基于行人頭部保護的汽車發(fā)動機罩優(yōu)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(shù)連續(xù)數(shù)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(fā)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(fā)動機罩發(fā)生接觸。因此，開展汽車發(fā)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(guī)規(guī)定的頭型沖擊器有限元模型，并驗證了其有效性，然后對發(fā)動機罩板總成進行了有限元建模；接著對頭型沖擊器與發(fā)動機罩板的碰撞進行仿真，并對結果進行分析。最后對發(fā)動機內(nèi)板進行拓撲優(yōu)化，重新分配了內(nèi)板上的材料密度，并對優(yōu)化后的發(fā)動機罩板再次進行了碰撞仿真，驗證了優(yōu)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(fā)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(fā)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(huán)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(fā)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(guī)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(zhì)量、質(zhì)心坐標和轉(zhuǎn)動慣量等物理參數(shù)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(shù)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(wǎng)格的劃分，如圖3所示。六面體網(wǎng)格作為劃分網(wǎng)格的主要形式，其中頭皮、頭骨和后端蓋是使用共節(jié)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(fā)動機罩板與頭型沖擊器有效接觸并使計算穩(wěn)定，抽取了頭皮部分最外層三維網(wǎng)格的面網(wǎng)格，對其賦予空材料(MAT9)，并在該面網(wǎng)格與發(fā)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(fā)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(zhuǎn)運動方式。碰撞過程中，應保證其質(zhì)心處的峰值加速度在225～275 g之間。

圖4　發(fā)動機罩板網(wǎng)格劃分(外板)

網(wǎng)格劃分結束后，需要檢查網(wǎng)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(wǎng)格中一般將網(wǎng)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(wǎng)格數(shù)均控制在小于1%～2%的范圍內(nèi)。經(jīng)檢查，發(fā)動機罩網(wǎng)格劃分結果各質(zhì)量指標控制在0%，很好地滿足了網(wǎng)格的質(zhì)量要求。

發(fā)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(fā)動機罩板的連接與約束方面，內(nèi)板與左右鉸鏈部分使用螺栓連接；內(nèi)板與加強板以及內(nèi)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(guī)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(fā)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(nèi)板以及加強板組成。以某款汽車的發(fā)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(nèi)板及其加強板進行了幾何清理、提取中面和網(wǎng)格劃分。發(fā)動機罩網(wǎng)格劃分如圖4所示，整個模型共有56 578個節(jié)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(guī)規(guī)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(guī)規(guī)定的質(zhì)心處加速度值225 g～275 g的范圍內(nèi)。

（1）數(shù)碼相機將進一步融入其他設備，首先是電話、電冰箱、墻壁、桌子、珠寶，最終是我們的皮膚。無間斷的記錄成為可能，一個全景式監(jiān)獄，沒有傳統(tǒng)相機那警示性的外形，提醒潛在的對象可能會發(fā)生什么。[1]149

圖6　頭型沖擊器質(zhì)心加速度曲線

2.2　碰撞仿真參數(shù)的設定

將頭型沖擊器導入到該發(fā)動機罩總成模型中，建立滿足法規(guī)要求(GB/T 24550-2009)的碰撞角度與碰撞速度[7]，如圖7所示。根據(jù)法規(guī)要求，沖擊方向應在車輛的縱向平面內(nèi)，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(tǒng)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(fā)動機罩板的類型為Surface To Surface，摩擦系數(shù)設定為0.5。發(fā)動機罩板總成與頭型沖擊器的類型均為SingleSurface，摩擦系數(shù)均設定為0.2。

圖7　頭型沖擊器與發(fā)動機罩板碰撞模擬

2.3　碰撞仿真結果分析

經(jīng)過拓撲優(yōu)化后，圖12中圓圈所示4個區(qū)域有比較明顯的材料減少。區(qū)域1是內(nèi)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(qū)域2是內(nèi)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(guī)則長方形鏤空。區(qū)域3是內(nèi)板的沖壓筋位置，不便于做修改。區(qū)域4是內(nèi)板的下邊緣平面，此處中間位置是與加強板的連接區(qū)域，不宜做修改，本次優(yōu)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(yōu)化后的內(nèi)板結構如圖13所示。

