基于行人保护的铝合金发动机罩盖结构优化设计.docx

2014 中国汽车轻量化技术国际研讨会论文选登基于行人保护的铝合金发动机罩盖结构优化设计摘要：基于原钢质罩盖的行人头部保护性能，采用结构优化的设计方法，设计圆锥形内板结构的铝合金发动机罩盖。CAE 仿真分析结果表明，在满足刚度性能要求的同时，铝合金罩盖 具有更好的行人保护性能，且实现减重 45.5%。同时为铝合金等轻质材料在汽车上的应用提供 了借鉴作用。关键词：铝合金发动机罩盖行人保护结构优化设计中图分类号：U465.2+2文献标识码：B中国汽车工程研究院股份有限公司王 锋 范体强 赵清江 李 阳重庆市汽车轻量化工程技术研究中心1前言2原钢质罩盖性能分析伴 随 着 汽 车 数 量 的 增 长 ，汽 车 尾 气 排 放 污 染也受到人们的关注。在保证汽车驾驶性能的前提 下，提高汽车的燃油经济性具有重大意义。相关 资 料 显 示 ，汽 车 质 量 每 减 轻 100 kg，油 耗 可 减 少0.20.3 L/100 km1。因此，越来越多的汽车企业开 始注重轻量化技术的研究和应用。铝合金具有比重小、工艺性能好、耐腐蚀等一 系列优点，因而铝合金的应用对于汽车的减重、节 能、减排具有重要的意义。文献显示，采用铝合金 材料代替钢质材料的汽车覆盖件，能够实现减重 约 50%2。采用铝合金材料代替钢制材料，应采用 结构优化手段，使所设计的铝合金发动机罩盖的 刚度性能及 E-NCAP 行人头部碰撞保护性能不低 于原钢制罩盖。2.1原钢质罩盖结构发 动 机 罩 盖 由 内 板 、外 板 、局 部 加 强 件 组 成 。内、外板之间采用包边工艺连接，内板与加强件之间通过点焊工艺连接在一起，见图 1。原钢质发动 机 罩 盖 外 板 采 用 DC04 材 料 ，厚 度 为 0.7 mm；内 板 采用 DC05 材料，厚度为 0.7 mm。铝合金材料和低 碳钢材料参数见表 1。图 1 原钢质发动机罩盖内外板结构2.2刚度分析分析罩盖弯曲刚度时，在发动机锁扣处加载 z6汽 车 工 艺 与 材 料AT&M2014 年 第 11 期AT&MF I E L D视界FA T & MOV I S I O N约束材料密度/g.cm-3弹性模量 E/GPa泊松比 载荷左缓冲块图 4 罩盖扭转刚度边界条件向集中力 100 N，约束内板与铰链安装孔处全部自由度，同时约束支撑处 3 个自由度，罩盖弯曲刚度 分析见图 2。根据上述工况，计算得到加载点的 z 向 位 移 量 为 6.05 mm，发 动 机 罩 盖 弯 曲 刚 度 分 析 z 向位移见图 3。2.0881001.7541001.4941001.2371009.79710-17.22510-14.65410-12.08210-1-4.89310-2-3.06110-1约束图 5 发动机罩盖扭转刚度分析 Z 向位移用儿童头型，若该点在随着罩盖运动而不移动的 部 件 上（如 风 挡 玻 璃 底 部 和 刮 水 臂 上）则 使 用 成 人头型3-4 。支撑处载荷WAD2 100 mm图 2罩盖弯曲刚度分析A6.8661006.0021005.1381004.2751003.4111002.5471001.6831008.19810-1-4.38410-2-9.07510-1WAD1 800 mmWAD1 500 mmCWAD1 250 mmWAD1 000 mm图 3 发动机罩盖弯曲刚度分析 Z 向位移图 6 ENCAP 行人保护头部碰撞区域划分分 析 罩 盖 扭 转 刚 度 时 ，在 发 动 机 右 缓 冲 块 安装处加载 z 向集中力 100 N，约束内板与铰链安装 孔处全部自由度，同时约束左缓冲块处的自由度3，罩盖扭转刚度边界条件见图 4。根据上述工况， 计算得到加载点 z 向位移量为 1.76 mm，发动机罩 盖扭转刚度分析 z 向位移见图 5。