基于行人頭部保護的汽車發動機罩優化設計

喬維高，孫兆軒

(武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070)

我國交通事故死亡人數連續數年居世界首位，并一度超過十萬人，其中行人的死亡比例超過40%[1]。行人與轎車發生碰撞的過程中，最易受傷的部位是頭部和大腿，其中頭部傷害是最為致命的。成人的頭部在交通事故中主要與發動機罩發生接觸。因此，開展汽車發動機罩在交通事故中對行人頭部保護的研究更加刻不容緩。

筆者首先建立了滿足我國法規規定的頭型沖擊器有限元模型，并驗證了其有效性，然后對發動機罩板總成進行了有限元建模；接著對頭型沖擊器與發動機罩板的碰撞進行仿真，并對結果進行分析。最后對發動機內板進行拓撲優化，重新分配了內板上的材料密度，并對優化后的發動機罩板再次進行了碰撞仿真，驗證了優化的有效性。

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1　模型的建立

礙于碰撞試驗的破壞性和危險性，仿真模擬成為了汽車碰撞響應特性研究的主要研究手段。碰撞模型主要由頭型沖擊器模型和發動機罩板有限元模型兩部分組成。

在核設施的輻射防護上，起初認為只要保護了人類，也就保護了其他物種。1976年，國際原子能機構(IAEA)明確提出非人類物種的保護問題，1990年國際放射防護委員會(ICRP)提出的在保護人類的同時還需要保護人類賴以生存和發展的其他生物的輻射防護觀點逐漸為人們所認可。因此，從保護環境、維持生物多樣性的角度，需要評價核設施對于生物的輻射影響。國外在該方面進行了較多的研究，并研發了專門軟件，得到了廣泛應用。

1.1　頭型沖擊器有限元模型

行人保護法規對行人與車輛碰撞試驗中行人頭部模型有嚴格的力學特性要求[2]。使用CATIA軟件參照文獻[3]建立頭型沖擊器幾何模型，如圖1所示。分別給頭皮、頭骨和后端蓋設定材料密度，得到的模型總質量、質心坐標和轉動慣量等物理參數如圖2所示，其結果顯示，所建立的幾何模型符合GB/T 24550-2009標準。

圖1　頭型沖擊器幾何模型

圖2　物理參數界面圖

將建立的頭型沖擊器幾何模型導入HYPERMESH軟件中，進行有限元網格的劃分，如圖3所示。六面體網格作為劃分網格的主要形式，其中頭皮、頭骨和后端蓋是使用共節點的方式來模擬連接[4]，以提高仿真的精度。

圖3　頭型沖擊器有限元模型

頭皮部位所使用的材料為聚乙烯，通常使用LS-DYNA材料庫中的MAT6粘彈性材料模型來模擬。頭型沖擊器的鋁制頭骨部分以及后蓋相對于頭皮部分來說可以看作是剛體，因此可以使用MAT20號剛性材料Mat-rigid。為確保發動機罩板與頭型沖擊器有效接觸并使計算穩定，抽取了頭皮部分最外層三維網格的面網格，對其賦予空材料(MAT9)，并在該面網格與發動機罩外板之間定義接觸。至此，初步完成了頭型沖擊器有限元模型的建模工作。

1.2　發動機罩板有限元模型的建立

頭型沖擊器在下落時，后平面應與垂直方向有固定夾角，夾角為65°±2°。碰撞前，應保證其只做垂直運動，而沒有旋轉運動方式。碰撞過程中，應保證其質心處的峰值加速度在225～275 g之間。

圖4　發動機罩板網格劃分(外板)

網格劃分結束后，需要檢查網格的有效性，即是否滿足翹曲度、長寬比、雅克比、扭曲度等要求。在車身鈑金件劃分網格中一般將網格尺寸大小控制在10 mm左右、最小邊小于5 mm、翹曲度大于45°、最小角小于45°、最大角大于135°、雅克比小于0.6的網格數均控制在小于1%～2%的范圍內。經檢查，發動機罩網格劃分結果各質量指標控制在0%，很好地滿足了網格的質量要求。

發動機罩板的材料為鋼材，可選用能夠反映材料彈塑性力學性能的材料MAT24進行模擬。在發動機罩板的連接與約束方面，內板與左右鉸鏈部分使用螺栓連接；內板與加強板以及內板與外板之間采用剛性連接。

2　碰撞仿真模擬

2.1　頭型沖擊器模型的標定

(1)在我國行人保護法規的標準下，對頭型沖擊器進行了建模，并進行了頭型沖擊器自由跌落仿真試驗以驗證頭型沖擊器的可靠性。結果表明，所建立的成人頭型沖擊器模型是有效的。

