侯聚英　徐鳴濤　徐莉　王喜軍

摘 要：本文基于2020版E-NCAP正面MPDB工況對(duì)江鈴某款已上市SUV車(chē)型進(jìn)行了實(shí)車(chē)試驗(yàn)和碰撞仿真，評(píng)估基礎(chǔ)車(chē)碰撞相容性。并對(duì)比MPDB工況與ODB偏置工況的性能差異，探討優(yōu)化碰撞相容性的應(yīng)對(duì)策略。提出一種車(chē)體前端關(guān)鍵傳遞路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，可大幅降低碰撞相容性罰分，為后續(xù)新車(chē)型設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：MPDB ODB 碰撞相容性 傳遞路徑

Optimization Design of Working Conditions Collision Compatibility of An SUV based on the 2020 Version of E-NCAP MPDB

Hou Juying Xu Mingtao Xu Li Wang Xijun

Abstract：Based on the 2020 E-NCAP MPDB impact test， a physical vehicle test and CAE simulation of a listed SUV model of Jiangling Motors were carried out to evaluate the compatibility of the base model. Comparing the performance difference between MPDB and ODB test， the article presents the countermeasures for optimizing the compatibility. An optimization design scheme for the key load path of the front end of the vehicle body is proposed， which can greatly improve the compatibility performance and provide reference for the new type model design.

Key words：MPDB， ODB， collision compatibility， load path

隨著道路交通環(huán)境的日益復(fù)雜，針對(duì)各種事故所制定的汽車(chē)測(cè)試法規(guī)也越來(lái)越嚴(yán)苛。這也促進(jìn)了汽車(chē)主動(dòng)和被動(dòng)安全技術(shù)的提升。在正碰工況中，車(chē)體前端結(jié)構(gòu)起著重要的載荷傳遞和吸能緩沖作用。但是根據(jù)歐洲汽車(chē)協(xié)會(huì)ADAC（AllgemeinerDeulscherAutomobil-Club）的調(diào)查顯示在很多情況下，縱梁沒(méi)有參與碰撞或者是橫梁因?yàn)槊撻_(kāi)沒(méi)有起到吸能的作用。這會(huì)導(dǎo)致在碰撞過(guò)程中輪轂遭受撞擊，進(jìn)而降低乘員生存空間，增加乘員傷害，如下圖所示[1]。

為了評(píng)價(jià)兩車(chē)對(duì)撞的復(fù)雜工況，ADAC于2010年推出了一種可變形壁障來(lái)評(píng)估前端潰縮結(jié)構(gòu)對(duì)乘員保護(hù)性能，這種漸變式可變形壁障測(cè)試被稱(chēng)為碰撞相容性測(cè)試或者是MPDB（Mobile Progressive Deformable Barrier，簡(jiǎn)稱(chēng)MPDB）測(cè)試。目前作為全球最為全面的歐洲碰撞規(guī)程E-NCAP已經(jīng)確認(rèn)將于2020將MPDB測(cè)試工況納入評(píng)價(jià)體系，并代替目前實(shí)施的正面40%重疊可變形壁障碰撞工況ODB（Offset Deformable Barrier）[2]。根據(jù)最新的C-NCAP的路線(xiàn)圖，未來(lái)2021版的中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程也將采用MPDB測(cè)試工況替代ODB。

與ODB相比，MPDB工況使用臺(tái)車(chē)與實(shí)車(chē)對(duì)撞，更符合實(shí)際道路交通事故兩車(chē)對(duì)撞場(chǎng)景[3]。MPDB工況不僅考察發(fā)生事故時(shí)自身車(chē)輛的乘員安全防護(hù)性能，而且可以更加全面的評(píng)估對(duì)向行駛的車(chē)輛碰撞后的乘員保護(hù)性能，即碰撞相容性。提升碰撞相容性能，可以增加對(duì)向行駛車(chē)輛的乘員安全性，降低車(chē)內(nèi)乘員的損傷風(fēng)險(xiǎn)。

