EURO NCAP 最新MPDB試驗(yàn)及THOR假人介紹

王占強(qiáng)

按照Euro NCAP發(fā)展路線圖， 2020年Euro NCAP評(píng)價(jià)規(guī)則較之前將有較大的變化，主要在乘員保護(hù)和主動(dòng)安全方面都有不小的調(diào)整，如豐富了AEB的測(cè)試場(chǎng)景，新增了遠(yuǎn)端乘員保護(hù)測(cè)試和事故救援考核，而最引人注意的變化是將實(shí)施多年的64km/h正面40%偏置碰撞試驗(yàn)改為了移動(dòng)可變形壁障偏置碰撞（簡(jiǎn)稱MPDB）。其采用了最新的THOR假人，并增加了車輛兼容性要求。可以說未來必將成為影響汽車被動(dòng)安全開發(fā)的一項(xiàng)重要設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。接下來我們就對(duì)該項(xiàng)試驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

推出背景

交通事故統(tǒng)計(jì)顯示，正面碰撞（包括兩車迎面相撞、撞到前方障礙物等）是一種最為常見也最容易導(dǎo)致嚴(yán)重傷亡的事故類型，因此各國(guó)NCAP及安全標(biāo)準(zhǔn)體系中都將正面碰撞作為一種必不可少的碰撞試驗(yàn)。Euro NCAP從成立之初就引入了64km/h正面40%碰撞試驗(yàn)（簡(jiǎn)稱ODB），它最能還原實(shí)際兩車迎面相撞的情形，對(duì)車身結(jié)構(gòu)的耐撞性有很高的要求。實(shí)施以來對(duì)提高汽車安全技術(shù)進(jìn)步、降低道路交通傷害發(fā)揮了舉足輕重的作用。

但隨著汽車市場(chǎng)的發(fā)展，這種碰撞試驗(yàn)也逐漸暴露出局限性。例如，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)的是車輛對(duì)內(nèi)部成員的自我保護(hù)。但由于實(shí)際碰撞兩輛車之間結(jié)構(gòu)差異巨大，導(dǎo)致它們碰撞時(shí)，能量不能被有效地吸收，往往會(huì)導(dǎo)致乘員更嚴(yán)重的傷害。ADAC交通事故研究數(shù)據(jù)顯示，輕型的車輛（<950kg）在車對(duì)車碰撞中嚴(yán)重傷害的比率約是重型車輛（>1750kg）的兩倍。因此迫切需要對(duì)車身前端結(jié)構(gòu)的兼容性進(jìn)行考核，移動(dòng)可變形壁障偏置碰撞就是在這一背景下推出的。

所以當(dāng)車輛前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理時(shí)，雖然能滿足現(xiàn)行的NCAP評(píng)估要求，但在實(shí)際車對(duì)車碰撞中，會(huì)產(chǎn)生非常大的局部載荷，給對(duì)方車輛帶來嚴(yán)重的傷害，基于實(shí)際情況考慮，既要保護(hù)自身車輛，也要保護(hù)對(duì)方車輛的安全，因此Euro NCAP引入了能夠全面評(píng)價(jià)車身結(jié)構(gòu)兼容性的MPDB碰撞試驗(yàn)。

MPDB和ODB的主要區(qū)別

作為一個(gè)全新的試驗(yàn)工況，MPDB與之前的ODB相比有4個(gè)方面的差異：1. 壁障不同。ODB采用的是固定可變形蜂窩鋁壁障，而MPDB采用了全新的可移動(dòng)可變形壁障（PDB），壁障車重1400kg;2. 試驗(yàn)速度不同。ODB試驗(yàn)車速度為64km/h，而MPDB的試驗(yàn)車和壁障車速度都以50km/h相向碰撞，兩車以50%的比率重疊。3. 采用假人不同。ODB前排采用的都是Hybrid III型假人，而MPDB駕駛員側(cè)采用了全新的THOR50M假人;4. 評(píng)價(jià)指標(biāo)不同。ODB主要考核車內(nèi)假人各部位受到的傷害情況，MPDB新增加了兼容性評(píng)價(jià)。

從前期的測(cè)試情況來看，針對(duì)試驗(yàn)車輛，其在兩項(xiàng)試驗(yàn)的表現(xiàn)有很大不同，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

