基于C-NCAP MPDB的某純電平臺碰撞兼容性提升

王翼 戴尹安 田林 寧行明

（威馬汽車科技集團有限公司，成都 610100）

主題詞：移動漸進可變形壁障（MPDB）碰撞性能 兼容性 前端結(jié)構(gòu)

C-NCAP Chinese New Car Assessment Programme

E-NCAP Euro New Car Assessment Programme

MPDB Mobile Progressive Deformable Barrier

OLC Occupant Load Criterion

SD Standard Deviation

THOR Test device for Human Occupant Restraint

1 前言

目前，汽車安全性能逐漸被廣大消費者所了解重視。在現(xiàn)有碰撞法規(guī)體系下，各廠家開發(fā)的車輛在碰撞中對自身的保護性能逐步提升，安全指標越來越高。但是在車與車碰撞事故中，由于各廠家各個車輛在外觀、質(zhì)量以及結(jié)構(gòu)和剛度方面有所不同，導致車輛在碰撞中的傷害特征和變形形式也不盡相同。早在1996年，歐洲車輛安全促進委員會第15工作組（EEVC-WG15）就車輛碰撞兼容性改進方面開展了相關(guān)研究，主要就乘用車的碰撞相容性方面研究，分析集中在車輛前端結(jié)構(gòu)作用、乘員艙強度、前端碰撞力水平和變形、碰撞波形和約束系統(tǒng)4個方面。自2010年以來，德國全德汽車俱樂部（ADAC）持續(xù)開展對車與車碰撞試驗的研究，通過交通事故分析和研究，推出了新型MPDB車對車碰撞試驗,新增車輛攻擊性的評價指標，用壁障均勻性指標SD、臺車乘員載荷指標OLC和蜂窩鋁擊穿情況來綜合判定車輛的碰撞相容性。2020年1月，E-NCAP正式實施MPDB碰撞試驗以評價車輛碰撞相容性指標，中國C-NCAP也于2021年正式公布MPDB碰撞試驗規(guī)則，并于2022年1月正式實施。

車輛如何在碰撞事故中降低對方碰撞車輛的傷害，平衡不同車輛相互之間的兼容性，逐步成為目前汽車安全發(fā)展的首要環(huán)節(jié)。因此，本文基于CNCAP MPDB碰撞試驗兼容性評價指標，以原有某純電平臺某車型為研究對象，通過實車試驗，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段車輛兼容性性能存在的設計問題，通過實驗結(jié)果分析，結(jié)構(gòu)缺陷研究整改，方案CAE仿真驗算，再到改進措施最終實車測試驗證，研究總結(jié)在現(xiàn)有車輛設計狀態(tài)下如何較快速低成本優(yōu)化提升兼容性性能的開發(fā)經(jīng)驗，為該平臺后續(xù)車型兼容性性能開發(fā)提供有效參考。

2 MPDB碰撞試驗工況簡介

2.1 試驗方法

車輛與MPDB壁障小車互相以50 km/h的速度進行碰撞，重疊量為50%，壁障小車質(zhì)量為1 400 kg，壁障離地高度為150 mm，在試驗車輛的駕駛員位置放置50百分位的THOR假人，前排乘員和第二排左側(cè)位置放置5百分位的HybridⅢ女性假人，第二排右側(cè)位置放置Q10兒童假人。試驗碰撞形式如圖1所示。

壁障結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由吸能塊和連接板組成。不同的吸能塊強度不一致，具體強度分布為吸能塊C＜吸能塊B＜吸能塊A。

2.2 兼容性評分

兼容性評價基于4個參數(shù)：臺車乘員載荷準則、試驗后壁障變形量標準偏差、壁障侵入深度和侵入高度。實施的第一階段時間為2022年1月至2022年12月，兼容性最高罰分為3分；第二階段于2023年1月開始實施，最高罰分為6分。

圖1 50 km/h MPDB碰撞工況形式

圖2 50 km/h MPDB碰撞壁障形式

2.2.1 臺車乘員載荷準則

通過MPDB壁障臺車重心的向加速度A積分獲得MPDB壁障臺車的速度曲線V（CFC180濾波），如式（1）。

式中，為壁障臺車在=0 s時刻的初始速度。

MPDB臺車上虛擬假人自由向前移動65 mm時對應時刻為；虛擬假人開始受到約束，向前移動235 mm時對應時刻為。至時間內(nèi)假設虛擬假人受約束的減速度是恒定的，該值即為。計算公式如式（4）、式（5）。

