基于行人保护的发动机罩总成优化设计
35_拓扑优化在引擎罩内板概念设计中的应用 _李志祥
拓扑优化引擎盖内板概念设计中的应用李志祥 张三磊上海汽车集团股份有限公司乘用车公司技术中心 上海 201804摘要：引擎盖总成作为汽车前端结构的重要组成部分，不仅能够保护发动机总成，还对整车的被动安全性能有很大的影响。
本文以OptiStruct为分析软件，利用拓扑优化对引擎盖内板结构进行优化设计，通过优化加强筋的位置和布局，有效地提高了引擎盖总成的抗凹刚度和自由模态性能，为此类引擎盖内板的初始设计提供理论和方法依据。
关键词：引擎盖，OptiStruct，拓扑优化，抗凹性1前言引擎盖总成包括外板、内板、铰链、锁孔加强板等结构，是汽车车身结构的重要组成部分，引擎盖结构如图1所示:图1 引擎盖总成示意图引擎盖总成必须有适当的强度、刚度、抗凹性以保护发动机总成及提高行人碰撞安全性的保护。
引擎盖外板的形状关系到整车的造型，因此结构改动设计到造型的重新调整，一般汽车造型确定以后，引擎盖外板形状的改动空间将会很小；内板作为外板的重要支撑零件，其对引擎盖总成的各项性能有着很大的影响，因此，可以对内板的结构进行优化以达到要求性能的同时，降低引擎盖总成的质量，实现材料的最佳利用率。
利用OptiStruct软件强大的拓扑优化（Topology Optimization）功能可以实现内板材料的最佳布局，以及加强筋的合理布置，在节省材料的同时，提高引擎盖总成的各项性能。
本文以引擎盖总成的刚度和一阶模态频率为优化目标，对引擎盖内板设计区域的加强筋结构进行优化设计，在保证相关性能的前提下，实现内板设计区域结构的最优化。
2拓扑优化理论简介结构拓扑优化（Topology Optimization）又称结构布局优化，是指对结构在一定载荷和约束条件下，基于一定的目标进行结构材料的最优化分配的优化方法，是一种概念性的设计，可以显著改善产品的性能和降低成本，主要用于新产品的设计初步阶段和原产品的优化设计。
拓扑优化方法有很多种，Optistruct 软件主要采用变密度法进行拓扑优化，通过单元质量的消减进行质量的重新分配，确定在一定载荷作用下，满足一定目标要求的最佳质量布局。
发动机盖常见结构及其设计原则
2019年第7期1发动机盖简介发动机盖的主要功能是为机舱里面的设备提供保护，遮挡雨水和灰尘，并使得机舱处于封闭空间，为里面的设备处于冷、热平衡的工作环境提供保障，有一定的设备防盗和碰撞保护功能；另外发动机盖作为整车的前部外覆盖件，对车身的美观有着重要的影响。
2常用结构型式及选材2.1零部件组成发动机盖的结构较车门简单,主要由内、外板和局部加强板组成。
外板与内板通过包边、粘接等方式结合，为增加机罩系统的强度及刚度，一般均会在锁或锁扣安装处、铰链安装处及撑杆安装处布置有局部加强板，甚至在内、外板组成的空腔内设有支撑板，加强板与撑板通过焊接或铆接的方式与内板相连接。
发动机盖铰链的结构形式目前常用的有两种，一种是合页式的，另一种是四连杆式的。
2.2材料的确定目前发动机盖的主要材料分为普通钢材和钢铝混合板材两大类，下面分别按照两类进行举例说明：发动机盖内板、外板需要满足一定的强度要求，内板成型相对难度大，一般选用拉延率较好又有一定强度且在能满足自身刚度的前提下料厚尽量薄。
铝合金具有密度小、强度高、导电、导热性好、耐腐蚀性好、比强度高、具有良好的铸造性能和加工塑性好的特点,发动机盖内板、外板可以考虑选用铝合金材料。
3设计原则3.1法规要求发动机盖作为整车前部外覆盖件应当满足GB11566《乘用车外部凸出物》要求，发动机盖的外表面一般均会满足法规要求，需要特别指出的是少数发动机盖前部包边悬出前格栅设计的车型，普通包边难以满足法规要求（包边总厚度需达到5mm ），需将前部包边做水滴包边结构，如图1所示。
图1发动机盖与前围格栅处断面3.2整车总布置要求发动机盖设计相关的整车总布置要求包括：（1）维修操作方便性。
包括：发盖抬起高度（可转化为发盖开启角度及发盖极限开度）；发动机盖二道锁开启方便性。
考虑到拆卸发动机的方便，发动机盖开度一般在75~90°。
