基于MPDB試驗的車輛碰撞攻擊性識別與評價方法研究*

朱海濤，孫振東，楊佳璘，黃志剛

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津300300）

前言

由于車輛質(zhì)量、剛度和前端結(jié)構(gòu)的差異，交通事故中弱勢車輛往往承受更大的碰撞沖擊載荷，導(dǎo)致更嚴(yán)重的碰撞損傷。為改善這種碰撞不相容的問題，減小強(qiáng)勢車輛的攻擊性，歐洲新車評價項目Euro NCAP在全德汽車俱樂部ADAC移動漸變變形壁障MPDB（mobile progressive deformable barrier）測試方法的基礎(chǔ)上，提出如圖1所示的試驗方案。采用均勻性指標(biāo)SD（standard deviation）、臺車乘員載荷指標(biāo)OLC（occupant load criterion）和壁障擊穿3個指標(biāo)評價車輛攻擊性，并于2020年正式導(dǎo)入測試評價規(guī)程［1］。3個評價指標(biāo)中，均勻性指標(biāo)SD用于評價車輛的前端結(jié)構(gòu)尺寸，臺車乘員載荷指標(biāo)OLC用于評價測試車輛的質(zhì)量影響因素，壁障擊穿用于反映車輛前端剛度［2］。

但在實際試驗評價過程中發(fā)現(xiàn)以下問題：（1）均勻性指標(biāo)SD只能反映評價范圍內(nèi)車輛結(jié)構(gòu)作用的均勻性，不能反映車輛的前端結(jié)構(gòu)高度和碰撞載荷的傳力路徑，針對高縱梁結(jié)構(gòu)和輔助吸能結(jié)構(gòu)，無法有效進(jìn)行路徑監(jiān)測識別和評價；（2）壁障擊穿指標(biāo)只能反映前縱梁等局部結(jié)構(gòu)的最大剛度，不能體現(xiàn)碰撞過程中車輛的整體剛度水平，沒有進(jìn)行量化評價。良好的碰撞相容性取決于碰撞雙方車輛有效的能量吸收和結(jié)構(gòu)分布。

針對以上問題展開研究，開發(fā)新型攻擊性評價指標(biāo)，以更好地反映和評價MPDB試驗中車輛的碰撞相容性。

1 交通事故中車輛前端結(jié)構(gòu)作用情況

FIMCAR項目交通事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，由碰撞相容性問題導(dǎo)致的傷亡事故主要與車輛前端結(jié)構(gòu)相互作用方式、碰撞力傳遞性能和乘員艙強(qiáng)度相關(guān)［3］。前端結(jié)構(gòu)相互作用又與騎乘效應(yīng)、叉子效應(yīng)和小重疊率相關(guān)。騎乘效應(yīng)主要是指兩車的主要吸能結(jié)構(gòu)高度不一致，導(dǎo)致一方的主要吸能結(jié)構(gòu)騎跨在另一方的上面，它的明顯特征是弱勢方前端主要吸能結(jié)構(gòu)并未承載相應(yīng)載荷，碰撞能量直接由乘員艙吸收，導(dǎo)致乘員艙嚴(yán)重變形；叉子效應(yīng)主要是由于保險杠橫梁及其相關(guān)結(jié)構(gòu)太弱，造成保險杠橫梁及其相關(guān)結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重或斷裂，難以有效傳遞碰撞力，導(dǎo)致弱勢方難以有效吸能，強(qiáng)勢方的碰撞結(jié)構(gòu)插入到弱勢方的結(jié)構(gòu)中；小重疊率主要是指主要吸能結(jié)構(gòu)在橫向上基本沒有重疊，導(dǎo)致一方的碰撞結(jié)構(gòu)直接撞擊對方車輛A柱、門檻梁等位置，造成車輛乘員艙一側(cè)變形較大。

