朱海濤，劉 磊，李 博

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300162)

2016190

MDB規(guī)格與車輛側(cè)圍結(jié)構(gòu)響應(yīng)相關(guān)性研究

朱海濤，劉 磊，李 博

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300162)

C-NCAP側(cè)面碰撞測(cè)試(2015版)中，采用了EEVC WG13基于歐洲20世紀(jì)車型的統(tǒng)計(jì)結(jié)果而開(kāi)發(fā)的EEVC Adv-2000側(cè)面移動(dòng)壁障(MDB)。它能否代表我國(guó)的“平均”車型，有待研究。另一方面，C-NCAP評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：采用EEVC-MDB、垂直撞擊前排假人“H”點(diǎn)的測(cè)試方法不能有效評(píng)價(jià)高星級(jí)車輛的安全性能。基于上述背景，進(jìn)行了車輛前端尺寸調(diào)查；根據(jù)調(diào)查結(jié)果，確定相應(yīng)的試驗(yàn)方案；將車輛側(cè)圍結(jié)構(gòu)的響應(yīng)值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)對(duì)某款車型仿真結(jié)果的分析，評(píng)估新方案的可行性。

MDB規(guī)格；“平均”車型；試驗(yàn)設(shè)計(jì)；車身側(cè)圍響應(yīng)

前言

汽車側(cè)面碰撞試驗(yàn)中，側(cè)面移動(dòng)變形壁障(MDB)用來(lái)代表撞擊車輛，其設(shè)計(jì)參數(shù)能代表乘用車“平均”性能參數(shù)。

現(xiàn)有側(cè)面碰撞法規(guī)或星級(jí)評(píng)價(jià)體系中，以美國(guó)和歐洲為代表：兩者均以相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的車型特性，來(lái)定義MDB規(guī)格，并將MDB應(yīng)用到側(cè)面碰撞試驗(yàn)中。其它國(guó)家或地區(qū)的MDB性能也基本參照了歐美的參數(shù)。

但是由于各國(guó)及各地區(qū)消費(fèi)觀念的差異，銷售車輛類型及所占權(quán)重并不完全相同，因此“平均”車型的規(guī)格也會(huì)有所不同，直接參考?xì)W美的做法是不科學(xué)的；由此制定的側(cè)面碰撞試驗(yàn)方法可能會(huì)與實(shí)際情況相悖，甚至?xí)e(cuò)誤引導(dǎo)車輛安全的設(shè)計(jì)方向。

本文中通過(guò)向汽車企業(yè)發(fā)放調(diào)查表的形式，統(tǒng)計(jì)乘用車相關(guān)外觀尺寸；并據(jù)此，在研究相關(guān)MDB規(guī)格的基礎(chǔ)上，進(jìn)行MDB碰撞參數(shù)比對(duì)設(shè)定；對(duì)于某款車型，運(yùn)用整車CAE模型(模型進(jìn)行了50km/h移動(dòng)變形壁障試驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)對(duì)比, 結(jié)果表明此整車有限元模型的有效性、穩(wěn)定性和可靠性, 可以用作進(jìn)一步的研究[1])，基于Hypermesh和LS-DYNA軟件進(jìn)行仿真，通過(guò)車輛側(cè)圍結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性，驗(yàn)證新方案實(shí)施的可行性。

1 側(cè)面碰撞車身結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)基準(zhǔn)

側(cè)面碰撞事故中，乘員的傷害與對(duì)應(yīng)車體區(qū)域的變形、速度和加速度等物理量直接相關(guān)[2]。其生存空間主要受車體側(cè)面結(jié)構(gòu)侵入量影響；而傷害主要源自乘員各部位與車體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，研究結(jié)果表明，肋骨變形量與B柱腰線處的侵入速度呈現(xiàn)近似的線性關(guān)系[3]。因此將車身侵入量和侵入速度作為輸出評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究側(cè)面碰撞試驗(yàn)方法對(duì)乘員傷害的影響是合理并有意義的。

