MPDB工況下某微型電動汽車碰撞相容性與耐撞性研究

摘 "要：根據2020版E-NCAP要求，利用LS-DYNA進行某微型電動汽車在MPDB工況下的碰撞仿真分析。以SD、OLC、前圍板最大侵入量、B柱加速度峰值為評價指標，改變保險杠剛度、前縱梁剛度和離地高度，分析車輛關鍵參數對相容性和耐撞性的影響。結果表明：較大的保險杠剛度、較小的縱梁剛度和更高的離地高度可保證微型電動車相容性較好，同時提高耐撞性。以此為依據，對微型電動車進行改進。改進后的微型電動車在兼顧相容性的同時，前圍板最大侵入量降低了22.1%，B柱加速度峰值降低了1.1%。

關鍵詞：E-NCAP；MPDB；微型電動車；碰撞相容性

中圖分類號： U467.1+4 " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A 文章編號：1008-5483（2024）01-0001-06

Research on Collision Compatibility and Durability of

a Micro Electric Vehicle in MPDB Condition

Zhang Wang， Qin Xuan， Wang Xingdong， Tang Youjing

（School of Automotive Engineering， Hubei University of Automotive Technology， Shiyan 442002， China）

Abstract： According to the 2020 edition E-NCAP requirements， LS-DYNA was used to simulate the collision of a certain micro electric vehicle under MPDB. Compatibility indexes SD， OLC， barrier breakdown and durability indexes maximum front panel intrusion and peak B-pillar acceleration were included in the evaluation criteria. By varying bumper stiffness， front longitudinal beam stiffness， and ground clearance， the impact of these key vehicle parameters on collision compatibility and durability were analyzed. The results indicate that higher bumper stiffness， lower longitudinal beam stiffness， and greater ground clearance contribute to better collision compatibility and improved durability for mini electric vehicles. Based on these findings， improvements were made to the mini electric vehicle. As a result， the modified vehicle maintains compatibility while reducing the maximum front bumper intrusion by 22.1% and decreasing peak B-pillar acceleration by 1.1%.

Key words： E-NCAP; MPDB; micro electric vehicle; collision compatibility

2020年前各國新車評價中汽車的正碰測試工況為ODB碰撞及正面100%重疊剛性壁障碰撞［1］，兩者均為固定壁障碰撞，僅關注車輛自身的安全性能。2020年歐洲新車評價程序（Europe new car assessment program，E?NCAP）發(fā)布的MPDB（mobile progressive deformable barrier）碰撞試驗技術公告正式實施［2］。新測試工況采用移動壁障作為撞擊對象，除考察被測車自身耐撞性能外，引入相容性指標評價被測車的攻擊性，對汽車安全性能考慮更全面。胡遠志等基于車對車正面碰撞仿真論證了質量、剛度、結構對相容性的影響［3］；文獻［4-5］中針對質量差異較大的兩車碰撞不兼容問題，提出增加小質量車前部剛度、減小大質量車前部剛度的改善措施；張瑞雨等提出了針對兩車質量有差異的車輛前端剛度優(yōu)化匹配方法，降低了兩車乘員損傷風險［6］；宋和平等對某車型進行結構優(yōu)化，提高了MPDB工況下相容性得分［7］；Masashi Makita研究發(fā)現汽車碰撞時，碰撞區(qū)域內前部結構的作用力分布均勻性與車輛相容性呈正相關［8］。上述相容性研究多聚焦于傳統車型，針對微型電動汽車的研究較少。微型電動汽車剛度分布與傳統車存在較大差異，前端吸能結構少，整車質量輕，在碰撞中損傷風險更大。文中以微型電動汽車為研究對象，根據2020版E-NCAP要求建立MPDB仿真模型，以保險杠剛度、縱梁剛度及小車離地高度為變量進行碰撞分析，提出相容性及耐撞性設計建議。

1 MPDB試驗工況

可變形壁障臺車與被測車均以車速50 km·h?1相向運動，重疊率為50%。壁障車質量為1400 kg，前端為具有吸能作用的壁障塊，壁障塊距離地面150 mm，后端連接剛性車身。