針對交通事故中的碰撞不相容情況，在車輛相容性評價中，應(yīng)能反映碰撞過程中的傳力路徑和力在縱向、橫向上的分布情況，以及反映碰撞能量在兩車之間的分配情況：對于騎乘效應(yīng)，應(yīng)對高縱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測評價；對于叉子效應(yīng)，應(yīng)監(jiān)測碰撞過程中前端結(jié)構(gòu)的剛度水平；對于小重疊效應(yīng)，應(yīng)考察車輛吸能結(jié)構(gòu)在橫向的分布情況，避免碰撞過程中沒有橫向的結(jié)構(gòu)重疊。因此，在制定相容性評價指標(biāo)時，應(yīng)該考慮上述交通事故中存在的問題。

2 傳力路徑識別方法

2.1 評價區(qū)域的劃分

Euro NCAP目前劃分的均勻性指標(biāo)SD評價范圍（圖2）高度上限為距離地面650 mm，高度下限為距離地面250 mm，橫向兩側(cè)的邊界分別為距離碰撞右側(cè)邊緣45%車寬和200 mm，試驗后掃描壁障，通過計算區(qū)域內(nèi)變形量的標(biāo)準(zhǔn)偏差SD來評價結(jié)構(gòu)作用的均勻性［4］。

圖2 Euro NCAP相容性評價范圍

車輛在實際發(fā)生碰撞時，前端結(jié)構(gòu)相對MPDB壁障主要有4種位置形式（圖3），而Euro NCAP目前的評價區(qū)域只能覆蓋碰撞結(jié)構(gòu)圖3（c），不能覆蓋其它3種碰撞形式的傳力路徑，因此須擴(kuò)大豎直方向上的評價范圍，同時為監(jiān)測識別結(jié)構(gòu)高度，也須重新劃分評價區(qū)域。

圖3 車輛前端結(jié)構(gòu)相對壁障位置

在正面100%碰撞相容性評價中，EEVC推薦將碰撞力墻的第3行和第4行（離地330~580 mm）作為車輛前端結(jié)構(gòu)碰撞的共同作用區(qū)域［5］，同時這也包括了美國標(biāo)準(zhǔn)Part 581所規(guī)定的共同作用區(qū)域（離地406~508 mm）。在歐洲汽車碰撞相容性研究項目VC COMPACT（vehicle crash compatibility）中，對車輛的前端結(jié)構(gòu)高度進(jìn)行了統(tǒng)計分析［6］，為能評價副車架等輔助吸能結(jié)構(gòu)的傳力路徑，推薦180 mm作為評價區(qū)域的下限，而統(tǒng)計得出的最高副車架離地高度為326 mm，與330 mm接近。同時，為評價高縱梁車輛的前端結(jié)構(gòu)的作用，將評價區(qū)域的高度上限取為700 mm。

綜合上述因素，將MPDB評價區(qū)域劃分為3個區(qū)域：下部評價區(qū)域高度下限為180 mm，上限為330 mm，主要用來識別和評價副車架等輔助吸能結(jié)構(gòu)的作用；中部評價區(qū)域（共同作用區(qū)域）高度下限為330 mm，高度上限為580 mm，基本覆蓋大多數(shù)車輛前縱梁等主要吸能結(jié)構(gòu)；上部評價區(qū)域高度下限為580 mm，高度上限為700 mm，用來識別和評價高縱梁結(jié)構(gòu)車輛在該區(qū)域的作用；評價區(qū)域的橫向尺寸與Euro NCAP評價區(qū)域相同，基本覆蓋了吸能結(jié)構(gòu)的橫向范圍（圖4）。通過區(qū)域的重新劃分，可以覆蓋從副車架到高縱梁全部碰撞傳力路徑。

圖4 評價區(qū)域示意圖

2.2 前端結(jié)構(gòu)傳力性能評價策略

為在評價區(qū)域內(nèi)進(jìn)行前端結(jié)構(gòu)傳力路徑、結(jié)構(gòu)高度和對應(yīng)區(qū)域載荷分布的評價，以實現(xiàn)對前端結(jié)構(gòu)相容性的全面考察，須對評價先后順序和策略進(jìn)行分析。

