一種側(cè)面碰撞用蜂窩鋁壁障性能開發(fā)與驗(yàn)證

朱海濤 楊佳璘 段丙旭

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

主題詞：側(cè)碰臺(tái)車 可變形壁障 碰撞剛度

1 前言

側(cè)面可變形壁障作為車輛側(cè)面碰撞試驗(yàn)中重要的測(cè)試裝置，代表著碰撞車輛剛度水平。歐美在制定其碰撞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，均開發(fā)出符合地區(qū)車輛特征的可變形壁障，用于模擬車輛正面與側(cè)面碰撞事故。

1990 年，美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全標(biāo)準(zhǔn)FMVSS 214 進(jìn)行了修訂，采用的鋁蜂窩壁障臺(tái)車[1]參數(shù)代表美國(guó)乘用車和輕型卡車典型特征[2]。2003 年，美國(guó)公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)（Insurance Institute for Highway Safety，IIHS）在FMVSS 214 壁障基礎(chǔ)上開發(fā)了新壁障，用于模擬皮卡和SUV 前端碰撞性能[3-4]。2019 年，IIHS 研究發(fā)現(xiàn)，IIHS 移動(dòng)變形壁障（Moving Deformable Barrier，MDB）與車輛發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)，被撞車輛的一些運(yùn)動(dòng)特征與兩車碰撞中的行為不匹配[5]，主要表征為兩個(gè)方面：一是肇事車輛與MDB 臺(tái)車造成的被撞車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)不同；二是被撞車輛B 柱垂直變形模式不同。因此IIHS-MDB 2.0 壁障于2020 年推出，很好地解決了上述問題。

2001 年，歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)發(fā)現(xiàn)ECE R95 使用的MDB 不能完全代表歐洲車型前部特性，也不能同時(shí)有效考核前、后排座椅上乘員的損傷情況，因此公布了最終版本AE-MDB V3.9 的性能要求，并使其在EURONCAP 2017版本規(guī)程中得到了應(yīng)用[6]。

中國(guó)側(cè)面碰撞標(biāo)準(zhǔn)GB 20071—2006 及《C-NCAP管理規(guī)則（2021 年版）》側(cè)面碰撞試驗(yàn)中，壁障規(guī)格分 別 引 用 了EEVC-2000 MDB 和AE-MDB[7]。2021 年C-NCAP 依據(jù)中國(guó)道路事故及車輛特征提出新壁障開發(fā)計(jì)劃，預(yù)計(jì)在2025年版管理規(guī)則中得到應(yīng)用。

因此，本文基于我國(guó)道路車輛碰撞情況定義蜂窩鋁壁障及臺(tái)車開發(fā)目標(biāo)，運(yùn)用Tresca理論指導(dǎo)壁障臺(tái)車設(shè)計(jì)開發(fā)，并通過剛性墻壁障碰撞試驗(yàn)進(jìn)行蜂窩鋁壁障性能驗(yàn)證與優(yōu)化。

2 交通事故數(shù)據(jù)分析

本文基于2011～2020 年中國(guó)交通事故深入調(diào)查（China In-Depth Accident Study，CIDAS）數(shù)據(jù)庫(kù)中典型側(cè)面碰撞事故案例進(jìn)行事故特征數(shù)據(jù)分析。

對(duì)側(cè)面碰撞工況進(jìn)行定義：被撞車輛側(cè)圍必須參與碰撞變形，碰撞時(shí)車輛縱向中心線形成的夾角應(yīng)大于45°，否則認(rèn)為是同向刮擦。

符合工況定義的案例共103起，其中95起出現(xiàn)人員傷亡情況，29 起出現(xiàn)重傷或死亡現(xiàn)象，分布情況如表1所示。由表1 可知，隨著肇事SUV 車型所占比例的提高，被撞車輛乘員傷亡程度逐步增加。因此，本文確定以SUV車型作為研究對(duì)象。