本文對(duì)江鈴某款已上市SUV車(chē)型展開(kāi)了MPDB工況碰撞研究，進(jìn)行了物理壁障實(shí)車(chē)碰撞測(cè)試和數(shù)值仿真分析。通過(guò)分析MPDB與ODB工況中車(chē)體設(shè)計(jì)要求的差異，并提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略，為后續(xù)新車(chē)型開(kāi)發(fā)積累經(jīng)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

1 E-NCAP MPDB碰撞工況介紹

2020版E-NCAP MPDB工況將采用1400 Kg碰撞臺(tái)車(chē)與試驗(yàn)整車(chē)進(jìn)行對(duì)撞，臺(tái)車(chē)和試驗(yàn)車(chē)的速度均為50Km/h，重疊率為50%。試驗(yàn)車(chē)前排左右側(cè)分別放置新版THOR假人和混Ⅲ50%分位男性假人，后排左側(cè)放置Q6兒童假人，右側(cè)放置Q10兒童假人，如圖2所示。MPDB評(píng)價(jià)指標(biāo)分為乘員損傷和碰撞相容性?xún)刹糠?。乘員損傷是通過(guò)安裝在測(cè)試假人各部位的傳感器采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，碰撞相容性的評(píng)價(jià)包括以下三部分[4]：

1）壁障變形均勻性指標(biāo)—均勻系數(shù)h [%]。試驗(yàn)后通過(guò)如下步驟計(jì)算均勻系數(shù)：

●掃描壁障前端的變形點(diǎn)云，生成最大10mm的網(wǎng)格;

●以未變形前的壁障端面中心點(diǎn)為中心，生成間距為20mm的網(wǎng)格點(diǎn)（約為1400網(wǎng)格點(diǎn)）;

●投射網(wǎng)格點(diǎn)至變形后的壁障，并計(jì)算評(píng)級(jí)區(qū)域內(nèi)每個(gè)點(diǎn)的侵入量，圖3所示;

●計(jì)算侵入量的標(biāo)準(zhǔn)差SD（mm），（計(jì)算與平均侵入量相比，68.2%的偏差值）;

●采用如下公式計(jì)算均勻系數(shù)h：

對(duì)于SD<50 mm，h=0;

對(duì)于50mm≤SD≤150mm，h=（SD-50）/100mm;

對(duì)于SD>150mm，h=100%;

2）壁障擊穿MBO。

如果在大于40mm*40mm的區(qū)域內(nèi)發(fā)生大于630 mm的侵入深度，則有2分的扣分。

3）乘員載荷準(zhǔn)則OLC（Occupant Load Criterion）[5]。

OLC的基本分析方法如下：為避免假人胸部與方向盤(pán)發(fā)生碰撞，設(shè)胸部向前位移量為300mm。由于安全帶的松弛量存在，假人在不受力的狀態(tài)下勻速運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)65mm，即圖4中的D1。之后，安全帶開(kāi)始向假人施加載荷，假人作減速運(yùn)動(dòng)，并移動(dòng)了235mm，即D2。在速度-時(shí)間曲線(xiàn)上，A點(diǎn)對(duì)應(yīng)臺(tái)車(chē)上虛擬假人在自由移動(dòng)階段位移65mm的時(shí)刻，B點(diǎn)對(duì)應(yīng)臺(tái)車(chē)上虛擬假人在安全帶作用下位移235mm的時(shí)刻，直線(xiàn)AB的斜率定義為OLC。

OLC計(jì)算公式如下：

（1）

=0.065? ?（2）

（3）

（4）

上述表達(dá)式中，是MPDB壁障質(zhì)心點(diǎn)x向的速度，為壁障初始速度，為虛擬假人自由移動(dòng)65mm的時(shí)刻，為虛擬假人自由移動(dòng)235mm的時(shí)刻。