首先，應(yīng)進(jìn)行車輛結(jié)構(gòu)傳遞路徑的識別，通過壁障不同評價區(qū)域內(nèi)縱向變形方式識別主要吸能結(jié)構(gòu)和輔助吸能結(jié)構(gòu)所在的評價區(qū)域，進(jìn)而獲得傳力路徑的高度范圍，得到豎直方向上的相容性結(jié)果。

其次，在得到傳力路徑和評價區(qū)域后，應(yīng)對其在水平方向上碰撞載荷的分布情況進(jìn)行評價，以獲得水平方向上的相容性結(jié)果。對于中部評價區(qū)域（共同作用區(qū)域），車輛的主要吸能結(jié)構(gòu)應(yīng)能使壁障有效變形和吸能，但不能超過最大變形限值，在水平方向上分布均勻，以減少交通事故中小重疊率、叉子效應(yīng)等不相容的情況。如果在上部評價區(qū)域監(jiān)測到傳力路徑，而車輛在共同作用區(qū)域內(nèi)沒有傳力路徑，前縱梁等主要吸能結(jié)構(gòu)離地較高，易發(fā)生騎乘現(xiàn)象，因此須對主要吸能結(jié)構(gòu)造成的壁障縱向變形進(jìn)行限制，以減小發(fā)生騎乘現(xiàn)象的機(jī)率；如果在下部評價區(qū)域監(jiān)測到傳力路徑，應(yīng)對其在水平方向上的分布情況進(jìn)行評價，以確保副車架等輔助吸能結(jié)構(gòu)能夠有效發(fā)揮作用，評價流程如圖5所示。

圖5 評價策略流程圖

2.3 前端結(jié)構(gòu)傳力路徑識別方法

2.3.1 傳力路徑識別指標(biāo)

根據(jù)評價策略，須確定評價區(qū)域內(nèi)傳力路徑的識別指標(biāo)。根據(jù)圖3對前端結(jié)構(gòu)的分類，確定車輛碰撞結(jié)構(gòu)對應(yīng)蜂窩鋁評價區(qū)域，采用50百分位至80百分位變形量來反映壁障的變形特征，取最小數(shù)值曲線作為識別指標(biāo)限值。

選取20個車型的MPDB蜂窩鋁變形數(shù)據(jù)，對不同評價區(qū)域內(nèi)的壁障縱向變形百分位數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖6~圖8所示。在同一評價區(qū)域內(nèi)，對比50百分位至80百分位壁障變形量可知：對于上部評價區(qū)域，車型1、車型8、車型9、車型19和車型20為高縱梁結(jié)構(gòu)車型（圖6方框內(nèi)），其對應(yīng)百分位數(shù)值集中于上方，明顯大于其他結(jié)構(gòu)類型，說明可以用百分位數(shù)值曲線作為高縱梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測識別指標(biāo)，以圖6中最小數(shù)值曲線作為識別指標(biāo)限值。

圖6 上部評價區(qū)域百分位變形量曲線

由圖7可見，對于中部評價區(qū)域，處于各車輛結(jié)構(gòu)的共同作用區(qū)域，50百分位至80百分位壁障變形量曲線較為集中，無明顯差異趨勢。

圖7 中部評價區(qū)域百分位變形量曲線

由圖8可見，對于下部評價區(qū)域，處于副車架等輔助吸能結(jié)構(gòu)作用區(qū)域，按照圖3中分類為D類的車輛結(jié)構(gòu)，共有7組數(shù)據(jù)（方框內(nèi)），其50百分位至80百分位壁障變形量數(shù)值明顯大于其他結(jié)構(gòu)類型，有較大差異，可以用百分位數(shù)值曲線作為輔助吸能結(jié)構(gòu)的監(jiān)測識別指標(biāo)，以圖8中最小數(shù)值曲線作為識別指標(biāo)限值。

圖8 下部評價區(qū)域百分位變形量曲線

因此，得到用于監(jiān)測識別車輛高縱梁結(jié)構(gòu)和輔助吸能結(jié)構(gòu)的壁障變形百分位限值曲線，如圖9所示，當(dāng)對應(yīng)區(qū)域百分位變形量曲線高于限值曲線時，對應(yīng)結(jié)構(gòu)將被識別。

