泡沫铝层合结构汽车发动机罩板研究

第４０卷第４期　合肥工业大学学报（自然科学版）　Ｖｏ１．４０　Ｎｏ．４　２０１７年４月　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＨＥＦＥＩ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ａｐｒ．２０１７　泡沫铝层合结构汽车发动机罩板研究　于英华，　刘　明，　陈玉明，　苏子龙　（辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新１２３０００）　摘要：为了提高汽车的节能性、安全性，文章以某汽车发动机罩板为设计原型，以轻量化和刚度满足要求为　约束条件，设计了泡沫铝层合结构汽车发动机罩板；利用有限元仿真分析方法对２种结构汽车发动机罩板的　静态性能及其与行人头部碰撞保护性进行了分析。结果表明，泡沫铝层合结构汽车发动机罩板不仅可以实现　汽车轻量化，达到节能减排的目的，而且还可提高汽车发动机罩板的静态性能及与行人碰撞的安全性。　关键词：泡沫铝；层合结构；汽车发动机罩板；轻量化；行人保护性　中图分类号：Ｕ４６３．８２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—５０６０（２０１７）０４—０４６１—０５　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）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ，ａｎｄ　ｔａｋｉｎｇ　ａｎ　ａｕｔｏｍｏ—　ｂｉｌｅ　ｅｎｇｉｎｅ　ｈｏｏｄ　ａｓ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ，ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅ　ｈｏｏｄ　ｗｉｔｈ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｆｏａｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂｙ　ｅｎｓｕｒｉｎｇ　ｌｉｇｈｔ—　ｗｅｉｇｈｔ　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．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｆｏａｍ；ｌａｍｉｎａｔｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｅｎｇｉｎｅ　ｈｏｏｄ；ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ；ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　０　引　言　吸能性等优异性能，因此在汽车工业上有着良好　的应用前景［３　］。　随着汽车行业的蓬勃发展，汽车的轻量化和　目前已有泡沫铝应用在汽车保险杠、车门防　行人保护性问题日益重要［１］。改进汽车与行人碰　撞梁、地板、发动机支架以及车架等部件中的相关　撞安全性的方法可分为主动防护和被动防护２个　研究报道，但泡沫铝在汽车上应用的研究仍有待　大类。主动防护方法是在发生汽车与行人碰撞事　于进一步拓展。　故前或在事故发生时主动采取一些措施来避免事　本文以某汽车发动机罩板为原型，以轻量化　故或减小事故后果；而被动防护方法则是通过改　为约束条件，设计泡沫铝层合结构汽车发动机罩　变车身结构或材料来减少在碰撞过程中对行人产　板，并对其静态特性和行人保护性能进行分析，以　生的伤害¨２］。　