基于MPDB 工況的碰撞相容性研究

楊帥，程豹，候延軍

（中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

前言

近年來(lái)，從各國(guó)的法規(guī)和NCAP 碰撞測(cè)試結(jié)果可知，車輛碰撞安全性能有了大幅的提升。道路交通傷亡人數(shù)逐步降低，據(jù)2018 年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒公布數(shù)據(jù)顯示，2017 年道路交通傷亡人數(shù)為63772 人，同比減小579 人，下降0.9%[1]。美國(guó)公路保險(xiǎn)協(xié)會(huì)發(fā)布的交通事故報(bào)告中指出[2]，多車事故是造成乘員傷亡的主要事故形態(tài)，其中小型車的傷亡遠(yuǎn)大于大型車傷亡。因此，車輛在碰撞相容性方面依然有較大的提升空間。

對(duì)于碰撞相容性問(wèn)題，各國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)和學(xué)者早有研究，美國(guó)NHTSA最早于1996 年開始研究相容性問(wèn)題[3]，Masashi，M等利用測(cè)力墻碰撞實(shí)驗(yàn)方法獲得數(shù)據(jù)來(lái)探究相容性評(píng)價(jià)方法，并利用應(yīng)力分布和平均作用力高度來(lái)衡量前艙結(jié)構(gòu)的均勻性[4]。Stephen，S 等對(duì)碰撞相容性的測(cè)試方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探究[5]。在國(guó)內(nèi)，朱西產(chǎn)[6]于2002 年首先提出了碰撞相容性的概念。同濟(jì)大學(xué)雷雨成[7]通過(guò)事故分析提出了影響碰撞相容性的主要因素。廣汽本田汽車周永強(qiáng)[8]提出了符合正面碰撞相容性的車身結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行實(shí)車碰撞驗(yàn)證了其有效性。

2020 年Euro NCAP 將MPDB 納入測(cè)試評(píng)價(jià)規(guī)程，增加壁障相容性考核指標(biāo)，修正碰撞得分。最新公布的C-NCAP乘員保護(hù)路線圖草案表明[9]，2021 年正面碰撞測(cè)試中將取消ODB 實(shí)驗(yàn)形式，增加MPDB 工況或者PDB 工況。本文將以MPDB 工況為基礎(chǔ)，研究影響車輛碰撞相容性的主要因素和相關(guān)規(guī)律，提出改進(jìn)策略，并針相關(guān)車型，提出具體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向。

1 相容性簡(jiǎn)介

碰撞相容性主要包括兩個(gè)方面[10]：車輛自我保護(hù)性和低攻擊性。自我保護(hù)性，既在車輛與車輛碰撞、車輛與其他物體碰撞時(shí)，車輛保護(hù)自身乘員不受傷害的能力；低攻擊性，又稱對(duì)他車輛的保護(hù)性，既在“車-車”碰撞中，減小對(duì)方車輛乘員受傷害的能力。車輛碰撞相容性的概念是基于“車-車”碰撞提出的，旨在找到車輛自我保護(hù)和低攻擊性的最佳狀態(tài)。在實(shí)際碰撞中，既能最大實(shí)現(xiàn)自我乘員保護(hù)，又能降低對(duì)對(duì)方車輛的攻擊，進(jìn)而達(dá)到交通事故整體安全性能的提升，降低人員傷亡，實(shí)現(xiàn)安全最大化。

平衡車輛自我保護(hù)和低攻擊性是改善相容性的主要矛盾點(diǎn)。如果只是研究個(gè)別情況的下的相容性，可以直接對(duì)兩車進(jìn)行碰撞測(cè)試，進(jìn)而評(píng)估車輛人員損傷情況。然而真實(shí)的交通事故中，會(huì)存在的無(wú)限的碰撞組合形式，不可能對(duì)所有的組合形式進(jìn)行測(cè)試。MPDB 工況采用車輛撞擊壁障的實(shí)驗(yàn)方法，可對(duì)不同車輛重復(fù)測(cè)試，利于車輛安全性能開發(fā)。

