于英華, 劉 明, 陳玉明, 蘇子龍

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 阜新 123000)

泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩板研究

于英華, 劉 明, 陳玉明, 蘇子龍

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 阜新 123000)

為了提高汽車的節(jié)能性、安全性,文章以某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩板為設(shè)計(jì)原型,以輕量化和剛度滿足要求為約束條件,設(shè)計(jì)了泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩板;利用有限元仿真分析方法對(duì)2種結(jié)構(gòu)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的靜態(tài)性能及其與行人頭部碰撞保護(hù)性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩板不僅可以實(shí)現(xiàn)汽車輕量化,達(dá)到節(jié)能減排的目的,而且還可提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的靜態(tài)性能及與行人碰撞的安全性。

泡沫鋁;層合結(jié)構(gòu);汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩板;輕量化;行人保護(hù)性

0 引 言

隨著汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展,汽車的輕量化和行人保護(hù)性問(wèn)題日益重要[1]。改進(jìn)汽車與行人碰撞安全性的方法可分為主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)2個(gè)大類。主動(dòng)防護(hù)方法是在發(fā)生汽車與行人碰撞事故前或在事故發(fā)生時(shí)主動(dòng)采取一些措施來(lái)避免事故或減小事故后果;而被動(dòng)防護(hù)方法則是通過(guò)改變車身結(jié)構(gòu)或材料來(lái)減少在碰撞過(guò)程中對(duì)行人產(chǎn)生的傷害[2]。

泡沫鋁是一種新型結(jié)構(gòu)功能材料,其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性使其具備輕質(zhì)、高比強(qiáng)、減振以及高碰撞吸能性等優(yōu)異性能,因此在汽車工業(yè)上有著良好的應(yīng)用前景[3-5]。

目前已有泡沫鋁應(yīng)用在汽車保險(xiǎn)杠、車門(mén)防撞梁、地板、發(fā)動(dòng)機(jī)支架以及車架等部件中的相關(guān)研究報(bào)道,但泡沫鋁在汽車上應(yīng)用的研究仍有待于進(jìn)一步拓展。

本文以某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩板為原型,以輕量化為約束條件,設(shè)計(jì)泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩板,并對(duì)其靜態(tài)特性和行人保護(hù)性能進(jìn)行分析,以期證明泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的可行性和優(yōu)越性,為推動(dòng)泡沫鋁在提高汽車環(huán)保性和安全性方面的應(yīng)用提供一定的參考。

1 泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板設(shè)計(jì)

以某小型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩板為研究原型,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示,材料為低碳鋼。

圖1 原型發(fā)動(dòng)機(jī)罩板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

以原型發(fā)動(dòng)機(jī)罩板為設(shè)計(jì)依據(jù)并考慮汽車輕量化要求,設(shè)計(jì)泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板,如圖2所示。罩板由t1厚的鋼外覆板和t2厚的泡沫鋁內(nèi)板形成的層合板構(gòu)成,其外廓尺寸同原型結(jié)構(gòu)。

圖2 層合結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板平面尺寸簡(jiǎn)圖

2種結(jié)構(gòu)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩板涉及的材料參數(shù)見(jiàn)表1所列。

罩板上端拱形的面積為:

(1)

其中,α1為弧R2所對(duì)的圓心角。

罩板下端拱形的面積為:

(2)

其中,α2為弧R3所對(duì)的圓心角。

因此,發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的表面積為:

(3)

根據(jù)輕量化原則,可以得出:

S表ρ鋼t1+S表ρ泡t2

(4)

其中,t1為層合結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的外層鋼板厚度,取值為0.5 mm;t2為內(nèi)層泡沫鋁板的厚度;ρ泡為泡沫鋁的密度,值為540 kg/m3;ρ鋼為低碳鋼的密度,值為7 800 kg/m3。

表1 材料參數(shù)

為使所設(shè)計(jì)的泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板滿足剛度要求,按照等價(jià)截面設(shè)計(jì)的基本原則,泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的截面抗彎剛度系數(shù)(EI)c應(yīng)該大于等于原型發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的截面抗彎剛度系數(shù)(EI)y,即

(EI)y≤(EI)c

(5)

在計(jì)算2種發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的抗彎截面慣性矩時(shí),為簡(jiǎn)化計(jì)算,將2種發(fā)動(dòng)機(jī)罩板簡(jiǎn)化為寬度為b的等寬度平板。因此,根據(jù)圖1尺寸可推導(dǎo)出原型發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的截面抗彎剛度系數(shù)(EI)y的計(jì)算公式為:

