基于MPDB工況的碰撞相容性優(yōu)化策略研究

程豹，楊帥，李根，侯延軍

(中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司，天津 300300)

0 引言

近年來，隨著各國法規(guī)和NCAP測評(píng)規(guī)程的不斷發(fā)展，以及汽車制造商應(yīng)對汽車技術(shù)發(fā)展挑戰(zhàn)方面的不斷努力，乘用車的自我保護(hù)性能得到了大幅提升,整車被動(dòng)安全性能開發(fā)也不斷向著更深的層次發(fā)展。

隨著對交通事故的深入研究，發(fā)現(xiàn)符合NCAP配置要求的車輛在車與車正面碰撞時(shí)，人員損傷情況卻很不理想[1]。究其原因，NCAP中正面評(píng)估汽車自我保護(hù)性能的前提是汽車的主體結(jié)構(gòu)在碰撞中可以被有效地撞擊，然而在車與車正面碰撞中，碰撞情況并非總是如此。許多正面碰撞中，縱梁未受到碰撞或防撞橫梁與前端框架分離，導(dǎo)致車輛不能充分利用前艙變形區(qū)潰縮變形，進(jìn)而減少生存空間，導(dǎo)致較大傷亡。因此，要進(jìn)一步提升車輛整體的安全性能，僅實(shí)現(xiàn)車輛乘員的自我保護(hù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。相容性，即平衡車輛自我保護(hù)和對乘員的保護(hù)，是汽車碰撞安全接下來的重要研究方向。

相容性問題探究由來已久，全面的研究始于1997年國際協(xié)調(diào)研究活動(dòng)(IHRA)相容性工作組的成立，主要有美國的NHTSA、公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)和汽車制造商聯(lián)盟(AAM)，日本的國土交通運(yùn)輸部(MLIT)和汽車工業(yè)協(xié)會(huì)(JAMA)等參與其中[2]。碰撞相容性問題源于車對車碰撞，然而車對車碰撞又是一個(gè)極其復(fù)雜的工況，因?yàn)樯婕暗能囕v和形式多種多樣，所以一直以來都很難確定一種既實(shí)用又合理的方法來全面揭示車對車正面碰撞情況。許多機(jī)構(gòu)通過各自的方法，如固定壁障、碰撞力墻等方式，進(jìn)行相容性研究，并提出大量的結(jié)論和建議[3-5]。

E-NCAP于2013年開始對相容性測試程序和評(píng)估規(guī)則展開一系列的研究，2017年在車輛提升安全會(huì)議上提出MPDB測試工況，該測試方法的基礎(chǔ)由FIMCAR提出，由ADAC進(jìn)一步修改，并確立2020年將MPDB作為全球第一個(gè)相容性評(píng)級(jí)方法開始實(shí)施。隨著MPDB測試的使用運(yùn)行，持續(xù)了多年的相容性研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。

2021年起，C-NCAP在正面碰撞測試中取消ODB測試工況，增加MPDB測試工況。文中將以MPDB測試為基礎(chǔ)，研究前端結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、剛度對相容性影響的規(guī)律，并提出改進(jìn)策略。

1 MPDB工況介紹

1.1 MPDB C-NCAP測試規(guī)范

MPDB測試規(guī)范[6]如圖1所示，測試車輛與壁障臺(tái)車分別以50 km/h速度相向行駛，撞擊覆蓋率為測試車寬的50%。測試車輛主駕配置THOR 50th假人，副駕配置Hybrid III 50th女性假人。第二排撞擊側(cè)配置Hybrid III 50th女性假人，非撞擊側(cè)配置Q10兒童假人，用于兒童保護(hù)評(píng)估。移動(dòng)壁障是由移動(dòng)臺(tái)車和其前端搭載的漸進(jìn)的可變形蜂窩鋁狀壁障組成，總質(zhì)量1 400 kg。

圖1 MPDB測試形式

1.2 評(píng)價(jià)方法

C-NCAP的測試評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)包括假人傷害得分和修正罰分，既通過高速影像，假人運(yùn)動(dòng)軌跡或者車身結(jié)構(gòu)變形發(fā)現(xiàn)的問題，對假人傷害得分予以減少。MPDB測試中，主體依然延續(xù)了這樣的評(píng)價(jià)方式。壁障兼容性評(píng)估是MPDB測試中引入的新的分?jǐn)?shù)修正體系。

