MPDB蜂窩鋁試驗后處理方法的研究

王立民，王青貴，朱鑫

1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司，天津 300300

0 引言

現(xiàn)如今，汽車市場日漸繁榮，不同尺寸類別的車輛迎合不同消費群體的需求，各自占據(jù)了一定的市場份額。在小型、中型、大型車輛之間，質(zhì)量和結(jié)構(gòu)等特征存在很大差異[1]。同尺寸級別中，不同車型的前端結(jié)構(gòu)也不盡相同。上述原因?qū)е萝噷嚺鲎彩鹿手?，兩方車輛損傷和乘員傷害值是不同的[2]。通常來看，質(zhì)量更大，前端結(jié)構(gòu)剛度更強的車輛會對碰撞另一方車輛造成更嚴重的傷害[3]。因此，碰撞兼容性作為新的研究熱點越來越被消費者和車企重視。

碰撞兼容性旨在同時提升撞擊車輛本身和被撞車輛的保護性能[4]。在被動安全領(lǐng)域，不僅要考慮車輛對車內(nèi)乘員的保護性，也要降低車輛的攻擊性，在車對車碰撞時降低對被撞車輛的傷害[5]。MPDB(moving progressive deformable barrier)試驗是一種能評價車輛碰撞兼容性的新型車對車前向偏置碰撞形式，不僅引入先進的Thro假人參與評價車輛的乘員保護性，還能評價車輛的攻擊性。這是許多其他種類碰撞試驗不具備的檢測能力[6]。EURO-NCAP在其2020版評價規(guī)程中引入MPDB試驗形式。緊隨其后，C-NCAP在其2021版評價規(guī)程中也引入了MPDB試驗形式[7]。

MPDB試驗后需要對變形的蜂窩鋁進行掃描，生成最大單元尺寸不超過10 mm的點云數(shù)據(jù)。創(chuàng)建邊長為20 mm的等距網(wǎng)格點，生成1 400個網(wǎng)格，沿碰撞方向?qū)⒕W(wǎng)格中心點投影到變形后蜂窩鋁掃描面上，可得出1 400個網(wǎng)格侵入量數(shù)據(jù)。使用評價區(qū)域內(nèi)全部侵入量數(shù)據(jù)作為元素計算標準差(standard deviation，SD)，用于評價車輛攻擊性。MPDB試驗是目前眾多碰撞試驗類型中唯一一個對蜂窩鋁進行試驗后分析、處理和評價的試驗形式。

1 MPDB蜂窩鋁概述

1.1 材料與結(jié)構(gòu)

MPDB蜂窩鋁組成部件主要包含背板、包層、中間板、接觸板和3層蜂窩鋁塊。3層蜂窩鋁塊所用材料相同，但結(jié)構(gòu)尺寸各異。后層深度為90 mm，單元尺寸為6.3 mm；中層深度為450 mm，單元尺寸為9.5 mm；前層深度為250 mm，單元尺寸為19.1 mm。各蜂窩鋁塊使用黏合劑黏合到相鄰薄板上。前后兩層鋁塊碰撞變形力恒定，而中間層碰撞力隨著變形量的增加而增加。

1.2 區(qū)域劃分評價

按照標準，在蜂窩鋁正面中部劃定了一塊矩形區(qū)域作為評價區(qū)域，只有評價區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)的變形量、相交點的X值才參與SD值的計算與評價。在Z向上，評價區(qū)域底面距地面距離為250 mm，頂面距地面距離為650 mm，整個評價區(qū)域高度為400 mm。評價區(qū)域的寬度是隨車寬不同而不同的變化量。對于左舵乘用車，蜂窩鋁右邊緣與車輛中心對齊。因此適用于左舵車的蜂窩鋁評價區(qū)域右邊緣距蜂窩鋁右邊緣為200 mm，左邊緣距離蜂窩鋁右邊緣距離為45%的車輛寬度。因此，車輛寬度越大的車輛，評價區(qū)域越廣，參與計算SD值的數(shù)據(jù)點個數(shù)越多。一般來講，車輛寬度越大的車輛，前端結(jié)構(gòu)中的縱梁間距越大，保險杠和小腿支架等結(jié)構(gòu)也越寬。因縱梁這樣的主吸能結(jié)構(gòu)造成破壞的區(qū)域離蜂窩鋁右邊緣越遠，需要更寬的評價區(qū)域來檢測主吸能結(jié)構(gòu)造成的結(jié)構(gòu)損傷。

