賴征海，楊 偉，鄂世國Lai Zhenghai，Yang Wei，E Shiguo

基于OLC的通用1D系統(tǒng)創(chuàng)建及研究

賴征海，楊 偉，鄂世國
Lai Zhenghai，Yang Wei，E Shiguo

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

針對(duì)MPDB（Moving Progressive Deformable Barrier，移動(dòng)漸進(jìn)可變形壁障）正面碰撞工況兼容性評(píng)估指標(biāo)OLC（Occupant Load Criterion，乘員載荷指數(shù)），首先基于碰撞臺(tái)車的速度曲線給出OLC數(shù)值求解方法，然后以某小型轎車為例，介紹將整車MPDB碰撞工況系統(tǒng)簡化為1D彈簧-質(zhì)量點(diǎn)系統(tǒng)，并將此1D系統(tǒng)擴(kuò)展形成通用系統(tǒng)。通過對(duì)該通用1D系統(tǒng)研究，找出OLC與碰撞車輛質(zhì)量的內(nèi)在聯(lián)系，提出有效降低OLC的優(yōu)化方向，給出合理定義OLC目標(biāo)值的方法和優(yōu)化碰撞兼容性遵循的原則。

MPDB；兼容性評(píng)價(jià)；OLC；簡化

0 引 言

隨著汽車保有量的逐年增加，交通事故發(fā)生的概率不斷增大，各國紛紛出臺(tái)和更新法規(guī)指導(dǎo)監(jiān)督汽車安全性能設(shè)計(jì)，隨著碰撞法規(guī)要求不斷提升，新車的自我保護(hù)性能得到顯著改善，但這些法規(guī)只是針對(duì)單獨(dú)車輛的安全性，例如在現(xiàn)有的正面碰撞法規(guī)評(píng)價(jià)體系下，不同類型、重量的車單獨(dú)評(píng)價(jià)時(shí)安全性能很高，然而現(xiàn)實(shí)車與車對(duì)撞事故中卻顯出不一樣結(jié)果[1-3]，尤其是重量小的車受到的傷害遠(yuǎn)高于重量大的車[4-5]。這就要求車輛不但要有良好的自我保護(hù)性能，還要降低對(duì)其他車輛的“攻擊性”，車輛設(shè)計(jì)要同時(shí)兼顧這兩點(diǎn)，也就是碰撞兼容性。

為制定能夠測(cè)試車體碰撞兼容性的標(biāo)準(zhǔn)方法，德國ADAC（Allegemeiner Deutsche Automobil Club，德國汽車協(xié)會(huì)）[6]近20年來做了大量研究，最終2020版Euro-NCAP（Euro-New Car Assessment Programme，歐洲新車評(píng)價(jià)規(guī)范）采納了ADAC機(jī)構(gòu)發(fā)展和完善的MPDB（Moving Progressive Deformable Barrier，移動(dòng)漸進(jìn)可變形壁障）工況[7-10]，取代了現(xiàn)有的ODB（Offset Deformable Barrier，可變形偏置壁障）工況，MPDB工況引入3個(gè)兼容性評(píng)價(jià)指標(biāo)：壁障變形量標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation，SD）、壁障是否擊穿和臺(tái)車的乘員負(fù)載指數(shù)（Occupant Load Criterion，OLC）。MPDB工況為車體設(shè)計(jì)思路帶來很大的影響，針對(duì)OLC兼容性指標(biāo)，從理論上分析其數(shù)值求解過程，并揭示其與碰撞車輛重量的內(nèi)在聯(lián)系。

1 MPDB試驗(yàn)工況

2020版Euro-NCAP 中采用MPDB工況替代現(xiàn)行的ODB工況。MPDB工況的壁障臺(tái)車質(zhì)量為1 400 kg，壁障臺(tái)車和碰撞車輛均以50 km/h的速度相對(duì)行駛，并以50%的重疊率撞擊。駕駛員為新開發(fā)的THOR（Test device for Human Occupant Restraint，人類乘員約束試驗(yàn)裝置）假人，副駕駛為Hybird III50%男性假人，為考察后排兒童約束系統(tǒng)對(duì)兒童的保護(hù)情況，后排左側(cè)放置Q6兒童假人，右側(cè)放置Q10兒童假人。如圖1所示。