2.3行人保护分析根据欧洲新车评价规程（Euro-NCAP）行人保 护 V5.3.1 版本要求，对发动机罩盖进行区域划分， 见 图 6。 头 型 碰 撞 投 影 点 在 包 络 线 WAD 1 000 与 WAD 1 500 线 之 间 使 用 儿 童 头 型 ；WAD 1 700 与 WAD 2 100 线 之 间 使 用 成 人 头 型 ；投 影 点 位 于 WAD 1 500 与 WAD 1 700 线 之 间 ，若 该 点 位 于 随 着 罩 盖 运 动 而 移 动 的 部 件 上（如 罩 盖 表 面）则 使在 简 化 模 型 中 ，主 要 考 察 发 动 机 罩 盖 区 域 对头 部 碰 撞 的 影 响 ，因 此 仅 对 WAD 1 000 至 发 动 机 罩盖后沿间的区域进行分析，即采用儿童头部冲 击 器 对 发 动 机 罩 盖 进 行 冲 击 。 儿 童 头 部 冲 击 器 模 型 依 据 法 规 建 立 ，分 析 时 头 型 冲 击 速 度 为11.1 m/s ，冲 击 方 向 应 在 车 辆 纵 向 垂 直 面 内 ，相 对 于 水 平 面 的 冲 击 角 度 为 50 ，且 相 对 于 前 部 结 构 应向下和向后3 ，见图 7 。5012345612356图 7 ENCAP 儿童头型碰撞示意图2014 年 第 11 期汽 车 工 艺 与 材 料AT&M7铝合金2.77710.33DC047.832100.3DC057.832100.3表 1 铝合金材料和低碳钢材料参数AT&MF I E L D视界FA T & MOV I S I O N采 用 简 化 的 罩 盖 模 型 ，将 发 动 机 罩 盖 有 限 元模型按照实车安装情况施加约束条件。约束罩盖 内板后部与铰链相连的左右 4 个螺栓孔的全部自 由度，罩盖内板前部销轴固定孔除了绕 x 轴转动自 由 度 外 其 他 自 由 度 全 部 约 束 5。 行 人 保 护 儿 童 头 型碰撞共进行 36 次碰撞分析，分析结果见表 2。边节点和左右铰链连接处进行全约束，发动机罩盖内板结构优化设计工况见图 8。考虑到加工工艺要 求，设置加强筋的最小宽度为 44 mm，最 大 高 度 设 置为 25 mm，最大起筋角度设置为 30。为了得到 均匀分布的发动机罩盖结构，保持发动机罩盖外 板的结构不变，将内板结构中的所有空洞填平，以 内板中间部分为优化设计区域。约束设计区域载荷图 8 发动机罩盖内板结构优化设计工况考 虑 到 加 工 工 艺 性 要 求 ，形 貌 优 化 时 考 虑 了结构的对称性约束。可以看出，在发动机罩盖内 板的优化区域内出现了较多凸包形加强筋，其分 布形状与所加载的载荷位置相关。发动机罩盖内 板形貌优化结果见图 9。3结构优化设计由 铝 合 金 材 料 代 替 钢 质 材 料 ，必 须 保 证 发 动机罩盖外板的刚度效果不变。公式如下。33Esltsl = Ealtal图 9 发动机罩盖内板形貌优化结果式 中 ，Esl 为 钢 材 的 弹 性 模 量 ；Eal 为 铝 材 的 弹 性 模量；tsl 为钢材的厚度；tal 为铝材的厚度。因 而 ，与 0.7 mm 钢 板 刚 度 相 等 的 铝 板 厚 度 应 为 1.0 mm。 因 此 ，考 虑 发 动 机 罩 盖 的 刚 度 特 性 要 求 ，将 发 动 机 罩 盖 内 、外 板 的 初 始 厚 度 均 设 置 为1.0 mm。 形貌优化是在板型结构中寻找最优的加强筋分布的概念设计方法，用来设计薄壁结构的强化压 痕，在不增加结构重量的前提下，增加结构的刚度、 模态频率等6。