1.3 標準偏差計算

在蜂窩鋁碰撞面的表面上，需要創(chuàng)建1 400個以20 mm為邊長的等距網(wǎng)格點。本文按表1中Y、Z坐標值生成網(wǎng)格點。

表1 1 400網(wǎng)格點Y、 Z坐標

50種Y坐標值和28種Z坐標值兩兩組合，生成1 400種Y、Z坐標組合，對應到蜂窩鋁碰撞面上形成了1 400個位置點。分別以這些點為中心，向±Y和±Z4個方向擴散10 mm，形成邊長為20 mm的方格，整個蜂窩鋁碰撞面被劃分成1 400個方形區(qū)域。以方格中心點的變形量表征整個方格的變形情況。圖1為MPDB網(wǎng)格點投影方法，展示了投影到碰撞后蜂窩鋁掃描面上的1 400個點。計算SD值公式如下：

(1)

圖1 MPDB網(wǎng)格點投影方法

1.4 蜂窩鋁處理過程

將MPDB蜂窩鋁安裝在臺車上后，針對蜂窩鋁建立坐標系，以臺車的運動方向為基準，以后、右、上3個方向作為X、Y、Z3個坐標軸的正方向。以面向蜂窩鋁的左下角點為坐標系原點，在蜂窩鋁背板左右兩側(cè)邊法蘭上建立試驗后恢復坐標系用的蛙跳點。

試驗后將蜂窩鋁從臺車上拆下，通過蛙跳點恢復坐標系。之后，使用掃描設備開始掃描MPDB蜂窩鋁的前面，即與車輛撞擊面、左右兩側(cè)面和上下兩面。掃描完成后，處理并輸出“.STL”格式的掃描面。

將掃描面導入到Polyworks軟件中，引入Y、Z坐標固定的1 400根線，沿X軸方向與掃描面相交，得到相交點。由于坐標系原點選在蜂窩鋁的左下角點，相交點X方向坐標值即為該點蜂窩鋁的變形量或被侵入量。

2 蜂窩鋁常見問題處理歸納

在處理蜂窩鋁過程中遇到的常見問題有：

(1)因孔隙未形成交點。掃描面上難免會出現(xiàn)各種孔隙，如果求相交點的直線恰從掃描面上的孔隙或未被掃描面覆蓋區(qū)域穿過，則無法形成交點，無法提供該點位置的變形量數(shù)據(jù)。

(2)一條直線相交后形成多個交點。碰撞后蜂窩鋁的形態(tài)多種多樣，可能會形成板材褶皺、材料的錯位斷層、斜形深孔等，當相交直線穿過這些位置后可能會形成兩個或多個交點。

(3)深孔位置無法形成掃描面。三維激光掃描儀的工作原理在于激光束發(fā)射到物體表面后，物體表面反射激光束，每一條激光線由CCD傳感器采集，最終形成高精度點云數(shù)據(jù)。在碰撞過程中蜂窩鋁可能會被縱梁、吸能盒、小腿支架等部件洞穿刺入，形成截面形狀各異的深孔。對于孔深與直徑之比過大的深孔，激光無法照射到孔的底部或比較深的側(cè)壁，導致這部分結(jié)構(gòu)無法在掃描面中成型。深孔底部掃描面的缺失造成這片區(qū)域無法形成有效相交點反映這部分的侵入量。

上述種種情況導致1 400根相交直線與掃描面直接形成的交點參差不齊，無法直接使用。有的位置沒有交點，有的位置存在多個交點。因此需要對相交生成的全部交點進行分析處理，最終得到完整代表1 400個位置的變形量數(shù)據(jù)。

