基于OLC的通用1D系統(tǒng)創(chuàng)建及研究

賴征海，楊 偉，鄂世國Lai Zhenghai，Yang Wei，E Shiguo

基于OLC的通用1D系統(tǒng)創(chuàng)建及研究

賴征海，楊 偉，鄂世國
Lai Zhenghai，Yang Wei，E Shiguo

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

針對MPDB（Moving Progressive Deformable Barrier，移動漸進(jìn)可變形壁障）正面碰撞工況兼容性評估指標(biāo)OLC（Occupant Load Criterion，乘員載荷指數(shù)），首先基于碰撞臺車的速度曲線給出OLC數(shù)值求解方法，然后以某小型轎車為例，介紹將整車MPDB碰撞工況系統(tǒng)簡化為1D彈簧-質(zhì)量點系統(tǒng)，并將此1D系統(tǒng)擴展形成通用系統(tǒng)。通過對該通用1D系統(tǒng)研究，找出OLC與碰撞車輛質(zhì)量的內(nèi)在聯(lián)系，提出有效降低OLC的優(yōu)化方向，給出合理定義OLC目標(biāo)值的方法和優(yōu)化碰撞兼容性遵循的原則。

MPDB；兼容性評價；OLC；簡化

0 引 言

隨著汽車保有量的逐年增加，交通事故發(fā)生的概率不斷增大，各國紛紛出臺和更新法規(guī)指導(dǎo)監(jiān)督汽車安全性能設(shè)計，隨著碰撞法規(guī)要求不斷提升，新車的自我保護(hù)性能得到顯著改善，但這些法規(guī)只是針對單獨車輛的安全性，例如在現(xiàn)有的正面碰撞法規(guī)評價體系下，不同類型、重量的車單獨評價時安全性能很高，然而現(xiàn)實車與車對撞事故中卻顯出不一樣結(jié)果[1-3]，尤其是重量小的車受到的傷害遠(yuǎn)高于重量大的車[4-5]。這就要求車輛不但要有良好的自我保護(hù)性能，還要降低對其他車輛的“攻擊性”，車輛設(shè)計要同時兼顧這兩點，也就是碰撞兼容性。

為制定能夠測試車體碰撞兼容性的標(biāo)準(zhǔn)方法，德國ADAC（Allegemeiner Deutsche Automobil Club，德國汽車協(xié)會）[6]近20年來做了大量研究，最終2020版Euro-NCAP（Euro-New Car Assessment Programme，歐洲新車評價規(guī)范）采納了ADAC機構(gòu)發(fā)展和完善的MPDB（Moving Progressive Deformable Barrier，移動漸進(jìn)可變形壁障）工況[7-10]，取代了現(xiàn)有的ODB（Offset Deformable Barrier，可變形偏置壁障）工況，MPDB工況引入3個兼容性評價指標(biāo)：壁障變形量標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation，SD）、壁障是否擊穿和臺車的乘員負(fù)載指數(shù)（Occupant Load Criterion，OLC）。MPDB工況為車體設(shè)計思路帶來很大的影響，針對OLC兼容性指標(biāo)，從理論上分析其數(shù)值求解過程，并揭示其與碰撞車輛重量的內(nèi)在聯(lián)系。

1 MPDB試驗工況

2020版Euro-NCAP 中采用MPDB工況替代現(xiàn)行的ODB工況。MPDB工況的壁障臺車質(zhì)量為1 400 kg，壁障臺車和碰撞車輛均以50 km/h的速度相對行駛，并以50%的重疊率撞擊。駕駛員為新開發(fā)的THOR（Test device for Human Occupant Restraint，人類乘員約束試驗裝置）假人，副駕駛為Hybird III50%男性假人，為考察后排兒童約束系統(tǒng)對兒童的保護(hù)情況，后排左側(cè)放置Q6兒童假人，右側(cè)放置Q10兒童假人。如圖1所示。

需要注意的是，2021版C-NCAP最新公布的乘員保護(hù)路線圖草案中，駕駛員為50%THOR假人，副駕駛為Hybird III5%女性假人；后排左側(cè)放置Hybird III5%女性假人，右側(cè)放置Q10兒童假人。

圖1 MPDB工況示意圖

2 OLC數(shù)值計算方法

臺車乘員負(fù)載指數(shù)OLC是指碰撞過程中，假設(shè)臺車上虛擬假人在0～1時間內(nèi)勻速運動并相對臺車產(chǎn)生65 mm的前向位移后，約束系統(tǒng)開始起作用，并在1～2時間內(nèi)做勻減速運動，相對臺車再產(chǎn)生235 mm的前向位移（總共300 mm），其中勻減速運動的恒定減速度值即為OLC。計算公式為

