中達到對頭部HIC值的真正優(yōu)化，因此，本文中采用迭代步5和6所得優(yōu)化結(jié)果。利用自適應響應面近似模型對行人頭部損傷值進行優(yōu)化的結(jié)果如表9所示。

表9 自適應響應面近似模型對行人頭部與發(fā)動機罩碰撞中損傷值的預期優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化后頭部HIC值降低約10%，發(fā)動機罩總質(zhì)量降低約15%，不僅使得兒童頭部在測試車輛的評價點1和評價點8位置的HIC值降低，達到了較好的行人頭部保護效果，同時實現(xiàn)了對發(fā)動機罩輕量化的目的。

4.2 自適應響應面優(yōu)化結(jié)果的仿真試驗驗證

針對上節(jié)自適應響應面優(yōu)化所得剛度匹配方案，進行有限元仿真驗證，結(jié)果如表10所示。

表10 優(yōu)化方案驗證試驗結(jié)果

結(jié)合頭部加速度曲線和碰撞過程變形圖可知，方案2中兒童頭部模型在評價點1位置處發(fā)生了二次碰撞，致使其HIC1值超出目標值，因此本文中不采用該種剛度匹配方案。方案1中HIC1達到了預期目標，評價點8處的HIC8略低于預期目標值，但相對于原始模型仍然對兒童頭部起到了很好的保護作用。

5 結(jié)論

(1) 在發(fā)動機罩材料優(yōu)選的基礎(chǔ)上，利用可考慮到全部可能試驗組合的全因子試驗設計法得到了發(fā)動機罩內(nèi)板、外板、蓋鎖加強板和鉸鏈加強板的初步剛度匹配結(jié)果。

(2) 通過考察復相系數(shù)及其修正系數(shù)的大小檢驗了建立的自適應響應面近似函數(shù)模型的預測精度；利用自適應響應面近似模型對發(fā)動機罩進行優(yōu)化，達到了較好的行人頭部保護效果，同時實現(xiàn)了輕量化的目的。

本研究可對行人保護型發(fā)動機罩的開發(fā)、設計提供一定的理論依據(jù)，也為以后新材料在汽車上的應用提供一種優(yōu)化的方法與思路。

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A Research on the Pedestrian Head Protection Effects ofEngine Hood Based on Adaptive Response Surface Method

Yang Na1, Liu Mingmin2, Zhao Guifan1& Jiang Xiongliren1

1.SchoolofAutomotiveEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Weihai264209;2.DongfengNissanPassengerVehicleCompany,Guangzhou510800

To obtain better pedestrian protection effect of engine hood, firstly the major factors affecting pedestrian head injury are analyzed based on the simulation results of pedestrian headform impacting original vehicle. Then the key structural parameters of engine hood related to affecting factors are preliminarily optimized and the optimization schemes are simulated by the full factorial design of experiment. Finally adaptive response surface method is used to create a HIC equivalent model for pedestrian head in pedestrian-vehicle accident, and the optimization scheme for pedestrian head protection based on the material and stiffness matching of key structural parts is determined and verified by test. The results show that with the material and stiffness matching scheme of engine hood assembly optimized, the HIC of pedestrian head lowers by around 10% and the total mass of engine hood reduces by some 15%, realizing the optimization of pedestrian head protection performance of engine hood assembly and light-weighting of test vehicle.

automotive passive safety; pedestrian head protection; engine hood; adaptive response surface method

*山東省科技發(fā)展計劃項目(2011GGX10502)資助。

原稿收到日期為2015年7月27日，修改稿收到日期為2015年11月29日。