当发动机盖打开到最大角度时，根据50%~95%美国人体尺寸，发动机盖最高点距地面一般为1600~2200mm 范围内；发动机盖最大开启角度为83°，发动机盖最高点距离地面发动机盖常见结构及其设计原则邢作辉（新乡职业技术学院，河南新乡453000）摘要：论述了发动机盖的功能、常用结构型式、材料选用、设计原则，其中对材料选定和设计原则进行了较为详细的论述分析，对发动机盖设计具有一定指导意义。
基于行人保护的主动式发动机罩抬升装置
基 于行 人保 护 的主 动 式 发 动 机罩 抬 升 装 置
王 宏雁 ， 育 民 ，吴 丹 ，王华 锋 朱
（ 济大学 汽车学院， 海 同 上 ２ １０ ） ０ ８ ４
摘
要 ： 于 对 行 人 保 护 的 最新 设 计 理 念 计 了 一 种 新 型 的 活 塞 结 构 的主 动 式 发 动 机 罩 抬 升 装 置 ． 基 ， 设 该
Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｌ ｔ ｓ ｓｇｎ ｃ ｃ ｐｔ ｏ ｅ ｅ ｔ ｉ ｎ ｐ ｏ ｅ ｔｏ ｓ ｄ ｏ ｈ ａ ｅ ｔ ｄｅ ｉ ｏｎ ｅ ｓ ｆ ｒ ｐ ｄ ｓ ｒａ ｒ ｔ ｃ ｉ ｎ， ｕ ｉ ｇ ｔ ｅ ｇａ ｓｎ ｈ ｓ
采用 了气 体发 生 器 式 发 动 机 罩 抬 升装 置 ； 械 式 机 可逆 发 动 机罩 抬 升装 置 尚处 于研 究 阶段 ［ ．某 车 ５ ］ 型发 动机 罩抬升装 置 的应用 实例 如 图 １ 所示 ．
硬 点 ， 而 改 善 行 人 头 部 Байду номын сангаас 护 效 果 的 一 种 新 技 从
中 图分 类 号 ： ６． １ Ｕ４ １ ９ 文献 标 识 码 ：Ａ
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汽车前端模块之发罩锁的安装设计
Internal Combustion Engine&Parts0引言近年来，随着汽车保有量持续增高，对环境保护的呼声也越来越高，汽车的轻量化需求愈加迫切，复合材料在汽车结构中的应用也越来越广泛。
采用玻纤增强塑料的前端模块技术是“以塑代钢”轻量化技术的典型案例，具有轻量化、模块化双重优势，在汽车行业中迅速发展。
传统技术中的散热器固定用钣金总成由单个玻纤增强的注塑件替代，减少了约20个零件，从而大大降低了模具数量、简化了生产工序。
在满足的安装需求及刚强度要求的基础上，提高了前端总成的尺寸精度，有效的降低了整车重量及单车成本[1]。
1发罩锁布置要求1.1行人保护碰撞法规对发罩锁布置的影响汽车对行人的碰撞保护主要是对头部、大腿、小腿位置的碰撞保护，前端框架的结构设计需要考虑大腿碰撞和头部碰撞两项法规。
基于行人保护试验的测试方法，在汽车前端的特定区域内不进行刚性结构的布置，用于碰撞过程中的吸能变形，以避免对行人大腿和头部的严重伤害。
两个安全边界均与CAS面相关，发罩锁、前端框架均应布置在安全边界内。
1.2周边零部件对发罩锁布置的影响发罩锁是前端模块的重要组成部分，其自身结构和位置决定前端框架上部的结构。
因性能要求，发罩锁锁体及开启手柄均需避开大腿碰撞范围，因此决定采用无开启手柄的双锁形式。
在驾舱内两次拉动开关就可以完全开启发罩锁，不需要布置手动开启手柄。
本文设计对发罩锁的布置有以下几点要求：①因锁扣安装在发罩内板的加强结构上，锁体前端与发罩分缝线之间需要保留130mm以上间距，以满足发罩板结构的需求。
②受前舱零部件布置限制，锁体后侧需要与空滤进气结构保证安全间隙，Y向既要满足进风口结构空间也需要满足前大灯的布置空间。
③尽量布置在头碰区域外，机盖锁位置不需要满足距机盖外板80mm安全间距的要求，以防止锁体Z向位置太低而占用冷却系统的安装空间。
④除XY向受限制外，发罩锁在前端框架的Z向也要预留出足够的安装空间。
基于行人头部碰撞保护的发动机罩结构设计