碰撞相容性罰分Mcompat計(jì)算公式如下所示：

當(dāng)OLC<25g時(shí)，

Mcompat=-2*h-MBO? ? ? ? ?（5）

當(dāng)25g≤OLC≤40g時(shí)，上限-8分;

Mcompat=-2*OLC/15+10/3-h（（4*OLC/10-8）-（2*OLC/15-10/3））-MBO ? ? ? ? （6）

當(dāng)OLC>40g時(shí)，上限-8分;

Mcompat=-2-6*h-MBO? ? ? ? ? ? ? （7）

碰撞相容性罰分計(jì)入MPDB乘員得分中（總分16分）;E-NCAP規(guī)定2020至2021年，碰撞相容性罰分乘以0.5的系數(shù)，最高罰4分;

目前，雖然MPDB工況中碰撞相容性已經(jīng)有了明確的評(píng)分規(guī)則，但改善碰撞相容性的途徑仍處于研究探索階段。本文通過(guò)研究MPDB碰撞相容性，探討MPDB工況車(chē)體設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)策略。

2 ODB與MPDB工況差異對(duì)比

江鈴某款SUV車(chē)型采用單縱梁傳遞路徑設(shè)計(jì)，圖5所示。在正面碰撞中，大部分碰撞力由前縱梁分散至全車(chē)，上縱梁設(shè)計(jì)只能承載較小的碰撞力，來(lái)減小傳遞給A柱的力，預(yù)防A柱折彎變形?；谶@種傳遞路徑設(shè)計(jì)的車(chē)體在應(yīng)對(duì)ODB碰撞工況時(shí)，為了在有限的碰撞空間內(nèi)吸收大部分的碰撞能量，減小前圍對(duì)乘員倉(cāng)的侵入，將前縱梁剛度設(shè)計(jì)得比較高。在ODB碰撞過(guò)程中，整車(chē)前縱梁首先擊穿壁障接觸剛墻，再潰縮變形吸能，如圖6所示。

但該種車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)MPDB工況時(shí)，弊端非常明顯，碰撞過(guò)程中前縱梁擊穿壁障，大幅降低碰撞相容性性能。

對(duì)上述車(chē)身結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)車(chē)分別進(jìn)行ODB和MPDB工況實(shí)車(chē)測(cè)試。圖7為采集的ODB和MPDB工況整車(chē)左側(cè)B柱加速度曲線(xiàn)。從圖中可以看出兩個(gè)工況加速度峰值基本一致，MPDB工況峰值時(shí)刻較ODB工況明顯提前。MPDB碰撞過(guò)程持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)小于ODB，碰撞過(guò)程更加劇烈。

表1匯總了ODB與MPDB工況的碰撞能量，雖然MPDB總碰撞能大于ODB，但壁障吸能占比大幅增加，整車(chē)吸能減小，理論上整車(chē)變形減小，前圍侵入量減小，有利于乘員艙空間的完整性。

MPDB工況設(shè)計(jì)不僅要降低車(chē)內(nèi)乘員損傷，而且要考慮降低整車(chē)的碰撞攻擊性，也就是碰撞相容性。故提出基礎(chǔ)車(chē)MPDB工況應(yīng)對(duì)策略，優(yōu)化車(chē)體結(jié)構(gòu)，以減小碰撞相容性罰分。

3 MPDB碰撞相容性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 MPDB工況CAE仿真與試驗(yàn)對(duì)比

本文采用上海迅仿工程咨詢(xún)有限公司的MPDB有限元模型進(jìn)行整車(chē)碰撞相容性研究，如圖8所示。壁障有限元模型根據(jù)2018年11月發(fā)布的《Euro NCAP Mobile Progressive Deformable Barrier Face Specification Version 1.2》進(jìn)行開(kāi)發(fā)，壁障共33萬(wàn)單元。

