基于行人头部保护和刚度要求的发动机罩内板优化设计

曾小敏+彭雄奇+鲁宏升+潘锋

摘要：提出一种基于行人头部保护和刚度要求的汽车发动机罩内板优化设计方法，将其应用于某款发动机罩内板的参数化设计和优化分析.对优化方案与初始方案的行人头部碰撞仿真结果进行对比，结果表明：优化方案在满足发动机罩刚度要求的前提下能显著降低行人头部碰撞的伤害值.该优化方法可行，可为发动机罩内板的优化设计提供参考.

关键词：汽车； 发动机罩； 内板； 行人头部保护； 参数化设计； 优化； 有限元

中图分类号： U461.91； TB391.9

文献标志码：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

在汽车与行人碰撞事故中，行人头部是最容易受伤的部位.[1]2009年，世界卫生组织对行人交通事故的调查结果显示，在所有的人-车碰撞事故中，行人头部损伤造成死亡的几率最大，高达55%.[2]行人头部主要的接触区域是发动机罩盖[3]，因此发动机罩结构优化设计需要考虑行人保护以降低头部伤害.同时，为避免因扭转或弯曲刚度不足可能引起的振动噪声和开闭性问题，发动机罩必须具备足够的整体刚度.[4]目前，国内外的研究工作多数是单纯从提高行人头部保护角度或者从改善刚度性能出发，对发动机罩进行改进设计，很少将2种设计要求同时融入到发动机罩的结构优化设计过程中.

针对上述问题，提出一种基于行人头部保护和刚度要求的发动机罩优化设计方法.根据GB/T 24550—2009[5]要求，针对某款车型的发动机罩板进行参数化设计和优化，优化过程耦合保护行人头部和刚度分析要求，提高行人头部碰撞安全性能.采用LS-DYNA，MSC Nastran与ENKIBONNET分别作为发动机罩头部碰撞仿真、刚度分析和参数优化的工具，最后通过案例分析验证该发动机罩内板优化设计方法的可行性.

1仿真模型的建立

1.1发动机罩和头部模型

发动机罩采用冷轧低碳钢DC03钢板，由内外板、铰链及其加强板等构成，见图1.内外板厚度均为0.7 mm，边缘处通过外板翻边的方式连接，厚度为2.1 mm.内外板、铰链及其加强板均采用全积分壳单元模拟，利用实体单元模拟连接结构铰，采用刚性单元模拟内板、铰链及其加强板的螺栓孔.整个发动机罩有限元模型共有22 733个节点和22 971个单元.发动机罩各部件的模型和材料参数见表1，其中弹塑性材料通过定义各自的真实应力-真实塑性应变关系曲线控制材料的塑性行为.

发动机罩更容易对儿童造成伤害[6]，所以针对儿童头部撞击发动机罩进行分析.根据GB/T 24550—2009建立儿童头部有限元模型，见图2.头部模型质量为3.5 kg，外球直径为165 mm.球体、端盖和皮肤都用六面体全积分实体单元模拟，内部铝制球体和端盖简化为刚体，外部合成皮肤层采用黏弹性材料.

1.2行人头部撞击发动机罩仿真

根据实车安装情况施加约束条件，发动机罩左右铰链和中间锁扣位置全约束，两侧的橡胶块位置施加z方向约束.根据GB/T 24550—2009的试验条件，将儿童头部模型以50°撞击角、35 km/h速度撞击发动机罩.

案例分析主要验证该优化方法的可行性，因此仅选择其中一个头部伤害值较大的撞击点进行后续的碰撞分析和优化设计.该点位于发动机罩对称轴上，靠近锁扣，撞击点位置及其有限元模型见图3.该撞击点仿真分析得到的行人头部伤害指标HIC=1 019，超出法规要求（≤1 000），需要进行改进.

1.3发动机罩刚度分析

根据某汽车企业的刚度试验标准，该发动机罩的刚度分析工况有3种：扭转工况1、扭转工况2和侧向工况，见图4.

1）扭转工况1：左右侧铰链约束自由度1，2，3，中间锁扣位置约束自由度3，在右侧橡胶块上施加z向100 N载荷.

2）扭转工况2：左右侧铰链约束自由度1，2，3，左侧橡胶块位置约束自由度3，在右侧橡胶块上施