王新，房亮，侯國強(qiáng)，張文超

（1.天津職業(yè)大學(xué)汽車工程學(xué)院，天津 300410 ；2.中國汽車技術(shù)研究中心零部件實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

引言

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，汽車碰撞安全性能已經(jīng)成為影響消費(fèi)者選購汽車的一項(xiàng)重要原因，同時(shí)行人保護(hù)性能也越來越受到關(guān)注，降低對行人的傷害，同時(shí)降低車主的財(cái)產(chǎn)損傷。發(fā)動(dòng)機(jī)罩是行人頭部與車輛發(fā)生碰撞時(shí)撞擊概率最高的車身部位，同時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈區(qū)域是發(fā)動(dòng)機(jī)罩剛度最大的部位，其對頭部的損傷最為嚴(yán)重[1]。

本文提出一種可折疊變形式發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈，并應(yīng)用HyperMesh軟件建立某轎車及行人頭部有限元模型，通過LS-dyna軟件求解行人頭部撞擊該發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈區(qū)域時(shí)的傷害指標(biāo)，驗(yàn)證可折疊式發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈設(shè)計(jì)的可行性。

1 可折疊變形式發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈

行人與轎車前部碰撞時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈處由于剛度大，最易造成行人頭部的嚴(yán)重碰撞傷害，為解決這一問題，目前行人碰撞保護(hù)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈設(shè)計(jì)有可壓潰式發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈、可彈起式發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈等，其中可壓潰式發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈存在側(cè)向剛度的不足，壓潰力無法準(zhǔn)確確定，保護(hù)頭部效果有限；可彈起式發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈成本高，可能出現(xiàn)誤彈起等安全問題。

本文提出的可折疊變形式發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈包括：與車身前指梁固裝的下鉸鏈座、上鉸鏈座、觸發(fā)臂、和用于與發(fā)動(dòng)機(jī)罩連接的機(jī)蓋連接板、第一銷軸和旋轉(zhuǎn)銷軸，機(jī)蓋連接板的一側(cè)與上鉸接座的上部鉸接，上鉸鏈座的下部與下鉸鏈座的上部相互交錯(cuò)，并且交錯(cuò)部分重疊，同時(shí)在重疊部上方的上鉸鏈座上固裝有一限位套，且該限位套位于上鉸鏈座遠(yuǎn)離下鉸鏈座的一側(cè)；觸發(fā)臂豎直穿過限位套且被該限位套橫向限位，觸發(fā)臂的上端和下端分別形成有上接觸塊和下接觸塊；

第一銷軸和旋轉(zhuǎn)銷軸分別穿過限位套兩側(cè)的重疊部，旋轉(zhuǎn)銷軸安裝在上鉸鏈座的孔的下部向下延伸出弧形軌道內(nèi)，軌道寬度略小于孔的直徑，旋轉(zhuǎn)銷軸的橫向長度大于軌道的寬度，以使該旋轉(zhuǎn)銷軸橫向設(shè)置時(shí)被限位于孔內(nèi)；當(dāng)旋轉(zhuǎn)銷軸旋轉(zhuǎn)90°使得第二凸起下移，該旋轉(zhuǎn)銷軸順沿軌道滑動(dòng)且上鉸鏈座圍繞第一銷軸旋轉(zhuǎn)。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 可折疊變形式發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)行人碰撞到發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈位置時(shí)，通過鉸鏈的折疊功能，在發(fā)動(dòng)機(jī)罩縱向上具有更大的緩沖空間，避免頭部砸透發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板后與發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈發(fā)生碰撞的情況，可極大降低頭部受到的傷害。與可壓潰式鉸鏈相比，具有可重復(fù)利用和變形可靠的優(yōu)點(diǎn)；與可彈起式鉸鏈相比，成本大大降低，且沒有誤彈起的情況發(fā)生。

2 行人頭部碰撞有限元模型的建立

行人頭部碰撞有限元模型的建立主要考慮以下三方面的內(nèi)容：

2.1 行人頭部模型的建立

本文根據(jù) GTR法規(guī)對行人保護(hù)碰撞頭模的要求，利用Hypermesh軟件建立行人頭部沖擊器的有限元模型，為了保證頭部有限元模型準(zhǔn)確模擬真實(shí)行人頭部碰撞過程中的損傷情況，按照法規(guī)要求的標(biāo)定程序，利用LS-DYNA軟件計(jì)算并反復(fù)修改頭部有限元模型，直至頭部有限元模型符合GTR法規(guī)要求的靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)性能。

GTR頭部模型沖擊器主要由外邊皮膚、球體、端蓋及位于中心的碰撞加速度傳感器，其中皮膚需要具有彈性，模擬人體的皮膚[2]；加速度能夠反映X、Y、Z三個(gè)方向的加速度值?；谝陨辖７椒ǎ⒌男腥祟^部有限元模型如圖 2所示。

圖2 行人頭部有限元模型剖視圖

根據(jù)GTR法規(guī)的要求，頭部沖擊器還包括頭型直徑、頭型質(zhì)量、頭部碰撞試驗(yàn)撞擊速度及碰撞角度要求，如表1所示。

表1 頭部沖擊器主要性能參數(shù)

2.2 行人保護(hù)車身有限元模型的建立

用于頭部碰撞仿真的車身有限元模型僅建立A柱及之前的部分，相比于其他碰撞形式仿真分析的有限元模型，行人保護(hù)車身有限元模型需細(xì)化網(wǎng)格，并準(zhǔn)確模擬發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖扣、鉸鏈、發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板的包邊結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確定義橡膠件、膠粘的仿真參數(shù)[3]。

