塑料前舱盖头部保护C-NCAP五星目标达成

欧阳伟刚

塑料前舱盖头部保护C-NCAP五星目标达成

欧阳伟刚

（奇瑞新能源汽车股份有限公司，安徽 芜湖 241000）

在车辆与行人碰撞事故中行人属于弱势群体，而且行人头部受到的伤害尤其严重，通过对前舱盖针对性结构设计有利于提高行人头部的保护。采用仿真和试验结合对标的方法，建立行人头部撞击器与发动机罩碰撞的有限元模型，通过模拟头部伤害值得分，对结构设计提出优化改进方向。汽车针对行人的碰撞安全保护已经成为汽车碰撞安全性研究领域的主要一环，其评价方法的完善对促进汽车与行人碰撞安全性的提高具有重要意义。

塑料前舱盖；行人保护；头部伤害；优化改进

前言

自美国1979 年最早采用NCAP 体系—New Car Assess -ment Programme，即新车评价规范以来，汽车安全性逐渐被广大的汽车消费者所了解。三十多年来，世界各国家/地区都相继开展了NCAP评价。2006 年，为了促进中国汽车产品安全技术水平的快速发展，降低道路交通安全事故中的伤亡率，在充分研究并借鉴其他国家NCAP 发展经验的基础上，结合我国汽车标准、技术和经济发展水平，中国汽车技术研究中心正式建立了C-NCAP（中国新车评价规程）。2018年C-NCAP针对中国行人事故高发的特点适时增加了行人保护试验试验，其中头部保护得分成为试验评价重要一环。

自2000年以后，汽车进入中国家庭，每年交通事故人数逐年上升，死亡人数约占交通事故人数30%。在中国城市道路交通中，存在大量行人、非机动车辆和机动车辆混行。在国外交通事故是以车碰车事故较多，中国是人车碰的事故较多。每年道路交通事故中，接近一半为行人和非机动车辆人员，作为道路使用中的弱势一方，行人保护在中国一直没有引起高度的重视。欧美国家汽车市场早在2001～2003年就实施了苛刻的汽车碰撞行人保护标准。以加大对行人的保护。在人与车碰撞中，前舱盖是与行人发生一次碰撞的主要部件，所以研究前舱盖行人头部伤害仿真的分析是非常有必要的。

1 塑料前舱盖的描述

汽车前舱盖总成是整车的重要组成部分，它既起到空气导流作用，又保护前舱内部部件及周边管线配件等，还可以充分防止冲击、腐蚀、雨水以及电干扰等不利影响，前舱盖下，是汽车重要的组成部分，包括电路、散热、刹车系统以及传动系统等等。对车辆至关重要。通过提高前舱盖刚度和构造，可充分防止冲击、腐蚀、雨水、及电干扰等不利影响，充分保护车辆的正常工作。它在结构上一般由外板和内板组成，内板起到增强刚度的作用，属于一种骨架式结构。在设计中要求前舱盖总成模态和刚度满足实际需要且质量最轻，否则影响车辆的整体安全性与NVH性能。在汽车工业领域，面对能源、环境、安全等严峻问题，具有轻量化、更高安全性、更高集成制造性能的非金属热固性材料已成为汽车轻量化技术主流趋势之一。本项目为电驱动新能源SUV车型，从车身轻量化角度，系统方案尝试使用非金属材料，前舱盖内板采用粘接的方式。满足18版CNCAP行人保护头部5星对应得分要求。

2 材料特性描述

本项目是电动汽车，前舱盖材料选用改良PP。基于改良PP具备的一些优缺点对比：

2.1 优点

（1）具有较好的冲击强度和低温韧性，对外部冲击和路面激励震动，有较好的吸收性。弹性模量高、刚性及耐热性好、尺寸稳定性好等突出优点，克服了通用PP 材料收缩率大、热变形温度低、力学持久性差等缺点。

（2）重量轻，密度小，介于0.83与2.2g/cm3之间，钢密度7.8g/cm3，铝密度2.8g/cm3，铜密度8.7g/cm3，玻璃密度2.5g/cm3。适合耐冲击不大的覆盖结构件上。