基于行人头部碰撞保护的发动机罩结构设计李子云;李峥;李涛;李燕龙;杨飘;罗鑫;陈文【摘要】在车辆与行人碰撞事故中行人属于弱势群体,而且行人头部受到的伤害尤其严重,所以研究发动机罩结构有利于提高行人头部的保护.文章基于GB/T 24550—2009中行人头部碰撞保护的要求和CAE计算精度设定头部碰撞保护的设计目标,阐述了避开碰撞风险区、增大溃缩空间及弱化零部件局部结构的3种主要设计方法,并且利用PAM-CRASH软件详细分析了这些方法在发动机罩结构设计中的应用和改善效果,结果表明头部损伤指数(HIG)均有不同程度地降低,最大降幅可达892.该方法对汽车行人保护开发方面具有实际借鉴意义.【期刊名称】《汽车工程师》【年(卷),期】2017(000)008【总页数】3页(P27-29)【关键词】行人头部保护;发动机罩;避开风险区;增大溃缩空间;弱化结构【作者】李子云;李峥;李涛;李燕龙;杨飘;罗鑫;陈文【作者单位】东风汽车公司技术中心;东风汽车公司技术中心;东风汽车公司技术中心;东风汽车公司技术中心;东风汽车公司技术中心;东风汽车公司技术中心;东风汽车公司技术中心【正文语种】中文在美国和欧洲等汽车发达国家和地区，行人保护已经成为强制性法规要求，是汽车基本的市场准入要求，同时也是Euro-NCAP评分内容中的一项。
我国仍然属于人车混合的交通状况，汽车碰撞事故频繁发生。
在汽车与行人碰撞事故中，行人属于弱势群体，加上现阶段汽车缺乏对行人保护的措施，行人伤亡严重。
随着人们对行人保护意识的不断提高，2009年我国出台了GB/T 24550—2009《汽车对行人的碰撞保护》，而且2018版C-NCAP将会加入行人保护的考察项目。
此外，在人车碰撞的交通事故中行人身体的各个部位都有可能受到损伤，但不同部位的损伤程度会根据其生物力学特性以及碰撞中与车体接触位置的不同而有所不同。
在人车碰撞事故中行人的头部是最易受到重度损伤的部位（80%），其次为胸部（7%）、脊柱（6%）及腹部（6%）。
基于行人保护性能的车辆头型试验区域共性吸能结构分析
2019年7期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application基于行人保护性能的车辆头型试验区域共性吸能结构分析曹建骁，毕腾飞，张文超（中汽研汽车检测中心（天津）有限公司，天津300000）1概述根据交通事故年报数据统计，车辆刮撞行人导致死亡人数占交通事故总死亡人数比例呈现逐年上升趋势。
在道路交通中道路弱势使用者占总死亡人数的50%，其中行人占比达到了22%，行人伤害研究已成为研究热点。
2行保头型试验覆盖区域分析行人保护法规及C-NCAP 考核区域主要由头型考核区域和腿型考核区域构成。
其中法规以ECE R127为代表，头型考核区域一般由前基准线，侧基准线，后基准线形成封闭区域向内返82.5mm 构成，主要覆盖车辆结构为汽车罩盖，如图1、图2所示，其中涉及到7个结构件区域，如表1所示，图3为结构具体指示图。
2018版C-NCAP 评价规程中，行人保护头部考核区域由WAD1000、WAD2100和两条机罩侧面基准线围绕而成。
图1行人保护头型法规考核区域图2.1大灯结构区域行人保护涉及大灯结构区域主要为儿童头型冲击考核，涉及到的主要结构是为汽车发动机罩总成，汽车前大灯、橡胶支撑块、汽车大灯横梁。
大灯结构处结构特征主要表征为：大灯为汽车外露机能件，除自身照明功能外，其安装考虑其稳健性，一般设计安装点有三个点，主要布置为上部两个安装点螺接连接大摘要：随着2018版C-NCAP 行人保护考核的加入，行人保护正向开发已经被多个主机厂关注。
国外全球性法规《GTR 9》，欧盟《ECE R127》，EURO-NCAP 等对行人保护性能有明确要求。
对于我国的自主企业，其车身结构还处于跟随模仿的阶段，因此对于合理的吸能结构分析具有很重要的意义。
企业的结构设计按照车型定义会形成架构平台，掌握行保头型的共性吸能结构，有利于提升结构平台性能水平，有利于降低研发费用，缩短周期，同时为高指标的得分策略提供基础的技术支撑。
基于行人腿部保护的保险杠造型优化设计