車輛的側(cè)圍評(píng)價(jià)區(qū)域包括前后門(mén)和B柱，其中車門(mén)區(qū)域通過(guò)碰撞假人在乘坐狀態(tài)下的部位來(lái)確定：前門(mén)使用ES2假人，包括假人胸部、腹部和骨盆位置對(duì)應(yīng)的車門(mén)區(qū)域；后門(mén)使用SID-IIs假人，包括胸部、腹部和骨盆位置對(duì)應(yīng)的車門(mén)區(qū)域。

1.1 入侵量評(píng)價(jià)基準(zhǔn)

對(duì)于側(cè)面B柱結(jié)構(gòu)變形的評(píng)價(jià)，美國(guó)公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)(IIHS)做出如圖1所示的評(píng)價(jià)方法[4]，若碰撞后B柱內(nèi)板與座椅中心線的距離大于125mm，說(shuō)明車身變形處于“優(yōu)”等級(jí)，車身具有良好的乘員生存空間；當(dāng)該距離大于50mm，視為“達(dá)標(biāo)”；而當(dāng)該距離大于零，則算“及格”。

圖1 B柱變形評(píng)價(jià)方法

企業(yè)在車輛側(cè)面結(jié)構(gòu)安全開(kāi)發(fā)時(shí)，一般按照下述目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]：對(duì)于50km/h MDB側(cè)撞，一般要求碰撞后B柱呈倒“S”變形，且假人胸部位置高度B柱侵入小于100mm；而對(duì)于29km/h側(cè)面柱碰撞，一般要求碰撞后，B柱內(nèi)板到座椅中心線的最小距離大于125mm。

1.2 入侵速度評(píng)價(jià)基準(zhǔn)

對(duì)于車門(mén)侵入速度，在50km/h MDB側(cè)撞下，企業(yè)一般按照如下目標(biāo)進(jìn)行車身安全設(shè)計(jì)：在接觸時(shí)段內(nèi)，對(duì)應(yīng)假人胸部侵入速度為6～7m/s,假人腹部侵入速度為6.5～7.5m/s,假人骨盆侵入速度為7～8m/s。本文中將胸部侵入速度小于7m/s,腹部侵入速度小于7.5m/s,骨盆區(qū)域侵入速度小于8m/s認(rèn)定為滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值要求。

2 MDB規(guī)格的影響與參數(shù)的確定

2.1 MDB規(guī)格的影響

MDB規(guī)格、碰撞角度、碰撞速度、碰撞點(diǎn)位置是汽車側(cè)面碰撞試驗(yàn)中的關(guān)鍵參數(shù)，不同的側(cè)面碰撞試驗(yàn)方法，上述參數(shù)不盡相同。表1為依據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)中參數(shù)變化區(qū)間確定的4因素、4水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)因子及水平

圖2 極差法(R法)示意圖

(1)

式中：Rj反映了第j因素水平變動(dòng)時(shí)試驗(yàn)指標(biāo)的變動(dòng)幅度。Rj越大，說(shuō)明該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，因此也越重要。

圖3為車身撞擊側(cè)圍各區(qū)域侵入量對(duì)應(yīng)的極差值。可見(jiàn)，在碰撞側(cè)前門(mén)、B柱和后門(mén)3個(gè)區(qū)域中，碰撞參數(shù)對(duì)侵入量影響具有相同特征趨勢(shì)：MDB規(guī)格對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響最大；碰撞角度其次；碰撞速度與碰撞點(diǎn)位置的影響相當(dāng)；碰撞點(diǎn)位置是4個(gè)已知因素中對(duì)車身侵入量指標(biāo)影響最小的因素。圖4為車身撞擊側(cè)圍各區(qū)域侵入速度對(duì)應(yīng)的極差值計(jì)算結(jié)果。