車身加速度方面，MPDB碰撞能量巨大，相對(duì)碰撞速度達(dá)到了100km/h，因此MPDB試驗(yàn)車輛加速度明顯大于ODB，峰值高出了約20g，并且加速度整體出現(xiàn)較早（整體相對(duì)于ODB有很大的前移），從加速度整體看，類似于該車輛進(jìn)行50km/h剛性壁障全正碰試驗(yàn)。

車身結(jié)構(gòu)方面，MPDB與ODB試驗(yàn)結(jié)果前端變形很相似，尤其防撞橫梁都有非常大的彎折，但在MPDB試驗(yàn)中吸能盒壓潰變形不理想。

假人傷害方面，由于MPDB碰撞能量巨大，碰撞劇烈，所以假人的響應(yīng)傷害值比ODB高很多。

試驗(yàn)壁障

為了更好地反應(yīng)兩車迎面碰撞時(shí)的安全性，MPDB試驗(yàn)采用了一個(gè)移動(dòng)壁障代替?zhèn)鹘y(tǒng)的固定壁障。移動(dòng)壁障的試驗(yàn)臺(tái)車重量是采用典型的、具有代表性的家用轎車的重量（1400kg），為了更好地再現(xiàn)車輛前段的吸能情況，Euro NCAP精心設(shè)計(jì)并在臺(tái)車前面加裝一個(gè)可變形的蜂窩鋁壁障（PDB）。

PDB壁障采用漸進(jìn)式的結(jié)構(gòu)，壁障離地150mm，壁障縱向分三段，A段和C段有恒定的變形壓潰力，而中間B段變形壓潰力是漸進(jìn)的，即隨著變形增加，壓潰力也增加。A段：568×1000×90mm，壓潰強(qiáng)度1.711Mpa;B段：568×1000×450mm，壓潰強(qiáng)度漸進(jìn)，約在0.6～1MPa之間。C段：568×1000×250mm，壓潰強(qiáng)度在0.34Mpa

在寬度方面車輛的前端支撐防御結(jié)構(gòu)最好能覆蓋整個(gè)車輛的寬度，這樣在碰撞事故中即使重疊量很小也能夠很好地利用車輛前端的潰縮區(qū)分散和吸收碰撞能量，所以評(píng)估區(qū)域的寬度至少要覆蓋車輛寬度的45%。碰撞試驗(yàn)中，車輛和臺(tái)車碰撞受力會(huì)有一定的旋轉(zhuǎn)，這樣會(huì)有力作用在PDB變形單元的側(cè)邊上，因而產(chǎn)生橫向載荷，導(dǎo)致了蜂窩鋁結(jié)構(gòu)的變形不真實(shí)，因此對(duì)PDB的側(cè)邊界的位置進(jìn)行評(píng)估就顯得不合理，所以評(píng)估區(qū)域應(yīng)該從PDB側(cè)邊向內(nèi)200mm開始。

為了匹配各種車輛之間的碰撞要求，避免車輛與壁障碰撞時(shí)出現(xiàn)騎跨（Overriding）、鉆車底（Underriding）的風(fēng)險(xiǎn)，因此車輛的支撐防御結(jié)構(gòu)布置在離地面250mm到650mm之間，這樣既考慮了不同級(jí)別的車型，也能滿足RCAR和重型車輛鉆車底的保護(hù)需要。

PDB評(píng)估區(qū)域的碰撞能量：如果前端支撐防御結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有重大的差異，這樣會(huì)導(dǎo)致碰撞能量被強(qiáng)度小的車輛吸收較多。因此，擁有高強(qiáng)度的前端支撐防御結(jié)構(gòu)車輛對(duì)于對(duì)方車輛的保護(hù)不利。可以根據(jù)PDB變形的深度來進(jìn)行前端結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和碰撞能量的評(píng)估。為了降低碰撞車輛中載荷過大的風(fēng)險(xiǎn)，很有必要對(duì)測(cè)試車輛潰縮區(qū)域進(jìn)行動(dòng)能吸收評(píng)估。

臺(tái)車速度的改變：碰撞能量集中在上面定義的評(píng)估區(qū)域內(nèi)，在試驗(yàn)中，不考慮整個(gè)碰撞車輛的碰撞能量，而是通過臺(tái)車速度的變化來評(píng)估，速度變化小于50kph是有利，而速度變化大于50kph是不利的。

