車輛MPDB工況安全性能影響研究

董瑞強(qiáng)，沈海東，祖世華

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

0 引言

MPDB（Mobile Progressive Deformable Barrier）工況是歐洲NCAP星級評價(jià)體系（New Car Assessment Program）最新研究的汽車碰撞安全測試工況，中國NCAP體系也將在2021年引進(jìn)，以替代現(xiàn)行的ODB（Offset Deformable Barrier）試驗(yàn)工況。與ODB工況相比，MPDB考慮了更多的實(shí)際道路中不同形式的車對車的碰撞事故，特別是在大型車與尺寸和質(zhì)量都較小的小型車的碰撞中，大型車往往具有很大的自我保護(hù)優(yōu)勢，而對于小型車來說它們所受的傷害程度要更大，為了在車對車的碰撞中讓這些小型車也能有較好的乘員保護(hù)作用，減少大型車的攻擊性，新的MPDB工況中的相容性評價(jià)就成了業(yè)界共同需要研究的目標(biāo)。新的工況的出現(xiàn)，必然會(huì)帶來新的車輛安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略的改變，為此，需要對現(xiàn)有在研車型的MPDB工況表現(xiàn)進(jìn)行深入細(xì)致地研究。

1 MPDB工況

MPDB工況是以一輛質(zhì)量約為1 400 kg的標(biāo)準(zhǔn)可移動(dòng)小車，前端安裝有由3部分剛度漸變蜂窩鋁所組成的可變形障礙壁，以50 km/h的對沖速度并且與被碰撞車輛有50%的重合度來撞擊具有同樣速度的被碰撞車輛，以期能同時(shí)評價(jià)被碰撞車輛的結(jié)構(gòu)耐撞性和對另一方車輛的攻擊性。其中對對方車輛攻擊性評價(jià)又被稱作被碰撞車輛的相容性評價(jià)，本文將重點(diǎn)討論被碰撞車輛的相容性評價(jià)設(shè)計(jì)。圖1所示為MPDB工況示意圖[1]。

圖1 MPDB工況示意圖

MPDB工況的相容性評價(jià)主要從3個(gè)方面進(jìn)行考核，分別為障礙小車的乘員負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)（Occupant Load Criterion，OLC），障礙壁變形標(biāo)準(zhǔn)偏差（Standard Deviation，SD），以及對障礙壁擊穿與否的判斷（Bottom Out）。這3個(gè)指標(biāo)的評價(jià)在2021C-NCAP中采用的是從MPDB整體試驗(yàn)總得分中累計(jì)扣分的形式進(jìn)行，目前2021版C-NCAP發(fā)布的MPDB工況相容性評價(jià)指標(biāo)如圖2所示[2]。

圖2 MPDB工況相容性評價(jià)指標(biāo)

為了便于得到MPDB工況的車輛安全設(shè)計(jì)策略，選取了8款在研車型進(jìn)行了全面的CAE分析研究，并將MPDB工況分析結(jié)果與將被替代的現(xiàn)行2018版C-NCAP中64 km/h 40%重疊的ODB（Offset Deformable Barrier）工況進(jìn)行了對比分析，并進(jìn)一步選擇最惡劣車型進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)，最終得到了全面的影響研究結(jié)果，初步形成了綜合考慮MPDB工況影響的車輛安全設(shè)計(jì)建議。

2 MPDB相容性評價(jià)影響

2.1 車輛質(zhì)量對MPDB相容性評價(jià)的影響

通過對8款車型的CAE分析，其碰撞能量統(tǒng)計(jì)如表1所示，其碰撞能量與ODB工況的對比變化統(tǒng)計(jì)在表中。結(jié)果顯示質(zhì)量較重的車輛障礙壁變形量更容易超標(biāo)（EuroNCAP對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求小于630 mm），并且MPDB障礙壁所吸收的能量幾乎是ODB障礙壁吸能的2倍。進(jìn)一步分析同平臺(tái)車型，有個(gè)別較重的車，障礙壁變形反而不一定大，說明障礙壁變形與車輛自身承載結(jié)構(gòu)分布及設(shè)計(jì)也有一定關(guān)系，平臺(tái)一中車型B的車重大于車型C，但障礙壁侵入量反而更小。文獻(xiàn)[3]中的研究也證實(shí)了這一結(jié)論。

表1 各車型MPDB障礙壁CAE碰撞能量情況統(tǒng)計(jì)

由表1還可以看到，ODB工況中障礙壁吸收碰撞能量約占整個(gè)系統(tǒng)能量的22%～28%；而MPDB中障礙壁吸收能量約占整個(gè)碰撞能量的40%～45%，為了便于理解表1中碰撞能量變化的數(shù)據(jù)的影響，可以做如下簡單的能量假設(shè)計(jì)算[4]。