搭建該壁障和基礎(chǔ)車(chē)的MPDB工況碰撞模型，采用LSDYNA程序進(jìn)行計(jì)算。圖9為壁障臺(tái)車(chē)的加速度曲線(xiàn)，圖10為試驗(yàn)車(chē)左側(cè)B柱采集的加速度曲線(xiàn)。結(jié)果表明MPDB仿真結(jié)果臺(tái)車(chē)及整車(chē)加速度曲線(xiàn)峰值及持續(xù)時(shí)間與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，且趨勢(shì)基本一致。

圖11對(duì)比了仿真和試驗(yàn)中壁障的變形情況，從圖中可以看出仿真的壁障變形與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，且前縱梁對(duì)應(yīng)的撞擊位置均出現(xiàn)壁障被擊穿現(xiàn)象。

圖12為仿真與試驗(yàn)的壁障變形云圖，根據(jù)該變形云圖可以評(píng)價(jià)壁障變形的均勻性系數(shù)h。表2中給出了實(shí)驗(yàn)與仿真的碰撞相容性評(píng)分結(jié)果，結(jié)合壁障變形標(biāo)準(zhǔn)差、OLC及擊穿判定規(guī)則，基礎(chǔ)車(chē)碰撞相容性罰分均約為-7分。該車(chē)型在MPDB工況中罰分較多的主要原因是其車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前縱梁剛度高，在MPDB工況中車(chē)體前端結(jié)構(gòu)與壁障的接觸面積小，造成局部載荷集中從而導(dǎo)致前縱梁擊穿壁障，同時(shí)增加了變形標(biāo)準(zhǔn)差。

仿真和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明MPDB的有限元模型能夠很好地反映壁障及整車(chē)在碰撞過(guò)程中的響應(yīng)，該模型可以可用于后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 碰撞相容性應(yīng)對(duì)策略

基礎(chǔ)車(chē)MPDB碰撞相容性的優(yōu)化策略如下：

1）消除壁障擊穿。壁障擊穿罰2分，占總罰分的1/4，罰分占比較高不可接受。造成壁障擊穿的原因是車(chē)輛前端結(jié)構(gòu)與壁障接觸面積較小，縱梁剛度較高綜合導(dǎo)致。改進(jìn)策略為增加車(chē)體關(guān)鍵傳遞路徑與壁障的接觸面積，減小與壁障的接觸應(yīng)力。但增加接觸面積會(huì)增加作用于壁障的接觸力，導(dǎo)致臺(tái)車(chē)OLC增加，需要降低臺(tái)車(chē)受力，適當(dāng)減小前縱梁剛度。

2）優(yōu)化壁障變形標(biāo)準(zhǔn)差SD。與上述策略結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路一致，增加整車(chē)與壁障的接觸面積，在碰撞過(guò)程中壁障橫截面上各處受力均勻，減小壁障變形標(biāo)準(zhǔn)差。

3）降低臺(tái)車(chē)OLC。減小OLC的兩個(gè)主要路徑，其一，減小整車(chē)質(zhì)量[6];其二，增加整車(chē)的碰撞空間。對(duì)基礎(chǔ)車(chē)大幅減重或增加碰撞空間，設(shè)變難度和成本壓力不易接受，因此保持當(dāng)前臺(tái)車(chē)OLC。

綜上，提出基礎(chǔ)車(chē)MPDB碰撞相容性?xún)?yōu)化策略，即優(yōu)化設(shè)計(jì)整車(chē)前端結(jié)構(gòu)，來(lái)增加與壁障的接觸面積，以達(dá)成消除壁障擊穿和減小壁障變形標(biāo)準(zhǔn)差SD的目的。