2 MPDB 工況介紹及力學(xué)分析

2.1 MPDB 工況介紹

MPDB 測(cè)試形式如圖1 所示，壁障臺(tái)車總質(zhì)量為1400kg，乘用車與壁障臺(tái)車以50km/h 速度相向行駛，并以50%重疊率撞擊。MPDB 測(cè)試中除了用假人傷害，車身變形量來(lái)評(píng)價(jià)車輛的自我保護(hù)性能外，增加了碰撞相容性評(píng)價(jià)指標(biāo)，用蜂窩鋁及臺(tái)車評(píng)價(jià)車輛的攻擊性[11]。碰撞相容性指標(biāo)主要包括壁障入侵均勻性、壁障擊穿、壁障虛擬乘員負(fù)載指數(shù)（OLC）。

圖1 MPDB 測(cè)試形式

壁障變形均勻性是以壁障評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)侵入深度的標(biāo)準(zhǔn)差為評(píng)判依據(jù)，評(píng)價(jià)區(qū)域設(shè)定如圖2 所示。標(biāo)準(zhǔn)差是基于50mm到150mm 的線性尺度，50mm 為性能下限，150mm 為性能上限。

圖2 壁障評(píng)價(jià)區(qū)域

壁障擊穿是指碰撞后壁障表面在高度和寬度大于40mm*40mm 的區(qū)域中，達(dá)到630mm 以上的入侵深度。

壁障虛擬乘員負(fù)載指數(shù)OLC 是指在碰撞過(guò)程中，假定臺(tái)車虛擬假人經(jīng)歷勻速運(yùn)動(dòng)（0-t1）和勻減速運(yùn)動(dòng)（t1-t2）兩個(gè)階段，勻減速運(yùn)動(dòng)的恒定加速度值，即為OLC 值。OLC 值的評(píng)估范圍在25g 到40g 之間，計(jì)算公式如下所示：

其中v0為臺(tái)車初始速度，t1為壁障虛擬假人前向自由位移0.065m 時(shí)刻，t2為壁障虛擬假人受到約束后再向前移動(dòng)0.235m 時(shí)刻。

2.2 MPDB 有限元壁障

MPDB 壁障是由臺(tái)車和主體蜂窩結(jié)構(gòu)兩部分組成，蜂窩鋁為主體吸能結(jié)構(gòu)，搭載在壁障臺(tái)車上。主體蜂窩鋁共包含前、中、后三部分，縱向長(zhǎng)度分別為250mm、450mm、90mm，如圖3 所示，蜂窩鋁Z 向高度為570mm，Y 向?qū)挾葹?000mm，隨著壓潰深度增加，壓潰力逐步增大。

圖3 MPDB 壁障結(jié)構(gòu)

圖4 MPDB 有限元壁障動(dòng)態(tài)標(biāo)定

本文中用于研究的MPDB 壁障有限元模型是自主設(shè)計(jì)研發(fā)的，其開發(fā)使用的規(guī)范是2017年10月發(fā)布的Euro NCAP Mobile Progressive Deformable Barrier Face Specification。經(jīng)仿真標(biāo)定測(cè)試，如圖4 所示，滿足動(dòng)態(tài)標(biāo)定要求，標(biāo)定結(jié)果曲線在通道范圍內(nèi)，滿足有限元分析要求，如圖5 所示。

圖5 MPDB 有限元壁障動(dòng)態(tài)標(biāo)定結(jié)果

2.3 等效力學(xué)分析

碰撞過(guò)程中，車體沖擊變形主要集中在碰撞區(qū)域，其他部位基本完好。整個(gè)碰撞過(guò)程時(shí)間短，加速度大。從宏觀上講，碰撞過(guò)程中可近似的將碰撞車輛當(dāng)作剛體來(lái)處理，碰撞前后兩個(gè)階段可近似為剛體平面運(yùn)動(dòng)。

圖6 壁障-車碰撞示意圖

MPDB 中壁障和車發(fā)生正面碰撞時(shí)，對(duì)撞產(chǎn)生的碰撞內(nèi)力遠(yuǎn)大于地面摩擦等外力的作用，因此該過(guò)程遵循動(dòng)量守恒定理。車體視為有質(zhì)量的剛體，不考慮碰撞變形，碰撞前后質(zhì)量分布和幾何參數(shù)不變。如圖6 所示，假設(shè)壁障質(zhì)量為m1，乘用車質(zhì)量為m2，碰撞前瞬時(shí)速度分別為v10、v20，碰撞后兩車瞬時(shí)速度為v1、v2。根據(jù)動(dòng)量守恒定律有：