MPDB測試等級(jí)評(píng)估分為兩部分：車輛自我保護(hù)評(píng)估和壁障兼容性評(píng)估。乘員自我保護(hù)總分在0～24分不等，依據(jù)受傷程度采用滑動(dòng)評(píng)分法計(jì)算乘員頭頸部、胸腹部、骨盆大腿、小腿腳部得分。兼容性罰分總分在0～6分不等，罰分項(xiàng)主要包括載荷準(zhǔn)則(OLC)、標(biāo)準(zhǔn)差(SD)、擊穿、結(jié)構(gòu)高度。其中結(jié)構(gòu)高度為門檻值，最高罰1分;OLC、SD為差值罰分，最高罰分均為2分;擊穿為門檻值，最高罰2分。

1.3 相容性評(píng)估

相容性評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有3個(gè)：

(1)碰撞后壁障測量的入侵SD；

(2)依據(jù)壁障減速度測得的OLC；

(3)通過壁障入侵深度測得的壁障底部擊穿。

壁障變形均勻性基于評(píng)價(jià)區(qū)域(圖2)內(nèi)侵入深度測量的SD。入侵量是通過碰撞后掃描壁障變形云圖得到的(圖3)。由于車輛撞擊后的運(yùn)動(dòng)，壁障外側(cè)將被側(cè)向加載，蜂窩面將被彎曲而不是壓縮。這將導(dǎo)致不同的變形，所以評(píng)估區(qū)域距離壁障外側(cè)200 mm。受壁障覆蓋板影響，最下端邊界離地250 mm，最上端邊界離地650 mm，區(qū)域?qū)挾葹檐噷挼?0%。SD的評(píng)估基于一個(gè)線性的范圍，50 mm為較高性能極限，150 mm為較低性能極限。這一評(píng)估指標(biāo)的背后意義是考察車輛前端的均質(zhì)性，平面越平，載荷的分布越好。

圖2 壁障評(píng)價(jià)區(qū)域

圖3 壁障變形掃描

OLC主要對碰撞過程中壁障臺(tái)車的減速度進(jìn)行評(píng)估。減速度越小，壁障車輛受到的額外加載力也就越小。具體定義是指在碰撞過程中，假定臺(tái)車虛擬假人經(jīng)歷勻速運(yùn)動(dòng)(0-t1)和勻減速運(yùn)動(dòng)(t1-t2)兩個(gè)階段，勻減速運(yùn)動(dòng)的恒定加速度值，即為OLC值。OLC值的評(píng)估范圍在25～40g之間，計(jì)算公式如下所示：

v0-OLC×(t2-t1)=vt2

式中：v0為臺(tái)車初始速度，t1為壁障虛擬假人前向自由位移0.065 m時(shí)刻，t2為壁障虛擬假人受到約束后再向前移動(dòng)0.235 m時(shí)刻。

碰撞后，車身上若有堅(jiān)硬的物件穿透壁障底部，將會(huì)有額外的分?jǐn)?shù)修正，即壁障擊穿。具體是指車輛結(jié)構(gòu)穿透壁障深度超過630 mm，寬度區(qū)域超過40 mm×60 mm。

2 相容性影響因素

多年來碰撞安全開發(fā)體系是通過不斷研究真實(shí)的交通事故，并試圖了解造成乘員傷害的因果機(jī)制而形成的。過去的十五年里，小型車、SUV、混動(dòng)、純電的市場份額不斷增加，整備質(zhì)量也從0.6～2.4 t不等；在FRB、ODB等標(biāo)準(zhǔn)工況的推動(dòng)下，車身剛度提升了很多，同時(shí)對基于吸能提升的車輛前艙的設(shè)計(jì)理念也有了較好的理解。隨著對行人弱勢群體保護(hù)、車輛可維修性、車身造型等要求的不斷提升，汽車前端設(shè)計(jì)也處在一個(gè)相互矛盾的約束之中。每個(gè)制造商結(jié)合各自車型的定位和側(cè)重，形成各種各樣的前端設(shè)計(jì)、前艙布置等來滿足需求。之前的研究[7]確認(rèn)了整備質(zhì)量、前艙剛度以及結(jié)構(gòu)布置是影響碰撞相容性的主要因素。每個(gè)車型各因素之間有較大的差異性，增大了碰撞不兼容的可能性。

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是試驗(yàn)設(shè)計(jì)中較常見的一種，通過挑選有代表的方案進(jìn)行試驗(yàn)，利用較少的試驗(yàn)得到試驗(yàn)因素對指標(biāo)的影響規(guī)律，得出最優(yōu)搭配。本次試驗(yàn)擬采用3個(gè)因素，每個(gè)因素選取了3個(gè)水平，因此選用正交表為L9(33)。試驗(yàn)編排如表1所示。

