行人头部碰撞碳纤维夹芯复合材料引擎盖的有限元分析

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1、行人头部碰撞碳纤维夹芯复合材料引擎盖的有限元分析李浩1，罗剑岚2，李炜1，3(1.东华大学纺织学院，上海201620;晋飞复合材料科技有限公司，上海201100;3.教育部面料实验室，上海201620)2.摘要:利用ABAQUS的Explicit模块建立了行人头部碰撞碳纤维夹芯复合材料的有限元模型，并使用DIAdem工程分析软件计算了头部损伤指标HIC值。通过钢球碰撞试验验证了模型的有效性，分析了碳纤维复合材料层数，硬质泡沫厚度，蒙皮的铺层方式对HIC值和最大侵入量的影响。结果表明，加入硬质泡沫可以大量减少碳纤维复材使用量，并且不会增加HIC值和最大侵入量;硬质泡沫厚度

2、不宜太大也不宜太小，有最优值;各向同性明显的铺层方式有利于减小HIC值。关键词:碳纤维夹芯复合材料;头型冲击器;ABAQUS;HIC;侵入量中图分类号:文献标识码:文章编号:1003－0999(2014)03－0036－05TB332A汽车与行人的碰撞过程中，行人先和汽车发生碰撞，然后和地面发生碰撞，大部分损害是行人与汽车的相互作用造成的［1］。行人的头部和下肢损伤几率最大，头部的严重损伤往往是造成死亡的主要原因;因此，国内外汽车制造商越来越关心汽车发动机罩对行人头部保护的性能。JiriSvoboda等应用有限元仿真的方法研究了不同结构形式的发动机罩对行人头部的损伤程度

3、，得到了最优发动机罩结构［2］;KokiIkeda等建立了头部冲击器及铝制发动机罩板有限元模型，分析了其头部耐受限度曲线WSTC、头部冲击剧烈程度指数SI和头部损伤评价标准HIC［10］。目前，最为常用的损伤评价指标是Versace［11］在1971提出的HIC值，其计算公式见式(1)。2．5HIC=(t2－t1)[2ta(t)dt]1t2－t1∫1(1)t式中，a(t)表示碰撞过程中头部质心合成加速度;t1、t2表示碰撞过程中的两个时刻。2冲击模型建立及其验证在交通事故中，行人头部冲击引擎盖的时间在1s以内，冲击速度在9.7m/s左右，这类碰撞问题可以利用ABAQUS

4、/Explicit模块进行分析［12］。碰撞验证试验中［13］，受钢球跌落高度的限制，最大速度为1.534m/s。碳纤维复合材料板固夹在实验台上，钢球垂直落下冲击复合材料，利用位移测量计记录碰撞过程中板中心的位移。实验参数如表1所示，碳纤维复合材料单层力学性能如表2所示。行人头部保护功效［3］;Krenn［4］研究了可提Martin升式发动机罩的高度，使行人头部获得足够缓冲空间，降低损伤程度;刘奇等［5］通过有限元分析，研究了摩擦系数对头型冲击实验的影响，指出摩擦系数越高，对行人的损伤程度越高;葛如海等［6］利用LS-DYNA进行了行人头部与钢制、铝制发动机罩碰撞时的动

5、态响应模拟，得出了铝制发动机罩对行人头部有更好的保护作用的结论。复合材料在汽车上的应用越来越广泛［7～9］，其安全性能还有待研究。本文使用ABAQUS有限元分析软件建立了头部碰撞复合材料夹芯结构模型，并将数据导入DIA-dem工程分析软件，计算了不同结构对行人头部的损伤值。表1验证实验参数要求Table1Experimentparametersrequirement实验面积/mm2钢球直径钢球密度撞击速度铺层方式/g·cm－3/m·s－1/mm碳纤维复材层140×140［0/0/90/90］s合板撞击实验307．84771．5341行人头部损伤的评价指标行人头部损伤常用

6、的评价指标有韦恩州立大学收稿日期:作者简介:2013-06-18李浩(1989-)，男，硕士，主要研究方向为复合材料引擎盖有限元分析。FＲP/CM2014.No.32014年第3期玻璃钢/复合材料37表2碳纤维复合材料单层力学性能3碳纤维夹芯复合材料对行人头部保护作用的分析汽车对行人的碰撞保护GB/T24550-2009中Table2Carbonfiberlaminamechanicalproperties［14］单层厚度/mm密度/g·cm－3E1/GPaE2/GPaG12

7、/GPaν12规定，成人头型冲击器材料为铝制，直径为165±0．1251．457129．417．53．360．31mm，质量为4.5±0.1kg，相对于过质心且垂直于冲击方向轴的惯性矩应为0.01～0.013kgm2，冲击器的质心应位于球的几何中心，球体用14±0.5mm厚的合成皮肤覆盖，面积至少为球体的一半。根据标准中成人头型冲击器的规定，叶辉等［15］计算了出头型冲击器的具体尺寸，按此建立头型冲击器有限元模型如图3所示。按照表1、2的实验参数，在ABAQUS中建立了相应的有限元模型。固定层合板四边，即位移自由度U1、U2、U3，转动自