3 蜂窩鋁常見問題解決方法

3.1 微小孔隙的“就近原則”處理法

針對相交線穿過掃描面上細小孔隙無法形成交點的情況，要先在全部交點中檢索這些位置。將全部相交點的坐標值從Polyworks軟件中輸出，放置于excel文件中逐一檢查，在20 mm的間距或步長下，遇到某位置坐標缺失，則對應位置未形成交點。檢索到所有未相交直線后，在Polyworks軟件中逐一定位到這類直線，在沿X方向視角下，未相交直線投影到Y(jié)、Z平面成為一個點，以此點為圓心，向周圍擴散尋找距離圓心最近的掃描面，以最近掃描面上點X坐標作為該直線對應位置上掃描面的變形量。因連續(xù)曲面上相鄰位置的變形情況也應是均勻連續(xù)的，對于局部區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的未相交點，使用上述方法獲得對應位置的變形量是科學合理的。

3.2 一根相交線上多個交點的選取原則

一根相交線上出現(xiàn)多個交點，在Polyworks軟件輸出后的數(shù)據(jù)點中，會出現(xiàn)同一種Y、Z坐標下，有多個X值對于這種情況，在一條總的原則下，需要視情況而定?？傮w原則為選取因大車撞擊，結(jié)構(gòu)入侵導致的蜂窩鋁最大被壓潰深度。在蜂窩鋁中部的評價區(qū)域內(nèi)，經(jīng)常出現(xiàn)因大車前端結(jié)構(gòu)撞擊出現(xiàn)的斜向斷層或斜向深孔，這種位置需要選擇最深交點的X值作為變形量，即多個X值中選擇最大值。

而對于蜂窩鋁上下兩面和左右側(cè)面，這些位置通常因為板材屈曲、褶皺，會與相交線形成多個交點。在MPDB工況中，大車前端縱梁、保險杠和小腿支架等攻擊性強的結(jié)構(gòu)件通常與蜂窩鋁正面接觸，造成結(jié)構(gòu)塑形潰縮變形。這些結(jié)構(gòu)件從4個側(cè)面侵入的可能性極低。因此，對于碰撞面四周外圍一圈網(wǎng)格(寬度為40 mm的矩形框)的侵入量。通常選擇表面相交點提供的變形量，即多個X值中選擇最小值。通常來講，該寬度40 mm的網(wǎng)格框不在評價區(qū)域內(nèi)，其侵入量值不會對最終SD值有影響。但若不能選擇正確的侵入量值則會影響最終變形云圖的呈現(xiàn)，從而干擾工程師對于該位置真實變形情況的認知。

3.3 深孔底部侵入量測量方法

對于出現(xiàn)深孔的情況，在現(xiàn)有掃描技術(shù)下，蜂窩鋁上出現(xiàn)的深孔會嚴重影響掃描質(zhì)量，導致該位置掃描面缺失。在最終的掃描結(jié)果中，會出現(xiàn)一塊面積較大的空洞，造成連續(xù)多個聚集的相交線無法正常形成交點。針對這種情況，為解決問題(1)論述的“就近原則”法不再適用。

孔的深度未知，孔邊緣的侵入量無法等效替代孔底部或側(cè)壁的侵入量，為了獲得深孔底部準確的侵入量，可用柔性三坐標測量儀在恢復坐標系后，將探針伸入到深孔底部，按對應的Y、Z坐標值尋找測量位置，探測X點坐標值?；蛘呤褂镁沓邷y量深孔底部距離孔邊緣參考點的距離，在邊緣參考點變形量的基礎上加上孔的深度可得出孔底部的變形量。上述兩種方法相比較，使用柔性三坐標測量的方法精確度更高，但是對于一些深度大、孔徑小的結(jié)構(gòu)，探針也無法接觸到孔底部，卷尺測量的適應性更高。

3.4 蜂窩鋁掃描前預處理

當蜂窩鋁正面受力較為集中時，局部區(qū)域上會出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象，然而超過蜂窩鋁包層鋁板材料的抗拉強度的局部應力會使得包層鋁板出現(xiàn)撕裂的情況。沿裂口左右兩側(cè)結(jié)構(gòu)落差較大時，會露出內(nèi)部銀白色蜂窩狀鋁材，其表面非常光滑。常規(guī)蜂窩鋁包層表面噴涂有藍色啞光漆，當掃描激光照射到啞光漆上，能形成分散的漫反射光線，有利于被掃描設備中的傳感器捕捉，更好地形成掃描面；當掃描表面光滑的內(nèi)部銀白色鋁材時，掃描光線反射后形成單向鏡面反射，非常不利于傳感器采集反射光線，嚴重干擾掃描面成形。這是掃描面在內(nèi)部銀白色鋁材區(qū)域出現(xiàn)大量孔隙和碎面的重要原因。