圖9 識別曲線限值

2.3.2 傳力性能評價指標(biāo)

當(dāng)識別到對應(yīng)傳力路徑后，得到對應(yīng)的車輛前端結(jié)構(gòu)類型，結(jié)合上部、中部和下部評價區(qū)域，確定以下相容性評價方法。

若監(jiān)測識別到高縱梁結(jié)構(gòu)傳力路徑，為避免騎乘效應(yīng)的發(fā)生，應(yīng)限制高縱梁結(jié)構(gòu)的剛度，結(jié)合上部評價區(qū)域內(nèi)的壁障縱向變形深度，采用Euro NCAP擊穿指標(biāo)對高縱梁結(jié)構(gòu)攻擊性進(jìn)行評價，在40 mm×40 mm的區(qū)域上造成的變形深度不能超過630 mm。對于中部評價區(qū)域和下部評價區(qū)域，應(yīng)有效考察傳力路徑在橫向上的分布情況，對評價區(qū)域內(nèi)的不同列變形數(shù)據(jù)進(jìn)行均勻性指標(biāo)計算。50百分位數(shù)值可以反映該組數(shù)據(jù)的平均水平，因此取每一列50百分位變形量數(shù)據(jù)作為代表，如圖10所示。圖中位移小于等于160 mm為橙色；161~320 mm為黃色；321~480 mm為綠色；481~630 mm為紅色，在此基礎(chǔ)上對每列的代表數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)偏差計算，參考Euro NCAP均勻性高低性能限值，進(jìn)行均勻度計算，可以得出傳力路徑在橫向上的分布情況。

圖10 不同評價區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)分列情況

標(biāo)準(zhǔn)偏差和均勻度計算公式為

式中：S'為對應(yīng)評價區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)偏差；xi為評價區(qū)域內(nèi)第i列的50百分位變形量數(shù)據(jù)；xˉ為50百分位變形量數(shù)據(jù)的平均值；α為評價區(qū)域均勻度。均勻度越大說明傳力路徑在橫向上的分布情況越好。根據(jù)上述評價方法，可以識別和評價傳力路徑及其橫向分布情況，實現(xiàn)了對副車架和高縱梁等車輛前端結(jié)構(gòu)的評價。

2.3.3 評價方法驗證

以某車型結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行評價方法驗證。提取50百分位至80百分位變形量曲線進(jìn)行傳力路徑識別（圖11），其不同評價區(qū)域的50百分位至80百分位變形量曲線均在高縱梁識別線和輔助吸能結(jié)構(gòu)識別線之間，說明該車型為圖3中的D類結(jié)構(gòu)，有兩條傳力路徑，主要吸能結(jié)構(gòu)位于中部評價區(qū)域內(nèi)，輔助吸能結(jié)構(gòu)位于下部評價區(qū)域內(nèi)。對應(yīng)評價區(qū)域提取每列50百分位數(shù)據(jù)（圖12），對其中部評價區(qū)域和下部評價區(qū)域橫向分布情況進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)偏差計算，計算值分別為110和98 mm，均勻度分別為40%和52%，說明該車兩條傳力路徑在橫向上的分布情況均有待提高。

圖11 傳力路徑識別示例

圖12 不同評價區(qū)域內(nèi)每列50百分位變形量

3 剛度評價方法

3.1 MPDB試驗中碰撞剛度分析

Euro NCAP在評價區(qū)域設(shè)置了擊穿指標(biāo)，若在40 mm×40 mm的區(qū)域上造成的變形深度超過630 mm，則判斷為擊穿［4］，但此指標(biāo)只能反映出前縱梁等零部件的局部剛度，不能反映碰撞過程中車輛前端剛度的整體情況［6-8］。

MPDB試驗過程中，存在如下關(guān)系［9］：

式中：St和Sv分別為臺車和車體的位移；Dt和Dv分別為壁障和車體的變形量；aˉ、vˉ、-S分別為兩者相對加速度、速度和位移，下標(biāo)0、1分別表示t0、t1時刻的量。