表1 L9(33)正交試驗(yàn)

2.2 試驗(yàn)因子和水平

以某SUV有限元模型為基礎(chǔ)，選取整備質(zhì)量m、前艙剛度k、前端結(jié)構(gòu)布置為變量，來模擬不同質(zhì)量、前艙剛度、前端結(jié)構(gòu)布置的車輛在MPDB工況下碰撞兼容性的表現(xiàn)。

通過調(diào)整鋼材部件密度，來達(dá)到整備質(zhì)量增加和減輕20%，同時(shí)保持車輛前艙剛度不變。通過調(diào)整前艙結(jié)構(gòu)件的材料強(qiáng)度，達(dá)到前艙剛度增加和減少20%，同時(shí)保持整備質(zhì)量不變。通過調(diào)整傳力路徑數(shù)量達(dá)到改變結(jié)構(gòu)布置的目的，增加副車架傳力路徑，增加指前粱傳力路徑。試驗(yàn)因子及水平如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素和水平等級(jí)

2.3 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)及分析

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 MPDB試驗(yàn)結(jié)果極差分析

對于OLC,各個(gè)因子的極差值較為相近，因子主次順序依次為C、B、A，隨著車身傳力路徑的增多，車輛與壁障接觸面積加大，碰撞力增加，壁障加速度上升。增加整備質(zhì)量和前艙剛度均會(huì)造成OLC值呈線性增加。最優(yōu)水平組合為C1B1A1。對于SD，各因子主次順序?yàn)镃、B、A，其中車身傳力路徑的因子對于SD影響占比較高，整備質(zhì)量、前艙剛度的變化對于SD值影響極小。接觸面積越大，壁障潰縮越均勻。前艙剛度的整體均勻變化，對壁障潰縮的范圍影響不大。最優(yōu)水平組合C3B1A1。綜合來看，對該車型OLC、SD等壁障相容性指標(biāo)的影響主次順序，依次為前端結(jié)構(gòu)布置、前艙剛度、整備質(zhì)量。結(jié)構(gòu)布置對SD值影響較大，因此該車型綜合考慮采用3條傳力路徑，增大與壁障接觸面； 前艙剛度和整備質(zhì)量對OLC的影響權(quán)重占比較大，前艙剛度越低，整備質(zhì)量越少，車輛攻擊性就小，壁障OLC值越低，對于SD的影響權(quán)重較小。因此對于該車型相容性結(jié)構(gòu)開發(fā)，最優(yōu)組合為C3B1A1，即增加車輛前端結(jié)構(gòu)布置，適度調(diào)整降低前艙剛度，輕量化車身。

3 相容性開發(fā)策略

在傳統(tǒng)的FRB和ODB等正面碰撞工況開發(fā)中，更加強(qiáng)調(diào)的是乘用車本身結(jié)構(gòu)件對于碰撞能量的吸收能力。碰撞產(chǎn)生的能量越大，在保證乘員安全的前提下，乘用車前艙剛度也需隨之增加，這就造就了測試車輛質(zhì)量越大，前艙剛度就越大的設(shè)計(jì)理念。MPDB工況整車相容性的開發(fā)，更加強(qiáng)調(diào)兩車對撞中的“雙贏”結(jié)果，需要綜合“自我保護(hù)”和“對他保護(hù)”的矛盾。相容性可以描述為兩輛車以一種平衡的方式分配能量的能力，從而為車內(nèi)人員提供相同生存機(jī)會(huì)?！白晕冶Ｗo(hù)”就是車廂具備一定的抗壓能力和穩(wěn)定性?！皩λＷo(hù)”就是車輛在達(dá)到自我保護(hù)力之前具備一定的吸能能力。

兩車對撞中，碰撞能量可以以一種平衡的方式分配的前提是兩車結(jié)構(gòu)具備交互性。交互性是指與其他車輛發(fā)生碰撞時(shí)，車輛結(jié)構(gòu)在局部水平上具備一定的變形模式，防止出現(xiàn)“鉆騎”現(xiàn)象，一旦發(fā)生“鉆騎”現(xiàn)象，前艙主要吸能結(jié)構(gòu)件失能，勢必會(huì)對一方造成較大的損傷。因此，在車輛設(shè)計(jì)開發(fā)前期如何進(jìn)行前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是需要重點(diǎn)考慮的問題。第一，載荷分布均勻，前端結(jié)構(gòu)變形吸能滿足一定的設(shè)計(jì)目標(biāo)；第二，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，即車輛結(jié)構(gòu)在不同加載條件下具有均勻變形的特征。