式中，為壁障臺車初始速度；()為壁障臺車速度曲線；為碰撞過程中虛擬假人相對壁障臺車運動0.065 m的時刻；為碰撞過程中虛擬假人再相對壁障臺車運動0.235 m的時刻；OLC為碰撞過程中虛擬假人至時刻速度曲線的斜率。

指標實施第一階段對應最高罰分為1分，實施第二階段對應最高罰分為2分。若值小于25 g則不罰分；大于40 g，則罰最高分。處于兩者之間采用線性插值的方法得出相應分數(shù)，該分數(shù)采用四舍五入的方法保留到小數(shù)點后3位。

2.2.2 壁障變形量標準偏差

碰撞后壁障的變形標準偏差計算方式參考如下：

（1）試驗前，在壁障表面上創(chuàng)建以20 mm為邊長的等距網(wǎng)格點（總共1 400點）；

（2）試驗后，掃描變形壁障，生成最大單元尺寸不大于10 mm的網(wǎng)格；

（3）沿著碰撞方向，將（1）所得的網(wǎng)格點投影到（2）變形壁障表面上，計算評估區(qū)域每個點的侵入量。

壁障面上評估區(qū)域為矩形（圖3），其下邊界位于地面以上250 mm處（距離壁障面下邊緣100 mm），上邊界位于地面以上650 mm位置處；右邊界距離MPDB面右側(cè)邊緣200 mm處，左邊界與試驗車輛寬度相關(guān)，距離MPDB面右邊緣的距離為車寬的45%。

圖3 壁障評價區(qū)域定義

（4）計算（3）中評價區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)格侵入量的標準方差如式（6）。

式中，x為網(wǎng)格點侵入量；x為網(wǎng)格點平均侵入量。

值用來衡量在壁障面評估區(qū)域內(nèi)，網(wǎng)格單元偏離平均值的程度。值越大，數(shù)據(jù)離散程度越高，說明壁障變形越不均勻。該指標實施第一階段對應最高罰分為1分，實施第二階段對應最高罰分為2分。若值小于50 mm，不罰分；大于150 mm，則罰最高分。處于兩者之間采用線性插值的方法計算出相應分數(shù)，該分數(shù)采用四舍五入的方法保留到小數(shù)點后3位。

2.2.3 壁障侵入深度

在1.2.2中所述的壁障評估區(qū)域內(nèi)，若壁障變形侵入深度達到630 mm的面積大于40 mm×60 mm，定義為“觸底”。當出現(xiàn)“觸底”現(xiàn)象，則罰最高分。該指標實施第一階段對應最高罰分為1分，實施第二階段對應最高罰分為2。

2.2.4 壁障侵入高度

對于整備質(zhì)量狀態(tài)下，測試車輛縱梁前端底部高度大于508 mm的車輛，若試驗后壁障評估區(qū)域上邊界650 mm上方區(qū)域內(nèi)，因主吸能結(jié)構(gòu)至少造成連續(xù)6個單元（面積為20 mm×20 mm）的壓潰深度超出480 mm，且超出480 mm區(qū)域的變形云圖無衰減趨勢（圖4），則罰1分。

圖4 侵入高度示例（粗線區(qū)域為深度超出480 mm區(qū)域）

結(jié)合目前主流乘用車結(jié)構(gòu)設計及本文中該純電平臺車型前端結(jié)構(gòu)情況，車輛前端底部高度低于508 mm（圖5），不存在罰分情況，因此本文不再分析關(guān)注壁障侵入高度情況。

圖5 某純電車型前端底部示意

3 現(xiàn)有車型兼容性現(xiàn)狀

為支持平臺后續(xù)改款車型滿足21年以后上市車型可以取得C-NCAP 5星級成績，對純電動平臺某款車型開發(fā)中進行MPDB試驗摸底，分析該車型兼容性評分指標情況。具體試驗車整備質(zhì)量參數(shù)如表1所示。

表1 純電動平臺某款車型整備質(zhì)量參數(shù) kg

3.1 臺車乘員載荷準則OLC

依據(jù)上文中評價指標計算方式，可得試驗中壁障小車的值為31.9 g（圖6），按第一階段實施罰分為0.46分，按第二階段實施罰分為0.92分。

圖6 試驗壁障臺車OLC

3.2 壁障變形量標準偏差SD

試驗后獲取的壁障變形實物如圖7所示，掃描后網(wǎng)格圖如圖8所示，按上文所述確定的評價區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)點差值如圖9所示，計算標準方差值為178 mm，已經(jīng)超過150 mm，按第一階段實施罰分為1分，按第二階段實施罰分為2分。

