王興東，郝琪，張旺，唐有鏡

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

道路交通事故死亡人數(shù)中行人死亡占比高達(dá)30%［1］，行人與轎車發(fā)生碰撞時(shí)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(fā)動(dòng)機(jī)罩發(fā)生接觸。發(fā)動(dòng)機(jī)罩的材料和結(jié)構(gòu)對(duì)行人頭部碰撞安全性能有重要影響。針對(duì)材料，李飛和Liyang Gu基于等剛度替換原則，實(shí)現(xiàn)鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩的碳纖維復(fù)合材料替換［2-3］；呂曉江等對(duì)比相同結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料和金屬發(fā)動(dòng)機(jī)罩，發(fā)現(xiàn)碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)罩可有效降低峰值頭部合成加速度［4］。針對(duì)結(jié)構(gòu)，王鋒等采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法設(shè)計(jì)出鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩［5］；王新等提出可折疊變形式發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈［6］；楊姝等設(shè)計(jì)夾芯吸能式發(fā)動(dòng)機(jī)罩［7］。上述研究較少考慮實(shí)車中有限空間下發(fā)動(dòng)機(jī)罩下大剛度部件對(duì)行人頭部的影響。文中運(yùn)用等剛度替換理論確定替換的鋁合金、碳纖維復(fù)合材料厚度，根據(jù)2018 版C-NCAP 對(duì)頭型沖擊器與整車前部模型的碰撞進(jìn)行仿真，研究3種材料對(duì)兒童頭部傷害的影響。

1 有限元模型建立

1.1 車輛前端結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)罩和兒童頭部模型

汽車與行人發(fā)生碰撞時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)罩產(chǎn)生變形后與艙內(nèi)剛性部件（如發(fā)動(dòng)機(jī)等）接觸，造成二次碰撞。為了保證研究的準(zhǔn)確性，采用剛性材料建立某燃油車前艙內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、蓄電池、空氣濾清器的簡(jiǎn)易模型，如圖1a 所示。由于行人頭部只與車輛的前端結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，車輛A柱之后的結(jié)構(gòu)基本不變形［8］，只需建立車輛前端結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行行人頭部碰撞仿真試驗(yàn)，在車身截?cái)嗵幖s束6個(gè)自由度，有限元模型如圖1b所示。

圖1 某燃油車前艙內(nèi)部部件及整車子模型

發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板與左右鉸鏈部分使用螺栓連接。金屬發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板與加強(qiáng)板、內(nèi)板與外板之間采用剛性焊接單元連接模擬內(nèi)外板之間的壓邊連接；復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板與加強(qiáng)板、內(nèi)板與外板之間采用膠粘連接。復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩層合板設(shè)計(jì)需遵循均衡對(duì)稱原則、鋪層定向原則等。研究表明，表面鋪設(shè)45°可以明顯改善復(fù)合材料的抗沖擊性，有利于載荷擴(kuò)散［9］。為了最大限度利用碳纖維方向高強(qiáng)度和剛度的特性，選取發(fā)動(dòng)機(jī)罩的內(nèi)外板鋪層方案為［-45°/0°/45°/90°］s。為保證碳纖維復(fù)合材料性能，重新設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板，原有金屬件的鏤空以及肋板筋板位置等細(xì)微結(jié)構(gòu)做填充處理，金屬和碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板對(duì)比如圖2所示，采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖2 金屬內(nèi)板與碳纖維內(nèi)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(gòu)成，合成皮膚用橡膠材料模擬。模型直徑為165 mm，質(zhì)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(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板使用DC01 鋼材、鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩使用6061 鋁合金，均采用能夠反映材料彈塑性力學(xué)性能的多段線性材料MAT24進(jìn)行模擬。材料參數(shù)如表1 所示。碳纖維復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩T300/914 采用正交各向異性MAT54/55 材料模型，能較好地模擬復(fù)合材料的漸進(jìn)破壞，采用Chang-Chang 和Tsai-Wu 失效準(zhǔn)則，材料參數(shù)［3］如表2 所示；結(jié)構(gòu)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(shù)

表2 T300/914材料參數(shù)

實(shí)車中輪胎采用線彈性材料MAT1 模擬。車身結(jié)構(gòu)件采用MAT24模擬。實(shí)體單元與殼單元接觸中采用空材料MAT9生成實(shí)體包殼。

1.3 等剛度近似理論

根據(jù)等剛度替換理論將發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板與內(nèi)板進(jìn)行材料替換，初步確定替換材料厚度。單個(gè)鈑金件的剛度與厚度成非線性關(guān)系，近似關(guān)系表達(dá)為