（3）塑料耐腐蚀性强，对酸、碱、盐等溶剂有着良好的抗腐蚀性。耐腐蚀性性能优于钣金零件。

（4）成型性好，成型性能优于传统钣金冲压件。

2.2 缺点

（1）薄壁大型零件，成型后，零件变形较大。需要控制材料变形率。

（2）塑料件在外部高低温环境下，塑性变形大，对整车外观有不利的影响。

（3）塑料件受外部撞击，零件变形失效不如钣金极限屈服模式好。

在后期结构设计过程中，需要关注塑料件的一些材料特性缺陷。

3 前舱盖结构方案

外板材料选用低热膨胀系数、低收缩率PP+EPDM-T3。内板选用PP+LGF40/30，基本料厚2.5mm，内外板之间通过粘结。前舱盖附件安装点位置处内嵌钣金加强板，以保证安装点位置处刚度。在内板合理的布置加强筋，以保证前舱盖总成性能达到要求。（见图1）

图1

基于前舱盖表面积较大，决定不采用固定卡接方式，改用铰链安装。发盖的开启关闭方式同传统钣金冲压的发盖相同。（见图2）

图2

前舱盖周圈镶嵌钣金，采用嵌件注塑，一来能够保证前舱盖的整体刚度，二来钣金冲压件变形小来控制住塑料发盖内板的变形。（见图3）

图3

采用全压紧工装，前舱盖内外板的涂胶厚度定义到2-3mm，后期局部尺寸偏差量在1mm左右的可以通过涂胶厚度来吸收偏差量，以保证前舱盖总成的精度要求。（见图4）

图4

前舱盖内板模具做成5个分块，一来内板模具可以快速完成验证尺寸及变形量大小，二来根据试模件各处的实测变形量分块修改，增加修改速度减小修改的难度。以保能在最短时间内保证精度合格的前舱盖。（见图5）

图5

4 目标设定

4.1 行人保护头部碰撞区域的划定

按照cncap-regulation-2018规则要求，划定前舱盖前缘基准线，侧部基准线，后面基准线，包络线，角点，确定头部试验区域。标记头型碰撞区域网格点，在保险杠、前舱盖上部、风挡玻璃和车顶上标记出车辆的纵向中心线。在车辆纵向中心线上，从WAD1000开始，沿车辆前部外轮廓以100mm为间隔进行包络距离标记，直到WAD2100 为止。从纵向中心线上的标记点开始，分别向车辆两侧直到发动机罩侧面基准线，以100mm为间隔进行标记，此100mm应在车辆横向垂直平面内，沿水平方向测量得到。在纵向中心线上的每个标记点处重复上述步骤，直到整个头型碰撞试验区域都被网格点覆盖。（见图6）

图6

4.2 头部得分目标设定

车型要求达到18版C-NCAP 5星目标，通过指标分解，考虑CAE仿真的偏差，预留0.5分的分析余量，设定头部设计目标得分7.25分。（见图7）

图7

5 行人保护头型试验理论分析

行人保护头型试验时将车辆调整为正常行驶姿态，头型以40km/h的速度冲击车辆头型试验区域，评价车辆对行人头部的碰撞保护性能。头型试验分为儿童头型试验和成人头型试验，用儿童头型进行试验时，冲击角度为50°±2°，当用成人头型进行试验时，冲击角度为65°±2°。（见图8）

图8

试验中，通过采集碰撞过程中头型三个方向的加速度，计算出HIC15值来评价车辆对行人头部的碰撞保护性能，HIC值越小得分越高。HIC15的计算方法：

式中： Ax 、Ay 、 Az分别为头部3个方向的加速度，单位为g，t2-t1 ≤15ms。

头型的初始动能：E=1/2*MV2

反作用力做的功：W=MAR*D

能量守恒：E=W，1/2*V2= AR*D通常，要减少HIC值，就需要减少AR，由能量守恒，这就需要增加头型撞击点的变形量D，因此工程上常常采用弱化发盖、翼子板、大灯等结构来保证头型的得分。如果在撞击过程中发动机罩变形量过大，从而与发舱内的坚固件发生接触，比如发动机、蓄电池等，则可能造成二次伤害，增大头部伤害，即增大HIC值，因此提升头型得分也是一个多次迭代的过程。

