碳纤维复合材料发动机罩行人保护性能的试验验证*

吕晓江刘卫国，2杨海燕孙立志周大永，2

（1.浙江吉利汽车研究院有限公司；2.浙江省汽车安全技术研究重点实验室）

碳纤维复合材料发动机罩行人保护性能的试验验证*

吕晓江1刘卫国1，2杨海燕1孙立志1周大永1，2

（1.浙江吉利汽车研究院有限公司；2.浙江省汽车安全技术研究重点实验室）

为研究碳纤维复合材料发动机罩行人保护性能，与同结构金属发动机罩进行了对比试验验证。试验结果表明，碳纤维复合材料发动机罩的头部合成加速度峰值比金属发动机罩平均低30%，在结构加强位置类似的情况下，其更有利于降低头部伤害值；碳纤维复合材料发动机罩对发动机舱内布置影响较小；碳纤维复合材料发动机罩在受到行人头部冲击后能够保证结构的完整性，有利于降低事故维修成本。

1 前言

发动机罩作为行人头部碰撞冲击的主要零部件，不但造型对行人保护有影响，其本身的材料及结构也对行人头部碰撞安全性能有重要影响[1，2]。碳纤维复合材料（Carbon Fiber Composite,CFC）是一种高强度复合材料，主要由作为增强材料的碳纤维和作为基本材料的热固性树脂组成。因其具有较高的比强度、比刚性及轻量化效果显著，因此受到国内外汽车公司及研究机构的广泛关注[3]。发动机罩采用碳纤维复合材料不仅质量轻，而且便于生产，其综合成本低于金属发动机罩[4]。

本文针对某碳纤维复合材料发动机罩进行行人头部碰撞试验研究，并与金属材料发动机罩试验结果进行对比分析，验证了碳纤维复合材料发动机罩的行人保护安全性能。

2 碳纤维复合材料发动机罩

2.1 碳纤维复合材料性能

碳纤维复合材料与金属材料相比具有如下优点：

a.比强度、比模量大。碳纤维复合材料的轻质高强性能显著，其比强度比钢材高5倍，比铝合金高4倍，比模量则是钢及铝的4倍。

b. 耐疲劳性能优于金属材料。碳纤维复合材料的疲劳强度极限为其拉伸强度的70%～80%，在长期交变载荷条件下工作寿命高于金属材料。

c. 阻尼减振性好。

d. 抗断裂性好[5]。

另外，经研究表明，复合材料的破坏需经历基体损伤、开裂、界面脱粘、纤维断裂等一系列过程，而且当少数增强纤维发生断裂时，载荷又会通过基体的传递分散到其它完好的纤维上，由此降低了发生断裂的几率[6]。

2.2 碳纤维复合材料发动机罩的制备

本文以覆盖中等强度碳纤维的发动机罩内、外板为例，碳纤维基本性能如表1所列[7]。

表1 碳纤维基本性能

碳纤维复合材料成型工艺包括手糊成型、缠绕成型、拉挤成型和树脂传递模塑成型等[8]，因本文中的碳纤维复合材料发动机罩属小批量生产，因此采用手糊成型工艺。手糊成型工艺流程包括材料准备、手糊成型、固化、修整、检验等。该碳纤维复合材料发动机罩制备过程严格采用手糊工艺的标准流程，对配胶质量、成型压力及碳纤维铺设质量进行了严格检查，能够保证该小批量产品的质量要求。图1为碳纤维发动机罩内、外板，其中，发动机罩内板由碳纤维及树脂组成，发动机罩外板在碳纤维外部额外增加了1层织物进行覆盖。

通过碳纤维不同排布设计，可以将碳纤维潜在的性能集中到必要的方向上，使发动机罩满足刚度、强度、抗凹性等要求。碳纤维排布的原则主要为均衡对称铺设原则、承载方向铺设原则和交叉铺设原则[9]。根据金属发动机罩内、外板结构，按照承载方向铺设原则，在发动机罩内板加强筋方向及四周外围铺设碳纤维；按照交叉铺设原则，在发动机罩外板整个区域内十字交叉铺设碳纤维，且后缘区域铺设密度较大，如图2所示。