在碰撞過程中，當車輛前端結(jié)構(gòu)侵入到蜂窩鋁內(nèi)部后，不僅對蜂窩鋁形成了沿X向的壓潰，還和蜂窩鋁形成了緊密的擠壓、接觸和鉤連。試驗后，當臺車和大車分離時，前端結(jié)構(gòu)可能會對蜂窩鋁造成不同程度的二次傷害、二次變形，如部分蜂窩鋁包層面板或內(nèi)部鋁材外翻翹起，嚴重的情況下會出現(xiàn)整塊蜂窩鋁與本體分離。這種二次變形在蜂窩鋁評價中是不能接受的，會干擾到對蜂窩鋁真實變形情況的測量。

對于具有上述情況的蜂窩鋁，需要在掃描前對蜂窩鋁進行預處理。本文根據(jù)損傷情況不同制定出不同的處理策略：

(1)對于大塊蜂窩鋁與本體分離的情況，要將分離體壓回本體，使兩者盡量接觸，并且不會使蜂窩鋁進一步變形，按分離前原位置擺放后固定。

(2)對于蜂窩鋁包層面板和內(nèi)部鋁材的外翻，需要使鋁材復位，修整板材走向，使面板與內(nèi)部壓潰的鋁材匹配貼合，必要時可使用平頭螺絲壓實固定。

(3)對于包層面板撕裂后露出的白色蜂窩狀鋁材，可在其表面噴涂白色顯像劑。顯像劑附著在光滑鋁材表面后，形成一層啞光漆面，能有效提高掃描效果。

做好預處理工作對蜂窩鋁評價工作可以起到事半功倍的效果，不管是因地制宜的蜂窩鋁預處理措施，還是自成邏輯的相交點識別方法，最終目的都是為了獲得蜂窩鋁真實準確的變形情況。

圖2為一塊損傷較為嚴重的典型MPDB試驗后蜂窩鋁。由圖2a可知，因縱梁撞擊導致右側(cè)包層板出現(xiàn)大面積撕裂且在車輛分離時鈑金外翻，露出大片內(nèi)部白鋁和蜂窩鋁被壓潰后出現(xiàn)的深孔；由圖2b可知，在不影響正常被壓潰的狀態(tài)下，壓回外翻包層鈑金和蜂窩鋁，使鈑金貼合蜂窩鋁壓潰后正常造型并加以固定；由圖2c可知，蜂窩鋁底部難以形成掃描面，白鋁部分出現(xiàn)大量孔隙，掃描面不均勻且不連續(xù)。

圖2 典型MPDB試驗后蜂窩鋁

4 MPDB蜂窩鋁數(shù)據(jù)快速處理程序

第3節(jié)中詳細闡述了不同情況下的網(wǎng)格變形量確定方法。但如果全部由人工篩選排查，效率很低。因此，本文提出一種編程邏輯，基于Delphi開發(fā)環(huán)境編譯程序，并封裝成軟件。借助計算機的龐大運算能力，實現(xiàn)對經(jīng)由Polyworks輸出的原始相交點數(shù)據(jù)值的快速分析處理。

本程序針對第3.1和3.2節(jié)中論述的方法予以實現(xiàn)，主要完成兩項功能，總結(jié)如下：

(1)檢索未生成交點的位置，在輸出文件中，對相應位置坐標點予以補充，該位置X值賦“0”。

(2)對同一位置上的重復交點進行篩選，輸出X值最大的數(shù)據(jù)點。

這兩項功能具有不確定性弱、邏輯性強、數(shù)字化程度高等優(yōu)勢，是從本文第3節(jié)中提取出的最適宜程序化的功能。圖3為MPDB蜂窩鋁數(shù)據(jù)快速處理程序邏輯。