由式（2）可知，在由被撞車輛和MPDB臺車組成的碰撞系統(tǒng)中，提高壁障或車體的剛度水平可減少壁障或車體的最大變形量；增加車體的最大變形量可減少壁障的最大變形量，反之亦然。因此壁障吸能比可以反映測試車輛在碰撞過程中的整體剛度情況。

3.2 蜂窩鋁規(guī)格與吸能計算

文中采用70PDBXT ADAC蜂窩鋁為研究對象，其由3層3003蜂窩鋁塊組成，3層鋁塊粘合在一起，由鉚接鋁皮層覆蓋，后部鋁塊與背板粘合。前層（區(qū)域1）在碰撞方向上尺寸為250 mm；中間層尺寸為450 mm，包括上部區(qū)域2和下部區(qū)域3；后層（區(qū)域4）尺寸為90 mm（圖13）。

圖13 蜂窩鋁70PDBXT ADAC構(gòu)造及外觀尺寸

蜂窩單元的幾何形狀對MPDB壁障臺車碰撞能量的吸收與回彈有顯著的影響。圖14示出兩種典型的蜂窩結(jié)構(gòu)。其中θ為單元角，h為垂直構(gòu)件高度，l為角構(gòu)件長度，t為單元壁厚。

圖14 典型蜂窩單元尺寸定義

70PDBXT ADAC蜂窩鋁采用圖14（a）形式的蜂窩單元，其后層（區(qū)域4）的單元尺寸Lx為6.3 mm（1±10%），中層（區(qū)域2，3）Lx為9.5 mm（1±10%），前層（區(qū)域1）Lx為19.1 mm（1±10%）；其中前后兩層碰撞變形力恒定，中間層碰撞力隨著變形量的增加而增加，其靜態(tài)擠壓力-位移曲線應(yīng)滿足圖15中的性能通道規(guī)范要求。

圖15 70PDBXT ADAC蜂窩鋁靜態(tài)擠壓力-位移曲線要求

在碰撞過程中蜂窩鋁應(yīng)變能計算如下：

式中σij、εij、γij分別為應(yīng)力、應(yīng)變和角應(yīng)變分量。

3.3 蜂窩鋁吸能比實現(xiàn)方法

在碰撞后的蜂窩鋁上進(jìn)行定位點粘貼和噴漆處理，利用3D掃描設(shè)備進(jìn)行掃描，掃描后得到碰撞后蜂窩鋁3D表面，并將文件轉(zhuǎn)換成STL導(dǎo)入3D建模軟件，建立三維坐標(biāo)系，進(jìn)一步將坐標(biāo)系投影到曲面上，對曲面進(jìn)行處理及裁剪，按照20 mm×20 mm的間隔要求選取點，將得到的點云以ASC格式輸出得到坐標(biāo)值。根據(jù)壁障剛度特性，對評估區(qū)域內(nèi)每個蜂窩鋁單元的壓潰能量進(jìn)行計算并求和，得到壁障吸收的能量。

3.3.1 壁障壓潰強(qiáng)度

根據(jù)圖15得到區(qū)域1壓潰強(qiáng)度σ1為0.325 N/mm2，區(qū)域4壓潰強(qiáng)度σ4為1.625 N/mm2。對于中間層（區(qū)域2，3），當(dāng)蜂窩鋁壓潰行程xi≤350 mm時，壓潰強(qiáng)度為

式中：xi為在相應(yīng)區(qū)域中的壓潰行程，a、b、c、d為圖15中對應(yīng)的拐點位置。對于區(qū)域2，σa為0.41 N/mm2，σb為0.27 N/mm2，σc為0.75 N/mm2，σd為0.61 N/mm2；對于區(qū)域3，σa為0.75 N/mm2，σb為0.61 N/mm2，σc為1.09 N/mm2，σd為0.95 N/mm2。

當(dāng)中間層蜂窩鋁壓潰行程xi>350 mm時，區(qū)域2的壓潰強(qiáng)度σ2-R為0.68 N/mm2，區(qū)域3的壓潰強(qiáng)度σ3-R為1.02 N/mm2。