3.3 前機(jī)艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于上文提出的應(yīng)對(duì)策略給出前防撞梁和前縱梁等關(guān)鍵吸能結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)建議，如下圖13所示。首先提高防撞梁的強(qiáng)度，增加Z向高度，延遲碰撞過(guò)程中發(fā)生折彎的時(shí)刻，因?yàn)榉雷擦赫蹚澢翱梢员M可能維持橫截面方向?qū)Ρ谡系那秩肫巾樉鶆?，還可以減小前縱梁Y向受力，使前縱梁在碰撞過(guò)程中進(jìn)行穩(wěn)定高效的折疊變形;其次延伸上縱梁至與前縱梁封板搭接，增加副車(chē)架縱梁，形成上中下三條傳遞路徑分散碰撞載荷;然后增加前下防撞梁，X向布置位置與前防撞梁一致，Y向?qū)挾燃s為整車(chē)寬度90%。通過(guò)上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，使整車(chē)與MPDB壁障的接觸面積最大化，并優(yōu)化匹配前端結(jié)構(gòu)剛度，使壁障在評(píng)級(jí)區(qū)域均勻變形，降低碰撞后壁障變形標(biāo)準(zhǔn)差。

3.4 優(yōu)化結(jié)果

如下圖14、15和表3所示，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的車(chē)身結(jié)構(gòu)碰撞相容性性能提升非常顯著，不僅消除了壁障擊穿現(xiàn)象，而且壁障變形非常均勻，壁障變形標(biāo)準(zhǔn)差從176mm下降至59mm。臺(tái)車(chē)OLC滿(mǎn)足上文的應(yīng)對(duì)策略定義，維持與基礎(chǔ)車(chē)一致。碰撞相容性罰分從6.9下降至1.3，提升430%。MPDB優(yōu)化方案降低了因替換ODB工況導(dǎo)致的罰分影響，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)意圖。

4 結(jié)論

MPDB工況作為2020版E-NCAP新增的整車(chē)評(píng)價(jià)工況引起了廣泛關(guān)注。碰撞相容性是其評(píng)價(jià)的一個(gè)重要組成，也是車(chē)身設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)比了某SUV車(chē)型MPDB與ODB工況之間的差異，并應(yīng)用仿真方法對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)比結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1.MPDB相比現(xiàn)有ODB工況，試驗(yàn)內(nèi)容與評(píng)價(jià)方法均有較大差異。MPDB碰撞過(guò)程持續(xù)時(shí)間巨幅縮短，整車(chē)吸能量大幅減小。

2.增加車(chē)身與壁障的接觸面積能夠有效防止壁障擊穿，提高壁障變形均勻性。通過(guò)優(yōu)化前防撞梁及增加前下防撞梁增加了車(chē)身與壁障的接觸面積，避免載荷集中作用，使碰撞相容性得到明顯改善。

3.通過(guò)布置碰撞載荷傳遞路徑可以改善車(chē)輛碰撞相容性。將上縱梁向前延伸與縱梁封板搭接，將碰撞載荷通過(guò)上縱梁傳遞至A柱后方，新增副車(chē)架縱梁，使載荷沿上中下三條路徑傳遞，與壁障接觸剛度分布均勻，有利于提高碰撞相容性。

參考文獻(xiàn)：

[1]Volker， Sandner， Andreas， Ratzek. MPDB-Mobile Offset Progressive Deformable Barrier [J].24th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles （ESV）： Traffic Safety Through Integrated Technologies. 15-0389，2015.

[2]Euro NCAP. Euro NCAP 2020 Roadmap[S].2015.5：https：//cdn.euroncap.com/media/16472/euro-ncap-2020-roadmap-rev1-march-2015.pdf.

[3]Shinsuke，S，Azusa，N.EVALUATION OF MOVING PROGRESSIVE DEFORMABLE BARRIER TEST METHOD BYCOMPARING CAR TO CAR CRASH TEST[Z].Honda R&D Co.， Ltd. Automobile R&D Center，17-0278，2017.

[4]Safety companion 2019 [Z].Germany： Carhs，2019：36-40.

[5]水野幸治.汽車(chē)碰撞安全[M].人民交通出版社. 2016：125.

[6]周丹鳳，涂金剛. 2020版Euro NCAP碰撞MPDB測(cè)試對(duì)汽車(chē)設(shè)計(jì)的影響[J]. 計(jì)算機(jī)輔助工程，2018，27（Z1）：57-61.