表1 被撞車輛乘員傷亡與肇事車型占比關(guān)系 %

103起事故中，肇事車輛為SUV（或皮卡）的事故共26起，對(duì)其中16起事故的碰撞速度進(jìn)行仿真，對(duì)另外10起事故的碰撞速度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，確定如圖1所示的肇事車輛車速與被撞車輛乘員傷害程度關(guān)系曲線。由圖1可知，肇事車輛速度不超過60 km/h時(shí)，覆蓋被撞車輛乘員輕傷86.67%、重傷40%、死亡50%的范圍。因此將60 km/h 作為壁障開發(fā)目標(biāo)速度，轉(zhuǎn)換成壁障臺(tái)車撞擊剛性墻的等效速度[8]約為40 km/h。

圖1 肇事車輛速度與被撞車輛乘員傷害程度關(guān)系

3 車輛特征參數(shù)提取

3.1 碰撞剛度

運(yùn)用測(cè)力墻壁障釆集車輛前端碰撞載荷，獲取車輛前端總體及各劃分區(qū)域剛度。

依據(jù)GB 11551—2014《汽車正面碰撞的成員保護(hù)》試驗(yàn)方法，試驗(yàn)車輛以40 km/h 速度正面撞擊剛性測(cè)力墻壁障。在剛性壁障上安裝128 塊尺寸為125 mm×125 mm 的載荷傳感器單元，用于采集車輛前端各劃分區(qū)域碰撞力，如圖2 所示；在車輛B 柱安裝加速度傳感器，用于測(cè)量和計(jì)算車輛碰撞過程中的位移。

圖2 碰撞測(cè)力墻單元區(qū)域劃分

對(duì)劃分區(qū)域碰撞力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：

式中，F(xiàn)(j)(k)wavg為編號(hào)為j的區(qū)域內(nèi)k位移點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的碰撞力加權(quán)平均值；F(j)(k)i為車輛i在編號(hào)為j的區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)k位移點(diǎn)的碰撞力；j=1,2,3,4,5,6；k=0 mm,50 mm,100 mm,150 mm,200 mm,250 mm,300 mm；Ni為車輛i的銷量；n為車型數(shù)量。

獲得25 款SUV 車型前端整體碰撞力-位移曲線如圖3所示，根據(jù)式（1）計(jì)算獲取平均碰撞力-位移曲線如圖4 所示。按同樣處理方法獲得各劃分區(qū)域平均碰撞力-位移曲線如圖5所示，并以此作為蜂窩鋁開發(fā)依據(jù)。

圖3 25款SUV車型整體碰撞力-位移曲線

圖4 25款SUV車型整體平均碰撞力-位移曲線

圖5 25款SUV各區(qū)域平均碰撞力-位移曲線

3.2 外觀尺寸

車輛外觀尺寸數(shù)據(jù)通過企業(yè)填寫調(diào)查表的形式獲取，調(diào)查內(nèi)容包括車輛總體寬度、前減振器上端高度、縱梁上、下表面高度和整備質(zhì)量等9項(xiàng)參數(shù)。表2所示為項(xiàng)目獲取的43款SUV車型外觀尺寸平均值。

表2 車輛外觀參數(shù)尺寸 mm

3.3 車輛質(zhì)量

選取市場(chǎng)上2017～2021 年有銷量數(shù)據(jù)的SUV 車型進(jìn)行整車整備質(zhì)量統(tǒng)計(jì)。其中包括大型SUV 20 款，中型SUV 76款，緊湊性SUV 110款。圖6所示為SUV質(zhì)量隨上市年份變化趨勢(shì)。

圖6 SUV整車整備質(zhì)量變化趨勢(shì)

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，得到SUV平均整備質(zhì)量為1 622 kg，考慮到駕駛員質(zhì)量約為75 kg，加和并圓整后將移動(dòng)壁障臺(tái)車質(zhì)量設(shè)定為1 700 kg。

4 蜂窩鋁壁障性能參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1 剛度參數(shù)定義

根據(jù)車輛各區(qū)域力-位移曲線進(jìn)行各分區(qū)碰撞能量計(jì)算：

式中，Earea為各分區(qū)碰撞能量；Farea為各分區(qū)內(nèi)碰撞力；dn為各分區(qū)內(nèi)壓潰變形量；t0為車輛開始接觸時(shí)刻；t1為相應(yīng)區(qū)域壓潰行程為300 mm對(duì)應(yīng)時(shí)刻[8-10]。

計(jì)算獲得各分區(qū)碰撞能量占比如表3所示。由表3可知，區(qū)域4、區(qū)域6 為碰撞過程中的主要吸能區(qū)域，是蜂窩鋁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。

