2020版E-NCAP MPDB碰撞研究

顏海棋，鐘利偉，喻俊成，姜偉

2020版E-NCAP MPDB碰撞研究

顏海棋，鐘利偉，喻俊成，姜偉

（江蘇敏安電動(dòng)汽車有限公司南京分公司安全開發(fā)部，江蘇 南京 211102）

2020版E-NCAP將采用MPDB碰撞替代現(xiàn)行的ODB碰撞工況。為研究新工況下的車輛碰撞安全性，采用仿真分析手段，以不同重量的車型為研究對(duì)象，開展包括OLC、SD以及擊穿罰分的分析，尋求相應(yīng)的設(shè)計(jì)策略。研究表明：新工況對(duì)小質(zhì)量車型及大質(zhì)量車型的影響較大。針對(duì)分析結(jié)果，總結(jié)出相應(yīng)的設(shè)計(jì)建議，為新車型的MPDB碰撞安全性能設(shè)計(jì)提供參考。

MPDB；碰撞；車對(duì)車；安全性能

前言

隨著安全事故研究的深入，不斷總結(jié)出更加貼近汽車安全事故真實(shí)形態(tài)的碰撞形式，比如車輛的40%重疊偏置可變形壁障碰撞（也稱為ODB碰撞）從最初的56km/h提升到64km/h，再到現(xiàn)在歐洲新車評(píng)估組織即E-NCAP提出的MPDB（Mobile Progressive Deformable Barrier）碰撞，從原來(lái)的車與固定壁障的碰撞升級(jí)為車與帶壁障的移動(dòng)小車之間的相互碰撞，更加真實(shí)地模擬車輛前部碰撞安全事故，即車對(duì)車碰撞，而不是車與固定物碰撞。此外，E-NCAP將于2020年1月開始實(shí)施MPDB碰撞。

以前主要針對(duì)車輛前部碰撞評(píng)估主要考慮車內(nèi)乘員的傷害情況，即對(duì)車給予自車造成什么傷害，而未考慮自車給對(duì)車會(huì)造成什么影響，比如自車相對(duì)于對(duì)車來(lái)說(shuō)是否更加具有攻擊性（或叫侵略性）。而在實(shí)際過(guò)程中，當(dāng)大SUV車或質(zhì)量較大車型等與中等質(zhì)量車型發(fā)生碰撞時(shí)，質(zhì)量相對(duì)較輕的車型是弱勢(shì)群體，比如結(jié)構(gòu)侵入較大等。

此外，ADAC事故研究數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)車輛的支撐結(jié)構(gòu)不能起到作用時(shí)可能導(dǎo)致較為嚴(yán)重的傷害事故。同時(shí)，為了確保優(yōu)化碰撞保護(hù)，有必要要求車輛支撐結(jié)構(gòu)在碰撞中被撞擊，并且壓潰區(qū)吸收主要碰撞能量從而使得乘員艙結(jié)構(gòu)穩(wěn)固和完整。當(dāng)然，也有縱梁未被撞擊或者前橫梁連接失效的情況，這兩種情況容易導(dǎo)致壓潰區(qū)不能被充分用來(lái)吸能并且也會(huì)導(dǎo)致乘員艙變形，進(jìn)而減少乘員生存空間，導(dǎo)致更加嚴(yán)重的乘員傷害。

本文結(jié)合MPDB壁障CAE分析模型開展結(jié)構(gòu)影響分析研究，并結(jié)合部分車型實(shí)際情況進(jìn)行驗(yàn)證，得出相應(yīng)的設(shè)計(jì)建議，便于各大主機(jī)廠設(shè)計(jì)人員在開發(fā)設(shè)計(jì)中兼顧MPDB碰撞安全的性能設(shè)計(jì)。

1 MPDB碰撞試驗(yàn)工況

1.1 試驗(yàn)方法

車輛與MPDB壁障小車互相以50km/h的速度進(jìn)行碰撞，重疊量為50%，壁障小車質(zhì)量為1400kg，壁障離地高度為150mm，在試驗(yàn)車輛的駕駛員位置放置50百分位的THOR假人，乘員位置放置50百分位的Hybrid Ⅲ假人，后排分別放置Q6和Q10兒童假人，碰撞形式如圖1所示。

圖1 碰撞形式

壁障結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由吸能塊和連接板組成。不同的吸能塊其強(qiáng)度不一致，具體強(qiáng)度分布為吸能塊C＜吸能塊B＜吸能塊A。