圖3 車身撞擊側(cè)圍侵入量指標(biāo)對(duì)應(yīng)的極差值

圖4 車身撞擊側(cè)圍最大侵入速度對(duì)應(yīng)極差值

由圖4可見(jiàn)，上述碰撞參數(shù)在侵入速度指標(biāo)下也具有同樣的影響趨勢(shì)。

綜上所述，在上述4個(gè)影響因子中，MDB規(guī)格是對(duì)車身碰撞結(jié)構(gòu)影響最為顯著的因素。因此，以中國(guó)市場(chǎng)上銷售的車型為對(duì)象，展開(kāi)相應(yīng)參數(shù)調(diào)查是必要的。

2.2 MDB相關(guān)參數(shù)的獲取

在側(cè)面碰撞試驗(yàn)中，MDB的功能是模擬撞擊車輛(在交通事故分析中一般視為肇事車)，因此，MDB參數(shù)的選取，理應(yīng)基于實(shí)際側(cè)撞事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中撞擊車的有關(guān)信息，但限于這方面統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的缺乏，本文中權(quán)且根據(jù)文獻(xiàn)[6]中在進(jìn)行車輛正面碰撞試驗(yàn)轎車前艙結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與變形分析中引用的CAE分析經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)換算得到，前艙各關(guān)鍵部件吸能占前艙所有部件吸收總能量的比例為：發(fā)動(dòng)機(jī)蓋3.4%，前保險(xiǎn)杠橫梁11.9%，散熱器6.8%，吸能盒16.9%，縱梁42.4%，副車架6.8%。說(shuō)明縱梁是碰撞中吸能的主要部件。因此，在確定MDB的結(jié)構(gòu)形式與尺寸時(shí)，就重點(diǎn)考慮縱梁。

2.2.1 調(diào)查信息和統(tǒng)計(jì)方法

車輛外觀尺寸數(shù)據(jù)通過(guò)企業(yè)填寫(xiě)調(diào)查表的形式來(lái)獲取[3]，圖5為車輛外觀尺寸調(diào)查參數(shù)示意圖。

圖5 車輛外觀尺寸調(diào)查參數(shù)示意圖

調(diào)查內(nèi)容包括車輛總體寬度、前減振器高度、縱梁上下高度和整備質(zhì)量等參數(shù)。項(xiàng)目共獲取24個(gè)企業(yè)、115款車型外觀尺寸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)涵蓋70%以上的乘用車企業(yè)。納入統(tǒng)計(jì)范圍的車型覆蓋了各個(gè)級(jí)別：其中基本型乘用車66款(其中小型車6款，A級(jí)車43款，B級(jí)車17款)，SUV 39款，MPV10款。圖6為統(tǒng)計(jì)車型分布示意圖。

圖6 統(tǒng)計(jì)車型分布示意圖

考慮各類車型在我國(guó)汽車市場(chǎng)上的銷量，在確定車型“平均”外觀尺寸時(shí)，根據(jù)各車型的銷量權(quán)重，對(duì)統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行加權(quán)修正。圖7為近年來(lái)我國(guó)汽車市場(chǎng)上乘用車的銷量數(shù)據(jù)：從2010-2013年共計(jì)銷售基本型乘用車4 237.1萬(wàn)臺(tái)，MPV 274.2萬(wàn)臺(tái)，SUV 790.9萬(wàn)臺(tái)。從這4年的銷量數(shù)據(jù)看，基本型乘用車占79.91%，MPV占5.17%，SUV占14.92%。

圖7 2010-2013年我國(guó)乘用車市場(chǎng)銷量數(shù)據(jù)

2.2.2 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析

圖8為乘用車前部縱梁下端高度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？梢钥闯?，對(duì)于縱梁下端，5分位高度值為372mm；95分位值為508mm；50分位值為440mm。根據(jù)銷售量加權(quán)修正后的高度為432mm。圖9～圖12分別為縱梁上端高度、前端減振器高度、車輛整體寬度和車輛整備質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