3.3.2 壁障吸能比

在能量吸收方向上，蜂窩鋁有效吸能行程為圖13中相應(yīng)尺寸的80%。因此最外層有效壓潰行程為200 mm；中間層的有效壓潰行程為360 mm；第3層有效壓潰行程為72 mm。根據(jù)各區(qū)域壓潰強(qiáng)度，得出每個蜂窩鋁20 mm×20 mm單元，在不同位移下的壓潰能量為

式中：s為單元面積400 mm2；xi為碰撞方向位移。對評估區(qū)域內(nèi)每個蜂窩鋁單元的壓潰能量進(jìn)行計算并求和，得到ΔE壁障。

3.3.3 吸能比限值確立

獲取20組MPDB試驗數(shù)據(jù)。其中試驗車輛縱梁高度分布如圖16所示。對試驗中的臺車壁障吸收能量進(jìn)行統(tǒng)計。計算得到臺車壁障吸能比累積百分位曲線（圖17）。其中50百分位的壁障吸能比為28%，反映出測試車輛前端剛度的平均水平。這說明，當(dāng)壁障吸能比大于28%時，壁障吸收的能量相對較多，臺車模擬的車輛乘員艙變形侵入風(fēng)險增大，測試車輛前端整體剛度較大，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化。

圖16 20款測試車型縱梁分布高度

圖17 壁障吸能比累積百分位曲線

4 結(jié)論

分析發(fā)現(xiàn)Euro NCAP推出的MPDB兼容性評價指標(biāo)無法反映車輛的前端結(jié)構(gòu)高度和碰撞載荷的傳力路徑，不能體現(xiàn)碰撞過程中車輛的整體剛度水平，因此以MPDB攻擊性測評指標(biāo)為研究對象，結(jié)合交通事故反映出的碰撞相容性影響因素，提出車輛前端結(jié)構(gòu)攻擊性能評價策略與方法。通過研究，重新劃分了蜂窩鋁評價區(qū)域，針對每個評價區(qū)域提出了對應(yīng)的評價指標(biāo)，利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的方法，得到碰撞傳力路徑監(jiān)測識別與評價方法，得出如下結(jié)論。

（1）根據(jù)車輛前端結(jié)構(gòu)相對壁障的位置，將評價區(qū)域重新進(jìn)行選取，劃分為上部評價區(qū)域、中部評價區(qū)域和下部評價區(qū)域，覆蓋了從副車架等輔助吸能結(jié)構(gòu)到高縱梁結(jié)構(gòu)，全面評價車輛前端結(jié)構(gòu)，并兼容了與EEVC正面100%相容性試驗評價區(qū)域以及VC COMPACT項目評價區(qū)域。

（2）依據(jù)交通事故碰撞不相容影響因素，提出了評價前端結(jié)構(gòu)的策略。首先進(jìn)行車輛結(jié)構(gòu)傳力路徑的識別，得到主要吸能結(jié)構(gòu)和輔助吸能結(jié)構(gòu)所在的區(qū)域，獲得傳力路徑的高度范圍；其次對傳力路徑在水平方向上的載荷分布情況進(jìn)行量化評價。

（3）通過對比同一評價區(qū)域50百分位至80百分位壁障變形量，得出了識別高縱梁結(jié)構(gòu)和副車架等輔助吸能結(jié)構(gòu)的壁障百分位變形量曲線；對上部評價區(qū)域提出了最大變形量要求，以減少騎乘現(xiàn)象的發(fā)生，對中部評價區(qū)域和下部評價區(qū)域提出了50百分位變形量標(biāo)準(zhǔn)偏差評價指標(biāo)，以使傳力路徑在橫向上均勻分布，減少叉子效應(yīng)和小重疊效應(yīng)。

（4）對MPDB壁障吸能過程進(jìn)行理論分析，提出蜂窩鋁吸能比的計算與實現(xiàn)方法。利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法得出壁障吸能比的分布情況，提出將壁障吸能比作為評價測試車輛前端整體剛度的量化指標(biāo)，并以50百分位數(shù)據(jù)作為參考限值。