基于MPDB工況的整車兼容性指標(biāo)優(yōu)化

邢志遠(yuǎn)

（東南（福建）汽車工業(yè)股份有限公司，福建 福州 350119）

隨著國內(nèi)外汽車安全水平的不斷提升，整車安全性能需要不斷地加強(qiáng)，以應(yīng)對日益嚴(yán)格的汽車安全法規(guī)。但原有法規(guī)僅僅關(guān)注整車自身安全性能，無法兼顧到不同級別的車輛之間的碰撞兼容性問題[1]。2022 年，朱西產(chǎn)在國內(nèi)首次提出了碰撞相容性的概念[2]，碰撞兼容性是指汽車在發(fā)生碰撞過程中互相包容的能力。同濟(jì)大學(xué)的雷雨成根據(jù)交通事故，進(jìn)行統(tǒng)計分析，提出了影響整車碰撞相容性的主要原因[3]。提高碰撞相容性可以在碰撞過程中減少自身乘員所受到的損傷，同時也可以將對方車輛中的乘員造成的損傷降到最低，進(jìn)而將整個事故的人員傷亡降到最低。

故在2021 版中國新車評價規(guī)程（China-New Car Assessment Programme, C-NCAP）中明確了使用移動漸進(jìn)變形壁障碰撞試驗（Mobile Progressive Deformable Barrier, MPDB）工況取代原有的重疊可變形屏障（Overlapped Deformable Barrier, ODB）工況[4]。其目的在于督促汽車廠商在提升車輛自身安全性能的同時，減少對其他車輛的攻擊性，進(jìn)而提升整體的車輛兼容性水平，達(dá)到不同質(zhì)量等級的車輛和諧一致的目標(biāo)。而在正面50%重疊移動漸進(jìn)變形壁障碰撞試驗中，壁障變形量標(biāo)準(zhǔn)偏差（Standard Deviation, SD）與乘員載荷準(zhǔn)則（Occu-pant Load Criterion, OLC）作為評價試驗車型碰撞兼容性水平的重要指標(biāo)。本文將基于某款中型運(yùn)動型多用途汽車（Sport Utility Vehicle,SUV）車型進(jìn)行碰撞兼容性仿真分析，進(jìn)行碰撞兼容性指標(biāo)優(yōu)化。

1 正面50%重疊移動漸進(jìn)變形壁障碰撞試驗簡介

在2021 版C-NCAP 中的MPDB 工況采用質(zhì)量為1 400 kg 的移動試驗壁障與試驗車輛進(jìn)行正面偏置對碰，速度均為50 km/h，重疊率為50%，如圖1 所示。

圖1 C-NCAP 中MPDB 工況圖

其中試驗車輛假人布置情況如表1 所示。

表1 C-NCAP MPDB 試驗車輛假人布置

2 整車兼容性指標(biāo)

在MPDB 工況中，將SD 與OLC 作為評價試驗車型兼容性水平的重要指標(biāo)。

2.1 壁障變形量標(biāo)準(zhǔn)偏差SD 定義

計算壁障變形量標(biāo)準(zhǔn)偏差，主要分為四個步驟。

2.1.1 明確壁障評估區(qū)域

首先需要明確壁障評估區(qū)域，如圖2 所示。

圖2 MPDB 壁障評估區(qū)域圖

2.1.2 掃描壁障

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。

2.1.3 計算侵入量

依照試驗前在壁障表面上創(chuàng)建的以20 mm 為邊長的等距網(wǎng)格點（總共1 400 點）。沿著碰撞方向?qū)⒕W(wǎng)格點投影到變形壁障表面上，計算評估區(qū)域每個點的侵入量。

2.1.4 標(biāo)準(zhǔn)偏差計算

式中，SD為標(biāo)準(zhǔn)偏差，mm；Xn為樣本點，mm；為平均侵入深度，mm。

2.2 乘員載荷準(zhǔn)則OLC 定義

通過MPDB 壁障重心的X向加速度Ax積分獲得MPDB 壁障的速度曲線Vt：

式（2）中

式中，V0為壁障初速度，m/s；V(t)為壁障速度曲線，m/s；t1為碰撞過程中虛擬假人相對壁障運(yùn)動0.065 m 的時刻，s；t2為碰撞過程中虛擬假人在相對壁障運(yùn)動0.235 m 的時刻，s；OLC值為碰撞過程中虛擬假人t1至t2時刻速度曲線斜率，m/s2。

假設(shè)MPDB 壁障臺車上一個虛擬假人，其在0～t1時間段內(nèi)勻速自由向前移動65 mm，之后該虛擬假人開始受到約束系統(tǒng)作用，在t1～t2時間內(nèi)向前做勻減速運(yùn)動，相對壁障臺車移動235 mm 時對應(yīng)時刻為t2。t1至t2時間內(nèi)假設(shè)虛擬假人受約束的減速度是恒定的，定義該值即為OLC。

3 仿真優(yōu)化分析

本文以某中型SUV 進(jìn)行C-NCAP 2021 版MPDB 工況仿真分析，如圖3 所示。車型基本信息如表2 所示。

表2 車型基本信息表

圖3 某中型SUV-MPDB 仿真分析

3.1 初版分析結(jié)果評價

根據(jù)C-NCAP 2021 版MPDB 工況分析評價規(guī)程，針對壁障變形量標(biāo)準(zhǔn)偏差SD值、乘員載荷準(zhǔn)則OLC值這兩個方面，進(jìn)行結(jié)果分析與評估。