教師是教育事業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，是提高教育質(zhì)量、辦好人民滿意教育的關(guān)鍵。教師每五年一周期的繼續(xù)教育學(xué)習(xí)，在教師的專業(yè)成長(zhǎng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。而課程則是教師繼續(xù)教育這個(gè)宏大系統(tǒng)中的核心要素，也是開(kāi)展教師繼續(xù)教育活動(dòng)、實(shí)現(xiàn)教師繼續(xù)教育目標(biāo)的載體，更是統(tǒng)整“碎片化”教研活動(dòng)、提高教師職后教育質(zhì)量、促進(jìn)教師專業(yè)成長(zhǎng)的重要節(jié)點(diǎn)。區(qū)域教師培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的使命之一是立足教師的專業(yè)發(fā)展，不斷完善“研修一體”課程體系，開(kāi)展教師研修課程創(chuàng)新的實(shí)踐研究，提升研修的專業(yè)化水平。

圖8 乘用車前部縱梁下端高度統(tǒng)計(jì)值

圖9 乘用車前部縱梁上端高度統(tǒng)計(jì)值

圖10 乘用車前端減振器高度統(tǒng)計(jì)值

圖11 乘用車整體寬度統(tǒng)計(jì)值

圖12 乘用車整備質(zhì)量統(tǒng)計(jì)值

圖13 基于統(tǒng)計(jì)尺寸的壁障前端高度

從對(duì)應(yīng)的圖中可以看出，上述參數(shù)對(duì)應(yīng)50分位加權(quán)修正后為：縱梁上端高度為549mm；前端減振器為861mm；車輛整體寬度為1 777mm；車輛整備質(zhì)量為1 342kg。根據(jù)車輛的整備質(zhì)量，加上駕駛員質(zhì)量(76kg)，取臺(tái)車質(zhì)量為1 420kg。

2.2.3 統(tǒng)計(jì)值與MDB參數(shù)值對(duì)比

MDB前端尺寸統(tǒng)計(jì)參數(shù)見(jiàn)圖13,防撞梁下端離地高度(a1)為432mm,上端離地高度(a2)為549mm，頂部離地高度(a3)為861mm。圖14為4種典型側(cè)面碰撞中壁障的高度尺寸?？梢钥闯?，防撞梁下端離地高度統(tǒng)計(jì)值(a1)與IIHS(圖14(c))更為接近；對(duì)于防撞梁的中心高度((a1+a2)/2)，統(tǒng)計(jì)值為490.5mm，與AE-MDB(圖14(d))防撞梁中心高度更為接近；防撞梁寬度(a2-a1)統(tǒng)計(jì)值為117mm，與這幾種壁障的寬度有所差異(圖14(a)～圖14(c))；對(duì)于壁障頂部離地高度(a3)，統(tǒng)計(jì)值為861mm，與IIHS-MDB(圖14(c))差異較大，與其它3種壁障更為接近。

圖14 典型側(cè)面碰撞試驗(yàn)中壁障高度

綜合上述比較結(jié)果，在現(xiàn)有AE-MDB基礎(chǔ)上，將壁障的高度上調(diào)50mm，是與統(tǒng)計(jì)值更為吻合的設(shè)置方案。

3 MDB參數(shù)對(duì)車輛側(cè)圍結(jié)構(gòu)的影響

3.1 試驗(yàn)設(shè)置

根據(jù)上述參數(shù)統(tǒng)計(jì)值，在研究典型MDB規(guī)格和相應(yīng)試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，如表2所示。方案中共設(shè)計(jì)了6次試驗(yàn)，碰撞速度均設(shè)定為50km/h。試驗(yàn)方案中，試驗(yàn)1為C-NCAP(2015版)采納方案，試驗(yàn)4為EURO-NCAP(2015版)采納方案，試驗(yàn)5是基于統(tǒng)計(jì)參數(shù)值的設(shè)置方案。