6 CAE分析及改进

6.1 第一轮分析结果

第一轮分析，发现如下问题：

（1）机罩内外板、保险杠加强板重叠区域，头部加速度较大，失分严重。

（2）机罩内板突出结构导致头部加速度较大，严重失分。

（3）日间行车灯碰撞区域，刚度较大，失分严重。日间行车灯与翼子板结合处，刚度较大吸能空间较小，失分严重。

（4）铰链区域，铰链加强板刚度较大，失分较多。

（5）玻璃横梁区域，刚度较大，失分严重。

图9

6.2 第一轮改进及分析结论

通过去除前舱盖内板凸出结构，弱化加强筋结构。减弱前端模块和前保安装板立筋、凸出安装点。弱化翼子板支架支撑刚度，前风挡下横梁由型材件改为冲压铝板C型结构。头部优化后得分为7.03分，离目标值只差一点。

图10

6.3 第二轮改进及分析结论

通过在前舱盖侧边梁开减弱孔，减弱前保安装板材料和安装支架结构，优化流水槽支撑横梁位置，日间灯安装点设计成压溃结构等措施，最后头部优化后得分7.25分，达到目标设定。

图11

6.4 头部优化总结

（1）最初始头部得分为4.05分，主要失分原因为发罩内板、翼子板刚度较大，前保加强板、日间行车灯位于头部碰撞区域内，风窗横梁、流水槽结构设计不合理。

（2）通过降低发罩内板、翼子板刚度，该区域得分较好。

（3）对风窗横梁、流水槽结构优化后，该区域得分提高一个等级。

（4）前保加强板区域通过优化其结构，降低材料牌号，同时前端模块支架采用DC01料厚为1.0mm的钣金件，头部得分达到要求。

（5）日间行车灯刚度较大，通过弱化安装支架同时减小安装横梁，减小头部失分。

7 结论

（1）本文阐述了将塑料材料应用到电动车前舱盖上的方法，描述了塑料前舱盖结构设计结构要点。通过对行人头部保护规则进行研究，基于行人头部保护的目的，进行了目标设定。

（2）文中对头部碰撞区域和得分点划分，是基于国家2018年C-NCAP规则。

（3）通过头部碰撞有限元模型的仿真分析，提出结构优化改进方案并实施相关结构改进，逐步达到头部伤害值的设定目标。这只是数据设计阶段的CAE分析，后期具体的目标达成，还需要进行实车的行人保护测试，来验证设计系统的达成情况。

[1] 崔东.基于行人头部保护的新型复合材料发动机罩设计[D];哈尔滨工业大学;2010年.

[2] 龚燕尧,朱大勇.行人保护法规及有利于行人保护的车身结构[J].科研设计,2014,(4).

[3] 北京汽车乔维高;王宇航.汽车与行人碰撞中行人保护的研究现状及发展趋势[J];北京汽车;2008年04期;2005年06期.

[4] Global Technical Regulation No.9.

[5] 张金换等著.汽车碰撞安全性设计.清华大学出版社,2010.

[6] 2018年cncap-regulation-2018.

[7] 张轶川,朱西产,苗强,等.针对行人保护头部碰撞的发动机罩设计方法.汽车技术,2009(012):24-28.

Plastic front hood head protection C-NCAP 5-star target achieved

Ouyang Weigang

( Chery New Energy Automobile Co., Ltd., Anhui Wuhu 241000 )

In the vehicle-pedestrian collision accidents, pedestrians are vulnerable groups, and the head of pedestrians is particularly seriously injured. The targeted structural design of the front cabin cover is conducive to improving the protection of the head of pedestrians. The finite element model of the collision between the pedestrian head impactor and the hood was established by combining the simulation and experiment with the target alignment method. Vehicle pedestrian collision safety protection has become a major part of the research field of vehicle collision safety, and the improvement of its evaluation method is of great significance for promoting the improvement of vehicle and pedestrian collision safety.

Plastic front hood; pedestrian protection; head injury; optimization and improvement

U462

A

1671-7988(2019)14-63-04

U462

A

1671-7988(2019)14-63-04

欧阳伟刚 (1969.12-），男，本科，工程师，现任奇瑞新能源汽车股份有限公司研究院车身部主任工程师，主要研究方向：车身技术研究与开发。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.020