發動機罩板是車身覆蓋件中面積最大的殼體空間曲面，總成是由外板、內板以及加強板組成。以某款汽車的發動機罩作為研究對象，將其CATIA模型導入到HYPERMESH中，分別對外板、內板及其加強板進行了幾何清理、提取中面和網格劃分。發動機罩網格劃分如圖4所示，整個模型共有56 578個節點和56 480個單元。

圖5　頭型沖擊器標定試驗示意圖

在HYPERMESH的頭型沖擊器文件中建立一塊剛性板，與頭型沖擊器組成自由跌落試驗的仿真模型，參照法規規定的實驗標準，定義合適的接觸與輸出后，導出LS-DYNA可辨別的k文件，使用LS-DYNA軟件打開該文件進行顯式計算。使用HyperView對計算結果進行濾波處理，最終得到的頭型加速度曲線如圖6所示，其最大值為232.385 g，在法規規定的質心處加速度值225 g～275 g的范圍內。

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圖6　頭型沖擊器質心加速度曲線

2.2　碰撞仿真參數的設定

將頭型沖擊器導入到該發動機罩總成模型中，建立滿足法規要求(GB/T 24550-2009)的碰撞角度與碰撞速度[7]，如圖7所示。根據法規要求，沖擊方向應在車輛的縱向平面內，相對于前部結構應向后和向下，撞擊角度為65°，撞擊時的速度為9.7 m/s，分解到y方向(汽車前進方向)和z方向(垂直于地面方向)的分量分別為4.099 m/s和-8.791 m/s。頭型沖擊器與發動機罩板的類型為Surface To Surface，摩擦系數設定為0.5。發動機罩板總成與頭型沖擊器的類型均為SingleSurface，摩擦系數均設定為0.2。

圖7　頭型沖擊器與發動機罩板碰撞模擬

2.3　碰撞仿真結果分析

經過拓撲優化后，圖12中圓圈所示4個區域有比較明顯的材料減少。區域1是內板的邊緣處，由于需要與外板進行連接，還要與左邊鉸鏈支撐板進行螺栓連接，因此僅對此處進行較小的材料修剪，本次設計對此處挖去一個直徑為40 mm的小型孔。區域2是內板的中間部位，此處的原結構特征是一個比較平整的板面，只在左右兩邊與兩個鏤空的過度處有較窄的沖壓筋，因此此處可以做較大的材料去除，本次設計對此處挖去一個最大尺寸為140 mm×240 mm的不規則長方形鏤空。區域3是內板的沖壓筋位置，不便于做修改。區域4是內板的下邊緣平面，此處中間位置是與加強板的連接區域，不宜做修改，本次優化僅在兩邊位置各挖去一個直徑為80 mm的孔洞。整個拓撲優化后的內板結構如圖13所示。

總而言之，全面落實制造型企業動態成本管理工作，不但可以有效提高企業財務管理質量，同時還能便于職工更好的掌握企業發展情況，實現企業運營生產模式的優化，引導企業穩定發展。在落實成本管理工作時，常常會存在一些問題，在這種情況下，要求制造企業做好各項問題分析工作，把動態成本管理理念融合其中，從動態管理角度入手，充分實施成本管理，減少成本消耗，給企業創造理想效益，從而促進制造型企業健康發展。

圖8　碰撞前效果圖

圖9　距中心線0 mm的質心加速度曲線

圖10　中心線300 mm的質心加速度曲線

圖11　距中心線550 mm的質心加速度曲線

觀察以上仿真結果，3次碰撞的HIC值，隨著距離幾何對稱中心線越遠，其值逐漸增高。這是由于發生碰撞的位置越靠近邊緣[8]，發動機罩板的能量傳遞范圍越小，引起的形變量也會變小，從而有效的緩沖吸能空間也逐漸減少。

雖然前兩次碰撞的加速度峰值逐漸降低，但是每條加速度曲線的值隨著時間衰減的速度越來越緩慢，較高的質心加速度持續時間過長，使300 mm處HIC值比0 mm處的值高。而550 mm處不但加速度峰值最高，而且高加速度持續時間最長，因此得到的HIC值是最大的，且已經超過了安全閾值1 000，對行人安全有很大威脅，因此需要對其進行優化。

3　發動機罩改進設計

3.1　改進方案

發動機罩板分為外板和內板，其中外板為空間曲面板，主要作用除了起到與行人碰撞時吸收能量和緩沖頭部傷害，還要與車身其他覆蓋件進行協調一致，因此不容易對發動機罩外板進行結構上的設計。筆者只對發動機罩內板內部區域進行拓撲結構優化設計，方法是在承受載荷較小的部位進行鏤空、均勻布置孔洞，以達到降低自身剛度，增大碰撞時形變量的優化目的。