總而言之，全面落實制造型企業(yè)動態(tài)成本管理工作，不但可以有效提高企業(yè)財務管理質(zhì)量，同時還能便于職工更好的掌握企業(yè)發(fā)展情況，實現(xiàn)企業(yè)運營生產(chǎn)模式的優(yōu)化，引導企業(yè)穩(wěn)定發(fā)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(yè)做好各項問題分析工作，把動態(tài)成本管理理念融合其中，從動態(tài)管理角度入手，充分實施成本管理，減少成本消耗，給企業(yè)創(chuàng)造理想效益，從而促進制造型企業(yè)健康發(fā)展。

圖8　碰撞前效果圖

圖9　距中心線0 mm的質(zhì)心加速度曲線

圖10　中心線300 mm的質(zhì)心加速度曲線

圖11　距中心線550 mm的質(zhì)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(fā)生碰撞的位置越靠近邊緣[8]，發(fā)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(zhì)心加速度持續(xù)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(xù)時間最長，因此得到的HIC值是最大的，且已經(jīng)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(yōu)化。

3　發(fā)動機罩改進設計

3.1　改進方案

發(fā)動機罩板分為外板和內(nèi)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(xié)調(diào)一致，因此不容易對發(fā)動機罩外板進行結構上的設計。筆者只對發(fā)動機罩內(nèi)板內(nèi)部區(qū)域進行拓撲結構優(yōu)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(yōu)化目的。

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

圖12　最優(yōu)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(fā)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(cè)轉(zhuǎn)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(yōu)化后的內(nèi)板有限元模型導入到發(fā)動機罩板總成中，重新進行頭型沖擊器與發(fā)動機罩板的碰撞仿真實驗，得到的發(fā)動機罩變形情況、頭部質(zhì)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(zhì)心加速度曲線

圖16　距中心線300 mm的質(zhì)心加速度曲線

圖17　距中心線550 mm的質(zhì)心加速度曲線

對比拓撲優(yōu)化前后的同一位置處頭型沖擊器質(zhì)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(fā)生碰撞時對行人的保護，證明了此次優(yōu)化是有效的。

(3)對發(fā)動機罩進行結構上優(yōu)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(guī)規(guī)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(guī)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(xiàn)在5月下旬，為避免降雨高峰時段出現(xiàn)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(yī)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(diào)為1~2后于-20 ℃冷凍保存，待測（HJ 636—2012）。

(2)頭型沖擊器與發(fā)動機罩板的碰撞仿真實驗所得HIC值超過我國法規(guī)規(guī)定的安全閾值1 000，于是對發(fā)動機罩板進行了拓撲優(yōu)化，使得HIC值降到1 000以內(nèi)，優(yōu)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(fā)生發(fā)展存在密切聯(lián)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(fā)生,通過早期有效干預,對冠心病發(fā)展發(fā)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(chǎn)兒的機體生長發(fā)育情況比較 干預前兩組早產(chǎn)兒的機體生長情況差異無統(tǒng)計學意義(均P>0.05)；干預后，觀察組早產(chǎn)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(chǎn)兒，差異有統(tǒng)計學意義(均P<0.05)。見表2。

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在2017學年的生產(chǎn)實習環(huán)節(jié)，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(nèi)儀表認識實習，在完成校內(nèi)常規(guī)現(xiàn)場儀表與裝置認識實習的基礎上，分五個生產(chǎn)車間進行頂崗實習，熟悉生產(chǎn)加工工藝和現(xiàn)場儀表的應用，合理利用企業(yè)提供的實時實踐環(huán)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(yè)前沿選修課、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課等。

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