假設(shè)有一輛試驗(yàn)質(zhì)量為1 500 kg的車，在ODB中總的碰撞能量為：

根據(jù)表1中的障礙壁吸能占比數(shù)據(jù)，對于本試驗(yàn)車輛可先假定障礙壁吸能約占總能量的23%，那么車輛本身所需吸收的最大能量約為剩余的77%，計(jì)算可得車輛吸能：

同理，根據(jù)表1也可假設(shè)MPDB障礙壁吸能約為總能量的43%，則車輛自身需要吸收的最大能量為：

比較上述計(jì)算結(jié)果，MPDB工況中車輛所需吸能反而比ODB要少很多。換句話說，MPDB工況下的車輛安全結(jié)構(gòu)可以不需要像ODB工況那樣需設(shè)計(jì)去吸收較多的碰撞能量；也即，2021版C-NCAP中由MPDB工況替代ODB工況后，被撞車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該可以做適當(dāng)減弱。因此對MPDB工況來說，研究如何減小相容性評價(jià)的扣分反而成了未來車輛設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

2.2 車體結(jié)構(gòu)對MPDB相容性評價(jià)的影響

鑒于前述的分析結(jié)果，車輛自身結(jié)構(gòu)的不同對相容性評價(jià)結(jié)果也有一定影響，因此對這8款車的車體前端結(jié)構(gòu)也做了進(jìn)一步研究[5]。

圖3 平臺(tái)一車型B和車型C結(jié)構(gòu)比較

如圖3所示，選取平臺(tái)一中的車型B和車型C來初步闡述這個(gè)影響，圖3（a）為車型B結(jié)構(gòu)與障礙壁重合區(qū)域示意圖，前端上、中、下3條路徑上正面都有橫梁結(jié)構(gòu)與障礙壁重疊，側(cè)面也有上部縱梁結(jié)構(gòu)延伸到中部縱梁前端，與副車架縱梁一起也保證了側(cè)面與障礙壁有一定的結(jié)構(gòu)與障礙壁重疊；如圖3（b）所示，而同一平臺(tái)的車型C與車型B相比，正面和側(cè)面障礙壁能撞擊到的部位都少了能順暢傳力到上部車體結(jié)構(gòu)的碰撞承載結(jié)構(gòu)，因此兩個(gè)車型相比，車型B對障礙壁的碰撞作用將更加均勻，障礙壁雖然會(huì)吸收更多的碰撞能量，但車型B的相容性評價(jià)應(yīng)該會(huì)更好，如圖4所示為相容性扣分統(tǒng)計(jì)；反之車型C碰撞更容易造成障礙壁的不均勻變形，而且結(jié)果也顯示障礙壁被侵入的最大深度也更深。

圖4 8款車型MPDB工況相容性扣分統(tǒng)計(jì)

通過8款車型的初步相容性評價(jià)分析，如不做任何針對MPDB工況的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基本所有車型都存在MPDB扣分現(xiàn)象，同時(shí)并非車輛質(zhì)量越輕的車輛，扣分就越少，如車型F；車輛質(zhì)量接近2 000 kg的車輛，MPDB的相容性扣分則基本全部被扣完。

2.3 MPDB工況對車輛碰撞性能設(shè)計(jì)的影響

根據(jù)上述CAE分析結(jié)果，選取相容性評分最惡劣車型H進(jìn)行車輛自身影響的進(jìn)一步研究，首先從圖5（a）所示的整車加速度波形對比上可明顯看出，MPDB工況波形回彈時(shí)刻大大提前，基本80 ms即完成整個(gè)吸能過程，而ODB工況完成這個(gè)過程大約需要120 ms；其次MPDB工況下整車加速度上升較快，前期（40 ms之前）加速度明顯高于ODB，這也從另一方面反映了MPDB的障礙壁整體剛度要比ODB有所增大，未來需要針對MPDB工況研究約束系統(tǒng)提前介入的可能；另外，如圖5（b）所示，MPDB加速度峰值也比ODB工況小約9g，總體上由MPDB有效加速度帶來的對乘員傷害的影響會(huì)比ODB更小。

圖5 MPDB和ODB工況加速度和速度波形比較

對于車輛自身的侵入量，也是MPDB工況明顯好于ODB工況，如圖6所示，不僅MPDB侵入量最大值大大降低，而且前艙侵入對乘員的影響范圍也大大縮小，這將更有利于車內(nèi)乘員的保護(hù)。