圖2 壁障結(jié)構(gòu)組成

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.2.1 傷害值評(píng)價(jià)

主要包括試驗(yàn)車輛內(nèi)部的4個(gè)假人傷害值評(píng)價(jià)，涉及駕駛員、乘員、后排兒童。其中駕駛員傷害指標(biāo)包括頭、頸、胸、腹、骨盆、大腿、膝蓋、小腿和腳，乘員傷害指標(biāo)包括頭、頸、胸、大腿、膝蓋、小腿和腳部。

1.2.2 兼容性評(píng)價(jià)

從2022年1月1日開始，兼容性評(píng)價(jià)會(huì)有最大8分的罰分應(yīng)用于總的試驗(yàn)得分。2020年和2021年，兼容性評(píng)價(jià)的最大罰分為4分。兼容性評(píng)價(jià)基于三個(gè)參數(shù)：試驗(yàn)后壁障變形情況、乘員載荷標(biāo)準(zhǔn)OLC和壁障表面擊穿情況。

壁障變形評(píng)估采用試驗(yàn)后壁障變形測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)方差SD的方式，SD值高性能指標(biāo)為50mm，低性能指標(biāo)為150mm。

乘員載荷標(biāo)準(zhǔn)OLC經(jīng)由MPDB壁障小車上所測(cè)加速度轉(zhuǎn)化而來(lái)，濾波后的加速度按照下面的方程被積分用于獲得壁障的運(yùn)動(dòng)過(guò)程：

式中：0為壁障在0時(shí)刻的初始速度，A為MPDB壁障小車加速度。

OLC通過(guò)以下方程計(jì)算求得：

式中：1為真實(shí)假人自由飛行階段向前移動(dòng)65mm的時(shí)間，2為真實(shí)假人約束階段向前移動(dòng)235mm時(shí)的時(shí)間（在自由飛行階段之后），即300mm為真實(shí)假人的運(yùn)動(dòng)距離，用圖像表征如圖3所示。

圖3 OLC計(jì)算圖像

乘員載荷標(biāo)準(zhǔn)OLC的高性能指標(biāo)為25g，低性能指標(biāo)為40g，其中g(shù)為一個(gè)重力加速度。

壁障表面擊穿情況的判斷標(biāo)準(zhǔn)如下：在評(píng)估區(qū)域內(nèi)（如圖4所示），當(dāng)壁障表面侵入量達(dá)到630mm，而且這個(gè)區(qū)域的面積大于40X40mm。當(dāng)擊穿發(fā)生，將會(huì)有2分的罰分施加給壁障變形和OLC罰分。

圖4 評(píng)估區(qū)域

兼容性評(píng)價(jià)中的得分評(píng)價(jià)參考如圖5所示，包括OLC以及SD和擊穿。

圖5 兼容性評(píng)價(jià)的得分評(píng)價(jià)參考

2 MPDB與其他碰撞工況差異

2.1 車體響應(yīng)

2.1.1 碰撞波形

結(jié)合大中小（大車：SUV，約1800kg；中等質(zhì)量車：轎車，約1400kg，小車：轎車，約1100kg）三個(gè)車型展示碰撞波形的變化，具體情況如下，分別包括50km/h剛性壁障碰撞（簡(jiǎn)稱FRB）、40%重疊的64km/h可變性壁障碰撞（簡(jiǎn)稱ODB）以及MPDB碰撞。

圖6 小車車體碰撞波形

圖7 中等質(zhì)量車的車體碰撞波形

圖8 大車的車體碰撞波形

從圖6、7、8可以觀察出MPDB碰撞中車體自身碰撞波形與FRB較為接近，但總體會(huì)存在差異，包括加速度峰值大小、出現(xiàn)時(shí)刻、脈寬等。其與ODB碰撞形式差異巨大，所以在車型設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注約束系統(tǒng)匹配及氣囊控制器標(biāo)定中新增MPDB工況的標(biāo)定。

2.1.2 變形侵入

在上述大中小車型的三種碰撞工況下，最大變形侵入情況也出現(xiàn)較大差異，詳見表1所示。

表1 前圍變形差異

可見，MPDB碰撞中，小車中容易導(dǎo)致最大變形侵入增加，中等車型中基本持平，大車中反而減少。這種差異表現(xiàn)要求小車在縱梁根部以及前圍支撐設(shè)計(jì)中進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。按照此種設(shè)計(jì)理念，可以增加小車在MPDB碰撞中的碰撞得分，符合推出兼容性評(píng)價(jià)的目的，以達(dá)到改善車輛的碰撞兼容性。