根據(jù)各區(qū)域碰撞能量和面積計(jì)算得到各區(qū)域的等效碰撞應(yīng)力為：

式中，σi、Ei、Ai分別為區(qū)域i的等效碰撞應(yīng)力、能量和面積。

由此獲得區(qū)域1～區(qū)域6的等效應(yīng)力分別為0.088 9 MPa、0.035 9 MPa、0.076 4 MPa、0.519 0 MPa、0.298 0 MPa、0.544 0 MPa。

4.2 蜂窩單元材料選型

蜂窩鋁由鋁箔經(jīng)膠結(jié)拉伸形成。通過適當(dāng)?shù)哪z結(jié)方式可使拉伸后的鋁材料形成蜂窩狀的正六邊形孔狀結(jié)構(gòu)，若將鋁箔、粘結(jié)劑和所圍空氣視為一種整體復(fù)合材料，其具有強(qiáng)烈的各向異性?；谔乩姿箍ǎ═resca）模型[11-13]屈服準(zhǔn)則，蜂窩材料靜態(tài)壓縮應(yīng)力計(jì)算公式為：

式中，σ0為金屬材料的等效塑性流動(dòng)應(yīng)力；d為壁厚；l正六邊形的邊長(zhǎng)。

根據(jù)各碰撞區(qū)域應(yīng)力分布，可以初步選擇各區(qū)域相應(yīng)蜂窩鋁芯結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表4所示。

表4 壁障各區(qū)域選用蜂窩結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

4.3 外觀尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)表2統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，確定蜂窩鋁壁障規(guī)格參數(shù)如圖7 所示。蜂窩鋁整體寬度為1 800 mm，高度為500 mm，壓潰方向厚度為550 mm。前端采用45°倒角設(shè)計(jì)，在碰撞方向由保險(xiǎn)杠、壓潰層和能量緩沖層組成。

圖7 蜂窩鋁外觀尺寸

4.4 蜂窩鋁構(gòu)造設(shè)計(jì)

保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)為等剛度結(jié)構(gòu)，其前端粘有厚度為2 mm的面板。取圖4中前80 mm碰撞力-位移數(shù)值，根據(jù)圖12 中保險(xiǎn)杠外觀尺寸，由式（2）計(jì)算得到應(yīng)力為320 kPa，采用恒定蜂窩鋁強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

壓潰層是側(cè)面碰撞試驗(yàn)過程中主要的吸能結(jié)構(gòu)，上、下分為6 個(gè)吸能區(qū)域，各吸能區(qū)域由正六變形的蜂窩單元組成，剛度應(yīng)滿足圖4、圖5的要求：下層區(qū)域4、區(qū)域6 與SUV 車輛縱梁位置相對(duì)應(yīng)，硬度較大；上層區(qū)域硬度相對(duì)較小。其中區(qū)域4、區(qū)域6吸能性能相同，區(qū)域1、區(qū)域3 吸能性能相同。除區(qū)域2、區(qū)域5 采用恒定力變形模式外，其他區(qū)域采用漸變力變形模式，對(duì)應(yīng)區(qū)域的蜂窩鋁塊采用腐蝕工藝處理，前軟后硬，即厚度由后向前逐漸變薄。上、下層前、后面分別粘有一層面板，厚度為2 mm。全部6塊蜂窩鋁采用聚氨酯粘合劑粘貼到背板上，背板厚度為3 mm，開有通風(fēng)孔。上部安裝法蘭垂直，下部安裝法蘭彎曲成90°。

能量緩沖層設(shè)置為等剛度，依據(jù)保險(xiǎn)杠剛度的計(jì)算方法，各區(qū)域取對(duì)應(yīng)平均剛度曲線中300 mm 處的剛度作為計(jì)算依據(jù)，采用恒定應(yīng)力設(shè)計(jì)。

4.5 壁障臺(tái)車參數(shù)設(shè)計(jì)

蜂窩鋁臺(tái)車由蜂窩鋁和移動(dòng)車組成，如圖8 所示。依據(jù)3.3節(jié)確定總質(zhì)量為1 700±20 kg。臺(tái)車上安裝制動(dòng)裝置，避免碰撞過程中壁障臺(tái)車與試驗(yàn)車發(fā)生二次碰撞。