基于行人腿部保护的保险杠造型优化设计肖宏伟;陆善彬;武栎楠【摘要】建立了某车车身前部的有限元模型,并将其与MADYMO腿部冲击器模型进行了耦合.利用MADYMO-DYNA耦合算法对腿部冲击器与保险杠的碰撞过程进行了仿真分析,并根据GTR法规要求对保险杠的行人腿部保护性能作出了评价.从造型角度提出了3点改进保险杠行人保护性能的方法,并阐述了利用ALIAS设计保险杠的过程.对改进后的保险杠进行仿真分析表明,改进方案有利于提高保险杠的行人腿部保护性能.【期刊名称】《汽车技术》【年(卷),期】2010(000)010【总页数】4页(P30-33)【关键词】行人腿部保护;保险杠;优化设计【作者】肖宏伟;陆善彬;武栎楠【作者单位】吉林大学;吉林大学;吉林大学【正文语种】中文【中图分类】U461.911 行人保护要求分析最新数据显示，2009年全国共发生道路交通事故238351起，造成67759人死亡、275125人受伤，直接财产损失9.1亿元[1]。
专家预测，中国道路交通事故死亡率在未来l0年仍将在此高位徘徊。
在汽车与行人相碰撞时，首先与人接触的就是汽车保险杠，所以汽车保险杠的设计应放在首要位置，在新车开发前期就要充分考虑保险杠造型设计好坏对行人腿部的保护。
1.1 保险杠系统保险杠设计有较严格的外部约束条件和复杂的内部结构关系。
从安全性上看，保险杠在汽车发生碰撞事故时能起到缓冲作用，保护前、后车体，特别是对行人腿部保护有重要作用；从外观上看，保险杠可以很自然地与车体结合，具有很好的装饰性，成为汽车外型设计的重要部件。
1.2 行人保护法规要求目前国际主流行人保护适用标准为GTR、ACEA标准。
我国即将颁布的《汽车对行人碰撞保护（征求意见稿）》也是根据GTR制定，该标准规定了腿部模块和保险杠碰撞的试验方法。
试验主要测量膝关节弯曲角度、膝关节剪切位移和胫骨加速度等参数。
GTR规定的行人腿部伤害指数上限如表1所列。
基于行人保护的发动机罩设计
2018·4（下） 军民两用技术与产品47前言发动机罩是汽车上最醒目的车身构件，也是整车外观效果的重要部分，研究显示，交通事故行人头部伤害中有近20%的与发动机罩相关[1]。
随着对行人保护的不断重视，各地区法规日趋加严，对发动机罩的性能提出更高要求，即要满足刚度、强度等指标，还需满足行人保护要求。
为减少发动机罩结构修改次数，缩短设计周期，有必要提前识别满足行人保护要求的造型及结构，应用到设计中，提升设计效率。
1 C-NCAP行人保护评价规程C-NCAP 中国新车评价规程是将在市场上购买的新车型按照比中国现有强制性标准更严格和更全面的要求进行碰撞安全性能测试，评价结果按星级划分并公开发布，旨在给予消费者系统、客观的车辆信息，促进企业按照更高的安全标准开发和生产，有效减少道路交通事故的伤害及损失。
1.1 行人保护测试项目C-NCAP 的行人保护测试项目分别为腿型试验和头型试验，其中涉及发动机罩的为头型试验，包含儿童头型试验和成人头型试验，如（图1）所示：（1）儿童头型质量3.5kg ，碰撞速度40km/h ，与水平方向呈50度角；（2）成人头型质量4.5kg ，碰撞速度40km/h ，与水平方向呈65度角。
1.2 头部碰撞区域基准线的划线要求头部碰撞的区域由四条基准线组成。
1.2.1 前缘基准线用长1000mm 的直尺离地面600mm ，后倾50°沿外观面Y 向划线，如（图2）所示：图2 C-NCAP前缘基准线1.2.2 侧面基准线用长700mm 的直尺与水平呈45°角靠在侧面型面上X 向划线，如（图3）所示：1.2.3 后面基准线用直径165的圆球机罩与前风挡的相交处横向滚动，与发动机罩相接触得到的线，如（图4）所示：图4 C-NCAP后面基准线 图5 C-NCAP包络线1.2.4 包络线（WAD ）用软尺从地面起，沿前部外观面量取到1000、1700、2100三个位置，如（图5）所示：1.3 头型碰撞区域的定义头部碰撞试验区域以WAD1700为界，分为儿童头部碰撞试验区域和成人头部碰撞试验区域两部分，如（图6）所示：图6 C-NCAP头部碰撞区域1.3.1 儿童头型试验区域前部边界为WAD1000线的后向，或发动机罩前面基准线的后向不小于82.5mm ，取后点；侧面边界为侧面基准线以内不小于82.5mm ；后部边界为WAD1700线的前向，或发动机罩后面基准线的前向不小于82.5mm ，取前点。