基于自适应响应面法的发动机罩行人头部保护效果研究*

杨 娜，刘明敏，赵桂范，蒋熊力忍

(1.哈尔滨工业大学汽车工程学院，威海 264209； 2.东风日产乘用车公司，广州 510800)

2016070

基于自适应响应面法的发动机罩行人头部保护效果研究*

杨 娜1，刘明敏2，赵桂范1，蒋熊力忍1

(1.哈尔滨工业大学汽车工程学院，威海 264209； 2.东风日产乘用车公司，广州 510800)

为使发动机罩具有较好的行人保护效果，首先根据行人头部冲击器与原车的碰撞仿真结果，分析了影响行人头部损伤的主要因素；接着对与各影响因素相关的发动机罩关键结构参数进行初步优化，利用全因子试验设计对优化方案进行仿真；最后利用自适应响应面方法建立人-车事故中行人头部的HIC值等效模型，确定基于车辆关键结构件材料、刚度匹配的行人头部保护优化方案，并对方案进行试验验证。结果表明：优化所得的发动机罩总成材料和刚度匹配方案，使行人头部HIC值降低约10%，发动机罩总质量降低约15%，实现了测试车辆发动机罩总成对行人头部保护性能的优化和轻量化。

汽车被动安全；行人头部保护；发动机罩；自适应响应面法

前言

伴随着各国行人保护法规的相继出台，国内外各大研究机构和汽车生产厂商针对行人保护开展了大量的研究，行人保护工作也由开始时的研究事故原因和行人损伤机理，逐渐过渡至车辆行人保护性能的研究。

目前在行人保护的研究中多为对简化后的发动机罩结构进行单独测试[1-9]，未考虑车辆其他部件的影响，且多为单点撞击测试。由于在人-车碰撞中，行人与车辆发生碰撞后，很容易与总成中的刚性结构发生二次碰撞，这也是造成头部伤害的重要原因；且单点测试方式无法涵盖试验中各特征结构对行人伤害值的影响，因此单点的测试方式无法满足实际试验需求[10-14]。

事故分析表明发动机罩对年龄较小的行人更容易造成伤害[15]，因此本文中从车辆对儿童头部保护性能的研究出发，利用行人(儿童)头部模型及整车有限元模型仿真人-车碰撞过程，研究有利于行人头部保护的发动机罩总成的材料和刚度匹配问题。

1 行人头部保护影响因素分析

1.1 头部冲击器撞击试验点的选择

根据EEVC行人保护法规内容，试验前需对测试车辆的试验区域进行划分[16]，通过发动机罩前缘基准线、发动机罩侧面基准线、发动机罩后缘基准线、包络线(WAD1000/1250/1500/1700/1800/2100)等参考线将行人头部试验区域划分为12个部分，成人、儿童头部碰撞区域各包括6部分。儿童头部冲击器的试验区域均位于发动机罩后缘与防火板之间，考虑发动机罩板的结构对称性，在左侧3个区域内各选取一点作为撞击试验点(测试点1～3)；此外，为充分考虑车辆前部总成结构的行人保护性能，针对发动机舱内和发动机罩的“硬点结构”，补充选取5个点作为儿童头部冲击器的测试点(测试点4～8)。最终形成的儿童头部冲击器测试点分布如图1所示。

图1 儿童头部冲击器与原车碰撞仿真的试验点

1.2 头部冲击器与原车碰撞试验模型的建立

在不同的测试试验点，分别建立行人头部冲击器和测试车辆的碰撞试验模型。试验时，头部冲击器后板端面与水平方向夹角为50o，冲击速度为40km/h，头部冲击器与发动机罩外板，防火板、翼子板、玻璃等采用CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE定义接触，车辆整车定义CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE接触形式。头部冲击器和原车在测试点1的碰撞仿真试验模型如图2所示。

图2 头部冲击器和原车在测试点1处的碰撞仿真试验模型

1.3 原车与头部冲击器碰撞仿真试验结果分析

利用安装于头部冲击器模型质心位置的传感器，测得该点处的位移、速度和加速度曲线。头部损伤评价标准(head injury criteria, HIC)为

(1)

式中：a(t)为测量出的头部加速度，g；t2-t1表示在冲击过程中记录开始与记录结束两个时刻之间的某一段时间间隔，s。在该时间间隔内HIC取最大值(t2-t1≤15ms)。在EEVC法规中HIC阈值为1 000，HIC超过1 000时会对人造成致命的伤害。根据式(1)求得的8个测试点处儿童头部冲击器的HIC值如表1所示。

2 行人保护型发动机罩材料优选

本文中在试验中选取极易对头部造成二次伤害的发动机上方即测试点1和缓冲吸能效果较差的盖锁处即测试点8作为材料和刚度匹配试验的评价点。原车模型中，发动机罩内外板、盖锁和铰链处加强板材料均通过MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY定义，其原始材料与备选材料的力学性能参数如表2所示。

表1 儿童头部冲击器与原车在各测试点位置碰撞仿真试验的HIC值

表2 发动机罩原始材料与备选材料的力学性能参数

发动机罩外板作为首先与行人头部冲击器接触的部件，其材料的力学性能对头部损伤值的影响最为直接；发动机罩内板作为行人头部撞击过程中主要的缓冲吸能结构，其材料的力学性能不仅决定了头部HIC值的大小，也是决定是否发生二次碰撞的关键因素；加强板材料的力学性能除需满足工艺要求外，应保证铰链和盖锁具有足够的刚度来约束发动机罩的位移和振动，并具有足够的变形空间和较低的垂直刚度来吸收较多的能量。

