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Composite Structures 176（2017）780-789
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复合结构
基于等效静载法优化汽车复合罩结构，提高行人安全性
金东贤a, 郑国贤a, Dug-Joong Kim a, 成贤公园a, Do-Hyoung Kim a, Jaeyoung Lim b,
越南 Byeung-Gunb, 金德成a,c,uArr;
a汉阳大学机械工程系，韩国城南区Haendang-Dong 17号，133-791，韩国
b现代汽车集团研发部，京畿道445-709，韩国
c汉阳大学纳米科学与技术研究所，韩国首尔133-791
文章信息
文章历史：
2017年2月16日收到
2017年4月21日修订
2017年6月7日接受
2017年6月9日在线提供
关键词：
碳纤维增强复合材料玻璃纤维增强复合材料汽车引擎盖
优化设计行人安全等效静载荷法
摘要
在这项研究中，进行了汽车复合材料罩的设计优化，以减轻基于有限元分析的行人头部损伤的影响。建立了减少车辆头部冲击器和单罩模型以获得最佳的复合罩设计。选择碳纤维增强复合材料（CFRP）和混合玻璃纤维增强复合材料（CFRP / GFRP）层压材料作为复合材料候选材料。基于等效静载荷法优化复合材料罩的堆垛角度序列和拓扑结构。在优化之后，测量头部损伤标准（HIC），偏转和重量以评估复合罩的性能。开发的CFRP和混合CFRP / GFRP型罩具有优化的最终设计，与传统的钢和铝罩相比，具有改进的冲击性能和显着的重量减轻，同时满足弯曲和扭转挠曲要求。
- 介绍
最近一年在欧洲发生的交通事故造成6000多名行人死亡或受伤[1]. 行人头部受伤是道路交通事故中行人严重受伤和死亡的主要原因[2]. 因此，若干国际安全委员会已提出评估新车行人保护功能的测试程序。其中，欧洲增强型车辆安全委员会（EEVC）引入了比全面测试更便宜且更有效的子系统测试[3].所提出的测试程序由以下部件组成：头部形状对车辆发动机罩的影响，腿部形状对前保险杠的影响，以及上部腿部形成对发动机罩前缘的影响[4].通过考虑到2005年和2010年分别称为欧盟第1阶段和第2阶段的成人和儿童头型，进一步制定了与头型影响有关的EEVC测试程序[5].通常，头部损伤标准（HIC）用于头部撞击器的定量分析，并且通过将头部撞击器的测量的冲击加速度进行积分来在模拟中计算。
uArr;通讯作者：汉阳大学机械工程系，韩国城南区Haendang-Dong 17号，133-791。
电子邮件地址：kima@hanyang.ac.kr （H.-S. Kim）。
一段时间[6].已经进行了使用撞击器或虚拟模型的实际实验来测量HIC， 但是这些在金钱和时间方面都是昂贵的[7].使用基于有限元分析（FEA）的计算机模拟可以是评估HIC的有效替代方案[8].为了提高行人的保护性能，已经进行了几项基于FEA的材料研究和车辆罩的最佳设计。作为一个例子，开发了各种钢制内罩结构，以减轻头部撞击伤害的影响[9].最近，减轻重量已成为提高汽车燃料效率的主要手段[10].为此，复合材料由于其高比强度和强度而受到重视，同时重量轻[11].研究了三种由钢， 铝和复合材料制成的相同的发动机罩[12]并且考虑到行人安全性，开发了具有复合层压板和夹层结构的罩模型的数值模拟[13].据作者所知，复合材料罩的优化研究尚未见报道。
在这项研究中，基于有限元分析推导出复合材料罩的最佳设计。 作为优化的结果，获得了复合罩的堆叠角度顺序和内部结构，以增加 具有足够刚度水平的复合罩的冲击性能。为了计算效率，将等效的静 态载荷方法应用于优化程序。通过与传统钢和铝罩在HIC，挠度和重量方面的比较来评估具有最佳设计的复合罩。
2.有限元模型
在这项工作中，为减少的车辆，头型冲击器和单个发动机罩建立了三个有限元模型，以基于冲击和刚度分析开发整个复合材料罩的最佳设计。
减少车型
图1显示了具有用于冲击分析的头模冲击器模型的整个车辆模型。对于该模型，HIC用于评估车辆罩的冲击性能。HIC是代表车祸导致的行人头部受伤的指标[14].HIC表示为;
希奇-
(
eth;1=eth;t2 -t1THORN;THORN;·
Z t2 t1
在eth; dTHORN;t
l2:5
)
- eth;t2 -t1THORN;
最大
eth;1THORN;
其中t1 和t2 是以秒为单位的两个时刻，在此期间HIC获得最大值，而
（t）是以g为单位的合成磁头加速度。t2 t1 的时间间隔通常为15 ms， 并且限制在3到36 ms之间的特定值[15-].这意味着可以在非常短的时间内容忍大的加速度，并且HIC的增加是指头部损伤量的增加。在本文中， 使用商业软件LS-PREPOST（Livermore Software Technology Corp.） 以15ms的时间间隔计算HIC。
作为冲击模拟的过程，头模撞击器与车辆罩的上部碰撞，并且在撞击期间测量HIC。然而，由于整个车辆模型由许多部件组成，因此需要大量的计算时间来执行一次冲击模拟。出于这个原因，通过以下过程开发了减少的车辆模型：首先，通过使用整个车辆模型执行冲击模拟，如图所示图2(a).基于模拟结果，整个车辆模型中在撞击事件期间未变形的一些部件被移除，如图所示图2(b).然后，应用边界条件和
图1.带有头型冲击器模型的整车模型。
减少车型的示意图;（a）整个模型的侧视图，（b）简化模型的侧视图，（c）边
界件和（d）整个模型和简化模型的加速时间曲线。
通过使用如图所示的减小的车辆模型再次执行冲击模拟图3(c).将简化模型的HIC与整个车辆模型的HIC进行比较。通过重复上述程序获得最终的减小的车辆模型，直到整个和减小的车辆模型之间的HIC值的差异达到5％以内。这些约5％的差异可能是与脑损伤和颅骨骨折相关的头部损伤标准的可接受的耐受水平[16] 以及基于实验HIC结果的有限元车辆模型开发的若干研究[17].