圖6 MPDB和ODB工況防火墻侵入量對比云圖

3 MPDB工況的試驗(yàn)驗(yàn)證

針對最惡劣車型H，參考文獻(xiàn)[6]中的試驗(yàn)研究方法，又進(jìn)一步進(jìn)行了實(shí)車的驗(yàn)證試驗(yàn)。對相容性評價(jià)而言，試驗(yàn)結(jié)果各評價(jià)指標(biāo)都要好于CAE分析結(jié)果，CAE分析中障礙壁有擊穿現(xiàn)象，但試驗(yàn)中沒有出現(xiàn)，侵入量云圖如圖7所示；CAE總的扣分約為5.46分，試驗(yàn)中扣分為3.81分，具體如表2所示。

圖7 MPDB工況試驗(yàn)和CAE障礙壁侵入量數(shù)值云圖

將試驗(yàn)得到的整車加速度和速度波形與CAE分析結(jié)果進(jìn)行了對比分析，如圖8所示?？傮w上試驗(yàn)結(jié)果與CAE波形曲線比較吻合，對于碰撞小車在碰撞前期兩者加速度和速度斜率基本一致；在后期試驗(yàn)小車加速度曲線局部又有升高，而CAE則光順下降，試驗(yàn)曲線相對于CAE曲線峰值也約低9g在右，說明試驗(yàn)障礙壁前、中、后3部分蜂窩鋁剛度有一定的變化梯度；而CAE的障礙壁模型剛度較為連續(xù)，結(jié)合表2的壁障的侵入量CAE和試驗(yàn)的對比，壁障的CAE仿真模型偏軟一些，這可能與CAE障壁單元采用刪除單元的失效方法建模有一定關(guān)系；且試驗(yàn)障礙壁3部分蜂窩鋁之間所采用的連接膠水等在障礙壁CAE模型中并沒有得到精確地表達(dá)，但初步判斷這并不影響障礙壁CAE模型作為標(biāo)準(zhǔn)CAE模型應(yīng)用于后續(xù)的整車MPDB工況耐撞性設(shè)計(jì)中[7]。

表2 MPDB工況試驗(yàn)和CAE相容性評價(jià)對比匯總表

圖8 MPDB加速度和速度波形的試驗(yàn)和CAE對比

圖9 MPDB試驗(yàn)和CAE車體結(jié)構(gòu)變形對比

另外，整車結(jié)構(gòu)的整體變形也是車輛安全設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)，如圖9所示。選取了車體前部結(jié)構(gòu)和撞擊側(cè)前縱梁2個(gè)車身關(guān)鍵位置做了對比分析?？梢钥闯?，無論從變形形式，還是折彎位置等方面分析，車體前部以及車身碰撞側(cè)縱梁等CAE都與試驗(yàn)具有較好的相似性，這也說明目前的MPDB工況的整車及障礙壁的CAE模擬方法具有較好的仿真可信度。

4 結(jié)束語

綜合上述對各車型MPDB工況的CAE及試驗(yàn)研究，改善車輛MPDB相容性評價(jià)結(jié)果，即研究如何減小對障礙壁的入侵將成為該工況設(shè)計(jì)需要解決的重點(diǎn)。通過對8款在研車型的全面分析，可以得到如下結(jié)論。

（1）所有的車型MPDB相容性評價(jià)都有扣分，越重的車輛扣分越嚴(yán)重，如不做任何有針對性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，超過2 000 kg質(zhì)量的車型，相容性分?jǐn)?shù)基本都被扣完，因此車重是影響相容性評價(jià)的重要因素。

（2）不同車型的前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會(huì)對結(jié)果有較大影響，在障礙壁相容性評價(jià)覆蓋區(qū)域內(nèi)，前端結(jié)構(gòu)從上到下的承載傳力結(jié)構(gòu)越是平齊且剛度平衡的車型相容性評價(jià)扣分越少。

（3）通過與現(xiàn)行ODB工況的分析結(jié)果對比，無論從車輛自身有效加速度，還是車輛自身的侵入量，MPDB工況都明顯好于ODB工況，這對乘員保護(hù)性能有利。

（4）通過對CAE結(jié)果最惡劣車型的試驗(yàn)驗(yàn)證，不僅驗(yàn)證了前述MPDB研究結(jié)果，同時(shí)也說明了當(dāng)前所用障礙壁CAE模型具有較好的可信度，完全可用于后續(xù)新車型的正向開發(fā)之中。

本文所研究的MPDB工況僅是車輛被動(dòng)安全設(shè)計(jì)的工況之一，考慮完整的車輛安全設(shè)計(jì)，不僅需要與各種法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全要求相平衡，而且還需要與考慮實(shí)際道路交通事故的各種碰撞形式的設(shè)計(jì)保護(hù)相平衡，只有綜合考慮各種工況的安全設(shè)計(jì)才能使車輛具有較好的安全性能。