MPDB 及ODB 壁障動(dòng)靜態(tài)力學(xué)響應(yīng)對(duì)比分析

王曉平

（中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

汽車碰撞安全是汽車性能中的重要部分，從18 世紀(jì)汽車問世以來，各個(gè)國家都建立了各種標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)汽車的安全性能。通常實(shí)車碰撞試驗(yàn)可分為以下幾類：正面碰撞、側(cè)面碰撞、追尾碰撞、角度碰撞等[1]。偏置（ODB）碰撞屬于正面碰撞中的一種。碰撞車以64 km/h 的速度撞擊壁障，壁障重疊率為40%，該工況主要評(píng)價(jià)車身安全。ODB 試驗(yàn)使用靜態(tài)壁障，小級(jí)別的車輛即使獲得較高的星級(jí)評(píng)價(jià)，與大型車輛發(fā)生實(shí)際碰撞的受傷概率也明顯高于對(duì)方。隨著道路車輛的類型增多，如何保證車輛在碰撞中既能保護(hù)本車乘員的安全（耐撞性），又能減少對(duì)另一方碰撞車輛造成的傷害（攻擊性），即為碰撞兼容性需要研究的內(nèi)容[2]。經(jīng)過多年研究，2020 年E-NCAP 決定使用MPDB 兼容性碰撞工況代替ODB試驗(yàn)，2021 年C-NCAP 也將隨之引入MPDB 試驗(yàn)。文章就MPDB 及ODB 試驗(yàn)用的壁障力學(xué)特性進(jìn)行了研究，分別建立靜態(tài)及動(dòng)態(tài)壓潰模型，研究了在相同輸入條件下壁障的力學(xué)響應(yīng)，為后續(xù)MPDB 工況車型的開發(fā)提供支持。

1 壁障介紹

ODB 和MPDB 試驗(yàn)使用的壁障主體都是蜂窩鋁結(jié)構(gòu)，但尺寸、規(guī)定方式、剛度分配及評(píng)價(jià)方式不同。

ODB 壁障由蜂窩鋁主體及保險(xiǎn)杠原件組成，二者均由正六邊形蜂窩鋁塊構(gòu)成，但兩部分蜂窩鋁有不同的壓縮強(qiáng)度：蜂窩鋁主體部分的壓縮強(qiáng)度為0.308～0.342 MPa，保險(xiǎn)杠原件部分為 1.54～1.711 MPa，壁障整體固定在剛性結(jié)構(gòu)上，具體尺寸如圖1 所示。

圖1 ODB 壁障示意圖

MPDB 采用漸進(jìn)式結(jié)構(gòu)，壁障縱向分成3 段，A 段和C 段有恒定的壓潰變形力，其中C 段與ODB 主體部分強(qiáng)度相同，A 段與ODB 中保險(xiǎn)杠原件強(qiáng)度一致，中段B 變形力是漸進(jìn)的，壓潰力隨著變形增加而增加，壁障通過螺栓固定在可移動(dòng)臺(tái)車上，具體尺寸如圖2 所示。

圖2 MPDB 壁障示意圖

從蜂窩鋁的布置特點(diǎn)來看，ODB 突出了保險(xiǎn)杠部分，而MPDB 將保險(xiǎn)杠與前端吸能結(jié)構(gòu)作為整體考慮。2 種壁障的第2 部分長度都是450 mm，但ODB 在該段的蜂窩結(jié)構(gòu)剛度前后一致，而MPDB 則表現(xiàn)為逐漸變強(qiáng)，與現(xiàn)代車輛設(shè)計(jì)理念相同[3]。

此外，ODB 工況僅對(duì)假人的傷害進(jìn)行評(píng)價(jià)，而MPDB 除了常規(guī)的假人評(píng)價(jià)外，還需對(duì)車輛的兼容性進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體評(píng)價(jià)方法包括：壁障變形評(píng)價(jià)（SD）、壁障擊穿評(píng)價(jià)（Bottom Out）、乘員負(fù)載系數(shù)（OLC）評(píng)價(jià)。

2 壁障力學(xué)響應(yīng)對(duì)比

2.1 靜態(tài)壓潰

靜態(tài)壓潰模型采用如下方式[4]：建立剛性平面，平面整體覆蓋壁障外表面，加載速度為1 m/s，剛性平面在該速度下壓潰至壁障最后位置。圖3 示出2 種壁障在靜態(tài)壓潰下的力和位移曲線示意圖。當(dāng)ODB 及MPDB 分別壓潰至430 mm 及570 mm 后，剛性平面反力急劇上升，后續(xù)數(shù)值沒有參考意義不做研究。