車身的連接形式主要包括點(diǎn)焊、二氧化碳保護(hù)焊、膠粘、螺栓連接，其中點(diǎn)焊應(yīng)用Hypermesh中的點(diǎn)焊單元模擬，材料為mat100，二氧化碳保護(hù)焊與螺栓連接通過剛性連接進(jìn)行模擬，膠粘通過建立實(shí)體單元，并合并膠體實(shí)體單元與鈑金件殼單元相鄰的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬。建立完成的車身有限元模型如圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)罩有限元模型

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)罩有限元模型

其中發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈的模擬是本文的關(guān)鍵，發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈通過螺栓與發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板、前指梁進(jìn)行連接，螺栓通過剛體單元進(jìn)行模擬；鉸鏈銷軸的旋轉(zhuǎn)關(guān)系通過定義鉸鏈副revolute進(jìn)行模擬，對于本文提到的可折疊變形式發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈，通過spot weld單元進(jìn)行折疊機(jī)構(gòu)的模擬，定義spot weld單元的斷裂時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)可折疊變形式發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈的折疊。建立的發(fā)動(dòng)機(jī)罩及鉸鏈模型如圖4所示。

2.3 碰撞接觸關(guān)系的定義

接觸關(guān)系是進(jìn)行碰撞仿真分析的關(guān)鍵，對于行人頭部碰撞仿真分析，主要定義車身各部分的自接觸、頭部模型的自接觸以及頭部模型與車身之間的接觸關(guān)系。

3 頭部碰撞有限元仿真計(jì)算

本文通過LS-dyna軟件進(jìn)行碰撞仿真分析的求解，通過對比原傳統(tǒng)式發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈與可折疊變形式發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈的頭部碰撞仿真結(jié)果，得出以下兩方面的：

（1）鉸鏈位置碰撞應(yīng)力云圖，主要用于評價(jià)鉸鏈區(qū)域的受力情況，衡量鉸鏈?zhǔn)欠癜l(fā)生塑性變形，是否可以重復(fù)使用。

其中傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈碰撞云圖如圖5所示，可折疊變形式發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈碰撞云圖如圖6所示，通過對比可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)鉸鏈模型在碰撞時(shí)的最大應(yīng)力為260.6Mp，發(fā)生在鉸鏈銷軸附件，根據(jù)材料的力學(xué)參數(shù)判斷依據(jù)發(fā)生塑性變形；可折疊變形式發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈在碰撞時(shí)最大應(yīng)力為208.0Mp，同樣發(fā)生在鉸鏈銷軸附件，但未達(dá)到材料的屈服極限，該鉸鏈可以重復(fù)使用。

圖5 傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈碰撞云圖

圖6 可折疊變形式發(fā)動(dòng)機(jī)罩 鉸鏈碰撞云圖

（2）傳統(tǒng)鉸鏈與可折疊變形式鉸鏈頭部損傷值比較，用于衡量兩款鉸鏈對于行人頭部的包含情況。

運(yùn)用HIC值計(jì)算頭部的損傷情況，其計(jì)算公式如下[4]：

其中，a為頭部質(zhì)心處的合成加速度，g；

t1和t2是碰撞的任意兩個(gè)時(shí)刻，s；

通過比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)行人頭部撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈區(qū)域時(shí)，傳統(tǒng)鉸鏈的行人頭部損傷指標(biāo)HIC值為2949.8，超出行人保護(hù)安全法規(guī)要求的小于1350，可折疊變形式發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈的行人頭部損傷指標(biāo)HIC值為201.9，遠(yuǎn)小于行人保護(hù)安全法規(guī)要求的小于1350限值，行人頭部加速度曲線及HIC值曲線如圖7所示。

圖7 行人頭部加速度及HIC值曲線

4 結(jié)論

通過對比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈及可折疊變形式發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈行人頭部碰撞仿真結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1）傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈由于在碰撞過程中達(dá)到材料的屈服極限，因此在碰撞后需要更換，維修成本高，可折疊變形式發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈碰撞過程中未達(dá)到材料的屈服極限，因此可以重復(fù)利用，大大降低維修成本；

（2）通過對于傳統(tǒng)鉸鏈與可折疊變形式發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈在鉸鏈區(qū)域?qū)θ祟^部造成的損傷指標(biāo)HIC，發(fā)現(xiàn)可折疊變形式發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈由于折疊變形，在碰撞過程中可以給頭部提供更大的緩存空間，因此其傷害值原小于傳統(tǒng)鉸鏈給頭部造成的損傷值，可以有效保護(hù)行人頭部。

（3）目前，國內(nèi)外汽車行人保護(hù)性能主要應(yīng)用有限元碰撞理論進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，并最終采用試驗(yàn)的方法驗(yàn)證行人保護(hù)性能；仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性主要由以下兩方面決定[5]：

1）頭部仿真模型的建立標(biāo)定是否準(zhǔn)確，是否精確模擬真人頭部碰撞時(shí)的傷害指標(biāo)；

2）發(fā)動(dòng)機(jī)罩緩沖塊等非線性材料的模擬；因此該行人保護(hù)可折疊變形式發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈的包含效果還需實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

本文根據(jù)有限元碰撞理論并應(yīng)用碰撞仿真分析軟件進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升了汽車行人保護(hù)性能的同時(shí)縮短研發(fā)周期降低設(shè)計(jì)成本。