最终制备好的碳纤维复合材料发动机罩总质量为11.03 kg，与金属发动机罩相比减重率为35%。

3 行人保护试验验证

3.1 试验工况

参照631/2009/EC欧盟行人保护法规，选用儿童头型冲击器进行试验，儿童头型质量为3.5 kg，发射角度为50°，碰撞速度为35 km/h[10]。将不同材料发动机罩分别安装在白车身台架上，白车身高度按照正常行驶高度调节，并利用三坐标仪测量碰撞点坐标，保证试验对象及试验结果的可重复性。图3所示为白车身台架。

为验证碳纤维的实际应用效果，根据碳纤维的铺设区域选取3个碰撞点进行对比试验，如图4所示，其中CH1点位于发动机罩后缘右侧区域，该区域碳纤维铺设密度较大；CH2点位于发动机罩前部区域，该区域碳纤维铺设位置与金属发动机罩内板前部加强结构方向相同；CH3点位于发动机罩中间左侧区域，该区域碳纤维铺设位置与金属发动机罩内板左侧加强结构方向相同。碰撞点坐标见表2。

表2 儿童头部碰撞点坐标

3.2 结果分析

3.2.1 加速度-时间曲线分析

图5为碳纤维复合材料发动机罩与金属发动机罩的加速度-时间曲线对比结果。由图5可看出，2种材料发动机罩的加速度-时间曲线趋势一致，碳纤维复合材料发动机罩的头部合成加速度峰值均低于金属发动机罩。

表3为最大加速度及HIC值的对比结果，可知头部最大合成加速度平均降低30%。

表3 最大加速度及HIC值对比

由试验结果可知，所有HIC值均满足行人保护法规限值（HIC＜1 000）要求。在CH1点，碳纤维复合材料发动机罩的HIC值高于金属发动机罩，主要原因是碳纤维在发动机罩外板后缘处布置密度较大，导致发动机罩后缘刚度大，进而使CH1点处HIC值增高；在CH2点和CH3点，碳纤维复合材料发动机罩的HIC值低于金属发动机罩，并且这2个碰撞位置处的碳纤维布置方向与金属材料发动机罩加强筋位置基本一致，说明在结构加强位置类似的情况下，碳纤维发动机罩更有利于降低头部伤害值。

3.2.2 加速度-位移曲线分析

图6为碳纤维复合材料发动机罩与金属发动机罩的加速度-位移曲线对比结果。由图6可看出，在CH1点，碳纤维复合材料发动机罩侵入量较低，主要是由于其后缘刚度大导致；在CH2点和CH3点，碳纤维复合材料发动机罩最大动态侵入量比金属发动机罩多10 mm左右，但对发动机舱内零部件布置空间影响不大。综上所述，碳纤维复合材料发动机罩的初始刚度曲线较平缓，在设计时可以结合发动机罩不同区域的HIC值要求及总布置空间来进行碳纤维的铺设布置。

Test Validation for Pedestrian Protection Performance of CFRP Hood

Lv Xiaojiang1,Liu Weiguo1,2,Yang Haiyan1,Sun Lizhi1,Zhou Dayong1,2
（1.Geely Automobile Institute;2.Zhejiang Key Laboratory of Automobile Safety Technology）

In order to study the pedestrian protection performance of hood made of carbon fiber reinforced plastic（CFRP）,we perform test validation and compare it with metal hood of the same structure.Test results show that using CFRP hood,the synthetic acceleration peak value of the pedestrian’s head is 30%lower than that of the metal hood on average,this is more helpful to reduce the injury to the head with similar position of reinforced structure.CFRP hood has little influence on the engine cabin package,and this kind of hood can ensure the integrity of the structure after being impacted by head of pedestrian,which is conducive to reduce the maintenance cost.

Engine hood,CRFP,Pedestrian protection,Test

发动机罩 碳纤维复合材料 行人保护 试验

U467.1+4

A

1000-3703（2015）01-0059-04

浙江省汽车安全技术研究重点实验室建设项目（2009E10013）。