期证明泡沫铝层合结构汽车发动机罩板的可行性　泡沫铝是一种新型结构功能材料，其独特的　和优越性，为推动泡沫铝在提高汽车环保性和安　结构特性使其具备轻质、高比强、减振以及高碰撞　全性方面的应用提供一定的参考。　收稿日期：２０１５—１１—２７：修回日期：２０１６—０１—０４　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１３７５２１９）；辽宁省教育厅科学技术研究（创新团队）资助项目（ＬＮ２０１００４５）和中国煤炭工业　协会科学技术研究指导性计划资助项目（Ｍｎ　２０１０—２９０）　作者简介：于英华（１９６５一），女，吉林靖宇人，辽宁工程技术大学教授，博士生导师．　４６２　合肥工业大学学报（自然科学版）　第４０卷　１泡沫铝层合结构发动机罩板设计　以某小型汽车发动机罩板为研究原型，其结　构简图如图１所示，材料为低碳钢。　图１原型发动机罩板结构简图　以原型发动机罩板为设计依据并考虑汽车轻　量化要求，设计泡沫铝层合结构发动机罩板，如图　２所示。罩板由ｔ　厚的钢外覆板和ｔ２厚的泡沫铝　内板形成的层合板构成，其外廓尺寸同原型结构。　图２屡合结构发动机罩板平面尺寸简图　２种结构汽车发动机罩板涉及的材料参数见　表１所列。　罩板上端拱形的面积为：　ｓ上拱一－ａ１　Ｒ　２一　１　６√　；一　１　６　（１）　其中，ａ　为弧Ｒ。所对的圆心角。　罩板下端拱形的面积为：　ｓ下拱一　１Ｒ　２一　１　ｆ～√Ｒ；一　１　ｃ。　（２）　其中，　。为弧Ｒ。所对的圆心角。　因此，发动机罩板的表面积为：　１　ｓ表一寺盘（６＋ｃ）一ｓ上拱＋ｓ下拱　（３）　根据轻量化原则，可以得出：　Ｓ表Ｐｕ　ｔｌ＋Ｓ表Ｐ泡ｔｚ＜Ｓ表Ｐ钢　（４）　其中，ｔ　为层合结构发动机罩板的外层钢板厚度，　取值为０．５　ｍｍ；ｔｚ为内层泡沫铝板的厚度；　为　泡沫铝的密度，值为５４０　ｋｇ／ｍ。；　为低碳钢的　密度，值为７　８００　ｋｇ／ｍ。。　表１材料参数　为使所设计的泡沫铝层合结构发动机罩板满　足刚度要求，按照等价截面设计的基本原则，泡沫　铝层合结构发动机罩板的截面抗弯刚度系数　（ＥＩ）　应该大于等于原型发动机罩板的截面抗弯　刚度系数（ＥＩ）　，即　（ＥＩ）　≤（ＥＩ）　（５）　在计算２种发动机罩板的抗弯截面惯性矩　时，为简化计算，将２种发动机罩板简化为宽度为　ｂ的等宽度平板。因此，根据图１尺寸可推导出　原型发动机罩板的截面抗弯刚度系数（ＥＩ）　的计　算公式为：　（ＥＩ）　一　（６）　其中，．Ｅ钢为低碳钢的弹性模量；　为原钢板厚度。　按照图２泡沫铝层合结构发动机罩板的结构　尺寸，并根据材料力学的惯性矩计算的平行轴定　理，可以推导出其截面抗弯刚度系数（ＥＩ）　的计　算公式为：　（ＥＩ）　一　一　＋　＋　（　＋　）　（７）　其中，Ｅ泡为泡沫铝的弹性模量；ｔ　为层合结构发　动机罩板的外层钢板厚度；ｔ　为内层泡沫铝板的　厚度。　将（４）～（７）式联立，并将已知参数的数值代　人，最终计算得４．７４　ｍｍ≤　２≤７．２２　ｍｍ，因此取　泡沫铝板厚度ｔ２—６　ｍｍ。　经计算，原结构发动机罩板的截面抗弯刚度　第４期　于英华，等：泡沫铝层合结构汽车发动机罩板研究４６３　系数为１６．６７　Ｎ・ｍ　，泡沫铝层合结构发动机罩　板的截面抗弯刚度系数为１１２．２６　Ｎ・ｍ。，高于原　型结构。泡沫铝层合结构发动机罩板的质量为　３．８５　ｋｇ，比原形罩板的减轻了８．６　，因此泡沫　铝层合结构设计既满足轻量化要求，又提高了发　动机罩板的静态性能。　２汽车发动机罩板的静态分析　２．１分析步骤　依据上文所述的２种汽车发动机罩板结构，　建立其三维模型，并对２种结构汽车发动机罩板　进行六面体网格划分，如图３所示。按照表１设　置２种结构发动机罩板的材料参数。　图３发动机罩板的有限元分析模型　发动机罩板在锁上时有支架的锁链扣，将发　动机罩板整体与车身固定在一起，这就相当于将　发动机罩板的６个自由度全部约束了，因此对发　动机罩板的４条底部边线进行全部约束。