综合考虑发动机罩的外板、内板、铰链和盖锁处加强板的性能要求与成形工艺，如外板常用翻边性能良好的冷轧高强度钢板等，分别将它们换用表2中的备选材料，其余构件仍采用原始材料值，测试发动机罩不同材料构件的头部碰撞响应，得到两评价点位置儿童头部HIC值如表3所示。

综合上述试验分析可知，有益于儿童头部保护的发动机罩总成材料匹配组合为：铰链和盖锁处加强板选用1号材料(DC01)，发动机罩内板选用4号材料(DC05)，发动机罩外板选用6号材料(B180H1)。

表3 换用不同材料的发动机罩后儿童头部HIC值

3 行人保护型发动机罩刚度匹配

根据设计规则，结合测试车辆行人头部保护的设计需要，定义各部件的厚度设计范围，如表4所示。

表4 发动机罩总成各部件厚度的初始值及设计范围

由于发动机罩外板和内板采用包边形式连接，因此发动机罩内外板的刚度特性存在一定的交互作用。与此同理，发动机罩总成的刚度与各部件的刚度亦存在交互影响。因此试验设计采用全面试验设计法(full factorial experimental design)，即全因子试验设计方法。它可以考虑到全部可能的试验组合，获得较多的试验数据，试验结果比较准确可靠。每个试验参变量因子分为3个水平，通过仿真分析得到各匹配方案在两评价试验点处的头部HIC值如表5所示。

碰撞前测试点1和测试点8对应的发动机罩位置与下面的硬点结构之间的距离分别为69和40mm。结合发动机罩碰撞的变形结果可知，方案1和方案2中，在评价点1处头部与发动机顶部发生了二次碰撞，造成儿童头部HIC值偏高。

通过对不同刚度匹配条件下的儿童头部HIC值比较分析可知：(1)人-车碰撞中，决定儿童头部伤害值大小的主要因素是发动机罩内外板的刚度，在内外板刚度不改变的情况下，铰链处加强板刚度改变时，头部HIC值变化较小；(2)当内外板刚度在一定范围内时，随着内外板材料刚度的减小，评价点处的HIC值也随之降低。当超过这一范围时，由于发动机罩对头部缓冲吸能作用不足，极易导致头部与发动机舱内部件产生二次碰撞。

表5 各刚度匹配方案下两评价试验点处儿童头部的HIC值

4 基于自适应响应面法的发动机罩设计

4.1 自适应响应面优化过程

在剔除发生头部二次碰撞的方案1和方案2后，所设计部件的总质量如表6所示，表中的m指发动机罩内外板、包边、盖锁加强板和铰链加强板的总质量。

表6 发动机罩总成刚度匹配有效试验部件总质量

利用最小二乘法可拟合出HIC1和HIC8关于变量x1(发动机罩外板的厚度)，x2(发动机罩内板和盖锁处加强板的厚度)和x3(铰链处加强板的厚度)的2阶多项式自适应响应面近似函数模型为

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)

根据实际情况，发动机罩的质量与部件厚度呈线性关系，因此发动机罩内外板、盖锁加强板和铰链加强板的总质量采用的拟合式为

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

6.0990x2+0.1069x3

(4)

(5)

(6)

表7 响应面近似模型的预测精度

运用自适应响应面近似模型进行优化，其优化目标与约束条件为

优化目标(Object)：HIC1，HIC8最小；

约束(s.t.)：m≤7.5kg。

根据优化目标和约束条件，对近似模型进行优化迭代求解。HIC1，HIC8和m的迭代总次数设置为30，部分迭代结果如表8所示。

表8 HIC1，HIC8和m的近似模型的部分迭代求解结果

上表中迭代步5～8优化后得到的结果均能满足约束条件和目标值，综合刚度匹配试验和近似模型的迭代优化结果可知，迭代步7～8中的刚度条件下，儿童头部在评价点1处极易出现二次碰撞，未能在工程实践中达到对头部HIC值的真正优化，因此，本文中采用迭代步5和6所得优化结果。利用自适应响应面近似模型对行人头部损伤值进行优化的结果如表9所示。

表9 自适应响应面近似模型对行人头部与发动机罩碰撞中损伤值的预期优化结果

优化后头部HIC值降低约10%，发动机罩总质量降低约15%，不仅使得儿童头部在测试车辆的评价点1和评价点8位置的HIC值降低，达到了较好的行人头部保护效果，同时实现了对发动机罩轻量化的目的。

4.2 自适应响应面优化结果的仿真试验验证

针对上节自适应响应面优化所得刚度匹配方案，进行有限元仿真验证，结果如表10所示。

表10 优化方案验证试验结果

结合头部加速度曲线和碰撞过程变形图可知，方案2中儿童头部模型在评价点1位置处发生了二次碰撞，致使其HIC1值超出目标值，因此本文中不采用该种刚度匹配方案。方案1中HIC1达到了预期目标，评价点8处的HIC8略低于预期目标值，但相对于原始模型仍然对儿童头部起到了很好的保护作用。

5 结论

(1) 在发动机罩材料优选的基础上，利用可考虑到全部可能试验组合的全因子试验设计法得到了发动机罩内板、外板、盖锁加强板和铰链加强板的初步刚度匹配结果。

(2) 通过考察复相系数及其修正系数的大小检验了建立的自适应响应面近似函数模型的预测精度；利用自适应响应面近似模型对发动机罩进行优化，达到了较好的行人头部保护效果，同时实现了轻量化的目的。

本研究可对行人保护型发动机罩的开发、设计提供一定的理论依据，也为以后新材料在汽车上的应用提供一种优化的方法与思路。

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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

*山东省科技发展计划项目(2011GGX10502)资助。

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