表2 仿真試驗(yàn)方案設(shè)置

圖15為6次試驗(yàn)中，碰撞側(cè)車身侵入量最大時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布圖。

圖15 車身碰撞側(cè)圍侵入量最大時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布圖

3.2.1 側(cè)圍侵入量

為便于不同試驗(yàn)之間的相對(duì)比較，引入一個(gè)指標(biāo)——相對(duì)侵入量λ，定義為

λ=io/ib

(2)

式中：io為輸出指標(biāo)，即實(shí)際侵入量；ib為比較基準(zhǔn)值，這里采用C-NCAP(2015版)的輸出指標(biāo)。

圖16為6次試驗(yàn)中車輛側(cè)圍區(qū)域侵入量對(duì)應(yīng)的λ值。從圖中可以看出侵入量整體變化情況。

圖16 車身各部位的相對(duì)侵入量

(1) 當(dāng)碰撞點(diǎn)位置后移時(shí)，前門(mén)區(qū)域侵入量減小，后門(mén)區(qū)域侵入量增大。在使用EEVC-2000壁障的試驗(yàn)2中，前門(mén)和B柱區(qū)域?qū)?yīng)的λ值約為0.9，后門(mén)胸部及以下區(qū)域λ平均值為1.6，表明碰撞中心點(diǎn)后移250mm后，前門(mén)區(qū)域侵入量平均減小10%，后門(mén)胸部及以下區(qū)域侵入量平均增加60%；在使用AE-MDB壁障的試驗(yàn)3和4中，有同樣的變化趨勢(shì)，與試驗(yàn)3相比，試驗(yàn)4的前門(mén)區(qū)域侵入量平均降低13.6%，后門(mén)區(qū)域平均增加51.7%。

(2) 與試驗(yàn)1(采用C-NCAP方法)相比，試驗(yàn)4(采用EURO-NCAP方法)臺(tái)車整備質(zhì)量由950kg增至1 300kg,碰撞壁障由EEVC-2000變?yōu)锳E-MDB，且碰撞中心點(diǎn)后移250mm。上述變化導(dǎo)致車輛側(cè)圍侵入量整體增大，尤其是后門(mén)胸部及以下區(qū)域，侵入量平均增幅達(dá)到85%。

(3) 使用AE-MDB壁障的試驗(yàn)4-試驗(yàn)6的結(jié)果對(duì)比表明，臺(tái)車質(zhì)量的增加和吸能壁障高度的提升，會(huì)導(dǎo)致車輛側(cè)圍整體侵入量增大。與試驗(yàn)4相比，試驗(yàn)5的臺(tái)車質(zhì)量增加120kg、前端高度提升50mm，導(dǎo)致車輛側(cè)圍區(qū)域侵入量平均增加43.7%；同樣條件下將高度由50mm上調(diào)為80mm(試驗(yàn)6)，車輛側(cè)圍區(qū)域侵入量平均增加91.4%。

圖17為6次碰撞試驗(yàn)中，車輛側(cè)圍結(jié)構(gòu)內(nèi)板位置距離座椅中心線的距離，圖中坐標(biāo)中心點(diǎn)代表該距離為120mm，按照IIHS評(píng)價(jià)程序，在該車型6次試驗(yàn)中，側(cè)圍結(jié)構(gòu)碰撞后的侵入量均處于“優(yōu)”等級(jí)，其中試驗(yàn)6中B柱區(qū)域的侵入量最小，距離座椅中心線約125mm。

圖17 側(cè)圍內(nèi)板位置距離座椅中心線距離

圖18為6次試驗(yàn)中側(cè)圍結(jié)構(gòu)侵入量。其中B柱中部位置與ES2假人的胸部位置相對(duì)應(yīng)。在使用EEVC-2000壁障的試驗(yàn)1和2中，B柱中部的侵入量小于100mm；在使用AE-MDB壁障的其它4次試驗(yàn)中，該位置侵入量均超出100mm的設(shè)計(jì)目標(biāo)值。其中試驗(yàn)4，B柱的侵入量為108mm；試驗(yàn)5中為150mm，超出目標(biāo)值50%；試驗(yàn)6中為197mm，超出目標(biāo)值接近100%。

