探究复合材料发动机罩的行人保护作用①

卢 朕， 陈君毅， 王宏雁

(1.同济大学中德学院、车辆工程，上海 200092;2.同济大学 汽车学院、车辆工程，上海 201804)

0 引言

复合材料因为具有材料性能可以设计、比强度高、比刚度大、抗疲劳性能好等优点，因此在汽车上的应用比例日益增多，成为汽车轻量化技术的必要手段之一.目前，复合材料主要应用于车身部件、灯壳罩、前后护板、保险横杠、板弹簧、座椅架、驱动轴等部件的设计、仿真与制造，并日趋广泛[1].

本文探讨复合材料发动机罩的设计过程中，需要进行结构设计与仿真计算，但在仿真计算中，既要满足静态方面的性能指标，意味着发动机罩需要达到一定的刚度，但过高的刚度又不利于满足动态方面行人保护的性能指标，而要求同时满足这两方面性能就是要解决这个矛盾的问题[2].这就需要将仿真结果与所要求的性能指标对比之后，不断就发动机罩的结构方案进行循环设计并仿真，直至在达到发动机罩静态性能要求的基础上，同时满足动态行人保护的性能要求，形成最终复合材料发动机罩的设计方案，从而有效实现汽车发动机罩部件的轻量化.

1 静态性能与动态行人保护在仿真中的问题分析

1.1 复合材料发动机罩在各工况下的性能指标要求

发动机罩动静态的各工况性能要求如表1所示，其中静态性能包括扭转刚度、弯曲刚度和模态;动态性能主要为行人保护头部碰撞.

1.2 行人保护头部碰撞HIC值介绍

头部伤害指标HIC是由头部发生碰撞时产生的加速度及其持续时间决定的一个物理量，其表达式为:

式中:a(t)为假人头部质心的合成加速度，用重力加速度g的倍数表示;T0，TE为碰撞过程的开始时间和结束时间，t1，t2应使上式计算结果达到最大值，单位为s.

如图1所示，在行人保护头部碰撞过程中，仿真计算的点共6个.在靠近铰链处和挡风玻璃处的点，属头部碰撞高危区域，法规中要求这些头部碰撞点的HIC值小于1700;而其他碰撞点的HIC值要求小于1000.

1.3 动态性能与静态指标的矛盾分析

此发动机罩与以往发动机罩的仿真有着不同之处.首先是复合材料发动机罩，而以往的仿真一般是传统的钢制件;其次，不仅要进行刚度及模态性能的仿真，还要在行人保护头部碰撞方面进行仿真.虽然增加材料的厚度会提高部件的刚度，满足了发动机罩的刚度和模态的性能，但是刚度过大不利于行人保护，并且增加了部件的材料成本.所以，既要达到发动机罩刚度和模态性能要求的基础上，又要满足行人保护头部碰撞的安全规范，并同时尽量节约材料成本，在整个仿真过程中就是要着手解决这个问题.

仿真过程中，如果复合材料的用量多使得结构坚固，静态仿真计算结果好，但也由于刚度过大，导致动态计算结果，即对行人保护头部碰撞会带来不利影响，这就要求在结构设计和材料用量上着手进行改进，达到同时满足静态和动态两方面的性能要求.

此外，与传统钢制件的设计思路不同，由于复合材料件的可设计性强，可在初始设计时适当降低复合材料的用量，若刚度尚未达到要求，可在局部增加一些材料，直至满足刚度和模态的性能要求，并且要保证满足动态计算行人保护头部碰撞的性能;若未达到动静态的性能要求，则需要在原来的结构基础上循序渐进地改进并再次仿真计算，达到静态指标的基础上同时符合动态行人保护的性能要求.

2 动态行人保护头部碰撞的作用研究

2.1 结构优化

首先应用Hypermesh软件进行结构拓扑优化，确定发动机罩的基本结构.如表2所示，以原钢制件扭转刚度和弯曲刚度作为约束条件，优化的目标函数为碳板各处的厚度变化.

表2为碳纤维复合材料板的优化指标:

表1 各个工况性能要求

碳纤维板的拓扑优化结果如图2，根据拓扑优化云图的结果得出，碳板的四周需要加厚，而中间则可根据需要适当减小厚度，可根据此拓扑优化结果以及得出的结论指导后续的结构设计.由云图可知，碳纤维发动机罩的四周需进行结构上的加强，因而可在碳板周边区域适当选用三明治夹层结构.此外，根据发动机罩的配合要求，保留发动机罩的密封面，用以在闭合发动机罩时保证发动机舱的密封性[3].

表2

图1 行人保护头部碰撞点

图2 拓扑优化云图

2.2 动静态仿真对比分析

2.2.1 材料类型为单向纤维的结构方案

根据优化结果，碳纤维板的四周需要加强，所以在最初结构1A中四周采用三明治夹层结构，这相当于钢制件的内板结构，如表3方案1A中的绿色部分所示.经过仿真计算，方案1的结构为静态仿真结果较好，但动态仿真中行人保护头部碰撞并不理想，在头部碰撞的诸多点处如 P08，P11，P19处的HIC值均超过了1700，不符合行人保护头部碰撞的法规要求，所以尚须围绕行人保护头部碰撞在结构上改进并仿真.