試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)

在試驗(yàn)過程中，壁障小車和試驗(yàn)車輛均以50km/h的速度做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并以50%的重疊率發(fā)生碰撞，更精準(zhǔn)地模擬了發(fā)生碰撞時(shí)對(duì)車輛及乘員開始作用的時(shí)刻，提高了約束系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)的精確度。

前排假人為新開發(fā)的THOR假人，副駕駛為Hybird III假人，后排為兩個(gè)Q系列的兒童假人，左側(cè)為Q6兒童假人，右側(cè)為Q10兒童假人，主要考察兒童約束系統(tǒng)對(duì)兒童的保護(hù)情況。

測(cè)試評(píng)價(jià)流程：1.計(jì)算每一個(gè)分項(xiàng)得分;2.計(jì)算假人每個(gè)身體部位得分;假人每個(gè)身體部位的得分取該部位分項(xiàng)得分中的最低分;分別對(duì)假人以下四個(gè)部位進(jìn)行評(píng)分：頭頸部、胸腹部、骨盆、大腿骨和膝蓋、小腿和腳部。3.調(diào)整分從身體各部位得分中扣除;4.計(jì)算試驗(yàn)得分;對(duì)于假每個(gè)身體部位，取駕駛員和乘員得分中的最低分，最高得分為16分。5.測(cè)試過程中如果車門打開，則在整個(gè)試驗(yàn)得分基礎(chǔ)上，每個(gè)打開的車門扣1分;6.MPDB相容性評(píng)價(jià)。

兼容性評(píng)價(jià)

碰撞兼容性的研究是指如何使車輛在碰撞事故中既能保護(hù)本車乘員（耐撞性），又能減少對(duì)另一方碰撞車輛造成的傷害（攻擊性）。碰撞兼容性是車輛耐撞性和車輛攻擊性的結(jié)合，旨在找到兩者之間的一個(gè)最優(yōu)平衡點(diǎn)。這本身就是一對(duì)“盾”與“矛”。Euro NCAP評(píng)價(jià)體系納入MPDB試驗(yàn)以取代ODB，是重視碰撞相容性的一個(gè)開端。那兼容性評(píng)估怎么進(jìn)行評(píng)價(jià)呢？

兼容性評(píng)估自2022年起最多可扣8分，2020年和2021年扣分減半，即最多可扣4分。兼容性評(píng)估主要從三個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)：壁障變形均勻性、OLC（乘員負(fù)載指數(shù)）、壁障擊穿，

1. ?壁障變形均勻性SD

通過對(duì)壁障變形標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行評(píng)價(jià)對(duì)壁障的變形均勻性進(jìn)行評(píng)估。1、試驗(yàn)前通過如下圖所示點(diǎn)建立坐標(biāo)系。2、試驗(yàn)后掃描變形后的壁障點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成最大不大于10mm的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。3、以未變形壁障中心為中心點(diǎn)間隔20mm生成共1400個(gè)網(wǎng)格點(diǎn);4、將這些網(wǎng)格點(diǎn)沿X方向投影至變形壁障點(diǎn)云網(wǎng)格數(shù)據(jù)上，用以評(píng)估壁障變形均勻性系數(shù)。

變形均勻性系數(shù)通過變形標(biāo)準(zhǔn)差SD評(píng)估。其高性能限值為50mm，低性能限值為150mm，如SD位于50mm～150mm之間則通過線性縮放的方式來確定SD評(píng)估變形均勻性系數(shù)s。

2. ?乘員負(fù)載系數(shù)OLC

該項(xiàng)指標(biāo)主要評(píng)估對(duì)方車內(nèi)乘員潛在的受傷風(fēng)險(xiǎn)，主要通過對(duì)壁障重心上的加速度計(jì)的X向加速度積分并計(jì)算獲得。

3. ?壁障擊穿

若壁障在大于40mm×40mm面積內(nèi)有超過630mm的侵入量，則應(yīng)罰分2分，但總罰分最高不超過8分。

THOR假人

目前各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)及NCAP評(píng)價(jià)中的正面碰撞試驗(yàn)普遍使用Hybri III型假人來模擬實(shí)際乘員受到的傷害情況。Hybrid假人由通用公司在1971年左右開發(fā)推出，在1976年研發(fā)出了知名度最高的 Hybrid III 50百分位假人。經(jīng)過40多年的發(fā)展，Hybrid III假人已經(jīng)成為了一個(gè)覆蓋廣泛的假人家族，包括95百分位男性、5百分位女性、3歲兒童等假人，這些都是基于Hybrid III 50百分位縮放得到的。

