塑料前艙蓋頭部保護C-NCAP五星目標達成

歐陽偉剛

塑料前艙蓋頭部保護C-NCAP五星目標達成

歐陽偉剛

（奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241000）

在車輛與行人碰撞事故中行人屬于弱勢群體，而且行人頭部受到的傷害尤其嚴重，通過對前艙蓋針對性結構設計有利于提高行人頭部的保護。采用仿真和試驗結合對標的方法，建立行人頭部撞擊器與發(fā)動機罩碰撞的有限元模型，通過模擬頭部傷害值得分，對結構設計提出優(yōu)化改進方向。汽車針對行人的碰撞安全保護已經成為汽車碰撞安全性研究領域的主要一環(huán)，其評價方法的完善對促進汽車與行人碰撞安全性的提高具有重要意義。

塑料前艙蓋；行人保護；頭部傷害；優(yōu)化改進

前言

自美國1979 年最早采用NCAP 體系—New Car Assess -ment Programme，即新車評價規(guī)范以來，汽車安全性逐漸被廣大的汽車消費者所了解。三十多年來，世界各國家/地區(qū)都相繼開展了NCAP評價。2006 年，為了促進中國汽車產品安全技術水平的快速發(fā)展，降低道路交通安全事故中的傷亡率，在充分研究并借鑒其他國家NCAP 發(fā)展經驗的基礎上，結合我國汽車標準、技術和經濟發(fā)展水平，中國汽車技術研究中心正式建立了C-NCAP（中國新車評價規(guī)程）。2018年C-NCAP針對中國行人事故高發(fā)的特點適時增加了行人保護試驗試驗，其中頭部保護得分成為試驗評價重要一環(huán)。

自2000年以后，汽車進入中國家庭，每年交通事故人數(shù)逐年上升，死亡人數(shù)約占交通事故人數(shù)30%。在中國城市道路交通中，存在大量行人、非機動車輛和機動車輛混行。在國外交通事故是以車碰車事故較多，中國是人車碰的事故較多。每年道路交通事故中，接近一半為行人和非機動車輛人員，作為道路使用中的弱勢一方，行人保護在中國一直沒有引起高度的重視。歐美國家汽車市場早在2001～2003年就實施了苛刻的汽車碰撞行人保護標準。以加大對行人的保護。在人與車碰撞中，前艙蓋是與行人發(fā)生一次碰撞的主要部件，所以研究前艙蓋行人頭部傷害仿真的分析是非常有必要的。

1 塑料前艙蓋的描述

汽車前艙蓋總成是整車的重要組成部分，它既起到空氣導流作用，又保護前艙內部部件及周邊管線配件等，還可以充分防止沖擊、腐蝕、雨水以及電干擾等不利影響，前艙蓋下，是汽車重要的組成部分，包括電路、散熱、剎車系統(tǒng)以及傳動系統(tǒng)等等。對車輛至關重要。通過提高前艙蓋剛度和構造，可充分防止沖擊、腐蝕、雨水、及電干擾等不利影響，充分保護車輛的正常工作。它在結構上一般由外板和內板組成，內板起到增強剛度的作用，屬于一種骨架式結構。在設計中要求前艙蓋總成模態(tài)和剛度滿足實際需要且質量最輕，否則影響車輛的整體安全性與NVH性能。在汽車工業(yè)領域，面對能源、環(huán)境、安全等嚴峻問題，具有輕量化、更高安全性、更高集成制造性能的非金屬熱固性材料已成為汽車輕量化技術主流趨勢之一。本項目為電驅動新能源SUV車型，從車身輕量化角度，系統(tǒng)方案嘗試使用非金屬材料，前艙蓋內板采用粘接的方式。滿足18版CNCAP行人保護頭部5星對應得分要求。

2 材料特性描述

本項目是電動汽車，前艙蓋材料選用改良PP。基于改良PP具備的一些優(yōu)缺點對比：

2.1 優(yōu)點

（1）具有較好的沖擊強度和低溫韌性，對外部沖擊和路面激勵震動，有較好的吸收性。彈性模量高、剛性及耐熱性好、尺寸穩(wěn)定性好等突出優(yōu)點，克服了通用PP 材料收縮率大、熱變形溫度低、力學持久性差等缺點。