圖8 壁障臺(tái)車示意

5 蜂窩鋁動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證

蜂窩鋁臺(tái)車以40 km/h的速度撞擊剛性墻壁障[14-16]，在壁障前端安裝測(cè)力墻，以驗(yàn)證蜂窩鋁動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。

5.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

5.1.1 動(dòng)態(tài)能量每個(gè)鋁塊和整個(gè)移動(dòng)變形壁障能量計(jì)算公式為：

式中，t2為移動(dòng)車停止時(shí)刻；Fn為碰撞塊壓潰力；Smean為碰撞塊變形量。

移動(dòng)變形壁障動(dòng)能EK為：

式中，Vi為沖擊速度；M為移動(dòng)變形壁障質(zhì)量。

將移動(dòng)壁障總能量和移動(dòng)變形壁障動(dòng)能EK進(jìn)行比較。要求移動(dòng)壁障總能量在(0.95～1.05)EK范圍內(nèi)。

5.1.2 變形模式總體碰撞變形量殘余量可以參照EEVC 針對(duì)AEMDB的設(shè)計(jì)要求，要求殘余量大于160 mm。

5.1.3 平均碰撞力高度

MDB 臺(tái)車與車輛碰撞過程中，壁障平均碰撞力高度（Average Height of Force）HAF影響被撞車輛運(yùn)動(dòng)姿態(tài)：若HAF與被撞車輛重心高度（Height of Center of Gravity）HCG相等，被撞車輛不會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；若HAF＞HCG，被撞車輛會(huì)向遠(yuǎn)離MDB 臺(tái)車方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；若HAF＜HCG，被撞車輛會(huì)向反方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此將MDB 臺(tái)車HAF作為動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的一項(xiàng)驗(yàn)證指標(biāo)?？紤]壁障性能設(shè)計(jì)，計(jì)算從碰撞開始時(shí)位移為25～400 mm 時(shí)的平均碰撞力的高度HAF400對(duì)該結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證：

式中，d為車輛位移；Fi(d)為第i個(gè)測(cè)力單元對(duì)應(yīng)的碰撞力；Hi為對(duì)應(yīng)測(cè)力單元距地面高度；m為碰撞力墻測(cè)力單元的數(shù)量；Hj(d)為車輛位移為j時(shí)對(duì)應(yīng)的碰撞力高度；Fj(d)為車輛位移為j時(shí)對(duì)應(yīng)的碰撞合力。

HAF400定義了車輛前端碰撞力的平均撞擊高度。計(jì)算獲取上述25款SUV的HAF400的平均值為513 mm，以此作為壁障開發(fā)依據(jù)。

5.2 壁障試驗(yàn)驗(yàn)證

將壁障蜂窩鋁安裝在臺(tái)車上，進(jìn)行碰撞力墻試驗(yàn)，總體碰撞碰撞力-位移曲線如圖9所示。根據(jù)式（5）、式（6）計(jì)算得到En=100.61 kJ，EK=104.92 kJ，移動(dòng)壁障總能量滿足要求。

圖9 蜂窩鋁壁障總體碰撞力-位移曲線

圖10 所示為試驗(yàn)前、后壁障對(duì)照情況。試驗(yàn)前壁障在碰撞方向的厚度為550 mm，碰撞后厚度僅為104 mm，遠(yuǎn)小于160 mm 試驗(yàn)要求。同時(shí)，由于保險(xiǎn)杠先接觸力墻，區(qū)間5 下部封裝板出現(xiàn)上折，導(dǎo)致蜂窩鋁擠出。

圖10 蜂窩鋁壁障試驗(yàn)前、后對(duì)照

圖11 所示為蜂窩鋁壁障碰撞理論與實(shí)際力-位移曲線。蜂窩鋁整體剛度偏弱，在150 mm 處碰撞力偏差達(dá)到最大值78 kN。圖12所示為區(qū)域4、區(qū)域6的力-位移曲線，同樣存在區(qū)域剛度偏小問題，在180 mm處偏差達(dá)到最大值37 kN。因此，需適當(dāng)提高蜂窩鋁強(qiáng)度。