2.2 假人響應(yīng)

在25次ESV會(huì)議收錄的研究論文中，Chang Min, Lee等人開展了試驗(yàn)研究，假人頭頸胸以及大腿、小腿等都不同程度地出現(xiàn)較ODB碰撞更高的傷害。

結(jié)合圖6、7、8的車體碰撞波形結(jié)果，可以觀測(cè)出MPDB碰撞試驗(yàn)波形與FRB、ODB不同，且車型未標(biāo)定過(guò)MPDB氣囊點(diǎn)爆工況，從而導(dǎo)致不能在合理的點(diǎn)火時(shí)刻點(diǎn)爆預(yù)緊安全帶和氣囊；此外，由于MPDB碰撞試驗(yàn)波形與FRB、ODB的差異，尤其是與ODB碰撞工況的差異，需要重新開展約束系統(tǒng)匹配，諸如點(diǎn)火時(shí)刻、安全帶限力等級(jí)、氣袋剛度或袋形等。

3 車型MPDB碰撞分析

3.1 兼容性評(píng)價(jià)罰分情況

結(jié)合大中?。ù筌?：SUV，約1800kg；大車2：轎車，約1700kg；大車3：轎車，約1700kg；中等質(zhì)量車：轎車，約1400kg，小車：轎車，約1100kg）三個(gè)車型開展MPDB碰撞分析，總體罰分情況統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 罰分情況

表2中的大車1由于縱梁和全框式副車架強(qiáng)度匹配合理，使得SD罰分較少，但由于總體強(qiáng)度仍處于較高水平，使得壁障有擊穿現(xiàn)象，帶動(dòng)最終罰分值變大并超過(guò)3分；大車2由于縱梁和全框式副車架強(qiáng)度匹配不合理，導(dǎo)致SD值罰分大，配合OLC的高罰分以及擊穿壁障的情形發(fā)生，最終罰分值達(dá)到6.13分；中車和小車由于OLC值較小，且未有擊穿現(xiàn)象，從而無(wú)論SD值較大與否，總體罰分都不高?？梢奜LC對(duì)罰分的影響很大。

3.2 OLC影響分析

從OLC對(duì)總體罰分影響大的角度出發(fā)，考慮有無(wú)明顯降低OLC值的方法，開展相應(yīng)的數(shù)值仿真分析。

3.2.1 質(zhì)量對(duì)等MPDB碰撞

如圖9，用MPDB壁障模擬質(zhì)量對(duì)等車型相互碰撞，查看車輛與壁障之間加速度情況，最終兩車加速度一致，OLC值為27.6g，罰分0.35分。

圖9 質(zhì)量對(duì)等MPDB碰撞

3.2.2 1100kg與MPDB碰撞

調(diào)整MPDB壁障和移動(dòng)小車質(zhì)量到1100kg，模擬輕車與MPDB移動(dòng)小車相互碰撞，查看車輛與壁障之間加速度情況，在模擬輕車和MPDB壁障吸能結(jié)構(gòu)一致的情況下，兩者加速度互為重量線性關(guān)系，即輕車加速度為MPDB壁障加速度乘以1400/1100的關(guān)系，如下圖所示。另外，OLC為24.2g。

圖10 模擬輕車MPDB碰撞加速度曲線

3.2.3 1700kg與MPDB碰撞

調(diào)整MPDB壁障和移動(dòng)小車質(zhì)量到1700kg，模擬重車與MPDB移動(dòng)小車相互碰撞，查看車輛與壁障之間加速度情況，在模擬重車和MPDB壁障吸能結(jié)構(gòu)一致的情況下，兩者加速度互為重量線性關(guān)系，即重車加速度為MPDB壁障加速度乘以1400/1700的關(guān)系。OLC為30.1g。

此外，結(jié)合3.2.1和3.2.2，車輛和壁障的加速度曲線如圖11所示。

圖11 車輛和壁障加速度曲線

3.2.4 調(diào)整車輛前端吸能強(qiáng)度

針對(duì)模擬輕車（1100kg）、模擬等質(zhì)量車（1400kg）、模擬重車（1700kg），調(diào)整模擬車輛的前端吸能強(qiáng)度，通過(guò)加強(qiáng)或減弱（調(diào)整模擬車輛中的壁障B和C吸能塊強(qiáng)度），觀察OLC值變化情況。通過(guò)調(diào)整吸能塊的材料屬性來(lái)調(diào)整吸能強(qiáng)度，并經(jīng)過(guò)吸能塊的靜態(tài)壓潰試驗(yàn)?zāi)M，即在靜態(tài)壓潰中強(qiáng)度分別提高約1700/1400倍，或者降低約1400/1100倍。根據(jù)以上模擬，分析結(jié)果總結(jié)如下表所示。