(6)

其中,E鋼為低碳鋼的彈性模量;δ為原鋼板厚度。

按照?qǐng)D2泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的結(jié)構(gòu)尺寸,并根據(jù)材料力學(xué)的慣性矩計(jì)算的平行軸定理,可以推導(dǎo)出其截面抗彎剛度系數(shù)(EI)c的計(jì)算公式為:

(7)

其中,E泡為泡沫鋁的彈性模量;t1為層合結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的外層鋼板厚度;t2為內(nèi)層泡沫鋁板的厚度。

將(4)～(7)式聯(lián)立,并將已知參數(shù)的數(shù)值代入,最終計(jì)算得4.74 mm≤t2≤7.22 mm,因此取泡沫鋁板厚度t2=6 mm。

經(jīng)計(jì)算,原結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的截面抗彎剛度系數(shù)為16.67 N·m2,泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的截面抗彎剛度系數(shù)為112.26 N·m2,高于原型結(jié)構(gòu)。泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的質(zhì)量為3.85 kg,比原形罩板的減輕了8.6%,因此泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既滿足輕量化要求,又提高了發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的靜態(tài)性能。

2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的靜態(tài)分析

2.1 分析步驟

依據(jù)上文所述的2種汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩板結(jié)構(gòu),建立其三維模型,并對(duì)2種結(jié)構(gòu)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩板進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分,如圖3所示。按照表1設(shè)置2種結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的材料參數(shù)。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的有限元分析模型

發(fā)動(dòng)機(jī)罩板在鎖上時(shí)有支架的鎖鏈扣,將發(fā)動(dòng)機(jī)罩板整體與車身固定在一起,這就相當(dāng)于將發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的6個(gè)自由度全部約束了,因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的4條底部邊線進(jìn)行全部約束。根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]提供的抗壓實(shí)驗(yàn),發(fā)動(dòng)機(jī)罩板承受的壓力應(yīng)為6 500 N，再結(jié)合上文的計(jì)算,其外表面積為0.54 m2,對(duì)罩板施加均布載荷6 500÷0.54=12 037 Pa。

2.2 結(jié)果與分析

2種結(jié)構(gòu)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的仿真數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所列，應(yīng)變和應(yīng)力云圖如圖4、圖5所示。

由表2可以看出，層合結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的最大應(yīng)變和應(yīng)力分別為0.69 mm和122.54 MPa,與原型結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)變0.78 mm、最大應(yīng)力127.84 MPa相比分別減小了11.53%和4.15%。由此可見(jiàn),層合結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩板比原型結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩板具有更優(yōu)越的靜態(tài)特性。

表2 靜態(tài)特性比較

圖4 應(yīng)變?cè)茍D(一)

圖5 應(yīng)力云圖(二)

3 行人頭部碰撞保護(hù)特性分析

汽車與行人發(fā)生碰撞時(shí),首先是保險(xiǎn)杠與行人小腿相撞,而后是發(fā)動(dòng)機(jī)罩或風(fēng)窗玻璃甚至是頂蓋相撞。研究表明,行人頭部和下肢損傷在汽車與行人碰撞造成的損傷中各占約30%。因此,研究行人頭部與發(fā)動(dòng)機(jī)罩板碰撞過(guò)程中對(duì)行人頭部的保護(hù)作用至關(guān)重要[7]。

本文根據(jù)新車碰撞測(cè)試(new car assessment program,NCAP)碰撞安全標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用LS-DYNA軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板與行人頭部碰撞的相應(yīng)特性進(jìn)行分析[8]。

3.1 分析步驟

仿真分析時(shí),假設(shè)泡沫鋁板與外鋼板被很好地黏結(jié)在一起,即泡沫鋁板與外鋼板2種材料的界面接觸處采用黏結(jié)的方式來(lái)處理。2種結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的材料屬性賦予、邊界約束同靜態(tài)性能分析,即按照表1設(shè)置2種結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的材料參數(shù)。

把人的頭部看做由頭骨與頭皮組成的2層球體,成人的頭骨模型為直徑165 mm的球,表皮模型為壁厚14 mm的球體模型,兩者之間黏結(jié)在一起沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng),把頭皮與頭骨經(jīng)過(guò)處理變成均勻的、各向均為同性的黏彈性材料。頭部模型的材料參數(shù)[9]見(jiàn)表3所列。

