石纪军，沈永旭， 刘南南

(赛史品威奥(唐山)结构复合材料有限公司，河北唐山 064099)

0 引言

随着我国汽车保有量的迅速增加，道路交通事故和事故中伤亡人数也在迅猛增加。我国《汽车对行人的碰撞保护》于2010年9月开始实施。事故中行人头部是关键受伤害部位，头部在受猛烈撞击后往往会出现严重的颅脑损伤，严重时会危及生命。因此开展发动机罩的行人头部保护研究就显得尤为重要[1]。

目前发动机罩内外板材质多为成型性能较好的钢板，亦有部分车型采用铝质机罩。随着汽车轻量化需求的不断加深，近几年已有汽车厂家、高校科研团队将目光聚焦于低密度、高强度、力学性能优异的复合材料。但相较于日趋完善、系统的钣金发动机罩研究，复合材料发动机罩研究工作仍处于初期阶段，尤其是行人保护的研究，相关资料甚少。

针对上述问题，本文作者将采用有限元法，以国内某款车型的铝质发动机罩为例，通过调整内外板厚度为其重新建立复合材料方案，并与现有结构的行人头碰仿真分析结果进行对比，说明复合材料发动机罩在保证轻量化需求的同时亦能够满足行人头部保护的需要。

1 发动机罩头碰有限元模型创建

1.1 发动机罩内外板材料及厚度选择

铝质发动机罩外板厚度为1.0 mm，内板厚度为0.9 mm，机罩总质量约为14.41 kg；而文中分析所采用的复合材料方案，机罩外板厚度为1.1 mm，材质选用预浸渍长玻纤增强复合材料PCM，内板厚度为1.5 mm，材质选用SMC复合材料，机罩总质量约为10.17 kg，相比铝材结构减重4.24 kg。

表1所示为铝材和复合材料参数对比。

表1 铝材和复合材料参数对比

1.2 建立发动机罩有限元模型

有限元建模使用的前处理工具为HyperMesh，求解器为RADIOSS，后处理工具为HyperView。采用HyperMesh软件将发动机罩划分成壳单元网格，网格基础尺寸8 mm，有限元模型如图1所示[2]。

图1 发动机罩有限元模型

在处理发动机罩内外板及附件装配关系时需注意区别处理：

(1)铝质发动机罩:内外板通过压边的方式连接。支架和内板之间通过铆接、螺栓等形式连接，可利用刚性单元来模拟；

(2)复合材料发动机罩:内外板、支架和内板之间均通过黏接方式连接，可利用SPRING2N单元来模拟；

(3)隔热垫、密封条等附件，对行人头碰结果影响很小，建模时不考虑；

(4)文中分析只作对比使用，不考虑发动机罩与机舱、A柱等周边件的空间布置安全距离，即除发动机罩、铰链、机罩锁钩外，仿真模型不含其他周边件。

1.3 成人头部有限元模型

根据EEVC/WG17所规定的要求建立一个头部有限元模型，所建头部模型如图2所示。

图2 头部有限元模型

头部模型主要分为头皮和头骨两层球体模型，通常成人头部模型质量4.5 kg，儿童头部模型质量3.5 kg[3]。文中分析结果仅为对比使用，故只采用成人头部模型，赋予其碰撞初始速度9.7 m/s，沿与水平线呈65°的方向撞击发动机罩，如图3所示，图中θ=65°。

图3 头部模型与车体撞击示意

1.4 建立发动机罩头碰仿真模型

将发动机罩和头部模型的有限元模型导入HyperMesh进行碰撞仿真分析，如图4所示。

图4 头部碰撞有限元模型

此时需注意如下几点：

(1)发动机罩铰链安装点需全约束，放开铰链转轴的转动自由度；前部锁钩放开X向转动，其余自由度全部约束；

(2)头部模型外表面单元与机罩外板之间、机罩自身均采用自接触，即接触类型选择TYPE7；

(3)模型网格单元不允许存在穿透及干涉情况。

考虑到分析结果仅作为对比使用，将在发动机罩外板上主观选取5个头部撞击点，如图5所示，观察各撞击点的加速度-时间历程曲线，并将头部损伤指标HIC作为评价头部损伤程度的依据。

