基于行人頭部保護(hù)和剛度要求的發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板優(yōu)化設(shè)計(jì)

曾小敏+彭雄奇+魯宏升+潘鋒

摘要：提出一種基于行人頭部保護(hù)和剛度要求的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將其應(yīng)用于某款發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板的參數(shù)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析.對(duì)優(yōu)化方案與初始方案的行人頭部碰撞仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：優(yōu)化方案在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)罩剛度要求的前提下能顯著降低行人頭部碰撞的傷害值.該優(yōu)化方法可行，可為發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考.

關(guān)鍵詞：汽車； 發(fā)動(dòng)機(jī)罩； 內(nèi)板； 行人頭部保護(hù)； 參數(shù)化設(shè)計(jì)； 優(yōu)化； 有限元

中圖分類號(hào)： U461.91； TB391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract：An optimization design method on automobile underhood cover inner plate is proposed on the basis of pedestrian head protection and stiffness requirements. The method is applied to the parametrization design and optimization analysis on the inner plate of an underhood cover. The pedestrian head collision simulation results of the original solution and the optimization solution are compared. It is shown that the optimization solution can significantly reduce the pedestrian head collision injury in the precondition of meeting the stiffness requirements of underhood cover. The optimization method is feasible and can provide reference for the underhood cover inner plate optimization design.

Key words：automobile； underhood cover； inner plate； pedestrian head protection； parametrization design； optimization； finite element

0引言

在汽車與行人碰撞事故中，行人頭部是最容易受傷的部位.[1]2009年，世界衛(wèi)生組織對(duì)行人交通事故的調(diào)查結(jié)果顯示，在所有的人-車碰撞事故中，行人頭部損傷造成死亡的幾率最大，高達(dá)55%.[2]行人頭部主要的接觸區(qū)域是發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋[3]，因此發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)需要考慮行人保護(hù)以降低頭部傷害.同時(shí)，為避免因扭轉(zhuǎn)或彎曲剛度不足可能引起的振動(dòng)噪聲和開閉性問題，發(fā)動(dòng)機(jī)罩必須具備足夠的整體剛度.[4]目前，國(guó)內(nèi)外的研究工作多數(shù)是單純從提高行人頭部保護(hù)角度或者從改善剛度性能出發(fā)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，很少將2種設(shè)計(jì)要求同時(shí)融入到發(fā)動(dòng)機(jī)罩的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中.

針對(duì)上述問題，提出一種基于行人頭部保護(hù)和剛度要求的發(fā)動(dòng)機(jī)罩優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.根據(jù)GB/T 24550—2009[5]要求，針對(duì)某款車型的發(fā)動(dòng)機(jī)罩板進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化，優(yōu)化過程耦合保護(hù)行人頭部和剛度分析要求，提高行人頭部碰撞安全性能.采用LS-DYNA，MSC Nastran與ENKIBONNET分別作為發(fā)動(dòng)機(jī)罩頭部碰撞仿真、剛度分析和參數(shù)優(yōu)化的工具，最后通過案例分析驗(yàn)證該發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的可行性.

1仿真模型的建立

1.1發(fā)動(dòng)機(jī)罩和頭部模型

發(fā)動(dòng)機(jī)罩采用冷軋低碳鋼DC03鋼板，由內(nèi)外板、鉸鏈及其加強(qiáng)板等構(gòu)成，見圖1.內(nèi)外板厚度均為0.7 mm，邊緣處通過外板翻邊的方式連接，厚度為2.1 mm.內(nèi)外板、鉸鏈及其加強(qiáng)板均采用全積分殼單元模擬，利用實(shí)體單元模擬連接結(jié)構(gòu)鉸，采用剛性單元模擬內(nèi)板、鉸鏈及其加強(qiáng)板的螺栓孔.整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)罩有限元模型共有22 733個(gè)節(jié)點(diǎn)和22 971個(gè)單元.發(fā)動(dòng)機(jī)罩各部件的模型和材料參數(shù)見表1，其中彈塑性材料通過定義各自的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)塑性應(yīng)變關(guān)系曲線控制材料的塑性行為.

發(fā)動(dòng)機(jī)罩更容易對(duì)兒童造成傷害[6]，所以針對(duì)兒童頭部撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)罩進(jìn)行分析.根據(jù)GB/T 24550—2009建立兒童頭部有限元模型，見圖2.頭部模型質(zhì)量為3.5 kg，外球直徑為165 mm.球體、端蓋和皮膚都用六面體全積分實(shí)體單元模擬，內(nèi)部鋁制球體和端蓋簡(jiǎn)化為剛體，外部合成皮膚層采用黏彈性材料.

1.2行人頭部撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)罩仿真

根據(jù)實(shí)車安裝情況施加約束條件，發(fā)動(dòng)機(jī)罩左右鉸鏈和中間鎖扣位置全約束，兩側(cè)的橡膠塊位置施加z方向約束.根據(jù)GB/T 24550—2009的試驗(yàn)條件，將兒童頭部模型以50°撞擊角、35 km/h速度撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)罩.

案例分析主要驗(yàn)證該優(yōu)化方法的可行性，因此僅選擇其中一個(gè)頭部傷害值較大的撞擊點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)的碰撞分析和優(yōu)化設(shè)計(jì).該點(diǎn)位于發(fā)動(dòng)機(jī)罩對(duì)稱軸上，靠近鎖扣，撞擊點(diǎn)位置及其有限元模型見圖3.該撞擊點(diǎn)仿真分析得到的行人頭部傷害指標(biāo)HIC=1 019，超出法規(guī)要求（≤1 000），需要進(jìn)行改進(jìn).

1.3發(fā)動(dòng)機(jī)罩剛度分析

根據(jù)某汽車企業(yè)的剛度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，該發(fā)動(dòng)機(jī)罩的剛度分析工況有3種：扭轉(zhuǎn)工況1、扭轉(zhuǎn)工況2和側(cè)向工況，見圖4.

1）扭轉(zhuǎn)工況1：左右側(cè)鉸鏈約束自由度1，2，3，中間鎖扣位置約束自由度3，在右側(cè)橡膠塊上施加z向100 N載荷.

2）扭轉(zhuǎn)工況2：左右側(cè)鉸鏈約束自由度1，2，3，左側(cè)橡膠塊位置約束自由度3，在右側(cè)橡膠塊上施