表3 頭部模型的參數(shù)

假設(shè)人頭與2種結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩板均在中間位置發(fā)生碰撞,如圖6所示。

圖6 人頭與發(fā)動(dòng)機(jī)罩板碰撞示意圖

在網(wǎng)格劃分的尺寸控制單元Size Element edge length 處填入10,則頭部模型共劃分為3 171個(gè)節(jié)點(diǎn)和16 095個(gè)單元,如圖7所示。對(duì)頭部模型施加載荷初速度,根據(jù)NCAP準(zhǔn)則，模仿頭部模型與水平面成65°角以40 km/h的速度與發(fā)動(dòng)機(jī)罩板進(jìn)行撞擊。

圖7 頭部碰撞模型網(wǎng)格劃分

3.2 結(jié)果與分析

頭部與2種結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板在0.01 s和0.02 s時(shí)刻的碰撞圖分別如圖8、圖9所示。

在進(jìn)入時(shí)間歷程處理器后只對(duì)頭部模型中同一節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)號(hào)為80)的Y方向加速度進(jìn)行比較。頭部與2種結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板發(fā)生碰撞時(shí),頭部節(jié)點(diǎn)在Y方向的加速度曲線,如圖10所示。

由圖10可知，層合結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板在其Y方向的最大加速度為83.5g發(fā)生在6.2 ms處,而原結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板在其Y方向的最大加速度大小為114g，發(fā)生在4.7 ms處,即與頭部碰撞時(shí)層合結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板在Y方向的最大加速度比原型結(jié)構(gòu)減小28.07%。

圖8 原結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板碰撞圖

圖9 層合結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板碰撞圖

圖10 頭部80號(hào)節(jié)點(diǎn)在Y方向的加速度曲線

根據(jù)歐洲的NCAP行人保護(hù)準(zhǔn)則,行人的頭部碰撞損害指標(biāo)主要根據(jù)頭部與發(fā)動(dòng)機(jī)罩板發(fā)生碰撞時(shí)，所產(chǎn)生的加速度及其持續(xù)的過(guò)程時(shí)間而計(jì)算的物理量頭部傷害指標(biāo)(head injury criterion,HIC)值的大小來(lái)確定[10]。該數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

其中,a為碰撞時(shí)頭部的加速度;t1為積分起始點(diǎn)時(shí)間;t2為積分任意終止點(diǎn)時(shí)間。

經(jīng)計(jì)算,層合結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的HIC值為395,原型結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的HIC值約為610,即前者比后者降低了35.25%?？梢?jiàn),泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩板可顯著提高汽車與行人碰撞的安全性。

4 結(jié) 論

(1) 本文提出了采用泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩板以提高汽車環(huán)保性和安全性,以某車型的發(fā)動(dòng)機(jī)罩板為例,探討了泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的設(shè)計(jì)方法,并通過(guò)有限元仿真分析的方法證明了其可行性和優(yōu)越性。

(2) 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的情況下,泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩板在達(dá)到輕質(zhì)性的同時(shí),提高了其靜態(tài)特性,特別是可顯著提高汽車與行人的碰撞安全性。

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(責(zé)任編輯 胡亞敏)

Study of automobile engine hood with aluminum foam laminated structure

YU Yinghua, LIU Ming, CHEN Yuming, SU Zilong

(School of Mechanical Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)

In order to improve the energy saving and security of the automobile, and taking an automobile engine hood as prototype, the engine hood with aluminum foam is designed by ensuring lightweight and rigidity requirement. The static and pedestrian head impact protection performance of the two kinds of automobile engine hood is studied by FEM. The result shows that the automobile engine hood with aluminum foam not only can realize the lightweight so as to achieve energy conservation and emissions reduction, but also can improve the static performance and the pedestrian impact safety of the automobile engine hood significantly.

aluminum foam; laminated structure; engine hood; lightweight; pedestrian protection

2015-11-27；

2016-01-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375219);遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究(創(chuàng)新團(tuán)隊(duì))資助項(xiàng)目(LN2010045)和中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)研究指導(dǎo)性計(jì)劃資助項(xiàng)目(MTKJ2010-290)

于英華(1965-),女,吉林靖宇人,遼寧工程技術(shù)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.04.006

U463.82

A

1003-5060(2017)04-0461-05