以原罩盖行人保护分析时的 36 个碰 撞冲击工况作为条件对发动机罩盖进行形貌优化， 每个碰撞点的静载荷力设置依据为头部碰撞力，并 将载荷力直接加载到发动机罩盖内板上，对罩盖周依 据 图 9 形 貌 优 化 结 果 ，解 读 发 动 机 罩 盖 内板 结 构 ，得 到 新 的 铝 合 金 发 动 机 罩 盖 内 板 结 构 ， 见图 10。与原镂空式内板结构相比，该圆锥形内 板结构在行人头部受到冲击时，内板整体发生弯 曲变形吸收冲击能力，因而能够更好的实现头型 的缓冲吸能。图 10 基于行人保护的发动机罩盖铝合金内板结构8汽 车 工 艺 与 材 料AT&M2014 年 第 11 期表 2 原钢质罩盖行人保护分析结果冲击点HIC 值冲击点HIC 值冲击点HIC 值C1A360C1B525C1C417C1D504C2A585C2B584C2C553C2D557C3A454C3B467C3C532C3D533C4A470C4B455C4C529C4D530C5A590C5B590C5C557C5D555C6A525C6B362C6C499C6D420A1C982A1D625A2C539A2D386A3C410A3D309A4C309A4D420A5C379A5D530A6C640A6D988AT&MF I E L D视界FA T & MOVISION4优化铝合金结构性能分析4.1刚度分析对优化铝合金结构模型进行弯扭刚度分析，结 果见表 3，铝合金罩盖弯曲刚度 z 向位移见图 11，铝 合金罩盖扭转刚度 z 向位移见图 12。结果钢制优化铝合金结构7.4291006.5031005.5761004.6501003.72410002.797101.8711009.46610-11.83010-2-9.08010-1化设计的铝合金发动机罩盖与原钢质罩盖模型进行比较，见表 5。可知铝合金发动机罩盖模型实现 减重约 45.5%。图 112.113100铝合金罩盖弯曲刚度 z 向位移1.8461001.5781001.3111001.0441007.76310-15.08910-12.41610-1-2.58010-2-2.93210-1项目质量/kg减重/%图 12 铝合金罩盖扭转刚度 z 向位移由刚度分析结果可以看出，优化铝合金结构在弯、扭工况条件下的加载点位移量与原钢质结构相 比变化不大，也即其刚度性能与原钢质结构相近。4.2行人保护分析对所设计优化铝合金发动机罩盖进行行人保 护头部碰撞试验分析，同原钢质罩盖工况进行对 比，分析结果见表 4。由表 4 可以看出，基于行人保护设计得到的铝 合金发动机罩盖结构模型在各个碰撞点的头部伤 害指数（HIC），除少数几个点之外，均低于原钢质 结 构 的 HIC 值 ，即 采 用 该 结 构 的 罩 盖 模 型 能 够 达 到更好的行人保护效果。4.3减重效果分析为 了 得 到 优 化 铝 合 金 结 构 的 减 重 效 果 ，将 优5结论采 用 铝 合 金 发 动 机 罩 盖 结 构 优 化 设 计 方 法 。基于原钢制发动机罩盖的 E-NCAP 行人保护头部 碰撞分析结果，通过结构优化手段，设计了具有更 高缓冲吸能作用的圆锥形结构内板的铝合金发动 机罩盖，并对所设计的发动机罩盖性能进行验证， 结果如下。a. 铝合金发动机罩盖的刚度性能与原钢质罩 盖相近。b.铝合金发动机罩盖能够达到更好的行人保 护性能。c.所设计的铝合金罩盖相比原钢质罩盖，实现 减重 45.5%，减重效果明显。