图5 头部碰撞点分布图

1.5 行人保护头部伤害评定

针对发动机罩的行人头部保护评价，行业内应用较为广泛的方式是采用头部损伤指标值(Head Injury Criterion，HIC)来评价行人头部损伤程度。常见以HIC=1 000作为评价头部损伤的指标限值，若HIC值低于1 000，则视为行人头部损伤程度可接受，若高于1 000，则视具体情况对发动机罩及周边结构进行优化。

HIC值的计算公式为：

(1)

式中:t2-t1为HIC值达到最大值的时间间隔，要求不超过15 ms，即时间间隔大于15 ms的加速度值将被忽略；a(t)为行人头部质心的合成加速度，常用重力加速度的倍数表示[4]。

2 复合材料与铝质发动机罩的行人头部保护效果比较

利用RADIOSS求解器对头部碰撞模型进行计算，得到两种材质的发动机罩在各撞击点的加速度-时间曲线的对比结果。

(1)头碰撞击点P1

如图6所示，头部模型撞击到发动机罩中后部位置，铝质发动机罩在头碰撞击点P1的加速度峰值为104.5 g，而复合材料发动机罩在撞击点P1的加速度峰值为63.9 g，明显低于铝质机罩水平。

图6 撞击点P1加速度-时间曲线

(2)头碰撞击点P2

如图7所示，头部模型撞击到发动机罩左后部位置，铝质发动机罩在头碰撞击点P2的加速度峰值为110 g，而复合材料发动机罩在撞击点P2的加速度峰值为71.4 g。

图7 撞击点P2加速度-时间曲线

(3)头碰撞击点P3

如图8所示，头部模型撞击到发动机罩中后部偏左位置，铝质发动机罩在头碰撞击点P3的加速度峰值为81.8 g，而复合材料发动机罩在撞击点P3的加速度峰值为59.5 g。

图8 撞击点P3加速度-时间曲线

(4)头碰撞击点P4

如图9所示，头部模型撞击到发动机罩中前部偏左位置，铝质发动机罩在头碰撞击点P4的加速度峰值为101.3 g，而复合材料发动机罩在撞击点P4的加速度峰值为56.7 g。

图9 撞击点P4加速度-时间曲线

(5)头碰撞击点P5

如图10所示，头部模型撞击到发动机罩中前部位置，铝质发动机罩在头碰撞击点P5的加速度峰值为105.4 g，而复合材料发动机罩在撞击点P5的加速度峰值为83.9 g。

图10 撞击点P5加速度-时间曲线

通过各撞击点的加速度-时间曲线图可知，相同的撞击点，在撞击复合材料发动机罩时，头部模型的加速度峰值均明显低于铝质发动机罩，即复合材料发动机罩头部撞击瞬间产生的加速度相对更小。

经计算，复合材料发动机罩与铝质发动机罩的HIC值均小于1 000，即两种材质发动机罩均满足行人保护要求；同时，复合材料发动机罩在相同撞击点的HIC值均低于铝质发动机罩。头部损伤值越低，则代表头部受到的撞击程度越低，对行人头部的保护效果就越好。

加速度峰值和HIC值统计数据详见表2。

表2 加速度峰值和HIC值结果统计表

3 结论

通过对某款铝质发动机罩开展头碰仿真分析并对比分析结果，可以得到结论：

(1)从质量上看，铝质发动机罩外板厚度为1.0 mm，内板厚度为0.9 mm，机罩总质量约为14.41 kg；采用复合材料方案，机罩外板厚度为1.1 mm，内板厚度为1.5 mm，机罩总质量约为10.17 kg，相比铝材结构减重4.24 kg，即质量上降低了29.4%，可以满足更高的轻量化需求；

(2)从头碰加速度结果来看，采用复合材料发动机罩的头碰加速度峰值低于铝质发动机罩，而头碰加速度的减小，也从侧面反映出复合材料发动机罩碰撞吸能的效果要更好；

(3)从头碰损伤值HIC结果来看，采用复合材料发动机罩的头部损伤值HIC明显要低于铝质发动机罩，即头部模型在撞击复合材料发动机罩时受的损伤更小，亦可理解为对行人头部的保护能力更优。

综上所述，针对同一款发动机罩，文中分析所采用的复合材料方案不但在轻量化效果上优于现有铝质结构，同时具有更优的行人头部保护性能，说明只要结构设计得当，复合材料发动机罩亦可以满足行人保护需求，具有非常好的应用前景。