（2）重量輕，密度小，介于0.83與2.2g/cm3之間，鋼密度7.8g/cm3，鋁密度2.8g/cm3，銅密度8.7g/cm3，玻璃密度2.5g/cm3。適合耐沖擊不大的覆蓋結構件上。

（3）塑料耐腐蝕性強，對酸、堿、鹽等溶劑有著良好的抗腐蝕性。耐腐蝕性性能優(yōu)于鈑金零件。

（4）成型性好，成型性能優(yōu)于傳統(tǒng)鈑金沖壓件。

2.2 缺點

（1）薄壁大型零件，成型后，零件變形較大。需要控制材料變形率。

（2）塑料件在外部高低溫環(huán)境下，塑性變形大，對整車外觀有不利的影響。

（3）塑料件受外部撞擊，零件變形失效不如鈑金極限屈服模式好。

在后期結構設計過程中，需要關注塑料件的一些材料特性缺陷。

3 前艙蓋結構方案

外板材料選用低熱膨脹系數(shù)、低收縮率PP+EPDM-T3。內板選用PP+LGF40/30，基本料厚2.5mm，內外板之間通過粘結。前艙蓋附件安裝點位置處內嵌鈑金加強板，以保證安裝點位置處剛度。在內板合理的布置加強筋，以保證前艙蓋總成性能達到要求。（見圖1）

圖1

基于前艙蓋表面積較大，決定不采用固定卡接方式，改用鉸鏈安裝。發(fā)蓋的開啟關閉方式同傳統(tǒng)鈑金沖壓的發(fā)蓋相同。（見圖2）

圖2

前艙蓋周圈鑲嵌鈑金，采用嵌件注塑，一來能夠保證前艙蓋的整體剛度，二來鈑金沖壓件變形小來控制住塑料發(fā)蓋內板的變形。（見圖3）

圖3

采用全壓緊工裝，前艙蓋內外板的涂膠厚度定義到2-3mm，后期局部尺寸偏差量在1mm左右的可以通過涂膠厚度來吸收偏差量，以保證前艙蓋總成的精度要求。（見圖4）

圖4

前艙蓋內板模具做成5個分塊，一來內板模具可以快速完成驗證尺寸及變形量大小，二來根據試模件各處的實測變形量分塊修改，增加修改速度減小修改的難度。以保能在最短時間內保證精度合格的前艙蓋。（見圖5）

圖5

4 目標設定

4.1 行人保護頭部碰撞區(qū)域的劃定

按照cncap-regulation-2018規(guī)則要求，劃定前艙蓋前緣基準線，側部基準線，后面基準線，包絡線，角點，確定頭部試驗區(qū)域。標記頭型碰撞區(qū)域網格點，在保險杠、前艙蓋上部、風擋玻璃和車頂上標記出車輛的縱向中心線。在車輛縱向中心線上，從WAD1000開始，沿車輛前部外輪廓以100mm為間隔進行包絡距離標記，直到WAD2100 為止。從縱向中心線上的標記點開始，分別向車輛兩側直到發(fā)動機罩側面基準線，以100mm為間隔進行標記，此100mm應在車輛橫向垂直平面內，沿水平方向測量得到。在縱向中心線上的每個標記點處重復上述步驟，直到整個頭型碰撞試驗區(qū)域都被網格點覆蓋。（見圖6）

圖6

4.2 頭部得分目標設定

車型要求達到18版C-NCAP 5星目標，通過指標分解，考慮CAE仿真的偏差，預留0.5分的分析余量，設定頭部設計目標得分7.25分。（見圖7）

圖7

5 行人保護頭型試驗理論分析

行人保護頭型試驗時將車輛調整為正常行駛姿態(tài)，頭型以40km/h的速度沖擊車輛頭型試驗區(qū)域，評價車輛對行人頭部的碰撞保護性能。頭型試驗分為兒童頭型試驗和成人頭型試驗，用兒童頭型進行試驗時，沖擊角度為50°±2°，當用成人頭型進行試驗時，沖擊角度為65°±2°。（見圖8）