幾十年來，碰撞試驗(yàn)假人仍在不斷的研發(fā)中。美國(guó)很早就意識(shí)到了Hybrid III假人的不足，因此上世紀(jì)80年代左右，NHTSA就開始推動(dòng)下一代全新碰撞假人THOR（Test Device for Human Occupant Restraint）的研究。

1995年General Engineering and Systems Analysis（GESAC）著手并研發(fā)了THOR假人的原型TAD-50M （Trauma Assessment Device – 50 Percentile Adult Male Dummy）。2005年，基于該原型，國(guó)際研究所（如：日本汽車研究所（JARI），日本汽車制造協(xié)會(huì)（JAMA））致力于將碰撞試驗(yàn)假人國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)THOR Alpha進(jìn)行了大量綜合評(píng)估與總結(jié)，將其更新為THOR-NT假人。同時(shí)（2000—2003年），F(xiàn)ID歐洲項(xiàng)目將假人更新至THOR-FT版本。2009年，SAE基于北美、亞太、歐洲地區(qū)的大量試驗(yàn)，將假人更新至THOR-K。

2011—2012年，首美假人公司在SAE的委托下，將假人更新至THOR-50M版本。2017年1月，首美更新了THOR假人至THOR-50M Standard Build Level A（SBL-A）版。2018年1月，假人被更新至THOR-50M SBL-B版。

THOR 假人為了彌補(bǔ)Hybrid III假人的缺點(diǎn)，做了大量的改進(jìn)，其生物逼真度更高，可測(cè)量的損傷參數(shù)也更多。不過THOR假人雖然好用，但是其成本也是非常高的，一個(gè)THOR假人要1000萬元人民幣左右，是其他假人價(jià)格的10倍。

THOR假人與Hybrid III有很多區(qū)別。以胸部為例，首先是胸部肋骨鋼片的半徑從上往下越來越大，不像Hybrid III所有肋骨幾乎都一樣大，其次就是胸部肋骨更像真人一樣是一種由后往前的傾斜狀。

SUFEHM評(píng)價(jià)

Euro NCAP在2020年將實(shí)施的MPDB試驗(yàn)采用了THOR假人，并引入了新的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：SUFEHM評(píng)價(jià)指標(biāo)。

在進(jìn)行40多年的頭部生物力學(xué)的研究中，專家們對(duì)頭部損傷機(jī)制越來越傾斜于頭部功能的缺陷與組織的損傷不一定有直接的關(guān)系。之前Lissner以及韋恩州立大學(xué)的頭部損傷研究是基于頭部單質(zhì)量頭部模型的整體合成加速度，該準(zhǔn)則有一些局限性，沒有特定的沖擊方向，且未考慮角加速度對(duì)頭部的損傷。

SUFEHM模型

Kang等人于1997年開發(fā)了斯特拉斯堡大學(xué)有限元頭模型（SUFEHM）。頭骨內(nèi)外表面的幾何特征來自成年男性頭骨。模型還對(duì)頭部解剖特征頭骨、鐮、幕、蛛網(wǎng)膜下腔、頭皮、小腦、大腦和腦干。通過該頭部模型SUFEHM來預(yù)測(cè)頭部損傷，并用于頭部保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化。

SUFEHM有限元網(wǎng)格模型由13208個(gè)單元組成，其總質(zhì)量為4.7 kg，目前已經(jīng)轉(zhuǎn)換成LS-DYNA格式。SUFEHM模型作為新的頭部損傷預(yù)測(cè)工具，可以參與頭部保護(hù)系統(tǒng)的評(píng)估和優(yōu)化。記錄撞擊下人頭模型的線性和旋轉(zhuǎn)三維加速度，并將這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為頭部有限元模型的輸入，進(jìn)而得出DAI、SDH和顱骨骨折的傷害風(fēng)險(xiǎn)。這種方法也可以應(yīng)用于THOR假人頭部，HybridIII假人頭部，行人保護(hù)頭碰模型。