從表3 可以看到，初始案的SD值為149 mm，OLC值為32.667g，且壁障出現(xiàn)觸底擊穿，最終罰分為2.508，罰分率為83.6%，無法滿足該車型2021版C-NCAP 五星要求。

表3 初始案-MPDB 工況評分匯總

從圖4、圖5 的碰撞前后車身變形結(jié)果可以看到，車身縱梁由于剛度過大，碰撞過程無法壓潰吸能。

圖4 初始案-碰撞前車身變形圖

圖5 初始案-碰撞后車身變形圖

從圖6 可以看到，由于車身縱梁過硬與車身前端剛度不匹配，導(dǎo)致壁障偏向一側(cè)的過渡形變，無法均勻吸能，在圖7 中右上角出現(xiàn)了大面積的過渡區(qū)域，SD值為149.75 mm，造成嚴(yán)重扣分。

圖6 初始案-壁障變形圖

圖7 初始案-SD 云圖

3.2 碰撞兼容性優(yōu)化方案

根據(jù)歐洲MPDB 試驗統(tǒng)計研究[5]可以得到SD與OLC 兩者與整車重量的相關(guān)性研究成果，即SD與整車整備質(zhì)量增減無明顯關(guān)系，而OLC 與整車整備質(zhì)量成正比，并呈現(xiàn)主相關(guān)性。故依照該相關(guān)性研究成果，并結(jié)合3.1 初版分析評價結(jié)果，制定以SD 為主、OLC 為輔的碰撞兼容性優(yōu)化方案。具體優(yōu)化方案如下。

3.2.1 增加副防撞梁與副縱梁，增加車體下部底盤

吸能路線

目的是盡可能增加主車前端與壁障之間的Y向有效接觸面積，如圖8 所示。

圖8 副防撞梁與副縱梁示意圖

3.2.2 根據(jù)2.1.1 圖2 壁障評估區(qū)域，重新布置車身主副防撞梁位置

目的是增加主車前段與壁障評價區(qū)域之間的接觸面積，如圖9 所示，Y向延長主副防撞梁，Z向調(diào)整主副防撞梁位置，依照縱梁高度限制條件（＜508 mm）與壁障評價區(qū)域下端距離（100 mm）進(jìn)行布局，設(shè)置L1=95 mm，L2=120 mm，L3=L4=20 mm。

圖9 副防撞梁位置示意圖

3.2.3 重新布置凹凸筋、增減板厚、調(diào)整材料分布

目的是實現(xiàn)縱梁軟化與分段式折彎，提升碰撞吸能量，防止擊穿壁障。

調(diào)整車身前縱梁內(nèi)板A 的激光拼焊位置，更改零件A-1 的板厚與材料，即由B410LA 2.2 mm改為B340LA 1.8 mm。在零件A-1 板件后端增加兩處凹筋，如圖10 所示。

圖10 車身前縱梁內(nèi)板

在車身前縱梁外板B 的前端增加兩處凹筋，并設(shè)置激光拼焊，將零件B 拆分成前后組合（B-1，B-2），即B340-590DP 2.0 mm 拆分成B340-590DP 2.0 mm + B340-590DP 1.8 mm，如圖11 所示。

圖11 車身前縱梁外板

3.3 仿真結(jié)果驗證

根據(jù)3.2 中制定的碰撞兼容性優(yōu)化方案，修改整車碰撞仿真模型，進(jìn)行計算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）分析計算。從圖12可以看到，優(yōu)化后車身縱梁在碰撞過程中得到了充分的潰縮吸能，呈現(xiàn)三段式折彎。

圖12 優(yōu)化案-縱梁變形

由于縱梁的軟化，壁障無觸底擊穿，如圖13所示。壁障評價區(qū)域與主車前部充分接觸，均勻變形，無過渡變形區(qū)域，如圖14 所示。

圖13 優(yōu)化案-壁障變形圖

圖14 優(yōu)化案-SD 云圖

通過表4 結(jié)果匯總可以看到，優(yōu)化后SD值從149.75 mm 降低至67.46 mm，降低了55.7%。OLC值雖然主要與整車質(zhì)量相關(guān)，但通過車身軟化，依然有小幅度的降低，從32.667g降低至31.045g。合計罰分為0.575 分，罰分率為19.2%，該結(jié)果滿足2021 版C-NCAP 五星要求。

表4 優(yōu)化案結(jié)果匯總

4 結(jié)論

本文聚焦2021 版C-NCAP MPDB 試驗工況，通過修改車身結(jié)構(gòu)來優(yōu)化壁障變形量標(biāo)準(zhǔn)偏差與乘員載荷準(zhǔn)則，并進(jìn)行CAE 仿真計算驗證，從而改善整車碰撞兼容性罰分，達(dá)成車型開發(fā)目標(biāo)。通過仿真優(yōu)化結(jié)果，可得以下結(jié)論：

1）提升主車與壁障的有效接觸面積與主車接觸面的剛度平衡，可有效提升SD值；

2）雖然OLC 主要與整車質(zhì)量相關(guān)，但通過車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，依然可以得到改善；

3）本文通過CAE 仿真計算驗證了車身優(yōu)化的合理性，后續(xù)還需要試車試驗進(jìn)一步驗證。