其中v10、 v20速度為矢量，數(shù)值均為50km/h，方向相反。

碰撞分為三種形式，即彈性碰撞、非彈性碰撞和塑性碰撞。兩物體以一定的速度發(fā)生碰撞時(shí)，碰撞形式可以用恢復(fù)系數(shù)ε 來(lái)表示[12]：

彈性碰撞時(shí)，碰撞前后動(dòng)能不變，ε=1；塑性碰撞時(shí)，碰撞后兩物體以相同速度運(yùn)動(dòng)，ε=0；非彈性碰撞時(shí)，0＜ε＜1。

（1）能量分析

MPDB 為非彈性碰撞，碰撞前系統(tǒng)總能量（總動(dòng)能）：

碰撞后，系統(tǒng)剩余動(dòng)能為：

碰撞中能量損失，即結(jié)構(gòu)變形吸收能量為：

由此可知，MPDB 碰撞中，碰撞產(chǎn)生的變形能與兩車質(zhì)量比、相對(duì)碰撞速度和恢復(fù)系數(shù)相關(guān)。MPDB 測(cè)試中，碰撞前相對(duì)速度為100km/h，而碰撞后速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于碰撞前。因此，碰撞變形能量的大小，很大程度上取決于兩車質(zhì)量比。

（2）變形分析

MPDB 碰撞中，假設(shè)K1、K2分別為壁障前端和乘用車前端等效剛度，S1、S2為兩車變形量。兩車由于塑性變形而產(chǎn)生的能量分別為：

MPDB 碰撞中，對(duì)撞產(chǎn)生的能量需要通過(guò)壁障前端蜂窩結(jié)構(gòu)和乘用車前艙結(jié)構(gòu)充分變形吸收。因此有：

壁障、乘用車吸收能量與各自的剛度和變形量有關(guān)。受乘員生存空間要求和車型長(zhǎng)度限制，乘用車變形量不可能無(wú)限加大；相容性指標(biāo)要求壁障最大入侵量不能超過(guò)630mm。因此，需要綜合匹配壁障、乘用車前端剛度，在保證乘員生存空間和壁障侵入達(dá)標(biāo)的情況下，完成總體能量吸收。

（3）加速度分析

MPDB 碰撞中，依據(jù)作用力和反作用力定律，作用在碰撞面上的力大小相等。假設(shè)壁障、乘用車前艙作用力為F1、F2，撞擊產(chǎn)生的加速度分別為a1、a2，則有：

通過(guò)MPDB 碰撞力學(xué)模型分析，可以得到：

1）MPDB 工況中，測(cè)試車輛的質(zhì)量越大，碰撞產(chǎn)生的變形能量越大。

2）MPDB 工況中，壁障與車前端剛度大小，影響能量的吸收和分配，進(jìn)而影響壁障入侵與乘員艙空間。

3）MPDB 工況中，乘用車前艙剛度，決定了壁障的加速度水平。前艙剛度越大，壁障加速度越高；剛度分布越均勻，壁障加速度越平緩；

4）MPDB 工況中，加速度比值與兩車質(zhì)量成反比。乘用車與壁障質(zhì)量比越大，壁障加速度越大；反之，壁障加速度越小，乘用車加速度越大。

3 MPDB 測(cè)試仿真驗(yàn)證分析

3.1 MPDB 仿真模型建立

以整車整備質(zhì)量為主要因素，選取不同車型建立有限元碰撞模型，如圖7 所示，車型具體信息如表1 所示。以前圍入侵、整車加速度峰值作為車輛自我保護(hù)性指標(biāo)，以壁障最大入侵、入侵方差、OLC 作為車輛攻擊性指標(biāo)，計(jì)算完成后，將結(jié)果統(tǒng)計(jì)匯總，如表2 所示。

乘用車質(zhì)量小于壁障質(zhì)量時(shí)，乘用車加速度大于壁障加速度；乘用車整備質(zhì)量大于壁障質(zhì)量時(shí)，乘用車加速度減??；整車與壁障質(zhì)量比值越大，壁障加速度越大。因此，MPDB碰撞中，重型車輛對(duì)于自身乘員保護(hù)性較好，乘員損傷概率較低；輕型測(cè)試車輛乘員損傷概率大于重型測(cè)試車輛乘員損傷。車型1 到車型4，前艙剛度依次增大，OLC 值也不斷升高，車輛前艙剛度決定壁障加速度水平。