表3 OLC結(jié)果

如表3所示，簡(jiǎn)單的通過(guò)改變吸能強(qiáng)度很難有效降低OLC值，從而對(duì)最終降低OLC罰分影響甚小。同時(shí)，增強(qiáng)車輛前部的吸能強(qiáng)度會(huì)增加OLC值，所以在車型設(shè)計(jì)過(guò)程如果為了適當(dāng)降低OLC值提高車輛的兼容性，針對(duì)重車或等質(zhì)量車尤其是重車需要適當(dāng)降低車輛前部的吸能強(qiáng)度。以下僅列舉模擬輕車的MPDB壁障加速度情況，如圖12所示。

3.2.5 調(diào)整車輛前端吸能長(zhǎng)度和強(qiáng)度

由于本身小車的OLC值較小，在此分析中僅開展等質(zhì)量（1400kg）和重車（1700kg）的情況，具體方式依舊采用模擬車的方式，把前部吸能塊中的B塊加長(zhǎng)200mm，同時(shí)把B塊的強(qiáng)度降低到0.7倍的強(qiáng)度，吸能塊總體吸能能力基本對(duì)等，以此來(lái)嘗試對(duì)OLC值的影響程度，詳見表4。

表4 OLC結(jié)果

可見，前懸長(zhǎng)的車輛如果在吸能強(qiáng)度匹配合理的情況下，容易收獲比較低的OLC值。

3.3 SD影響分析

根據(jù)Heiko Johannsen 和 Robert Thomson在2016年IRCOBI會(huì)議論文中的描述，通過(guò)對(duì)本田、雷諾、大眾的評(píng)估試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，車輛自身保護(hù)效果差的情況下SD值好，自身保護(hù)效果好的情況下SD值差。

3.3.1 模擬車分析

基于以上描述，開展SD值的影響分析，重點(diǎn)針對(duì)模擬重車和模擬等質(zhì)量車。對(duì)于模擬重車，分別采用調(diào)整車輛前下部吸能結(jié)構(gòu)（類似非全框式副車架的情況，模擬車的前部吸能塊中的C塊下部挖掉220mm）或調(diào)整離地高度（增加兩車的錯(cuò)位程度，離地高度增加50mm），又或是3.2.5中提到的減弱方式。

對(duì)于模擬等質(zhì)量車，由于實(shí)際車型中離地高度相差不大，所以僅考慮調(diào)整車輛前下部吸能結(jié)構(gòu)和3.2.5中提到的減弱方式兩種情形。

分析結(jié)果詳見表5。

表5 SD結(jié)果

從表5得出如下結(jié)論，對(duì)于等質(zhì)量車型，由于縱梁離地高度不會(huì)有太多差異，在前部吸能強(qiáng)度與壁障相差不大的情況下，從而在挖塊（類似無(wú)全框式副車架的效果）時(shí)對(duì)實(shí)際結(jié)果影響較?。蝗绻軓?qiáng)度減弱（采用加長(zhǎng)吸能結(jié)構(gòu)并減弱吸能強(qiáng)度的方式），則對(duì)結(jié)果影響較大，所以前部吸能結(jié)構(gòu)在加長(zhǎng)情況下需要考慮SD值的優(yōu)化。對(duì)于重車車型，在未考慮離地高度增加的情況下的規(guī)律與等質(zhì)量車型類似；當(dāng)考慮離地高度增加（比如大SUV車型）后，SD值升高超過(guò)100mm，并且對(duì)于挖塊（類似無(wú)全框式副車架的效果）時(shí)SD值較基礎(chǔ)亦有增加。