前面已經建立了包含殼單元、屬性、材料、載荷和約束在內的有限元模型?，F在要做的是對模型進行拓撲優化，目的是減少內板材料的使用，以降低內板的剛度。但是，材料減少可能會導致內板剛度過于降低而使其在受力時變形過度加劇，因此，在優化過程中需要對內板的位移施加一個約束，這樣可以在內板的形變量與總體剛度上達到一定的平衡，在本次優化中，約束使其在z方向的位移不超過12 mm。在HYPERMESH中的optisruct功能中查看優化結果，如圖12所示。

圖12　最優化布局的等值面圖

將上述建立的模型導入到LS-DYNA軟件中進行計算，碰撞前的效果圖如圖8所示，再把計算所得結果導入到HyperView軟件中進行加工和處理，最終所得結果如圖9～圖11所示。

“回來了？”呂凌子才發完短信，沒睡著，將熱乎乎的大腿壓在丈夫腹部，耐著性子等了許久。歐陽鋒理會妻子的意圖，腦子里亂糟糟的哪還有這個興致。他將妻子的大腿移開，側轉身，把自己彎成醉蝦模樣。呂凌子問他怎么了？歐陽鋒說酒喝多了，難受。

3.2　改進結果分析

把優化后的內板有限元模型導入到發動機罩板總成中，重新進行頭型沖擊器與發動機罩板的碰撞仿真實驗，得到的發動機罩變形情況、頭部質心位置加速度曲線和HIC值如圖14～圖17所示。

圖14　碰撞后效果圖

圖15　距中心線0 mm的質心加速度曲線

圖16　距中心線300 mm的質心加速度曲線

圖17　距中心線550 mm的質心加速度曲線

對比拓撲優化前后的同一位置處頭型沖擊器質心加速度曲線可知，最大加速度值減小了，HIC值分別由376.331、486.965、1 006.410降低到了336.272、396.397、791.641，改善了行人與車輛發生碰撞時對行人的保護，證明了此次優化是有效的。

(3)對發動機罩進行結構上優化對乘員安全保護起到了至關重要的作用，是減小乘員在交通事故中受到損傷的有效措施。

4　結論

對于建立好的頭型沖擊器模型，法規規定需要對其進行標定，以驗證其有效性[5-6]。該方法是將頭型沖擊器從376 mm(允許1 mm誤差)高度處以初始速度為0的條件下釋放，使其依靠重力加速度自由下落，撞擊到一個方形鋼制水平板上，并規定這一板件的長、寬、厚應分別大于300 mm、300 mm、50 mm。整個標定試驗模型示意圖如圖5所示。

湖南瀏陽的雨季出現在5月下旬，為避免降雨高峰時段出現在施肥后前期，故水樣的采集時間為施基肥后的第1、2、3、5、7 天，追肥后的第1、2、3、5天的8:30—9:30，以50 mL醫用注射器采集田面水（李瀚等，2015），在不擾動土層的前提下，按S型5點取樣，混合后注入250 mL集水瓶，每個處理分取3份，將其pH調為1~2后于-20 ℃冷凍保存，待測（HJ 636—2012）。

(2)頭型沖擊器與發動機罩板的碰撞仿真實驗所得HIC值超過我國法規規定的安全閾值1 000，于是對發動機罩板進行了拓撲優化，使得HIC值降到1 000以內，優化結果是可靠的。

綜上所述,血清膽紅素水平降低與尿酸水平升高均與冠心病的發生發展存在密切聯系,在臨床中對血清膽紅素與尿酸進行檢測可有效冠心病疾病的發生,通過早期有效干預,對冠心病發展發展起到預防與推遲作用。因此,血清膽紅素與尿酸檢測在冠心病臨床診斷中具有重要價值,值得臨床進一步推廣使用。

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2.1 兩組早產兒的機體生長發育情況比較 干預前兩組早產兒的機體生長情況差異無統計學意義(均P>0.05)；干預后，觀察組早產兒在不同時間段的頭圍、身長、體重及MDI、PDI評分均高于對照組早產兒，差異有統計學意義(均P<0.05)。見表2。

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在2017學年的生產實習環節，安排2015級學生到錦州陽光能源科技有限公司進行頂崗實習和校內儀表認識實習，在完成校內常規現場儀表與裝置認識實習的基礎上，分五個生產車間進行頂崗實習，熟悉生產加工工藝和現場儀表的應用，合理利用企業提供的實時實踐環境，并由技術人員實時為學生講授新知識、新技術方面的專業前沿選修課、創新創業課等。

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