玻纤材料方向对进气格栅行人保护的影响

来源：Altair论文集    作者：孙正峰  徐静      

关键字：Radioss  玻纤材料  进气格栅  行人保护  头部碰撞  

本文通过分解研究分析进气格栅对行人保护头部碰撞的影响，以碰撞力-溃缩量曲线作为结果输出，为行人保护头部碰撞结果HIC值提供参考。

1 概述

    我国《汽车对行人的碰撞保护》于2010年9月开始实施。行人保护中除了腿部是第一碰撞部位外，头部则是第二次发生碰撞的部位，且影响最大，后果最严重，因此，我国对行人保护头碰碰撞有明确的规定，通过HIC值进行评判汽车结构设计是否合理。

    当行人保护头部碰撞发生时，头部首先接触到的是发动机舱盖板或者挡风玻璃，进而将载荷传递至进气格栅，最后传递至白车身等相关部件。由此可见，每一关相关部件都会影响对头部碰撞到结果。

    本文通过分解研究分析进气格栅对行人保护头部碰撞的影响，以碰撞力-溃缩量(F-S)曲线作为结果输出，为行人保护头部碰撞结果HIC值提供参考。利用有限元软件HyperMesh前处理，Radioss求解计算，最后在HyperView中查看结果。首先，在Moldflow模拟玻纤流动方向，其次，采用插值计算出该玻纤方向下不同应变率的应力-应变曲线，最后，与实验对标并优化仿真精度。合适的玻纤方向性能及准确的模型可将与试验结果误差控制在10%以内。

2 有限元模型的建立

    2.1 材料

    所有材料均采用不同应变率下的应力-应变曲线，其中含玻纤材料的进气格栅有三个玻纤方向不同应变率下的应力-应变曲线，如图1所示：

 

图1 GFRPP-30不同玻纤方向且不同应变率下的工程应力-应变曲线

    2.2 边界条件及载荷工况

    与白车身连接部位固定约束。头型采用与试验一致且对标过的儿童头型，通过换算及实车装配关系，碰撞初速度=26.5km/h，初始碰撞角度=90°，初始碰撞动能=94.8J，儿童头型重量=3.5kg，头碰初始位置如图2所示，仿真头型如图3所示，实验头型如图4所示。

 

图2 头碰初始位置

 

图3 仿真儿童头型

 

图4 实验儿童头型

    2.3 仿真模型

    仿真模型及工装如图5所示。

 

图5 仿真模型及工装

3 模流分析

    3.1 模流分析结果

    针对含玻纤材料的进气格栅采用3点顺序阀进胶方式，玻纤分布结果如图6所示：

 

图6 进气格栅玻纤分布云图

    根据头型碰撞位置及力的传递路径，从上图可以看出，玻纤取向=0.65。

    3.2 玻纤材料插值拟合

    根据GFRPP-30材料三个玻纤方向不同拉伸速率下的应力-应变曲线可以得出玻纤取向=0.65下的最大拉伸强度，如图7所示：

 

图7 玻纤取向=0.65下的最大拉伸强度

    根据图7及三个玻纤方向不同拉伸速率下的应力-应变曲线斜率及断裂伸长率可以得出玻纤取向=0.65不同拉伸速率下的应力-应变曲线，如图8所示：

 

图8 玻纤取向=0.65不同拉伸速率下的应力-应变曲线

4 仿真分析及实验结果

    4.1 仿真分析及实验结果

    碰撞点位置选择白车身+Y方向0mm处，考虑断裂模式，仿真分析结果如图9所示：

 

图9 行人保护头碰仿真分析结果

    若不考虑GFRPP-30材料玻纤方向，选取玻纤0°方向不同拉伸速率下的应力-应变曲线，结果如图10所示：

 

图10 GFRPP-30材料玻纤0°方向下行人保护头碰仿真分析结果

    由图9和图10可以看出，GFRPP-30材料玻纤0°方向下的结果与其实际玻纤流动方向下的结果不仅曲线趋势不一致，且二者平均偏差达42%。

    实验采用与仿真分析一样的方法，结果如图11所示，由于实验结果输出的是头型加速度与倾入量的关系曲线，因此，需要对其进行转换，得到碰撞力与倾入量的关系曲线，将实验结果与仿真结果比对，得到二者关系图，如图12所示。

 

图11 实验结果

 

图12 实验转换结果与仿真结果曲线

    从图12可以看出，考虑玻纤流动方向，实验结果与仿真结果在碰撞力峰值上的误差为8.6%，碰撞力平均偏差为18.7%，且二者曲线的趋势基本一致。

    4.2 仿真分析模型优化

    进气格栅弱化槽为“V”型结构，开口宽度=4.0mm，根部厚度=1.0mm，而仿真模型该处单元=4mm，厚度=1.0mm，因此，对该弱化单元进行细化，厚度梯度为1.0mm、1.4mm、1.8mm、2.2mm，同时检测实际样件与仿真3D模型，发现样件实际厚度=2.2mm，弱化槽根部厚度=1.2mm，而仿真模型中厚度=2.3mm。将仿真模型按照实际样件进行调整，得到碰撞力与倾入量的关系曲线，并与实验结果比对，如图13所示，断裂位置如图14所示。

 

图13 实验转换结果与仿真结果曲线

 

图14 实验结果与仿真结果断裂位置

    由图13可以看出，实验结果与仿真结果在碰撞力峰值上的误差为3.5%，碰撞力平均偏差为9.4%，且二者的断裂位置一致。

5 结论

    运用Altair HyperWorks软件中的HyperMesh前处理模型，Radioss求解器对进气格栅进行行人保护头碰仿真，以碰撞力-溃缩量（F-S）曲线作为结果输出，为行人保护头部碰撞结果HIC值提供参考。不仅可以指导产品设计，优化产品结构，而且还可以缩短研发周期，提升产品在市场中的竞争力。分析结论表明：

    （1）不考虑玻纤取向，其结果曲线与玻纤实际流动方向下的结果曲线，二者平均偏差达42%；

    （2）考虑玻纤实际流动方向，其结果曲线趋势与实验结果基本一致；

    （3）通过优化仿真模型，实验结果与仿真结果在碰撞力峰值上的误差为3.5%，碰撞力平均偏差为9.4%，且二者的断裂位置一致。

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