圖8

試驗中，通過采集碰撞過程中頭型三個方向的加速度，計算出HIC15值來評價車輛對行人頭部的碰撞保護性能，HIC值越小得分越高。HIC15的計算方法：

式中： Ax 、Ay 、 Az分別為頭部3個方向的加速度，單位為g，t2-t1 ≤15ms。

頭型的初始動能：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，要減少HIC值，就需要減少AR，由能量守恒，這就需要增加頭型撞擊點的變形量D，因此工程上常常采用弱化發(fā)蓋、翼子板、大燈等結構來保證頭型的得分。如果在撞擊過程中發(fā)動機罩變形量過大，從而與發(fā)艙內的堅固件發(fā)生接觸，比如發(fā)動機、蓄電池等，則可能造成二次傷害，增大頭部傷害，即增大HIC值，因此提升頭型得分也是一個多次迭代的過程。

6 CAE分析及改進

6.1 第一輪分析結果

第一輪分析，發(fā)現(xiàn)如下問題：

（1）機罩內外板、保險杠加強板重疊區(qū)域，頭部加速度較大，失分嚴重。

（2）機罩內板突出結構導致頭部加速度較大，嚴重失分。

（3）日間行車燈碰撞區(qū)域，剛度較大，失分嚴重。日間行車燈與翼子板結合處，剛度較大吸能空間較小，失分嚴重。

（4）鉸鏈區(qū)域，鉸鏈加強板剛度較大，失分較多。

（5）玻璃橫梁區(qū)域，剛度較大，失分嚴重。

圖9

6.2 第一輪改進及分析結論

通過去除前艙蓋內板凸出結構，弱化加強筋結構。減弱前端模塊和前保安裝板立筋、凸出安裝點。弱化翼子板支架支撐剛度，前風擋下橫梁由型材件改為沖壓鋁板C型結構。頭部優(yōu)化后得分為7.03分，離目標值只差一點。

圖10

6.3 第二輪改進及分析結論

通過在前艙蓋側邊梁開減弱孔，減弱前保安裝板材料和安裝支架結構，優(yōu)化流水槽支撐橫梁位置，日間燈安裝點設計成壓潰結構等措施，最后頭部優(yōu)化后得分7.25分，達到目標設定。

圖11

6.4 頭部優(yōu)化總結

（1）最初始頭部得分為4.05分，主要失分原因為發(fā)罩內板、翼子板剛度較大，前保加強板、日間行車燈位于頭部碰撞區(qū)域內，風窗橫梁、流水槽結構設計不合理。

（2）通過降低發(fā)罩內板、翼子板剛度，該區(qū)域得分較好。

（3）對風窗橫梁、流水槽結構優(yōu)化后，該區(qū)域得分提高一個等級。

（4）前保加強板區(qū)域通過優(yōu)化其結構，降低材料牌號，同時前端模塊支架采用DC01料厚為1.0mm的鈑金件，頭部得分達到要求。

（5）日間行車燈剛度較大，通過弱化安裝支架同時減小安裝橫梁，減小頭部失分。

7 結論

（1）本文闡述了將塑料材料應用到電動車前艙蓋上的方法，描述了塑料前艙蓋結構設計結構要點。通過對行人頭部保護規(guī)則進行研究，基于行人頭部保護的目的，進行了目標設定。

（2）文中對頭部碰撞區(qū)域和得分點劃分，是基于國家2018年C-NCAP規(guī)則。

（3）通過頭部碰撞有限元模型的仿真分析，提出結構優(yōu)化改進方案并實施相關結構改進，逐步達到頭部傷害值的設定目標。這只是數(shù)據設計階段的CAE分析，后期具體的目標達成，還需要進行實車的行人保護測試，來驗證設計系統(tǒng)的達成情況。

[1] 崔東.基于行人頭部保護的新型復合材料發(fā)動機罩設計[D];哈爾濱工業(yè)大學;2010年.

[2] 龔燕堯,朱大勇.行人保護法規(guī)及有利于行人保護的車身結構[J].科研設計,2014,(4).

[3] 北京汽車喬維高;王宇航.汽車與行人碰撞中行人保護的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J];北京汽車;2008年04期;2005年06期.

[4] Global?Technical?Regulation?No.9.

[5] 張金換等著.汽車碰撞安全性設計.清華大學出版社,2010.

[6] 2018年cncap-regulation-2018.

[7] 張軼川,朱西產,苗強,等.針對行人保護頭部碰撞的發(fā)動機罩設計方法.汽車技術,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

歐陽偉剛 (1969.12-），男，本科，工程師，現(xiàn)任奇瑞新能源汽車股份有限公司研究院車身部主任工程師，主要研究方向：車身技術研究與開發(fā)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.020