MPDB工況總得分為16分，相容性罰分最高可達8分，罰分根據壁障變形標準差SD、乘員載荷準則OLC和壁障擊穿3個相容性評價指標確定。相容性總罰分如圖1所示。SD的測量點位于壁障特定區(qū)域內，SD越小，表示壁障變形越均勻。SD的高性能與低性能限值分別為50 mm和150 mm。OLC反映乘員約束系統起作用后特定段的MPDB上虛擬乘員減速度，用于評價測試車輛的質量影響因素［9］。OLC的高性能與低性能限值分別為25g和40g。壁障擊穿指在壁障評價區(qū)域內，若表面侵入量大于630 mm的面積超過40 mm × 40 mm，則在此前的罰分基礎上加罰2分［10］。

2 微型電動汽車及MPDB有限元模型

2.1 整車有限元模型的建立與驗證

文中研究對象為單排雙座的微型純電動汽車，整車質量為924 kg，車身骨架為鋁合金材質，動力電池位于座椅下方，驅動電機后置［11］。對鈑金件和空心管柱等薄壁結構使用2D單元劃分網格。對驅動電機和變速器等結構采用六面體單元劃分網格，并在實體單元表面生成殼單元網格，賦予9號包殼空材料。整車零部件之間多采用1D剛性單元連接可變形體，在空調總成與螺栓孔之間、動力電池組與外部電池箱之間采用constrained_extra_nodes_set關鍵字模擬剛性體與柔性體之間的連接，在變速器與驅動電機之間用constrained_rigid_bodies模擬剛體間的連接。整車材料以24號彈塑性材料為主，考慮應變率，根據實際材料參數賦予不同的有效塑性應力應變曲線。整車全寬剛性墻碰撞能量平衡見圖2，仿真模型總能量為92.25 kJ，在50 ms時能量趨于穩(wěn)定，沙漏能最大為0.35 kJ，占總能量的0.3%，仿真過程能量守恒，滿足工程應用要求。

2.2 MPDB有限元模型的建立與驗證

MPDB模型分為車架與前端壁障塊2個部分。壁障由3個強度不同區(qū)塊組成，采用24號彈塑性材料模擬截面為六邊形的蜂窩鋁材料和包層等薄板結構，車架采用20號剛體材料建模。采用beam單元模擬膠粘連接，采用MAT100定義失效力模擬膠粘失效。定義車架為慣性體，添加慣性體質量，使壁障車總質量為1400 kg。按照E-NCAP中的試驗規(guī)定，對壁障車模型進行管狀沖擊試驗，提取變形壁障的力-位移曲線，如圖3所示，曲線完全位于規(guī)定通道內，壁障車模型符合試驗要求。

3 微型電動車MPDB工況碰撞分析

根據2020版E-NCAP中對MPDB試驗車輛定位要求進行位置調整，設置相關接觸，保證仿真過程中模型各部件無穿透現象，MPDB工況有限元模型見圖4。仿真時間為120 ms，碰撞過程能量守恒，總能量為232 kJ，沙漏能最大為0.45 kJ，占比約為總能量的0.2%。碰撞結束時微型車吸能占兩車總吸能的36.3%，相較于傳統車型，吸能占比較少。

3.1 整車變形分析

為直觀觀察到前部變形情況，隱去小車前圍部分，小車變形情況如圖5所示。0～5 ms保險杠中部向后彎折吸能，隨著壁障壓潰程度的加深，小車縱向吸能部件開始潰縮吸能，形成上中下3條傳力路線。5～20 ms前縱梁及上下輔助吸能結構潰縮吸能，小車前縱梁采用誘導槽的結構設計，保證潰縮充分，20 ms時車輪與下邊梁接觸形成新的傳力路徑。20～26 ms縱梁持續(xù)向后潰縮吸能，輪胎擠壓變形，前艙的空調總成與輪轂等大剛度部件在第26 ms時與乘員艙骨架接觸，此時小車碰撞剛度達到峰值。26～35 ms主要由下部次級吸能結構變形吸能，小車左側吸能結構在35 ms時壓潰結束。35～68 ms小車在左側碰撞力矩的作用下繞z軸正向轉動，小車右側保險杠與壁障塊接觸，次級吸能結構彎折吸收小部分碰撞能量。至此，變形基本結束，部分結構在殘余應力下發(fā)生極小回彈，小車與壁障逐步分離。