式中：C為幾何系數(shù)；E為彈性模量；t為厚度；λ為厚度指數(shù)系數(shù)。根據(jù)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(duì)于車身結(jié)構(gòu)，λ通常取1～3［11］。復(fù)合材料層合板等效模量的計(jì)算有復(fù)合材料力學(xué)計(jì)算法和有限元軟件法［12］。根據(jù)表2，通過HyperLaminate 計(jì)算得到碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)罩等效彈性模量為40GPa。替換前后的厚度及厚度指數(shù)系數(shù)見表3，碳纖維和金屬發(fā)動(dòng)機(jī)罩的質(zhì)量見表4，鋁合金質(zhì)量降低32.6%，碳纖維質(zhì)量降低34.8%。

表3 材料的厚度和厚度指數(shù)系數(shù)

表4 不同材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩的質(zhì)量 kg

2 碰撞仿真模擬

采用頭部損傷標(biāo)準(zhǔn)HIC15來評(píng)價(jià)頭部損傷。

2.1 碰撞區(qū)域劃分及試驗(yàn)點(diǎn)選擇

2018 版C-NCAP 定義的行人保護(hù)頭部區(qū)域?yàn)榘j(luò)線WAD1000、包絡(luò)線WAD2100 和2 條發(fā)動(dòng)機(jī)罩側(cè)面基準(zhǔn)線圍成的區(qū)域。位于WAD1000 和WAD1700之間且包含這2條包絡(luò)線的區(qū)域?yàn)閮和^型試驗(yàn)區(qū)域。由圖4可見，該車發(fā)動(dòng)機(jī)罩的尺寸范圍主要為兒童碰撞區(qū)，因此文中基于兒童頭部保護(hù)進(jìn)行研究。

圖4 試驗(yàn)點(diǎn)位置示意圖

為了使兒童頭部保護(hù)的性能研究更加全面，選取對(duì)兒童頭部產(chǎn)生較大HIC15的試驗(yàn)點(diǎn)?？紤]發(fā)動(dòng)機(jī)罩下前艙內(nèi)部的部件和空間較小的位置、發(fā)動(dòng)機(jī)罩的邊緣位置，選擇10個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，試驗(yàn)點(diǎn)位置如圖4所示，試驗(yàn)點(diǎn)信息如表5所示。

表5 試驗(yàn)點(diǎn)信息

2.2 頭型沖擊器標(biāo)定

對(duì)頭型沖擊器模型進(jìn)行標(biāo)定，驗(yàn)證有效性。根據(jù)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(jìn)行標(biāo)定。圖5為兒童頭型沖擊器標(biāo)定仿真的有限元模型。使用LS-DYNA 進(jìn)行顯式計(jì)算，經(jīng)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(guī)規(guī)定的質(zhì)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(shù)設(shè)定

將頭型沖擊器導(dǎo)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(nèi)，相對(duì)于前部結(jié)構(gòu)向后下方，撞擊角度為50°，撞擊時(shí)速度為40 km·h-1。頭型沖擊器與發(fā)動(dòng)機(jī)罩板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前艙內(nèi)剛性部件表面的接觸類型為*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE，摩擦系數(shù)設(shè)定為0.2；發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)均設(shè)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(jié)果分析

3.1 頭部傷害值

10 個(gè)碰撞危險(xiǎn)點(diǎn)HIC15仿真結(jié)果見表6。由表6 可知，鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩有4 個(gè)點(diǎn)位HIC15超過閾值1000。采用鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩后，新增2 個(gè)點(diǎn)位HIC15在1000以上，各點(diǎn)HIC15都不同程度升高。采用碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)罩后，除2 個(gè)點(diǎn)位HIC15小幅度上升外，其余點(diǎn)位HIC15均不同程度下降，所有點(diǎn)位HIC15均在1000 以下，有效降低了碰撞時(shí)兒童頭部發(fā)生顱骨骨折的概率。

表6 頭部傷害值及變化

3.2 加速度對(duì)比分析

頭部加速度-時(shí)間曲線呈現(xiàn)多峰特征［13］，頭部模型撞擊機(jī)罩過程的波形可細(xì)化為3個(gè)階段，即發(fā)動(dòng)機(jī)罩自身變形過程、邊界支撐介入過程、與發(fā)動(dòng)機(jī)罩下硬點(diǎn)再碰撞過程。觀察不同材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩在相同點(diǎn)位的變形，撞擊點(diǎn)與下部剛性部件接觸情況如表7所示。

