基于儿童头部保护的发动机罩材料轻量化

王兴东，郝琪，张旺，唐有镜

（湖北汽车工业学院汽车工程学院，湖北 十堰 442002）

道路交通事故死亡人数中行人死亡占比高达30%［1］，行人与轿车发生碰撞时最易受伤的是头部和大腿，其中头部伤害最致命。行人头部在碰撞中主要与发动机罩发生接触。发动机罩的材料和结构对行人头部碰撞安全性能有重要影响。针对材料，李飞和Liyang Gu基于等刚度替换原则，实现钢质发动机罩的碳纤维复合材料替换［2-3］；吕晓江等对比相同结构的碳纤维复合材料和金属发动机罩，发现碳纤维发动机罩可有效降低峰值头部合成加速度［4］。针对结构，王锋等采用结构优化的方法设计出铝合金发动机罩［5］；王新等提出可折叠变形式发动机罩铰链［6］；杨姝等设计夹芯吸能式发动机罩［7］。上述研究较少考虑实车中有限空间下发动机罩下大刚度部件对行人头部的影响。文中运用等刚度替换理论确定替换的铝合金、碳纤维复合材料厚度，根据2018 版C-NCAP 对头型冲击器与整车前部模型的碰撞进行仿真，研究3种材料对儿童头部伤害的影响。

1 有限元模型建立

1.1 车辆前端结构、发动机罩和儿童头部模型

汽车与行人发生碰撞时，发动机罩产生变形后与舱内刚性部件（如发动机等）接触，造成二次碰撞。为了保证研究的准确性，采用刚性材料建立某燃油车前舱内的发动机、变速箱、蓄电池、空气滤清器的简易模型，如图1a 所示。由于行人头部只与车辆的前端结构发生碰撞，车辆A柱之后的结构基本不变形［8］，只需建立车辆前端结构有限元模型进行行人头部碰撞仿真试验，在车身截断处约束6个自由度，有限元模型如图1b所示。

图1 某燃油车前舱内部部件及整车子模型

发动机罩内板与左右铰链部分使用螺栓连接。金属发动机罩内板与加强板、内板与外板之间采用刚性焊接单元连接模拟内外板之间的压边连接；复合材料发动机罩内板与加强板、内板与外板之间采用胶粘连接。复合材料发动机罩层合板设计需遵循均衡对称原则、铺层定向原则等。研究表明，表面铺设45°可以明显改善复合材料的抗冲击性，有利于载荷扩散［9］。为了最大限度利用碳纤维方向高强度和刚度的特性，选取发动机罩的内外板铺层方案为［-45°/0°/45°/90°］s。为保证碳纤维复合材料性能，重新设计发动机罩内板，原有金属件的镂空以及肋板筋板位置等细微结构做填充处理，金属和碳纤维发动机罩内板对比如图2所示，采用壳单元进行网格划分。

图2 金属内板与碳纤维内板模型

儿童头部模型由铝制底板、球体、加速度传感器、合成皮肤构成，合成皮肤用橡胶材料模拟。模型直径为165 mm，质量为3.47 kg，剖视图见图3。

图3 儿童头部模型剖视图

1.2 有限元模型材料

钢质发动机罩板使用DC01 钢材、铝合金发动机罩使用6061 铝合金，均采用能够反映材料弹塑性力学性能的多段线性材料MAT24进行模拟。材料参数如表1 所示。碳纤维复合材料发动机罩T300/914 采用正交各向异性MAT54/55 材料模型，能较好地模拟复合材料的渐进破坏，采用Chang-Chang 和Tsai-Wu 失效准则，材料参数［3］如表2 所示；结构胶采用MAT100 材料模型［10］，弹性模量为1515MPa，泊松比为0.41，密度为1.4×10-9t·mm-3。

表1 钢、铝合金材料参数

表2 T300/914材料参数

实车中轮胎采用线弹性材料MAT1 模拟。车身结构件采用MAT24模拟。实体单元与壳单元接触中采用空材料MAT9生成实体包壳。

1.3 等刚度近似理论

根据等刚度替换理论将发动机罩外板与内板进行材料替换，初步确定替换材料厚度。单个钣金件的刚度与厚度成非线性关系，近似关系表达为

式中：C为几何系数；E为弹性模量；t为厚度；λ为厚度指数系数。根据式（1），材料等刚度替换前后的厚度之比为

式中：t0、t1分别为材料替换前后的厚度；E0、E1分别为材料替换前后的弹性模量。对于车身结构，λ通常取1～3［11］。复合材料层合板等效模量的计算有复合材料力学计算法和有限元软件法［12］。根据表2，通过HyperLaminate 计算得到碳纤维发动机罩等效弹性模量为40GPa。替换前后的厚度及厚度指数系数见表3，碳纤维和金属发动机罩的质量见表4，铝合金质量降低32.6%，碳纤维质量降低34.8%。

表3 材料的厚度和厚度指数系数

表4 不同材料发动机罩的质量 kg

2 碰撞仿真模拟

采用头部损伤标准HIC15来评价头部损伤。

2.1 碰撞区域划分及试验点选择

2018 版C-NCAP 定义的行人保护头部区域为包络线WAD1000、包络线WAD2100 和2 条发动机罩侧面基准线围成的区域。位于WAD1000 和WAD1700之间且包含这2条包络线的区域为儿童头型试验区域。由图4可见，该车发动机罩的尺寸范围主要为儿童碰撞区，因此文中基于儿童头部保护进行研究。

图4 试验点位置示意图

为了使儿童头部保护的性能研究更加全面，选取对儿童头部产生较大HIC15的试验点。考虑发动机罩下前舱内部的部件和空间较小的位置、发动机罩的边缘位置，选择10个试验点，试验点位置如图4所示，试验点信息如表5所示。