圖3 壁障靜態(tài)壓潰力-位移曲線示意圖

ODB 壁障由2 部分組成，其中保險(xiǎn)杠原件蜂窩鋁強(qiáng)度大于主體結(jié)構(gòu)。在開始?jí)簼㈦A段，變形主要區(qū)域?yàn)橹黧w蜂窩鋁下部，當(dāng)壓潰至135 mm 處時(shí)，保險(xiǎn)杠原件前端逐漸與蜂窩鋁主體上部位于同一平面，剛性平面也開始完全接觸壁障，接觸反力位移曲線表現(xiàn)為逐漸增加上升，當(dāng)剛性平面移動(dòng)至430 mm 處后，蜂窩鋁開始被完全壓潰，剛性平面開始接觸至ODB 壁障后端剛性部分，接觸反力迅速上升至無窮大。ODB 壁障壓潰過程，如圖4 所示。

圖4 ODB 壁障靜態(tài)壓潰示意圖

MPDB 壁障最前端與ODB 結(jié)構(gòu)不同，前部為平面結(jié)構(gòu)，沒有前端凸起的保險(xiǎn)杠原件。剛性平面開始階段已經(jīng)完全與壁障接觸，接觸反力在初始階段即呈水平狀，大約壓潰至150 mm 處，中部潰縮蜂窩鋁結(jié)構(gòu)開始參與變形，接觸反力開始上升，當(dāng)壓潰至250 mm 處，最前端蜂窩鋁被完全壓潰，該階段為中部蜂窩鋁變形，反力呈規(guī)定斜率上升狀態(tài)。MPDB 靜態(tài)壓潰過程，如圖5所示。

圖5 MPDB 壁障靜態(tài)壓潰示意圖

2.2 動(dòng)態(tài)壓潰

E-NCAP 中對(duì)MPDB 壁障動(dòng)態(tài)壓潰做出標(biāo)定要求[5]：使用1 300 kg 的標(biāo)定碰撞臺(tái)車，臺(tái)車前端安裝有管柱結(jié)構(gòu)，并以60 km/h 的速度撞擊壁障，撞擊后壁障力學(xué)響應(yīng)在符合相關(guān)要求的范圍內(nèi)，具體方法如圖6所示[6]。

圖6 MPDB 壁障動(dòng)態(tài)標(biāo)定示意圖

法規(guī)中沒有專門對(duì)ODB 所用蜂窩鋁動(dòng)態(tài)試驗(yàn)做出要求[7-9]，出于對(duì)比原因，ODB 壁障也使用與MPDB 相同的試驗(yàn)條件。撞擊位置按以下要求選擇：在壁障重疊率為50%，75%，100%的前提下，分別再選擇3 個(gè)撞擊高度，如圖7 所示：1）剛性裝置最下端與保險(xiǎn)杠原件最下端持平位置；2）剛性裝置最上端與保險(xiǎn)杠原件最上端持平位置；3）剛性裝置中線與蜂窩鋁主體中線重合位置。共9 個(gè)撞擊位置。

圖7 壁障碰撞位置示意圖

圖8 示出MPDB 與ODB 壁障動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)。由于ODB 所有撞擊位置都被小車擊穿，曲線Y 軸僅截取500 kN 以下作為分析對(duì)象。

圖8 壁障動(dòng)態(tài)壓潰力-位移曲線示意圖

MPDB 壁障總長度為790 mm，小車撞擊至558 mm處開始反彈。ODB 蜂窩鋁結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)沖擊下整體剛度表現(xiàn)較平均，除個(gè)別撞擊位置外，其它響應(yīng)曲線均按固定斜率上升。MPDB 前端壁障響應(yīng)與ODB 壁障相同，在壓潰至220 mm 后，中部蜂窩鋁開始變形，響應(yīng)曲線迅速爬升至250 mm 處，該階段表現(xiàn)與靜態(tài)壓潰一致，中部壁障參與變形后反力升高。當(dāng)中間的壁障壓潰至400 mm 時(shí)，此時(shí)蜂窩鋁結(jié)構(gòu)變形徹底并達(dá)到極值，小車運(yùn)動(dòng)速度逐漸減慢直至反彈。

3 結(jié)論

文章對(duì)ODB 及MPDB 壁障進(jìn)行了比較，分別建立動(dòng)靜態(tài)壓潰模型，研究2 種壁障的力學(xué)響應(yīng)，經(jīng)過比較可得：

1）根據(jù)MPDB 蜂窩鋁布置特點(diǎn)，其整體呈現(xiàn)為逐漸變強(qiáng)的剛度特性，與現(xiàn)代車輛設(shè)計(jì)理念相同。

2）在靜態(tài)壓潰中，ODB 蜂窩鋁主體先變形，隨著壓潰距離的增加，前端保險(xiǎn)杠原件開始進(jìn)入變形，而MPDB 為順序變形，在靜態(tài)壓潰中，MPDB 的剛度要大于ODB。

3）在動(dòng)態(tài)壓潰中，ODB 整體剛度表現(xiàn)較為均勻，而MPDB 前端蜂窩鋁剛度與ODB 表現(xiàn)相同，但進(jìn)入到中間部分后，剛度明顯比ODB 大，標(biāo)定小車在不同位置撞擊均擊穿ODB 壁障撞至剛性部分，卻未擊穿MPDB。