表1 車型信息

圖7 MPDB 有限元模型示意圖

表2 MPDB 仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)

壁障變形和乘員艙侵入方面，四種車型呈現(xiàn)了不同的狀態(tài)。車型1 和2，乘員艙遭到大幅入侵，與FRB（正面100%剛性壁碰撞）相比，前圍入侵增加。而MPDB 壁障整體侵入相對(duì)較小，均勻性較好；車型3，乘員艙保持完整，壁障最大入侵達(dá)780mm，壁障擊穿；車型4 中，乘員艙侵入稍有增加，壁障入侵偏大，均勻性較差。4 種車型乘員空間與壁障侵入均未達(dá)到理想的均衡狀態(tài)。

圖8 MPDB 工況能量分布

圖9 車型3 縱梁變形及壁障入侵云圖

依據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，對(duì)乘用車前艙結(jié)構(gòu)、壁障前端結(jié)構(gòu)吸能量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖8 所示。車型1、2 中壁障吸能少于車身吸能，乘員艙入侵增大；車型3 碰撞中整車吸能較少，更多的能量由壁障吸收，壁障擊穿。由縱梁變形和壁障入侵分布分析可知，如圖9 所示，防撞梁向機(jī)艙內(nèi)部V 字形折彎，縱梁未能正常潰縮，縱梁剛度較大，碰撞后期車身吸能停止，多余能量由壁障承擔(dān)，造成壁障在前縱梁前端區(qū)域擊穿，入侵均勻性較差。車型4 乘用車前端剛度較大，擠壓壁障變形吸能，壁障整體入侵偏大。

由以上分析可知，能量分配不均是造成MPDB 碰撞中侵入指標(biāo)不均衡的主要原因。能量分配不均的原因可總結(jié)如下：

（1）前艙剛度。MPDB 碰撞中，依照相關(guān)要求，壁障有其特有的力學(xué)性能。當(dāng)整車前艙剛度大于壁障剛度時(shí)，碰撞中壁障被強(qiáng)制擠壓變形，壁障吸收更多能量，入侵增大。前艙剛度低于壁障剛度時(shí)，壁障擠壓車身變形，車身吸能增加，入侵增大。

（2）結(jié)構(gòu)耦合作用。與整車對(duì)撞時(shí)，由于乘用車前端幾何結(jié)構(gòu)差異，通常壁障主要變形區(qū)域集中在右側(cè)，

并非整個(gè)表面變形吸能，如圖10 所示。導(dǎo)致碰撞力不能有效分散，壁障、車身吸能均達(dá)不到預(yù)期。

圖10 壁障變形位置示意

（3）前端剛度分布。吸能盒、前縱梁作為主要的吸能部件，集中了前艙大部分的作用力，MPDB 碰撞時(shí)，易造成壁障局部入侵過(guò)大，入侵均勻性差。

3.2 改善相容性策略研究

乘用車整備質(zhì)量、前艙剛度、前端剛度分布、結(jié)構(gòu)耦合是影響車輛相容性的主要因素。通常整備質(zhì)量很難作為一種設(shè)計(jì)變量來(lái)變更。因此，為提升車輛相容性，可以從剛度分布和結(jié)構(gòu)形式上調(diào)整，促使載荷分散和實(shí)現(xiàn)高效的能量吸收。

（1）設(shè)定乘用車前艙剛度上限。前艙剛度決定了壁障加速度的水平?？刂魄芭搫偠?，既能控制OLC 值，同時(shí)也可以保證整備質(zhì)量較大時(shí)，前艙依然具備一定的變形吸能能力，降低壁障擊穿風(fēng)險(xiǎn)。

（2）設(shè)定乘用車乘員艙剛度下限。設(shè)定乘員艙剛度下限，可以保證乘用車整備質(zhì)量較小時(shí)，依然可以保證乘員生存空間，促使壁障更多變形吸能。

（3）增大結(jié)構(gòu)耦合作用區(qū)域。增大乘用車前端結(jié)構(gòu)的Z向高度和Y 向長(zhǎng)度，增加傳力路徑，增加與壁障的接觸面積，提升壁障吸能能力，同時(shí)增大壁障壓潰力，促使車身變形吸能。