根据参　考文献［６］提供的抗压实验，发动机罩板承受的压　力应为６　５００　Ｎ，再结合上文的计算，其外表面积　为０．５４　ｍ。，对罩板施加均布载荷６　５００－４－０．５４一　ｌ２　０３７　Ｐａ。　２．２结果与分析　２种结构汽车发动机罩板的仿真数据见表２　所列，应变和应力云图如图４、图５所示。　由表２可以看出，层合结构发动机罩板的最　大应变和应力分别为０．６９　ｍｍ和１２２．５４　ＭＰａ，　与原型结构的最大应变０．７８　ｍｍ、最大应力　１２７．８４　ＭＰＭｔＮ比分别减小了１１．５３　和４．１５　。　由此可见，层合结构的发动机罩板比原型结构的　发动机罩板具有更优越的静态特性。　表２静态特性比较　ｆｂ１　合　均发动机掣板　图　ｌ应变云图《一】　（ａ）腺发动机罩板　ｆｂ）Ｊ　合结构发￣Ｊ：４Ｊｔ举扳　图５应力云图（二）　４６４　合肥工业大学学报（自然科学版）　第４（）卷　３　行人头部碰撞保护特性分析　汽车与行人发生碰撞时，首先是保险杠与行　人小腿相撞，而后是发动机罩或风窗玻璃甚至是　顶盖相撞。研究表明，行人头部和下肢损伤在汽　车与行人碰撞造成的损伤中各占约３Ｏ　。因此，　研究行人头部　ｊ发动机罩板碰撞过程中对行人头　部的保护作用至关重要　】。　本文根据新车碰撞测试（ｎｅｗ　ｃａｒ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｐｒｏｇｒａｍ，Ｎ　ＡＰ）碰撞安全标准，应用Ｉ　Ｓ—ＤＹＮＡ　软件对发动机罩板与行人头部碰撞的相应特性进　行分析　。　３．１分析步骤　仿真分析时，假设泡沫铝板与外钢板被很好地　黏结在一起，即泡沫铝板与外钢板２种材料的界面　接触处采用黏结的方式来处理。２种结构发动机　罩板的材料属性赋予、边界约束同静态性能分析，　即按照表１设置２种结构发动机罩板的材料参数。　把人的头部看做由头骨与头皮组成的２层球　体，成人的头骨模型为直径１６５　ｍｍ的球，表皮模　型为壁厚１４　ｍｍ的球体模型，两者之问黏结在一　起没有相对滑动，把头皮与头骨经过处理变成均　匀的、各向均为同性的黏弹性材料。头部模型的　材料参数　／见表３所列。　表３头部模型的参数　假设人头与２种结构的发动机罩板均在中间　位置发生碰撞，如　６所示。　图６人头与发动机罩板碰撞示意图　在网格划分的尺寸控制单元Ｓｉｚｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　ｅｄｇｅ　ｌｅｎｇｔｈ处填人１０，则头部模型共划分为　３　ｌ７１个节点和１６　０９５个单元，如图７所示。对　头部模型施加载荷初速度，根据ＮＣＡＰ准则，模　仿头部模型与水平面成６５。角以４０　ｋｍ／ｈ的速度　与发动机罩板进行撞击。　图７头部碰撞模型网格划分　３．２结果与分析　头部与２种结构发动机罩板在０．０１　ｓ和　０．０２　Ｓ时刻的碰撞图分别如图８、图９所示。　在进入Ｈ￣Ｉ￣Ｊ历程处理器后只对头部模型中同　一节点（节点号为８０）的ｙ方向加速度进行比较。　头部与２种结构发动机罩板发　碰撞时，头部节　点在ｙ方向的加速度曲线，如图ｌＯ所爪。　由图１Ｏ可知，层合结构发动机罩板　其　方向的最大加速度为８３．５ｇ发生在６．２　ｎｌｓ处，而　原结构发动机罩板在其ｙ方向的最大加速度大　小为１１４ｇ　，发生在４．７　ｍｓ处，即与头部碰撞时层　合结构发动机罩板在ｙ方向的最大ＪＪｌｌ速度比原　型结构减小２８．Ｏ７　９／６。　ｆｂ）０（）２　Ｓ　图８原结构发动机罩板碰撞图　第４期　于英华，等：泡沫铝层合结构汽车发动机罩板研究　４６５　３９５，原型结构发动机罩板的ＨＩＣ值约为６１０，即　前者比后者降低了３５．２５　。可见，泡沫铝层合　结构汽车发动机罩板可显著提高汽车与行人碰撞　的安全性。　