表3 方案1A的结构设计(单向纤维)

由此看来，为提高行人保护效果，需要减少材料的用量，即减薄三明治夹层结构中泡沫的用量，目的是为了降低整体刚度以达到良好的行人保护效果.在改进的结构1B中，为增强其整体刚度和抗凹性，在发动机罩板中间处也采用了三明治夹层结构，碳纤维布的用料也更加节省.此外，从结构优化云图上来看，铰链处的三明治结构对整体刚度影响不大，并且为提高行人保护效果，在铰链处不采用三明治结构，而采用单一的碳板结构.方案1B的结构形式在总体上来说更加趋于简化，经过改进的结构仿真结果表明，其结构形式不仅静态性能指标达到要求，而且在动态行人保护头部碰撞方面也达到了较好的效果，满足了行人保护的法规要求.由此可见，其设计方案1B可作为参考方案之一，从轻量化效果来看，复合材料部件重量达3.3kg，相比原来的钢制件重量减轻了57.7%(原钢制发动机罩7.8kg)，轻量化效果明显.结构方案1B的仿真结果如表4所示.

表4 方案1B结构的仿真结果

2.2.2 材料类型为纤维织物的结构方案

各结构方案经过布局甚至整体上的改进，并经仿真计算，达到动静态的性能指标后，方能得出一个较为理想的方案.根据复合材料可设计性强的特点，本着尽量节省材料的原则，设计方案2A(方案2A结构见表5)结构用料较少，所以方案2A的静态仿真结果较差，尤其是扭转刚度和弯曲刚度两性能指标，而动态行人保护头部碰撞只在P01点处的HIC值略微超过了1700，可见行人保护的效果尚好，所以改进方法是需要加强其整体刚度以提高静态性能[4].

进而对方案2A的结构再次改进，即保持原来整体结构不改变的情况下，增加发动机罩整体和局部的碳纤维用量，从而得改进结构2B.经仿真计算，方案2B不仅达到了静态计算中各个工况的性能要求，并且行人保护头部碰撞的HIC值也较为符合法规的要求(仿真结果如表7所示)，但所得的HIC数值上来看，有5个碰撞点均超过1000，可见行人保护效果并不十分明显.从轻量化的减重效果方面来看，方案2B重量为3.16kg，减重效果达59.5%，轻量化效果较好.

表5 方案2A结构设计(纤维织物)

表6 方案结构设计(纤维织物)

表7 方案2B和3B结构的仿真结果

由于方案2A和2B的结构形式分别在静态和动态计算结果中均未达到特别理想的效果，所以着手从整体的结构形式以及材料选择上进行改进.此后的设计方案中，考虑到材料成本和行人保护效果，方案3A的部件2大部分使用了玻璃纤维来替代碳纤维，从而得到设计方案3A的结构形式如表6所示，其整体结构意在提高整体刚度性能和行人保护效果.方案3A经仿真计算，虽然满足了静态性能要求，但在行人保护P01点处头部碰撞的HIC值超过了1700，因此并未达到行人保护的法规要求，所以需对该处的结构做进一步改进.

设计方案3B在方案3A的结构基础上，将结构作进一步的简化，去掉了P01点处周围，也即密封面和铰链位置处的泡沫夹层结构而改用单一碳板的结构，以此降低此处的刚度而达到保护行人头部的效果.方案3B经仿真计算，此种结构不仅满足了静态方面的性能要求，而且也满足了动态行人保护头部碰撞的法规要求.轻量化效果方面，方案3B重量为3.0kg，相比原钢制件减重效果达61.5%，减重效果明显.结构方案3B的仿真结果如表7 所示[5].

4 结论

各方案经结构和材料上的不断改进和仿真，终于得到了几个较为完善的方案结构.方案1A的结构虽然十分坚固，整体刚度较大，但不利行人保护，经结构上的再次改进，也即所用的泡沫进一步减少且均匀分布于碳板，虽然刚度稍低，但行人保护表现较好，可作为所选方案之一;方案2B与方案2A的整体结构形式相同，但较2A相比，方案2B的复合材料用量在整体和局部有所增加，不仅静态计算结果符合要求，而且行人保护效果也尚可，可列为所选方案之一;方案3B为方案3A的改进方案，较方案3A相比，更加节省材料，即去掉了密封面和铰链位置处的夹层结构而改用单一碳板，既满足了静态性能要求，也满足动态行人保护头部碰撞的要求，较好的解决了动静态这对矛盾的性能指标[6].从轻量化效果上来看，方案3B比原来的钢制件减轻了61.5%的重量，可见设计方案3B为这些方案中的最佳方案.

[1]Hannes Fuchs，et al.Development and Build of the Ford Foucs FCV Lightweight Carbon Fiber Decklid[R].2006:2 －17.

[2]潘玲玲.碳纤维复合材料典型车身覆盖件设计开发与试制[J].2006，3(3):31 －62.

[3]王宏雁，高卫民，潘玲玲，等.轻质结构发动机罩设计研究[J].同济大学学报，2006，34(8):33－35.

[4]王东川，刘启志，柯枫.碳纤维增强复合材料在汽车上的应用[J].汽车工艺与材料，2005，33(4):33 －36.

[5]张宇，朱平，陈关龙，等.基于有限元法的轿车发动机罩板轻量化设计[J].上海交通大学学报，2006，40(1):163－166.

[6]王莉莉，高国强，李松.国外汽车用复合材料近况与发展趋势[C].复合材料学术年会论文集，2006，21(1):277－281.