2014 年 第 11 期汽 车 工 艺 与 材 料AT&M9原钢质发动机罩盖15.17-优化铝合金发动机罩盖8.26845.5表 5 优化铝合金罩盖与钢质罩盖质量对比弯曲刚度加载点6.056.23扭转刚度加载点1.761.74表 3 优化结构发动机罩盖模型刚度分析结果mm表 4 铝合金结构罩盖与原钢质罩盖对比分析结果冲击点HIC 值冲击点HIC 值HIC 值 冲击点钢铝钢铝钢铝C1A360 376C1B525 438C1C417 374C1D504 460C2A585 361C2B584 273C2C553 442C2D557 452C3A454 231C3B467 260C3C532 445C3D533 498C4A470 261C4B455 235C4C529 499C4D530 446C5A590 272C5B590 354C5C557 451C5D555 432C6A525 432C6B362 379C6C499 457C6D420 375A1C982 832A1D625 684A2C539 635A2D386 474A3C410 368A3D309 335A4C309 335A4D420 368A5C379 467A5D530 631A6C640 680A6D988 830AT&MF I E L D视界FA T & MOV I S I O N参考文献：1黄天泽, 黄金陵. 汽车车身结构与设计M. 北京:机械工 业出版社, 1992.2燕战秋, 华润兰. 论汽车轻量化J. 汽车工程,1994,16(6):375383.3European New Car Assessment Program (Euro NCAP).Pe destrian Testing Protocol, Version 5.3.1 Euro NCAP secre tary, 2011 S/OL. (2012-03-01). . 4刘 洋, 孙小光, 杨占军, 等. Euro-NCAP 行人保护试验规程（v5.3.1 和 v6.0）分析J. 汽车安全与节能学报, 2012 , 3(2):142150.5葛如海，王广阔，王岐燕. 铝合金发动机罩的行人碰撞保 护研究J. 中国安全科学学报, 2007, 17(12):3741.6Altair Engineering. OptiStruct users manual CP, version5.1.国家科技支撑计划子课题（2011BAG03B0502）重 庆 市 基 础 与 前（cstc2013jcyjjq60001）沿研究计划杰青 项目&M10汽 车 工 艺 与 材 料AT&M2014 年 第 11 期中信泰富特钢集团兴澄特钢荣获“第十四届全国质量奖”2014 年 10 月 10 日-11 日，由中国质量协会主办的“第十四届全国追求卓越大会”在北京隆重举行。中信泰富特钢集团 江阴兴澄特种钢铁有限公司等 9 家组织荣获本届全国质量奖。兴澄特钢也成为本届全国质量奖获奖组织中唯一一家钢铁 企业。大会放映了兴澄特钢推进卓越绩效模式的业绩展示短片；中信泰富特钢集团副总裁、兴澄特钢总经理钱刚，兴澄特钢 党委副书记郏静洪代表兴澄特钢上台领奖。钱刚副总裁在获奖组织高层论坛上介绍了兴澄特钢卓越绩效模式具体实践中 追求卓越的经营质量的独到做法，并回答了记者提问。总经理助理罗元东就“创新营销提升顾客价值”作了专题经验交 流。兴澄特钢专注特钢，以独创的商业模式、产销研用一体化模式、快速研发响应机制等创新模式，在钢铁产业严重过剩的 大背景下脱颖而出，取得令世人瞩目的骄人业绩，走出了一条独具特色的特钢发展之路。兴澄特钢自 2008 年导入卓越绩效模式以来，一年一台阶，稳步推进，不断提升管理成熟度。创新的经营模式和高效 的管理及良好的经营绩效是卓越绩效模式在兴澄特钢成功实践的有力佐证，同时也得到了社会和政府的肯定，公司先 后荣获“江阴市市长质量奖”、“无锡市市长质量奖”、“全国质量奖鼓励奖”，继去年荣获“江苏省质量奖”后，今年又荣获 “全国质量奖”。超低散发塑料塑可净亮相人民大会堂，荣摘车内环境控制重点推广新材料桂冠2014 年 9 月 17 日，第十届环境与发展论坛之一第二届车内环境发展专题论坛在京召开。车用超低散发塑料塑可 净作为国内首个汽车车内环境控制重点推广新材料,在人民大会堂接受国家部委相关领导颁发的奖牌。本