式中：0為臺車和虛擬假人的初始速度（13 889 mm/s）；v為臺車在任意時刻的速度；1為虛擬假人相對臺車產(chǎn)生65 mm前向位移的時刻；2為虛擬假人受約束后相對臺車再向前運動235 mm的時刻；v2為虛擬假人在2時刻的速度。

通過式（1）并借助后處理軟件中曲線可求出1；由式（2）不能直接求解2，可將其進(jìn)行轉(zhuǎn)化得到式（4）求出2，進(jìn)而根據(jù)式（3）求出OLC，其中各積分項的含義如圖2所示。將相應(yīng)算法采用Excel函數(shù)表示，通過輸入臺車的速度v2曲線自動計算出1、2和OLC的值。

圖2 積分表達(dá)代表含義圖示

3 1D評估系統(tǒng)創(chuàng)建和研究

如果忽略MPDB工況整車系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動，碰撞前后系統(tǒng)動量守恒，若假設(shè)系統(tǒng)變形均勻，則壁障、碰撞車輛可分別用質(zhì)量-非線性彈簧的一維系統(tǒng)描述，如圖3所示。彈簧剛度取決于壁障和碰撞車輛的壓潰特性。

圖3 1D簡化系統(tǒng)示意圖

3.1 創(chuàng)建1D系統(tǒng)模型

以某小型轎車MPDB工況仿真結(jié)果為例，搭建1D系統(tǒng)模型的步驟如下。

（1）提取代表壁障變形特性的力與位移曲線。暫時只考慮彈簧的加載特性，所以僅提取壁障最大壓潰位移前的力與位移曲線，按同樣方法提取代表碰撞車輛變形特性的力與位移曲線；

（2）分別建立代表壁障、碰撞車輛的質(zhì)量點和彈簧單元，如圖3所示；

（3）分別對代表壁障和碰撞車輛的質(zhì)量點施加50 km/h的初始速度，并對速度以外的方向施加約束，將提取的壁障和碰撞車輛的剛度曲線賦給彈簧單元；

（4）調(diào)試模型提交計算，注意必須計算到回彈階段。

3.2 1D系統(tǒng)結(jié)果處理與對比

簡化的1D系統(tǒng)滿足動量守恒，碰撞后壁障和車輛以共同速度運動，但由于彈簧單元不能儲存吸收的能量，所以壁障和碰撞車輛達(dá)到共同速度后，此時彈簧壓縮到最大位移，下一步彈簧單元釋放吸收的能量，導(dǎo)致壁障和碰撞車輛反彈，這與真實情況不符，需要對從1D系統(tǒng)提取的壁障和碰撞車輛速度曲線進(jìn)行處理：刪掉各自反彈之后的速度數(shù)據(jù)，改用共同速度代替，用修正后的速度曲線計算OLC。圖4包括整車仿真的壁障速度曲線、1D系統(tǒng)的壁障速度原始曲線和修正后的曲線，圖5包括整車仿真的壁障位移曲線、1D系統(tǒng)的壁障位移原始曲線和修正后的曲線，表1為整車系統(tǒng)與1D系統(tǒng)計算的OLC數(shù)值對比。

圖4 1D壁障速度曲線對比

圖5 1D壁障位移曲線對比

表1 整車和1D系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)對比

從圖4、圖5可看出，1D系統(tǒng)的壁障速度曲線、位移曲線可以很好擬合整車系統(tǒng)的壁障速度曲線、位移曲線，通過表1計算（25.23-26.30）/26.30 = -4.1%，得出OLC誤差僅為-4.1%，由此證明1D系統(tǒng)仿真模型的準(zhǔn)確性。

3.3 通用1D系統(tǒng)模型創(chuàng)建

為使1D系統(tǒng)通用性更強，研究搭建通用MPDB工況的1D系統(tǒng)模型。

首先提取代表壁障通用剛度的曲線。MPDB壁障由A、B、C3塊構(gòu)成（每塊都有強度要求），A和C塊強度均勻分布，B塊強度逐漸增強，碰撞方向的截面積為568 mm×1 000 mm，取壁障每塊強度與碰撞方向截面積的乘積作為該段所能承受的最大壓潰力，每塊承受載荷如圖6所示。該小型轎車半寬占MPDB壁障寬度的80%左右，所以壁障僅承受80%的最大載荷，取壁障每塊長度的90%作為該段最大壓潰位移，提取的代表壁障變形特性的通用剛度曲線如圖7所示。將擬合的壁障通用（碰撞車輛半寬占壁障寬度的80%）剛度曲線替換1D系統(tǒng)的壁障剛度曲線，計算結(jié)果見表2，通過計算（25.56-26.30）/26.30= -2.8%，得出OLC誤差僅為-2.8%，證明擬合的壁障通用剛度曲線合理。