（4）乘用車前端結(jié)構(gòu)均勻化設(shè)計(jì)。保證前端結(jié)構(gòu)剛度的一致性，提升壁障入侵的均勻性。

4 改善相容性可行性措施

相容性與整備質(zhì)量，幾何結(jié)構(gòu)，前端剛度均有一定的關(guān)聯(lián)。實(shí)際設(shè)計(jì)中，各要素之間均有一定程度的依賴性，目前并沒有一個(gè)簡(jiǎn)單的準(zhǔn)則可供遵照實(shí)施?？尚械姆椒ㄊ峭ㄟ^(guò)仿真、測(cè)試以及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。

4.1 前端結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為了增加結(jié)構(gòu)耦合作用，提高乘用車前端結(jié)構(gòu)均勻性，實(shí)現(xiàn)載荷分散和高效的能量吸收。理想的狀態(tài)是將前艙設(shè)計(jì)成為剛度適中且分布均勻的平面結(jié)構(gòu)。因此本文提出四種更改方案：

（1）副車架采用封閉式結(jié)構(gòu)。如圖11 所示，增加車身傳力路徑和平衡前端剛度分配。

（2）增加防撞梁Z 向高度和Y 向長(zhǎng)度。增大防撞梁強(qiáng)度，同時(shí)增大與壁障的接觸面積。

（3）提升水箱框架強(qiáng)度。提高碰撞均勻性。

（4）副車架前端增加輔助吸能裝置。

圖11 封閉副車架結(jié)構(gòu)

4.2 限定前艙與乘員艙作用力

為保證乘用車碰撞相容性，車身剛度分布可設(shè)計(jì)為兩個(gè)區(qū)域，如圖12 所示，I 為壁障保護(hù)區(qū)，II 區(qū)為乘員保護(hù)區(qū)。壁障保護(hù)區(qū)內(nèi)，限定最大壓潰力，避免乘用車前艙剛度過(guò)大，縱梁變形減小，壁障吸能變大，造成局部擊穿；自我保護(hù)區(qū)內(nèi)，限定最小壓潰力，可用于支撐I 區(qū)潰縮變形，保證乘員生存空間。但I(xiàn)I 區(qū)剛度并非越大越好，需結(jié)合正面剛性碰撞中乘員加速度情況綜合考慮。

圖12 剛度分布區(qū)域

4.3 改進(jìn)模型效果驗(yàn)證

以車型4 為基礎(chǔ)模型，依據(jù)上述結(jié)構(gòu)方案，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，計(jì)算結(jié)果匯總，如表3 所示。模型改進(jìn)后，整車加速度變化不大，如圖13 所示；壁障入侵如圖14，均勻性明顯提升；車與壁障接觸面增大，壁障壓潰力增大，促使汽車前艙結(jié)構(gòu)更多的變形吸能，前艙吸能提升，如圖15 所示。壁障入侵減小，降低擊穿風(fēng)險(xiǎn)。碰撞過(guò)程更加平緩，OLC 值降低。車輛相容性得到提升。

表3 方案改進(jìn)測(cè)試結(jié)果

圖13 加速度曲線對(duì)比

圖14 壁障入侵云圖

圖15 優(yōu)化前后吸能對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

多車碰撞逐步成為主要交通事故形態(tài)，提升碰撞相容性是減輕事故損傷的有效方式。本文以MPDB 測(cè)試工況為基礎(chǔ)，建立等效力學(xué)模型，系統(tǒng)分析了整備質(zhì)量、前艙剛度、能量分布等因素對(duì)于相容性指標(biāo)的影響規(guī)律。得出前艙剛度決定壁障加速度水平；加速度與質(zhì)量比成反比等結(jié)論。

建立四種車型的MPDB 測(cè)試有限元模型，驗(yàn)證了三種因素對(duì)于相容性的影響。并依據(jù)變形情況，分析出能量分配不均勻是造成乘員艙入侵和壁障擊穿的主要原因。進(jìn)而提出了設(shè)定前艙最大剛度，設(shè)定乘員艙最小剛度，增大乘用車與壁障接觸面積，乘用車前端結(jié)構(gòu)均勻化設(shè)計(jì)等提升相容性的策略。

針對(duì)某車型結(jié)構(gòu)，提出了幾種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，并對(duì)改進(jìn)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)比分析，驗(yàn)證了方案的有效性。