圖11 蜂窩鋁壁障整體碰撞力-位移曲線

圖12 蜂窩鋁壁障區(qū)域4、區(qū)域6碰撞力-位移曲線

5.3 優(yōu)化后壁障試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)壁障進(jìn)行優(yōu)化：考慮到蜂窩鋁試驗(yàn)壓潰殘余量偏小，將能量緩沖層厚度增加50 mm，蜂窩鋁壁障在能量吸收方向上的厚度由550 mm 調(diào)整為600 mm；在保險(xiǎn)杠后端增加厚度為2 mm 的封裝板，用于匹配各分塊剛度和整體剛度。為避免上、下兩部分蜂窩鋁由同一封裝板帶來(lái)的相互影響，擬將封裝板分為上、下兩部分。針對(duì)區(qū)域5 下部封裝板出現(xiàn)上折，導(dǎo)致蜂窩鋁擠出的現(xiàn)象，將該處封裝板與其他位置分塊，并將區(qū)域5蜂窩鋁強(qiáng)度提升到保險(xiǎn)杠強(qiáng)度320 kPa。調(diào)整后的蜂窩鋁壁障如圖13 所示，進(jìn)行第二輪力墻碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖13 優(yōu)化后蜂窩鋁

5.3.1 動(dòng)態(tài)能量

根據(jù)式（5）、式（6）得到En=102.90 kJ，EK=105.74 kJ，移動(dòng)壁障總能量滿足要求，各分塊區(qū)域的碰撞能量如表5所示。

表5 總體及各區(qū)域碰撞能量 kJ

5.3.2 變形模式

圖14所示為優(yōu)化后MDB試驗(yàn)前、后對(duì)比情況。試驗(yàn)后蜂窩鋁剩余厚度為170 mm，滿足大于160 mm的試驗(yàn)要求。區(qū)域5先于保險(xiǎn)杠蜂窩鋁變形的問題也得以解決。

圖14 優(yōu)化后蜂窩鋁壁障試驗(yàn)前、后對(duì)比情況

5.3.3 蜂窩鋁剛度

通過調(diào)整腐蝕工藝改變蜂窩鋁漸變厚度，以提升蜂窩鋁整體剛度，優(yōu)化后的蜂窩鋁碰撞理論與實(shí)際力-位移曲線如圖15所示，優(yōu)化后的區(qū)域4、區(qū)域6力-位移曲線對(duì)比如圖16所示，蜂窩鋁整體剛度、區(qū)域4、區(qū)域6剛度曲線除前100 mm略偏大，整體趨勢(shì)與理論曲線較為接近。

圖15 優(yōu)化后蜂窩鋁壁障整體碰撞力-位移曲線

圖16 優(yōu)化后蜂窩鋁壁障區(qū)域4、區(qū)域6碰撞力-位移曲線

5.3.4 平均碰撞力高度

根據(jù)式（7）獲得優(yōu)化后壁障壓潰階段對(duì)應(yīng)的H(d)曲線。將H(d)代入式（8）計(jì)算獲得HAF400=524 mm，比測(cè)試SUV車型平均值513 mm稍高。

究其原因，部分SUV車型具有副車架結(jié)構(gòu)，而蜂窩鋁下部結(jié)構(gòu)開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)以縱梁結(jié)構(gòu)為參考，忽略了副車架帶來(lái)的影響。因此，在實(shí)車碰撞驗(yàn)證階段，可以通過適當(dāng)降低壁障離地高度來(lái)進(jìn)行HAF400的調(diào)整。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過典型SUV 車型特征參數(shù)提取，定義蜂窩鋁壁障及臺(tái)車開發(fā)目標(biāo)，運(yùn)用特雷斯卡理論確定金屬材料等效塑性流動(dòng)應(yīng)力與蜂窩參數(shù)之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，為蜂窩單元邊長(zhǎng)、壁厚等參數(shù)選型提供參考。

通過蜂窩鋁臺(tái)車測(cè)力墻試驗(yàn)對(duì)蜂窩鋁壁障結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)版壁障在變形模式穩(wěn)定，力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，能夠表征SUV外觀和剛度特征，為下階段實(shí)車對(duì)標(biāo)碰撞驗(yàn)證提供了基礎(chǔ)樣機(jī)。