表5 试验点信息

2.2 头型冲击器标定

对头型冲击器模型进行标定，验证有效性。根据能量守恒，将头部跌落高度换算为接触速度，以初速度为2.72 m·s-¹、跌落角为50°进行标定。图5为儿童头型冲击器标定仿真的有限元模型。使用LS-DYNA 进行显式计算，经过CFC1kHz 滤波得到的头型冲击器加速度曲线见图6，加速度最大为284.03g，在法规规定的质心处加速度为245～300g。

图6 头型冲击器加速度曲线

2.3 碰撞仿真参数设定

将头型冲击器导入到整车子模型，建立满足2018 版C-NCAP 碰撞角度与速度的有限元模型。冲击方向位于车辆纵向平面内，相对于前部结构向后下方，撞击角度为50°，撞击时速度为40 km·h-¹。头型冲击器与发动机罩板、发动机罩与前舱内刚性部件表面的接触类型为*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE，摩擦系数设定为0.2；发动机罩板总成与头型冲击器的接触类型均为*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE，摩擦系数均设定为0.1。儿童头部碰撞模型见图7。

图7 头型冲击器碰撞仿真示意图

3 碰撞仿真结果分析

3.1 头部伤害值

10 个碰撞危险点HIC15仿真结果见表6。由表6 可知，钢质发动机罩有4 个点位HIC15超过阈值1000。采用铝合金发动机罩后，新增2 个点位HIC15在1000以上，各点HIC15都不同程度升高。采用碳纤维发动机罩后，除2 个点位HIC15小幅度上升外，其余点位HIC15均不同程度下降，所有点位HIC15均在1000 以下，有效降低了碰撞时儿童头部发生颅骨骨折的概率。

表6 头部伤害值及变化

3.2 加速度对比分析

头部加速度-时间曲线呈现多峰特征［13］，头部模型撞击机罩过程的波形可细化为3个阶段，即发动机罩自身变形过程、边界支撑介入过程、与发动机罩下硬点再碰撞过程。观察不同材料发动机罩在相同点位的变形，撞击点与下部刚性部件接触情况如表7所示。

表7 碰撞结果对比

只有铝合金发动机罩发生二次碰撞的点位C_3_6_L加速度-时间曲线如图8a所示。铝合金发动机罩经过变形与边界支撑阶段后与侧围支撑支架发生二次碰撞，HIC15大于钢质发动机罩。碳纤维发动机罩由于材料在变形阶段纵向刚性稳定，接触力相较金属塑性阶段增加速率快，产生更大的加速度峰值，但到达峰值后横向刚度低，横向产生变形，加速度下降较快，HIC15低于金属发动机罩。

图8 不同点位加速度-时间曲线示意图

3种材料均未发生二次碰撞的点位C_0_0加速度-时间曲线如图8b 所示。钢质和碳纤维发动机罩处于变形阶段，而铝合金发动机罩处于边界支撑介入阶段，边界支撑增大撞击点刚度，故铝合金发罩加速度峰值最大。虽碳纤维发动机罩加速度峰值大于钢质发动机罩，但第一峰值到达时间早，达到峰值后无较大的波动，故HIC15低于钢质发动机罩。而发动机罩边缘2个点位铰链和电瓶上方，横向变形小，HIC15略高于钢质发动机罩。

3 种材料均发生二次碰撞的点位C_1_1_L 加速度-时间曲线如图8c所示。发动机罩变形后，与下方发动机接触，产生二次碰撞。铝合金发动机罩经过变形和边界支撑阶段后残余速度较大，峰值加速度最大。碳纤维发动机罩峰值加速度略高于钢质发动机罩，但在峰值持续时间较短，下降较快，二次碰撞前峰值到达时间早，HIC15降低。

只有碳纤维未发生二次碰撞的点位C_2_4_R加速度-时间曲线如图8d 所示。碳纤维发动机罩处于变形阶段。金属发动机罩与下方发动机接触，发生二次碰撞，产生较大的头部加速度峰值。碳纤维发动机罩加速度峰值远小于金属发动机罩，在变形后期，由于边界支撑的介入，产生较小的峰值，加速度峰值到达时间最早，HIC15最低。

钢质发动机罩发生二次碰撞的点位C_6_5_L加速度-时间曲线如图8e 所示。钢质发动机罩经过变形与边界支撑阶段后，与减震器发生二次碰撞，加速度峰值最大。碳纤维发动机罩在变形阶段刚性较大，产生的加速度峰值大于铝合金发动机罩，达到峰值时间较早，但达到峰值后加速度下降较快，HIC15低于铝合金发动机罩。

3.3 变形对比分析

点位C_0_0 钢质发动机罩与碳纤维发动机罩变形如图9所示，碳纤维发动机罩横向变形范围明显大于金属发动机罩，儿童头部与发动机罩发生碰撞时，更广泛的材料参与碰撞能量吸收，儿童头部保护性能更优。

图9 C_0_0发动机罩变形图

4 结论

为降低儿童头部伤害值和实现整车轻量化，对发动机罩进行材料替换的可行性研究，得到如下结论：1）发动机罩采用碳纤维复合材料与钢质相比减重率达34.8%，将钢质发动机罩替换为碳纤维复合材料可以实现较好的轻量化效果。更多的材料参与变形吸能，其加速度波形有利于保护儿童头部。2）铝合金发动机罩虽减重率达32.6%，但是HIC15均高于钢质发动机罩，不推荐使用铝合金进行发动机罩的材料替换。但如果考虑经济性，需要使用铝合金，则要结合具体车型总布置空间，可以采用增大铝合金发动机罩刚度或增加罩下部件与发动机罩的距离来满足儿童头部保护要求。碳纤维复合材料在汽车发动机罩上具有较好的应用前景。