４结　论　（１）本文提出了采用泡沫铝层合结构设计制　造汽车发动机罩板以提高汽车环保性和安全性，　以某车型的发动机罩板为例，探讨了泡沫铝层合　（ａ）０　０ｌ　Ｓ　（ｂ）０　０２　Ｓ　图９层合结构发动机罩板碰撞图　＝　８　ｔ／ｍｓ　图ｌＯ头部８０号节点在ｙ方向的加速度曲线　根据欧洲的ＮＣＡＰ行人保护准则，行人的头　部碰撞损害指标主要根据头部与发动机罩板发生　碰撞时，所产生的加速度及其持续的过程时间而　计算的物理量头部伤害指标（ｈｅａｄ　ｉｎｊｕｒｙ　ｃｒｉｔｅｒｉ—　Ｏｎ．ＨＩＣ）值的大小来确定ｌ＿】　。该数学表达式为：　广　，　１　ｒ　、２．５］　ＨＩＣ一｝（Ｌ　ｔ２一ｔ１）（＼／２　■　—■Ｉ￡１　Ｊ，１　　ａｄｔ）／　　ｌＪ∞　　，　其中，“为碰撞时头部的加速度；ｔ　为积分起始点　时问；ｚ　为积分任意终止点时间。　经计算，层合结构发动机罩板的ＨＩＣ值为　结构发动机罩板的设计方法，并通过有限元仿真　分析的方法证明了其可行性和优越性。　（２）在结构设计合理的情况下，泡沫铝层合　结构汽车发动机罩板在达到轻质性的同时，提高　了其静态特性，特别是可显著提高汽车与行人的　碰撞安全性。　［参考文献］　［１］范子杰，桂良进，苏瑞意．汽车轻量化技术的研究与进展　ＥＪ］．汽车安全与节能学报．２０１４，５（１）：１—１６．　［２］孙锦涛，王丽娟，陈宗渝。等．基于侧面碰撞安全性的汽车车　身结构优化设计［ＪＩ．机械科学与技术，２０１４，３３（９）：　１４１３－ｌ４１８．　［３］于英华，术海，吴雪娜，等．泡沫铝填充汽车车架的抗振性研　究＿Ｊ］．材料导报，２０１２，２６（５）：１４４—１４６．　［４］　Ｉ　Ｉ　ｚ　Ｂ，ＺＨＥＮＧ　Ｚ　Ｊ，Ｙｕ　Ｊ　Ｉ　，ｅｔ　ａ１．Ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ　ｏｆ　ｆｏａｍ—　ｆｉｌｌｅｄ　ｔｈｉｎ—　ｗａｌｌｅｄ　ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｔｕｂｅｓ　ｕｎｄｅｒ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｂｅｎ—＿　ｄｉｎｇ［Ｊｊ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ，２０１３，５２（２４）：１０５８—１０６４．　［５］徐平，高鑫，宋海，等．泡沫铝填充结构防撞梁耐撞性仿真研　究［Ｊ］．兵器材料科学与：　程，２０１４，３７（１）：３９—４２．　［６］余本善．汽车发动机罩模态和刚度的分析及优化［Ｊ］．机械　制造，２０ｌＯ，４８（９）：ｉ６－１８．　［７］曹立波，张冠军．汽车与行人碰撞安全性的改进对策研究　［Ｊ］．汽车研究与发展，２００５（２）：２８—３１，４６．　［８］ＲＥＹＥＳ　Ａ，Ｈ（）ＰＰＥＲＳＴＡＩ）（）Ｓ，ＢＥＲＳ￣Ｉ、ＡＤ　Ｔ，ｅｔ　ａ１．Ｉｍ　ｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｆｏａｍ　ｉｎ　ｃｌｕｄｉｎｇ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｅｎｓｉｔｙ［　／／８ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｌｉｏｎａｌ　Ｉ　ＤＹＮＡ　Ｕｓｅｒｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｄｅｔｒｏｉｔ：１．ＳＴＣ，　２００４：６—１１—２４．　［９］李向荣，王凯，刘志新，等．汽乍发动机罩儿童行人保护安　全性仿真研究［Ｊ］．汽车｜Ｊ　稚，２０１０，３２（１）：５６—５９．　［１Ｏ］赵桂范，赵立军．杜星文．复合材料车身对头部撞击损伤的　模拟［Ｊ］．汽车技术，２００３（３）：１卜１３，２ｏ．　（责任编辑胡亚敏）