圖3 MPDB蜂窩鋁數(shù)據(jù)快速處理程序邏輯

由圖3可以看到，MPDB蜂窩鋁數(shù)據(jù)快速處理程序具體實現(xiàn)過程如下：

(1)讀入文本文件。

(2)利用分隔符將文本文件中的數(shù)據(jù)進行分組，并將分組后的數(shù)據(jù)逐行讀取存入數(shù)組中。

(3)文本中的數(shù)據(jù)根據(jù)坐標點Y方向的不同，可以分成50組，并將Y方向相同的數(shù)據(jù)點存入同一組數(shù)組中。

(4)檢查同一數(shù)組中數(shù)據(jù)點的Z值種類是否少于28個，如果少于這個數(shù)，則插入數(shù)據(jù)點，直至同一數(shù)組中有28種Z值，插入點的X、Y、Z分別為(0，Yi，ZL)，其中Yi為對應組的Y值，ZL為缺失位置的Z值。

(5)在同一數(shù)組中，從第一個數(shù)據(jù)點遍歷數(shù)組，檢查是否存在重復點。如果存在重復點，則需要比較X方向的大小值，然后留下X方向大的數(shù)值，并記錄重復次數(shù)。

(6)利用記錄的重復次數(shù)指導數(shù)組指針移向下一個數(shù)據(jù)點。

(7)輸出該數(shù)組的全部坐標。

(8)循環(huán)50次。

(9)保存文本。

5 MPDB蜂窩鋁變形云圖

MPDB蜂窩鋁快速處理程序能夠節(jié)省大量重復性人工勞動，但終究只是一項遵循固定邏輯執(zhí)行的數(shù)據(jù)處理工具，智能化程度較低，不能識別掃描面和感知蜂窩鋁的真實變形情況。使用快速處理軟件輸出處理過的文件后，對X是“0”的點通過“就近原則”法填充侵入量值。之后，需要將1 400個數(shù)據(jù)點通過云圖展示。

蜂窩鋁云圖是在YZ投影面上，將1 400個侵入量值按YZ坐標值大小順序平鋪排列放置在1 400個網(wǎng)格中，如圖4所示。在蜂窩鋁云圖中，不同等級的侵入量數(shù)據(jù)按照不同的顏色予以區(qū)分，用較為淺淡的顏色表征侵入量較小的等級，深重的顏色表征侵入量較深的等級，具體賦色規(guī)律見表2。這樣的展示方式，使得整個蜂窩鋁的變形情況非常直觀生動，不僅能夠明確每個網(wǎng)格的侵入量，也能識別不同網(wǎng)格之間以及不同區(qū)域之間變形量的關(guān)系。

圖4 MPDB蜂窩鋁變形云圖

表2 MPDB蜂窩鋁變形云圖中侵入量等級與顏色對應關(guān)系

蜂窩鋁表面包層板及內(nèi)部潰縮后壓實的蜂窩鋁在局部結(jié)構(gòu)上具有連續(xù)性，在檢查云圖時，如果發(fā)現(xiàn)變形量突變的點或區(qū)域，如一片黃色區(qū)域中包圍一塊紅色或黑色區(qū)域，要追溯到真實試驗后蜂窩鋁和掃描面上查看。有些突變是真實存在的，如因結(jié)構(gòu)件穿刺形成的深孔。有些突變是不合理的，需要結(jié)合實際情況予以修正。經(jīng)過云圖校核過的1 400個數(shù)據(jù)點可作為最終結(jié)果，用于計算SD值，分析車輛攻擊性。

6 結(jié)束語

SD值是評價車輛攻擊性的重要指標，為了準確計算SD值，需要對MPDB蜂窩鋁進行一系列的處理。在實際操作過程中，因掃描面質(zhì)量和形狀等原因造成直接輸出的網(wǎng)格點無法直接使用。本文梳理了幾種典型問題并給出解決辦法，從中提取兩種邏輯性強的功能，基于Delphi開發(fā)環(huán)境編譯并封裝成數(shù)據(jù)處理程序，高效精準獲得1 400個網(wǎng)格侵入量。本文的MPDB蜂窩鋁數(shù)據(jù)快速處理程序?qū)嵱眯詮姡?jīng)大量工作實踐證明能夠大大減少蜂窩鋁處理時間。使用蜂窩鋁變形云圖，可對網(wǎng)格變形量進行校核并對不同區(qū)域變形深度進行可視化展示。