圖7 試驗壁障變形情況

圖8 試驗壁障變形掃描網(wǎng)格

3.3 壁障侵入深度

依據(jù)表1評價區(qū)域壁障測量點差值，試驗后存在“觸底”現(xiàn)象（圖9中虛線區(qū)域），并且侵入量超過630 mm區(qū)域面積約140 mm×140 mm，超過40 mm×60 mm，罰分為1分。

圖9 評價區(qū)域壁障測量點差值

3.4 結(jié)論

綜上試驗結(jié)果，該平臺車型在MPDB碰撞中兼容性評價匯總?cè)绫?所示，值超過了評價最高值150 mm，罰分無論第一階段還是第二階段，都是最大罰分；另外，壁障變形深度超過630 mm區(qū)域也過大，存在“觸底”，罰分值也達到了最大，兼容性指標已經(jīng)很難達到開發(fā)目標要求。

表2 平臺某車型兼容性指標試驗結(jié)果

4 原因分析及改進提升

4.1 原因分析

依據(jù)動量守恒和動能守恒準則，將MPDB碰撞試驗簡化為2車碰撞下的理論模型，2車的速度變化量與質(zhì)量成反比，測試車輛越重，自身車輛的速度改變量就越小，而造成對方車輛的速度改變量就越大。參照上文表1可得，本例試驗車輛質(zhì)量大于試驗壁障臺車質(zhì)量（1 400 kg），臺車所受沖擊較大，速度改變量較大，因而臺車值也較大。

本例試驗中，值已經(jīng)超過最大罰分值，并且存在壁障“觸底”現(xiàn)象，與車輛碰撞過程中剛度與吸收能量分配有關(guān)。值大小反應出評價區(qū)域內(nèi)壁障變形的均勻程度，對比試驗車輛前端結(jié)構(gòu)與MPDB壁障的重疊區(qū)域（圖10），及試驗后評價區(qū)域壁障測量點差值（圖9），壁障變形大的區(qū)域集中對應在左側(cè)縱梁位置，這也是導致值偏大的原因，詳見4.1.1~4.1.3。

圖10 試驗車輛前端結(jié)構(gòu)與MPDB壁障重疊區(qū)域示意

4.1.1 前防撞梁尺寸過小

防撞梁設計橫向（向）寬度過小，輪罩側(cè)邊梁與防撞梁之間存無碰撞傳遞結(jié)構(gòu)（圖11），壁障評價區(qū)域內(nèi)外側(cè)約1/3區(qū)域未完全參與碰撞吸能變形。另外，防撞梁垂向（向）高度不足，臺車壁障受力較為集中（圖12），且變形過大導致應力集中存在斷裂風險（圖13）。

圖11 試驗車輛碰撞結(jié)構(gòu)俯視示意

4.1.2 前端結(jié)構(gòu)單一

車身前端結(jié)構(gòu)碰撞傳遞路徑單一（圖12），前縱梁下部無碰撞傳遞結(jié)構(gòu)與副車架連接，副車架未參與碰撞，壁障評價區(qū)域下方約1/2區(qū)域未完全參與碰撞吸能變形。

4.1.3 前端剛度過強

車輛前端吸能盒及縱梁剛度較強，碰撞中壓潰變形較?。▓D13），縱梁直插對應壁障區(qū)域，導致侵入變形量很大；縱梁高度約120 mm，與試驗“觸底”區(qū)域高度140 mm相吻合。

圖12 試驗車輛碰撞結(jié)構(gòu)側(cè)向示意

圖13 試驗后前端結(jié)構(gòu)變形情況

4.2 優(yōu)化改進

本例中該平臺車型質(zhì)量大于壁障臺車質(zhì)量，屬于“重車”，依據(jù)兼容性碰撞的研究結(jié)論，適當增加車輛前懸并在吸能強度匹配合理的情況下，可以容易降低值；但對于平臺改款車型，前懸布置空間幾乎不變，若平臺改動量較大，則不利于車型開發(fā)成本及時間的控制。對比目前行業(yè)車輛兼容性碰撞試驗結(jié)果，車輛整備質(zhì)量與值相關(guān)性研究，目前該平臺車型處于平均正常水平（圖14），故暫不對值做提升優(yōu)化，重點優(yōu)化值及“觸底”問題上。

