基于等效静载荷法的汽车复合材料发动机罩结构优化设计以提高行人安全

欧洲近一年的道路交通事故造成6000多人死亡或受伤，其中行人头部受伤是事故中行人重伤和死亡的主要原因。

为了提高行人安全，减轻行人头部损伤程度，研究在有限元分析的基础上，进行了汽车复合材料发动机罩的优化设计。研究首先分别对部分车辆、头部冲击器和发动机罩建立了有限元模型。这里建立部分车辆模型可以降低仿真时间，头部冲击器模拟了试验中人的头部，建立发动机罩模型对汽车发动机罩在弯曲、扭转等静载荷作用下的刚度性能进行了评价。然后基于冲击刚度分析进行整个复合材料发动机罩的优化设计。研究选择碳纤维增强复合材料（CFRP）和混杂玻璃纤维增强复合层压材料（CFRP/GFRP）作为候选材料。通过等效静载荷法对发动机复合材料罩的角折叠顺序和材料分配进行优化设计。角折叠顺序是复合材料各层与水平线的夹角，不同的角折叠顺序会产生不同的材料特性。材料分配优化指在整个有限元设计域内选择不同的材料厚度以获得性能最优的结构。

优化设计后，通过测量头部损伤指标（HIC）、挠度和重量来评价复合材料发动机罩的综合表现。结果表明，与传统铁和铝制成的发动机罩相比，研究所设计的复合材料发动机罩可以显著提高冲击性能以及降低发动机罩质量，同时满足了弯曲和扭转变形的强度要求。