圖6 壁障長度與能承受的最大載荷

圖7 壁障承受80%最大載荷的剛度曲線

另外，當(dāng)碰撞車輛寬度變化時，代表壁障變形特性的通用剛度曲線等比例縮放。例如當(dāng)碰撞車輛半寬占壁障寬度90%時，將圖7曲線進(jìn)行1.125倍縮放。當(dāng)碰撞車輛半寬超過壁障寬度時，壁障的通用剛度曲線使用最大載荷計算，即圖7曲線進(jìn)行1.25倍縮放。

提取代表碰撞車輛通用剛度的曲線，基于某平臺代表性的3款車型（小型轎車、中型SUV和大型SUV）在MPDB工況下對最大變形前的剛度曲線進(jìn)行擬合。首先對3款車型的剛度曲線進(jìn)行平均化處理，然后基于等效做功原理，結(jié)合整車變形特點對平均后的曲線進(jìn)行分段擬合，擬合曲線如圖8所示（曲線正向是擬合結(jié)果，負(fù)向是對稱結(jié)果）。將擬合的剛度曲線替換1D系統(tǒng)的碰撞車的力與位移曲線，計算結(jié)果見表2，通過計算（25.54-26.30）/26.30=-2.9%，得出OLC誤差僅為-2.9%，證明擬合的碰撞車輛通用剛度曲線合理。

圖8 1D系統(tǒng)碰撞車輛通用力與位移擬合曲線

表2 整車和通用1D系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)對比

3.4 通用1D系統(tǒng)研究和應(yīng)用

3.4.1 OLC與碰撞車輛質(zhì)量關(guān)系

對該通用1D系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，OLC數(shù)值對碰撞車輛的壓潰位移不敏感。這是因為碰撞車輛寬度和質(zhì)量確定后，壁障剛度特性曲線確定，從而OLC值確定。壁障在承受80%最大載荷時，通過該1D系統(tǒng)可總結(jié)出碰撞車輛質(zhì)量與臺車OLC關(guān)系，如圖9所示。壁障承受其他載荷時，碰撞車輛質(zhì)量與OLC關(guān)系曲線同樣可按上述方法得出，不再贅述。

圖9 壁障承受80%最大載荷時車重與OLC關(guān)系

3.4.2 OLC優(yōu)化方向

在整車質(zhì)量不變時，通過對該通用1D系統(tǒng)進(jìn)行研究，快速找出有效降低OLC的方向。1D擬合曲線各段表達(dá)含義如圖10所示，常用的優(yōu)化方案見表3。

圖10 擬合曲線各段代表含義

表3 常用的優(yōu)化OLC方案

更改通用1D系統(tǒng)碰撞車輛剛度曲線，與表3中優(yōu)化方案相對應(yīng)，分別驗證OLC數(shù)值變化情況，計算結(jié)果見表4。

表4 優(yōu)化方案驗證結(jié)果對比

注：①優(yōu)化效果=（優(yōu)化方案-基礎(chǔ)方案）/基礎(chǔ)方案×100%。

由表4可知，方案4即弱化乘員艙結(jié)構(gòu)，可有效降低OLC數(shù)值，為整車開發(fā)降低OLC數(shù)值提供了優(yōu)化方向。

4 結(jié)論與建議

搭建的通用1D系統(tǒng)可快速預(yù)測同平臺的新車型碰撞兼容性評估中臺車的OLC數(shù)值，指導(dǎo)OLC目標(biāo)值的定義，避免在OLC數(shù)值優(yōu)化上浪費成本和精力。

在使用1D系統(tǒng)指定新開發(fā)車型的OLC目標(biāo)時，給出以下經(jīng)驗建議。

（1）車重在1～1.4 t時，推薦將1D系統(tǒng)計算結(jié)果增加1作為OLC目標(biāo)值。

（2）車重在1.5～1.9 t時，推薦1D系統(tǒng)計算結(jié)果增加2作為OLC目標(biāo)值。

（3）車重大于2 t時，推薦將1D系統(tǒng)計算結(jié)果增加3作為OLC目標(biāo)值。

為降低碰撞兼容性得分，根據(jù)其評分原則和經(jīng)驗，建議首先保證不擊穿，其次降低變形標(biāo)準(zhǔn)差，最后基于成本考慮合理降低OLC。

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2020-07-09

U461.91

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.06.003

1002-4581（2020）06-0011-05