基于整車正面碰撞仿真的發動機罩結構優化*

董明龍

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

正面碰撞是汽車碰撞事故中的主要類型，是造成乘員傷亡的主要原因[1]。碰撞過程中，前機艙為潰縮區域，而發動機罩位于該區域，其變形模式會對發動機鉸鏈及其前風窗產生直接影響。如果發動機罩變形模式較差，若在碰撞中發動機罩鉸鏈斷裂，發動機罩會侵入前風擋玻璃，影響安全氣囊對前排人員的保護效果。為了減小在正面碰撞中發動機罩的入侵量，要求發動機罩在中間位置處產生折彎變形，使發動機罩在碰撞后整體呈現倒V字型[2]，避免發動機罩向后侵入，消除在正面碰撞中發動機罩對乘員的安全隱患。文章通過建立并優化發動機罩正面碰撞子結構模型，快速實現了發動機罩的結構優化。

1 建立發動機罩正面碰撞子結構模型

整車正碰模型采用HyperMesh軟件對CAD數據進行網格劃分，控制網格單元最小尺寸為4 mm，整車模型約有100萬個單元，車身關鍵梁系采用全積分算法。按照GB11551—2010《乘用車正面碰撞的乘員保護》要求加載邊界條件。

圖1示出建立的發動機罩正面碰撞子結構模型，模型仿真計算時間為15 min。而整車模型計算時間需要約10 h，優化效率比較緩慢。因此可以利用發動機罩正面碰撞子結構模型快速對優化方案進行變形模式評價，提高優化效率。

圖1 發動機罩子結構模型圖

子結構模型內外板包邊區域以內外板厚度不同的單元組表示，簡化方式如圖2所示，包邊部分采用2排單元模擬，內排為內外板兩者重合厚度，外排為內外板以及包邊三者重合厚度。包邊材料屬性與發動機罩內板一致。單元厚度計算公式為：

式中：T1，T2——內外排單元厚度，mm；

t1，t2——內外板厚度，mm。

圖2 發動機罩包邊簡化示意圖

發動機罩子結構模型提交計算后，系統總能量，如圖3所示。為節約計算時間，提高計算效率，大多數情況均采用部分積分類型進行積分計算。采用部分積分類型有可能出現沙漏，當沙漏能較大時會導致模型能量不守恒，影響計算精度甚至導致計算結果不可信，所以必須通過LS-DYNA軟件中的相應選項卡片將沙漏能控制在總能量的5%以下[3]。從圖3中可以看出，能量曲線整體平順，無異常，系統總能量守恒，沙漏能也滿足仿真要求，仿真結果可信。

圖3 發動機罩子結構模型能量曲線

圖4示出整車正碰模型中發動機罩和子結構模型的仿真變形對比。從圖4可以看出，2個仿真模型變形模式基本一致。在發動機罩中間結構均未沿折彎槽變形。因此在優化發動機罩變形模式時，可通過子結構模型快速判斷優化方案的變形模式是否理想，在獲得較為理想的變形模式后，再將模型導入整車正碰模型中進行驗證。

2 發動機罩變形模式問題解析

通過對本車型發動機罩正碰仿真結果分析可知，在前機艙壓潰過程中，發動機罩沒有按發動機罩內板折彎槽折彎，發動機鉸鏈扭曲嚴重,在實際正面碰撞中存在斷裂風險,且發動機罩后端與前風窗發生干涉，如圖5所示。分析造成以上現象的主要原因是發動機罩內板結構不合理，內板中部縱向肋板強度較大，在碰撞變形過程中，發動機罩內板并沒有在折彎槽處折彎，碰撞沖擊力沿發動機罩傳遞到鉸鏈，鉸鏈不能很好支撐發動機罩，使得發動機罩整體侵入量加大，和前風窗玻璃接觸。

3 優化方案及仿真結果

針對發動機罩原有的問題，提出3種改進方案，如圖6～圖8所示。1）增加發動機罩內板折彎槽深度；2）縮小發動機罩內板中部縱向結構截面；3）去除縱向結構（肋板）。利用子模型驗證發動機罩內板結構優化方案，通過結果動畫可以發現，方案3的折疊效果最好。

圖6 發動機罩內板結構優化方案1

圖7 發動機罩內板結構優化方案2

圖8 發動機罩內板結構優化方案3

將方案3應用于整車正面碰撞仿真模型，通過LS-DYNA軟件計算，得出仿真結果。圖9示出整車模型能量曲線。從圖9可以看出，整車仿真能量曲線整體平順，無異常，系統總能量守恒，沙漏能不超過總能量的5%，滿足仿真要求，結果可信。

圖9 整車模型能量曲線

發動機罩內板結構優化后，發動機罩在正碰過程中沿折彎槽折彎，折疊形狀呈倒V字型，鉸鏈變形在可接受范圍，發動機罩整體侵入情況得到改善，發動機罩后緣與前風窗無接觸，如圖10所示。改進后去除了發動機罩內板中間肋板，雖然發動機罩整體剛度會降低，但通過仿真計算分析，發動機罩靜態剛度仍然滿足性能要求。

圖10 優化后發動機罩變形模式

4 結論

整車模型仿真計算雖然精確度較高，但計算時間過長。發動機罩子結構正碰仿真模型可以大幅縮短計算時間，提高優化效率。通過與整車正碰仿真模型的發動機罩變形結果對比，發現二者變形形式基本一致，因此可以利用發動機罩子結構仿真模型優化發動機罩結構。同時，提出一種發動機罩的內板結構優化方案，解決了發動機罩在正面碰撞中變形較差的問題，為其他設計者提供一種參考。