優(yōu)化值及“觸底”的問題，主要在于前端結(jié)構(gòu)的改進，與車輛整備質(zhì)量相關(guān)性較小，可通過變換前端結(jié)構(gòu)傳遞路徑和分散前端結(jié)構(gòu)碰撞能量來改善蜂窩鋁均勻性指標?；谏衔闹性撥囆驮囼灪蟮慕Y(jié)果及原因分析，重點優(yōu)化方向針對防撞梁及前縱梁轉(zhuǎn)遞路徑上，具體改進措施見4.2.1~4.2.3。

圖14 壁障臺車OLC與試驗車輛整備質(zhì)量（m）曲線[13]

4.2.1 前防撞梁

前防撞梁作為MPDB碰撞接觸變形重要結(jié)構(gòu)件，需要足夠的強度及抗折彎性能，保證有效的變形模式。針對改款車型，材質(zhì)更改有延展性更高度鋁合金型材，能有效提升抗彎性和壓潰性；截面形式由原來的“口”型更改為“日”型，有效垂向截面尺寸由原來的90 mm提升至124 mm（圖15），橫向?qū)挾认啾仍Y(jié)構(gòu)外伸約110 mm（圖16），在原車型布置空間內(nèi)增加評價區(qū)域內(nèi)防撞梁對壁障的覆蓋面積約82.7%。

圖15 改進前后防撞梁Z向截面尺寸對比

圖16 改進后車輛碰撞結(jié)構(gòu)俯視示意

4.2.2 副車架

在原副車架上增加副車架縱梁，截面形式為封閉“口”型結(jié)構(gòu)，補缺原傳遞路徑縱梁下方的區(qū)域，并通過縱梁端板結(jié)構(gòu)與原縱梁連接，形成新的碰撞傳遞路徑。新設計的副車架縱梁前端高度以壁障評價區(qū)域下邊界為參考，解決原壁障評價區(qū)域下方1/2區(qū)域無碰撞傳遞結(jié)構(gòu)問題（圖17、圖18）。

4.2.3 前端結(jié)構(gòu)

輪罩側(cè)邊梁往前延伸，下移與縱梁端板結(jié)構(gòu)連接，將原車型壁障評價區(qū)域左側(cè)碰撞結(jié)構(gòu)未覆蓋面積減少至1/4，與新增的副車架縱梁形成新的碰撞傳遞路徑（圖17、圖18）。

圖17 改進后車輛前端結(jié)構(gòu)與MPDB壁障重疊區(qū)域示意

圖18 改進后車輛碰撞結(jié)構(gòu)側(cè)向示意

5 仿真分析及實車驗證

5.1 仿真分析

建立改進后車身結(jié)構(gòu)分析模型（圖19），具體參數(shù)如表3所示，仿真分析車輛參數(shù)與原車型相當。

圖19 改進后車型MPDB仿真模擬分析模型

通過仿真分析模擬，改進后車型在MPDB中兼容性指標具體結(jié)果見5.1.1~5.1.2。

表3 改進后仿真分析車型整備質(zhì)量參數(shù) kg

5.1.1 壁障臺車

改進后壁障臺車曲線如圖20所示，其值為35.4 g，相比優(yōu)化前試驗值有所上升，分析原因這與壁障模型精確度和質(zhì)量變化有關(guān)，總體處于同一水平，待后續(xù)實車驗證。

圖20 改進后仿真分析壁障臺車OLC曲線

5.1.2 壁障變形量標準偏差

改進后仿真分析壁障變形情況如圖21所示，總體變形情況較改進前有較大改善，讀取壁障變形掃描網(wǎng)格（圖22），評價區(qū)域內(nèi)變形情況，無擊穿觸底現(xiàn)象，變形均勻，按評價指標計算標準方差值為85.4 mm。

圖21 改進后仿真分析壁障變形情況

圖22 改進后仿真分析壁障變形掃描網(wǎng)格

通過改進后車型仿真分析最終結(jié)果（表4），在值及觸底兩項上優(yōu)化提升明顯，罰分相比老款車型大幅降低，達到設計改進的目標要求。

表4 改進后車型在MPDB中兼容性指標仿真分析結(jié)果

5.2 試驗驗證

改進后模型仿真分析顯示，在MPDB中兼容性指標均優(yōu)化明顯，將理論改進方案實施在該平臺改款車型上，再一次進行實車碰撞試驗（圖23），改進后車型參數(shù)如表5所示。前后試驗對比驗證改進方向可靠性，為仿真分析對標提供試驗依據(jù)，為后續(xù)兼容性指標開發(fā)提供經(jīng)驗參考。