3.2 相容性及耐撞性分析

提取相容性評價指標，SD為52.16 mm，未發(fā)生壁障擊穿，壁障侵入如圖6a所示。由于小車前部吸能件較少，壁障入侵云圖與前端結構的對應關系比較直觀。圖6a中區(qū)域1、2、3、4對應的小車前端結構為前縱梁、前縱梁與上部吸能結構連接桿、空調總成、下部次級吸能結構。由于保險杠向后彎折變形，上部連接桿等其他部件傳力吸能，侵入量相對較大，而小車自身碰撞能量小，壁障侵入量主要集中在380～580 mm，SD較小，接近高性能限值，反映出車輛前端結構作用均勻性較好［12］。相容性總罰分如圖6b所示。微型車自身質量小，OLC指標為21.85g，低于高性能限值。結合SD后小車相容性總罰分約為0.043分，相容性良好。

以整車撞擊B柱加速度峰值和前圍板最大侵入量評價車輛耐撞性，B柱加速度曲線如圖7所示。由于前艙較小，加速度較早到達峰值。在仿真第26 ms，空調總成和蓄電池等部件與乘員艙接觸，加速度達到峰值60.91g，隨后加速度逐步下降，并趨于穩(wěn)定。由于乘員艙左右兩側前端多處采用三角形框架結構等大剛度設計，下部設有4根地板梁，進一步增大乘員艙剛度，在碰撞中乘員艙骨架變形極小，所以前圍板最大侵入量較小，為88.21 mm，且變形集中在前圍板上部，主要是前端空調總成等結構撞擊前圍板導致?？紤]到微型電動車乘員艙空間小，該侵入值仍有可能對乘員腿部造成傷害。

小車各評價參數指標如表1所示。綜合各指標考慮得出，小車相容性指標均較好，SD接近高性能指標，OLC達到高性能指標，未發(fā)生擊穿；小車的前圍板最大侵入量較小，但加速度峰值大，小車耐撞性較差，有一定的提升空間。

4 整車參數對評價指標的影響

兩車互撞時，由于車型的差異主要體現在車體剛度，同時車型還會影響車輛與壁障撞擊的位置。選取前端剛度、車體離地高度為主要對比參數，研究車型差異對相容性及耐撞性的影響。

4.1 車輛前端剛度

4.1.1 "保險杠剛度

以小車前端中部和下部2根保險杠為研究對象，通過改變保險杠厚度實現剛度的變化。分別增加和減少保險杠厚度0.5 mm進行MPDB仿真，圖8為壁障入侵云圖，SD分別為53.62 mm和70.34 mm。保險杠剛度增加，在壁障上對應區(qū)域的侵入量增加，評價區(qū)域右側撞擊重疊區(qū)侵入量上升，左側侵入量下降，整體入侵均勻性變差，SD上升。保險杠剛度減小，變形形式由軸向壓潰為主變?yōu)橄蚝笳蹚?，對壁障入侵能力下降，出現更多低侵入量區(qū)域，縱梁部位局部侵入變大，壁障入侵均勻性變差，SD明顯上升，未發(fā)生壁障擊穿。保險杠剛度變化的各項評價指標如表2所示。隨著保險杠剛度增加，壁障車OLC和小車加速度均逐漸增加，前圍板侵入量隨剛度增加而變??；當保險杠剛度減小時，相容性罰分明顯增加，B柱加速度降低12.3%，但前圍板入侵量增加39%，小車相容性和耐撞性均變差。改變保險杠剛度體現出的變化規(guī)律和車輛與剛性固定壁障碰撞類似，即剛度增大，變形減少，加速度增大?？疾煨≤嚭捅谡宪嚫髯晕茉诳偽苤械恼急龋緵]有改變。

微型電動車前端剛度通常較小，均具有良好的碰撞相容性，考慮剛度過小車輛相容性及耐撞性均有所下降，不利于車輛碰撞初期加速度的快速提升為后期約束系統工作提供有效時間，且較大的保險杠剛度可以保證前艙部件充分壓潰吸能，因此建議適當增加保險杠剛度，得到合理剛度設計范圍，獲得較好的耐撞性。