1.2.头型冲击器模型
头型冲击器是一种在冲击试验中代表人体头部的仪器[18].根据适用于冲击试验的规定，冲击试验中使用各种规格的头型冲击器，通过 冲击试验的要求也各不相同[19].在这项研究中，根据欧盟第1阶段采用了ISO儿童头型撞击模型，如图所示图3.头型撞击器由背板，球体 和乙烯基皮肤组成，如图所示图3 (a).后板和球体被建模为具有铝材料特性的刚体。指定后板上的参考点，使加速度计能够测量加速度历 史，该加速度历史应用于头模冲击器。使用商业软件LS-DYNA（Livermore Software Technology Corp.）中内置的Mooney-Rivlin 超弹性材料卡对乙烯基皮肤进行建模。
为了评估儿童头型撞击器的有效性，模拟跌落认证测试，如图所示图3(b).
图3.头模冲击器的示意图和跌落认证测试的模拟;
-
- 头模冲击器的横截面视图，（b）跌落认证测试的模拟条件和（c）头模冲击器的加速时间曲线。
下降认证测试是评估头模冲击器生物保真度的实验方法[6].角度为54°的 头模冲击器从376 mm的高度落到刚性板上，用于跌落认证模拟。为了满足头型冲击器的加速规定，头型冲击器的峰值加速度应在245g和300g的范围内，并确定儿童头型冲击器满足接受条件，如图3(c).
单罩模型
单罩型号图4（a-c）开发用于评估在诸如弯曲和扭转的静载荷条件下车辆罩的刚度特性。如图所示图4（a），两个不同的节点，即点A和B，被指定为由静态负载条件应用。为了防止单个发动机罩模型在刚度模拟 过程中意外移动，铰链和闩锁部件被限制在所有方向上，如图所示图4(b).为了对单罩模型施加弯曲和扭转，采用了两种类型的静载荷条件， 如图所示图4(c).在第一种情况下，在负Z方向上将100N施加到点A和B以进行弯曲。在第二种情况下，在正Z方向上将100N施加到点A，并且在 负Z方向上施加到B点以进行扭转。
1.2.复合材料罩的设计优化
1.2.1设计材料
图4.单罩模型;（a）示意图，（b）边界条件和（c）负载条件。
（a和b）。它们是对称层压板，总共由六层组成。在混合CFRP / GFPR 层压板的情况下，中间线部分的第3和第4层由GFRP组成，并且考虑到低弹性模量，CFRP层被放置在外层以最大化混合层压板的抗弯刚度GFRP。CFRP和混合CFRP / GFRP层压板的每个帘布层的厚度和堆叠角度序列最初分别建模为0.2mm和[0°，45°，45°]s。CFRP和GFRP层流的机械性能如下所示表格1. 这些性质由LS-DYNA的MAT 58模型和CFRP和混合CFRP /GFRP层压板的截面分配功能描述。简化模型的发动机罩结构由独立的外部和内部部件组成，如图所示图6（a和b）。因此，外部和内部部件可以分开设计，允许它们由不同的材料和不同的厚度制成。在这项工作中， 考虑了两种类型的复合罩模型，如中所述表2.
1.2.2堆叠角度序列优化
通常优化复合结构的堆叠角度序列以获得所需的机械特性[20].在该研究中，优化了复合罩的外部和内部部件的堆叠角度顺序。
1.2.3设计变量
设计变量基于层压板的中心设置为对称，然后六个独立的设计变量被认为是外部的[h1，h2，h3]s, 外 和[h4，h5，h6]s, 内 如内部所述表3. 对于输入值，基于全局坐标使用0°，plusmn;15°，plusmn;30°，plusmn;45°，plusmn;60°，plusmn;75° 和plusmn;90°的离散堆叠角度值，如图6（a和b）。
图5.两种复合材料罩复合层压板;（a）CFRP和（b）混合CFRP / GFRP。
表格1
钢，铝，CFRP和GFRP层流的机械性能。
|
材料 |
纵向模量 Exx |
横向模量 Eyy |
剪切模量 葛兰素 |
泊松比 甲基 |
密度 q |
|
（GPa）的 |
（GPa）的 |
（GPa）的 |
（千克/立 方米3） |
||
|
钢 |
200 |
200 |
75 |
0.3 |
7850 |
|
铝 |
70 |
70 |
26 |
0.3 |
2750 |
|
CFRP层流 |
120 |
7.6 |
3.9 |
0.3 |
1590 |
|
GFRP层流 |
33 |
4.76 |
1.1 |
0.3 |
1500 |
设计目标和约束
HIC可被认为是优化的最佳设计目标，因为HIC是确定行人受伤程 度的指标。然而，HIC无法直接反映GENESISVanderplaats Research＆Development，Inc。的优化过程中，这是本研究中使用的商业优化工具[21].因此，基于以下原因，复合罩的应变能被 认为是替代设计目标。结构的保护能力取决于结构在冲击问题下能够吸收的冲击能量部分[22,23].这种能量的能力通过增加结构的应变能量可以
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