MPDB壁障提供平整均勻的碰撞表面，若想在該評(píng)價(jià)中得到較好的結(jié)果，所有測試車輛不論質(zhì)量如何，都需要提供一個(gè)均勻的前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如果不同質(zhì)量車輛前端結(jié)構(gòu)的均勻性都設(shè)計(jì)在一個(gè)相近的水平，那么碰撞能量所有車輛質(zhì)量之間傳遞的概率是相同的；剛度的差異是造成車輛乘員艙壓潰的主要原因。較高的結(jié)構(gòu)剛度將導(dǎo)致較大的碰撞力，壁障臺(tái)車沖擊器加速度上升較快，且峰值較大。同樣地，若整車前艙剛度不變，只降低整備質(zhì)量，將會(huì)導(dǎo)致測試車輛加速度增加，壁障加速度小幅減小。SD值對于車輛乘員損傷之間并沒有直接相關(guān)的關(guān)系。OLC值與車身減速度、車身入侵有較大的聯(lián)系，能較好地反映剛度的匹配和質(zhì)量比情況。

4 碰撞相容性結(jié)構(gòu)改進(jìn)

整備質(zhì)量與汽車本身特性和車型定位相關(guān)，通常在安全開發(fā)中，難以有較大改變。因此針對該車型主要從前艙剛度和前端結(jié)構(gòu)布置等進(jìn)行改進(jìn)。

(1)前端結(jié)構(gòu)采用上、中、下3條傳力路徑，Z向截面上盡可能覆蓋壁障表面。如圖4所示，水箱框架采用全框式結(jié)構(gòu)，上部水箱框架前端增加橫梁結(jié)構(gòu)，中部增加防撞梁Z向截面，Z向尺寸擴(kuò)大至130 mm，并向外側(cè)延伸前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)與“shotgun”結(jié)構(gòu)搭接。碰撞中，延伸部分有助于壓潰車輪前方的蜂窩鋁結(jié)構(gòu)，從而提升SD值。下部增加副防撞梁和吸能盒，與主防撞梁形成一個(gè)平面。

圖4 車輛前端結(jié)構(gòu)布置

(2)降低前艙關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度。車輛前艙和壁障剛度決定了碰撞力的大小，進(jìn)而決定了OLC值的大小。因此為了降低OLC值，需要減少碰撞力大小。對于整備質(zhì)量較大的車輛，應(yīng)降低主要吸能部件剛度。車輛縱梁厚度降低0.4 mm,內(nèi)部加強(qiáng)板降低0.5 mm。弱化下彎梁結(jié)構(gòu)。

(3)增加縱梁前端截面，降低縱梁下表面Z向高度，加大主吸能部件與壁障的接觸。防止縱梁過高，引起罰分。

對上述方案改進(jìn)后，將碰撞模型進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。曲線和壁障入侵對比如圖5和圖6所示。由圖可知，前端結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，與壁障接觸面積增加，壁障左側(cè)壓潰面積增大，分散了右側(cè)的入侵，壁障整體入侵更加均勻，壁障入侵減小，SD值降低。相反地，車身前艙結(jié)構(gòu)被較多地?cái)D壓變形吸能，前圍板入侵增大。整車加速度和壁障加速度均有一定程度降低，攻擊性罰分減小。

表5 方案改進(jìn)結(jié)果

圖5 整車加速度與壁障速度曲線對比

圖6 壁障入侵云圖對比

5 結(jié)束語

文中以某SUV的MPDB工況為例，仿真模擬分析了車輛質(zhì)量、前艙剛度、前端結(jié)構(gòu)3個(gè)因素對于相容性指標(biāo)的影響規(guī)律和主次順序，提出了相容性優(yōu)化策略;優(yōu)先考慮車輛前端結(jié)構(gòu)交互性設(shè)計(jì);其次通過調(diào)整前艙剛度大小和輕量化車身設(shè)計(jì)來保證車輛在達(dá)到自我保護(hù)力之前，可以吸收一部分能量。依據(jù)該分析策略，針對某車型提出了前部剛度和結(jié)構(gòu)布置的調(diào)整方案。方案改進(jìn)后，明顯提升了該車型的相容性指標(biāo)，降低了攻擊性罰分。