4.1.2 "縱梁剛度

改變縱梁厚度實現剛度變化，分別增加和減少縱梁厚度0.5 mm進行MPDB仿真。壁障入侵云圖如圖9所示，SD分別為83.36 mm和56.54 mm。當縱梁剛度增加遠大于壁障剛度時，縱梁部位侵入量上升并發(fā)生壁障擊穿，SD明顯上升?？v梁剛度減小，壓縮量增加，更多車身部件與壁障產生大能量接觸，壁障其余部位將吸收更多的碰撞能量，右上部侵入量增加。較原始設計，SD略有上升，但未發(fā)生擊穿。相容及耐撞性各項指標見表3。改變縱梁剛度，不再出現類似剛性碰撞的規(guī)律，隨著縱梁剛度增加而引起加速度的增加。由于剛度的增加，兩車相撞的能量中，原本被小車吸收的能量將有一部分轉為壁障吸收，微型車吸能占兩車總吸能百分比由原車型36.3%降低至34.6%，B柱加速度降低，但大剛度的前縱梁無法較好地潰縮吸能，導致更多碰撞能量通過車身中部的空調總成傳遞至前圍板，前圍板變形侵入量明顯上升。縱梁剛度減小，自身吸能變少，在縱梁完全壓潰后，保險杠和空調總成在乘員艙前端形成一個剛度均勻的平面，而微型車乘員艙骨架剛度極大，所以由壁障繼續(xù)變形吸能，微型車吸能比降低至32.5%，前圍板侵入量和加速度指標均降低，耐撞性提升。

對比前保險杠和縱梁剛度變化對吸能的影響，可以證明縱梁是碰撞吸能的關鍵部件，調節(jié)縱梁剛度，可以調節(jié)兩車的吸能占比，控制兩車的加速度相對大小。減小微型電動車前縱梁剛度，使縱梁迅速潰縮完畢，保險杠與其余部件在乘員艙前端形成更大的接觸面，利用小車自身大剛度乘員艙的設計使能量由對方車輛吸收，耐撞性更好。

4.2 離地高度

分別升高和降低整車模型5 cm進行MPDB仿真，壁障入侵云圖如圖10所示，SD分別為46.78 mm和58.57 mm。微型車高度增加使更多吸能部件位于評價區(qū)域內，各傳力通道受力均勻，壁障入侵增加但更均勻，SD減小。降低高度后壁障下部侵入量增加，入侵均勻性變差，SD增大。各項指標如表4所示。升高高度后，SD降低至50 mm以下，小車相容性罰分降為0，相容性和耐撞性均變好，降低高度使小車相容性和耐撞性均變差。改變高度本質上是改變小車前部結構，由此可見，壁障與小車結構件的幾何關系對試驗結果有較大影響。

微型電動車普遍底盤低，前端吸能部件與壁障評價區(qū)域的重疊程度不高，增加小車離地高度可以增加重疊程度，有效提高相容性和耐撞性。

4.3 綜合改進設計

碰撞中小型車輛通常處于弱勢地位，鑒于微型電動車乘員艙空間小，所以考慮降低微型電動車的前圍板侵入量和B柱加速度峰值，并保證相容性較好。綜上分析，設計改進方案為升高小車5 cm同時增加保險杠厚度0.5 mm、減小縱梁厚度0.5 mm。改進后SD為54.61 mm，未發(fā)生壁障擊穿。

改進方案各指標如表5所示。改進模型前圍板侵入量減少19.48 mm，相比原模型降低約22%，加速度峰值減少0.69g，相比原模型降低約1.1%。改進后小車相容性較好，耐撞性有較大提升。

5 結論

微型電動車由于其結構特殊性，耐撞性與相容性均與傳統車型差異較大，為此進行微型電動車MPDB工況研究，得到以下結論：1）微型電動車質量小、前端剛度小的特性確保其相容性較好。2）微型電動車在前端結構的設計上應保證剛度的均勻性和連續(xù)性，避免局部剛度過大導致壁障擊穿。3）耐撞性問題是微型電動車的設計弱項，保險杠剛度對耐撞性影響更大，縱梁剛度則對相容性影響更大。適當降低縱梁剛度，可提高前保險杠剛度，兼顧自身耐撞性與相容性。4）增加離地高度可提高吸能部件與壁障重疊率，對相容性和耐撞性均有提升，安全性能提升收益最大，同時可以預防微型電動車與大型SUV碰撞時發(fā)生“鉆底”現象，可優(yōu)先考慮作為微型電動車的設計方案。

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