3.3.2 實(shí)際車型分析

與3.3.1區(qū)別的是，在此處開展實(shí)際車型的分析，包括約1400kg中等質(zhì)量的轎車、約1700kg的轎車1、約1700kg 的轎車2、約1800kg的SUV車型，實(shí)際計(jì)算結(jié)果如下表所示。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，車輛帶全框式副車架較非全框式副車架的情況下其SD值可以顯著降低；對(duì)于帶全框式副車架的情況下車型SD值仍偏高的主要原因包括以下幾點(diǎn)：（1）前吸能盒及縱梁強(qiáng)度與副車架強(qiáng)度匹配不合理，可適當(dāng)降低縱梁強(qiáng)度；（2）無(wú)吸能盒結(jié)構(gòu)；（3）右側(cè)縱梁在MPDB碰撞中無(wú)折彎變形，使得總體碰撞強(qiáng)度過(guò)大；（4）縱梁外側(cè)無(wú)前橫梁延伸結(jié)構(gòu)，從而在MPDB碰撞中無(wú)法有效分解碰撞力，使得MPDB壁障被縱梁擠壓后產(chǎn)生斷崖式深入擠壓。

表6 SD結(jié)果

4 設(shè)計(jì)建議

如圖13所示，假設(shè)左框?yàn)閷?duì)方車輛，右側(cè)為自身車輛，兩車相撞時(shí)如果有全框式副車架，那么圖中的方框能夠有比較好的重疊區(qū)域，即碰撞承力結(jié)構(gòu)有重疊，能夠達(dá)到較好的碰撞兼容性目的。如果缺少全框式副車架，則主要碰撞承力結(jié)構(gòu)即為縱梁，如果當(dāng)車輛離地高度較大的情況下，則兩車碰撞承力結(jié)構(gòu)或錯(cuò)位或重疊量比較少，這種情況下車輛的兼容性極差。

圖13 車輛前部碰撞結(jié)構(gòu)示意

在前橫梁設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能向縱梁外側(cè)延伸，如圖14所示為本田civic車型的設(shè)計(jì)。

圖14 本田civic車型橫梁示意

盡可能采用帶吸能盒設(shè)計(jì)，并且在右側(cè)縱梁位置設(shè)計(jì)折彎筋，便于在MPDB碰撞中右側(cè)可以發(fā)生折彎，如圖15所示；為避免吸能盒在折彎過(guò)程中失效，可以考慮采用類似如圖16的吸能盒連接設(shè)置。

圖15 折彎及吸能盒示意

圖16 吸能盒設(shè)計(jì)示意

此外，對(duì)于質(zhì)量相對(duì)較小的車型，在MPDB碰撞中容易導(dǎo)致前圍變形量增加，在車型設(shè)計(jì)中應(yīng)適當(dāng)降低前圍變形量，以避免腳部出現(xiàn)嚴(yán)重傷害的情況。

如果車輛前懸長(zhǎng)度可以適當(dāng)加長(zhǎng)，有利于明顯降低車輛的OLC值，可以作為車型設(shè)計(jì)參考。

5 結(jié)論

為提高車輛的MPDB碰撞性能，車型在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要有針對(duì)MPDB碰撞性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和考慮，諸如小質(zhì)量車型，需要重點(diǎn)考慮提高腳部防護(hù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；大質(zhì)量車型在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮SD值的優(yōu)化，即以SD值的優(yōu)化為主，包括縱梁及副車架強(qiáng)度的匹配、吸能盒以及前橫梁的設(shè)計(jì)等。中等質(zhì)量車型視實(shí)際得分情況再確定是否對(duì)SD開展優(yōu)化。

由于時(shí)間倉(cāng)促，目前還未考慮無(wú)全框式副車架情況下的SD值優(yōu)化，下一步將重點(diǎn)開展這方面的研究。

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Research on 2020 E-NCAP MPDB Test

Yan Haiqi, Zhong Liwei, Yu Juncheng, Jiang Wei

( Automobile Engineering Technology Research Institute, Nanjing Branch Jiangsu MINAN Automotive Co., Ltd, Jiangsu Nanjing 211102 )

E-NCAP proposes to use MPDB test in 2020. In order to study the impact characteristics under the new testing type, taking vehicle of different mass as the research object, and use simulation method for analysis of OLC, SD, bottoming out, etc. The research shows that the influence of small and large-size vehicles is great. Based on the analysis results, sums up some corresponding design suggestions, which can provide references for safety design of MPDB impact.

MPDB; Impact; Car to car; Safety performance

B

1671-7988(2019)21-104-06

U467

B

1671-7988(2019)21-104-06

顏海棋，碩士，高級(jí)工程師，就職于江蘇敏安電動(dòng)汽車有限公司南京分公司，研究方向：被動(dòng)安全性能開發(fā)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.037

CLC NO.:U467