圖23 該平臺改進后車型實驗實車狀態(tài)

表5 改進后試驗車型整備質(zhì)量參數(shù) kg

5.2.1 壁障臺車

改進后實車實驗壁障臺車曲線如圖24所示，其值為32.86 g，略高于優(yōu)化前車型（31.90 g），原因主要在于試驗車輛整備質(zhì)量的增加，及前端結(jié)構(gòu)的變化，處于同級別車型行業(yè)正常水平，但是低于仿真分析值。

圖24 改進后試驗壁障臺車OLC曲線

5.2.2 壁障變形量標準偏差

改進后試驗所得壁障臺車變形如圖25所示，測量區(qū)域變形均勻，并且無擊穿觸底現(xiàn)象。評價區(qū)域內(nèi)的壁障變形測量點差值如圖26所示，計算變形量標準偏差僅77.93 mm，略低于仿真分析值，較改進前試驗值（178 mm）降低十分明顯。測量區(qū)域下部小塊區(qū)域（圖25、圖26圓圈標記區(qū)域）因新增車架碰撞傳遞路徑結(jié)構(gòu)變形不充分（圖27圓圈標記區(qū)域），導致壁障變形突兀較大，后續(xù)優(yōu)化還需要對該碰撞結(jié)構(gòu)剛度前段進行弱化及誘導變形。

圖25 改進后實驗壁障臺車變形狀態(tài)

圖26 改進后評價區(qū)域壁障測量點差值

圖27 改進后車輛前端結(jié)構(gòu)變形情

根據(jù)整理改進前后實車試驗情況，MPDB碰撞試驗兼容性指標匯總結(jié)果如表6所示，通過試驗前結(jié)果排查，原因分析和方案仿真驗算，到改進后實車驗證，該平臺前端結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案能有效提升車輛MPDB碰撞試驗兼容性指標。

表6 改進前后該平臺車型兼容性指標結(jié)果對比

6 總結(jié)

2022年，C-NCAP將在原有的碰撞試驗基礎(chǔ)上正式開展正面MPDB測試，通過碰撞兼容性考核推動大車小車和諧一體的安全交通環(huán)境。本文以該工況性能提升為目標，基于某純電動平臺早期車型，獲取了MPDB試驗現(xiàn)狀結(jié)果，通過研究分析其原因、低成本優(yōu)化方案措施仿真驗算，并最終在該平臺改款車型上實施并再一次進行了實車試驗驗證，驗證結(jié)果表明MP?DB兼容性指標罰分改進明顯，為今后平臺車型兼容性性能開發(fā)提供有效經(jīng)驗參考。

（1）壁障臺車優(yōu)化，很大程度由試驗車整備質(zhì)量起決定作用，在行業(yè)同水平下，優(yōu)化更改范圍成本有限，可以不作優(yōu)化。

（2）為提升兼容性值，車輛的前端結(jié)構(gòu)需要針對性設計考慮。在臺車壁障評價區(qū)域內(nèi)，車身防撞梁前端有效接觸面積需盡量覆蓋；車輛前端結(jié)構(gòu)設計應協(xié)調(diào)統(tǒng)一，增加副車架小縱梁第3條傳遞路徑，通過縱梁端板結(jié)構(gòu)將縱梁、輪罩側(cè)邊梁2條傳遞路徑連接。

（3）車輛前端結(jié)構(gòu)各傳遞路徑剛度需要合理匹配，可降低壁障測量范圍內(nèi)局部區(qū)域變形過大情況。

（4）平臺改進后仿真分析與實車試驗數(shù)據(jù)對比，值及值均較試驗值偏大，后續(xù)需要繼續(xù)研究對標分析試驗與仿真分析的差異關(guān)聯(lián)因素，提升仿真分析準確度。

（5）改進后車輛MPDB試驗僅僅為車輛正面碰撞試驗中的一項，后續(xù)還需要研究前端結(jié)構(gòu)改進后對其它碰撞工況，如正面剛性壁障、行人保護等試驗的影響關(guān)聯(lián)性，進一步提升平臺車型多工況開發(fā)，適應不同開發(fā)目標的要求。