圖18 碰撞過(guò)程中車身側(cè)圍最大侵入量

3.2.2 側(cè)圍平均侵入速度

實(shí)車碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該車型前排ES2假人處于約束狀態(tài)下的時(shí)間域在15～40ms范圍內(nèi)，后排SID-IIs假人處于約束狀態(tài)下的時(shí)間域在30～60ms范圍內(nèi)。因此對(duì)于模擬試驗(yàn)中的前門(mén)侵入速度，在15～40ms范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；后門(mén)侵入速度在30～60ms的范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。圖19為車輛前門(mén)胸部區(qū)域?qū)?yīng)的侵入速度。

圖19 前門(mén)假人胸部區(qū)域?qū)?yīng)的車身側(cè)圍侵入速度

表3 6次試驗(yàn)中車門(mén)相應(yīng)區(qū)域平均侵入速度 m/s

表3中黑色區(qū)域代表侵入速度未達(dá)到目標(biāo)設(shè)計(jì)值要求。在試驗(yàn)4中，前門(mén)腹部及后門(mén)胸部侵入速度剛剛超出目標(biāo)設(shè)計(jì)值要求；試驗(yàn)5和6中，前門(mén)腹部、后門(mén)胸部均超出目標(biāo)設(shè)計(jì)值要求，并且試驗(yàn)5中的后門(mén)腹部、骨盆區(qū)域也同樣未能達(dá)到設(shè)計(jì)值要求，但從具體侵入速度值來(lái)看，通過(guò)相應(yīng)車體結(jié)構(gòu)改進(jìn)，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)設(shè)計(jì)值要求。

4 結(jié)論

極差法計(jì)算結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)側(cè)面碰撞試驗(yàn)方

法時(shí)，MDB規(guī)格是對(duì)車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響最為顯著的因素。

通過(guò)115款車型相關(guān)參數(shù)加權(quán)統(tǒng)計(jì)，得到的“平均”車參數(shù)如下：防撞梁中心位置高度為490.5mm，前端結(jié)構(gòu)總體高度為861mm，車寬為1 777mm，整備質(zhì)量為1 342kg。

典型側(cè)面用壁障規(guī)格與“平均”車參數(shù)對(duì)比表明，在AE-MDB臺(tái)車基礎(chǔ)上將質(zhì)量配至1 420kg(考慮駕駛員質(zhì)量78kg),并將壁障前端高度上調(diào)50mm，使壁障保險(xiǎn)杠中心位置高度達(dá)到500mm，總體高度達(dá)到850mm，是更為合理、科學(xué)的試驗(yàn)方案。

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A Study on the Correlation Between MDB Specificationsand Side Panel Structure Response

Zhu Haitao, Liu Lei & Li Bo

ChinaAutomotiveTechnologyResearchCenter,Tianjin300162

EEVC Adv-2000 side moving deformable barrier (MDB) developed by EEVC WG13 based on the statistical results of European vehicle models in 20th century is adopted in C-NCAP side impact test (2015 Edition). On one hand, whether it can represent the “average” vehicle models in China remains to be studied; on the other hand, C-NCAP evaluation results indicate that using EEVC-MDB with a testing scheme of perpendicularly hitting the “H” point of front-row dummy is unable to effectively evaluate the safety performance of high star vehicles. In view of these, a survey on the front-end dimensions of vehicles is conducted, based on which a corresponding test scheme is worked out, with the responses of side panel structures of vehicle as evaluation indicators. Finally the feasibility of the scheme proposed is assessed by the analyses on the simulation results of a car model.

MDB specification;“average” car model; design of experiment; body side panel response

原稿收到日期為2015年9月21日。