表7 碰撞結(jié)果對(duì)比

只有鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩發(fā)生二次碰撞的點(diǎn)位C_3_6_L加速度-時(shí)間曲線如圖8a所示。鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩經(jīng)過變形與邊界支撐階段后與側(cè)圍支撐支架發(fā)生二次碰撞，HIC15大于鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩。碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)罩由于材料在變形階段縱向剛性穩(wěn)定，接觸力相較金屬塑性階段增加速率快，產(chǎn)生更大的加速度峰值，但到達(dá)峰值后橫向剛度低，橫向產(chǎn)生變形，加速度下降較快，HIC15低于金屬發(fā)動(dòng)機(jī)罩。

圖8 不同點(diǎn)位加速度-時(shí)間曲線示意圖

3種材料均未發(fā)生二次碰撞的點(diǎn)位C_0_0加速度-時(shí)間曲線如圖8b 所示。鋼質(zhì)和碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)罩處于變形階段，而鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩處于邊界支撐介入階段，邊界支撐增大撞擊點(diǎn)剛度，故鋁合金發(fā)罩加速度峰值最大。雖碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)罩加速度峰值大于鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩，但第一峰值到達(dá)時(shí)間早，達(dá)到峰值后無(wú)較大的波動(dòng)，故HIC15低于鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩。而發(fā)動(dòng)機(jī)罩邊緣2個(gè)點(diǎn)位鉸鏈和電瓶上方，橫向變形小，HIC15略高于鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩。

3 種材料均發(fā)生二次碰撞的點(diǎn)位C_1_1_L 加速度-時(shí)間曲線如圖8c所示。發(fā)動(dòng)機(jī)罩變形后，與下方發(fā)動(dòng)機(jī)接觸，產(chǎn)生二次碰撞。鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩經(jīng)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(fā)動(dòng)機(jī)罩峰值加速度略高于鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩，但在峰值持續(xù)時(shí)間較短，下降較快，二次碰撞前峰值到達(dá)時(shí)間早，HIC15降低。

只有碳纖維未發(fā)生二次碰撞的點(diǎn)位C_2_4_R加速度-時(shí)間曲線如圖8d 所示。碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)罩處于變形階段。金屬發(fā)動(dòng)機(jī)罩與下方發(fā)動(dòng)機(jī)接觸，發(fā)生二次碰撞，產(chǎn)生較大的頭部加速度峰值。碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)罩加速度峰值遠(yuǎn)小于金屬發(fā)動(dòng)機(jī)罩，在變形后期，由于邊界支撐的介入，產(chǎn)生較小的峰值，加速度峰值到達(dá)時(shí)間最早，HIC15最低。

鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩發(fā)生二次碰撞的點(diǎn)位C_6_5_L加速度-時(shí)間曲線如圖8e 所示。鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩經(jīng)過變形與邊界支撐階段后，與減震器發(fā)生二次碰撞，加速度峰值最大。碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)罩在變形階段剛性較大，產(chǎn)生的加速度峰值大于鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩，達(dá)到峰值時(shí)間較早，但達(dá)到峰值后加速度下降較快，HIC15低于鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩。

3.3 變形對(duì)比分析

點(diǎn)位C_0_0 鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩與碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)罩變形如圖9所示，碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)罩橫向變形范圍明顯大于金屬發(fā)動(dòng)機(jī)罩，兒童頭部與發(fā)動(dòng)機(jī)罩發(fā)生碰撞時(shí)，更廣泛的材料參與碰撞能量吸收，兒童頭部保護(hù)性能更優(yōu)。

圖9 C_0_0發(fā)動(dòng)機(jī)罩變形圖

4 結(jié)論

為降低兒童頭部傷害值和實(shí)現(xiàn)整車輕量化，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩進(jìn)行材料替換的可行性研究，得到如下結(jié)論：1）發(fā)動(dòng)機(jī)罩采用碳纖維復(fù)合材料與鋼質(zhì)相比減重率達(dá)34.8%，將鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩替換為碳纖維復(fù)合材料可以實(shí)現(xiàn)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(hù)兒童頭部。2）鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩雖減重率達(dá)32.6%，但是HIC15均高于鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩，不推薦使用鋁合金進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)罩的材料替換。但如果考慮經(jīng)濟(jì)性，需要使用鋁合金，則要結(jié)合具體車型總布置空間，可以采用增大鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩剛度或增加罩下部件與發(fā)動(dòng)機(jī)罩的距離來滿足兒童頭部保護(hù)要求。碳纖維復(fù)合材料在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩上具有較好的應(yīng)用前景。