需要注意的是，2021版C-NCAP最新公布的乘員保護(hù)路線圖草案中，駕駛員為50%THOR假人，副駕駛為Hybird III5%女性假人；后排左側(cè)放置Hybird III5%女性假人，右側(cè)放置Q10兒童假人。

圖1 MPDB工況示意圖

2 OLC數(shù)值計(jì)算方法

臺(tái)車乘員負(fù)載指數(shù)OLC是指碰撞過程中，假設(shè)臺(tái)車上虛擬假人在0～1時(shí)間內(nèi)勻速運(yùn)動(dòng)并相對(duì)臺(tái)車產(chǎn)生65 mm的前向位移后，約束系統(tǒng)開始起作用，并在1～2時(shí)間內(nèi)做勻減速運(yùn)動(dòng)，相對(duì)臺(tái)車再產(chǎn)生235 mm的前向位移（總共300 mm），其中勻減速運(yùn)動(dòng)的恒定減速度值即為OLC。計(jì)算公式為

式中：0為臺(tái)車和虛擬假人的初始速度（13 889 mm/s）；v為臺(tái)車在任意時(shí)刻的速度；1為虛擬假人相對(duì)臺(tái)車產(chǎn)生65 mm前向位移的時(shí)刻；2為虛擬假人受約束后相對(duì)臺(tái)車再向前運(yùn)動(dòng)235 mm的時(shí)刻；v2為虛擬假人在2時(shí)刻的速度。

通過式（1）并借助后處理軟件中曲線可求出1；由式（2）不能直接求解2，可將其進(jìn)行轉(zhuǎn)化得到式（4）求出2，進(jìn)而根據(jù)式（3）求出OLC，其中各積分項(xiàng)的含義如圖2所示。將相應(yīng)算法采用Excel函數(shù)表示，通過輸入臺(tái)車的速度v2曲線自動(dòng)計(jì)算出1、2和OLC的值。

圖2 積分表達(dá)代表含義圖示

3 1D評(píng)估系統(tǒng)創(chuàng)建和研究

如果忽略MPDB工況整車系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，碰撞前后系統(tǒng)動(dòng)量守恒，若假設(shè)系統(tǒng)變形均勻，則壁障、碰撞車輛可分別用質(zhì)量-非線性彈簧的一維系統(tǒng)描述，如圖3所示。彈簧剛度取決于壁障和碰撞車輛的壓潰特性。

圖3 1D簡化系統(tǒng)示意圖

3.1 創(chuàng)建1D系統(tǒng)模型

以某小型轎車MPDB工況仿真結(jié)果為例，搭建1D系統(tǒng)模型的步驟如下。

（1）提取代表壁障變形特性的力與位移曲線。暫時(shí)只考慮彈簧的加載特性，所以僅提取壁障最大壓潰位移前的力與位移曲線，按同樣方法提取代表碰撞車輛變形特性的力與位移曲線；

（2）分別建立代表壁障、碰撞車輛的質(zhì)量點(diǎn)和彈簧單元，如圖3所示；

（3）分別對(duì)代表壁障和碰撞車輛的質(zhì)量點(diǎn)施加50 km/h的初始速度，并對(duì)速度以外的方向施加約束，將提取的壁障和碰撞車輛的剛度曲線賦給彈簧單元；

（4）調(diào)試模型提交計(jì)算，注意必須計(jì)算到回彈階段。

3.2 1D系統(tǒng)結(jié)果處理與對(duì)比

簡化的1D系統(tǒng)滿足動(dòng)量守恒，碰撞后壁障和車輛以共同速度運(yùn)動(dòng)，但由于彈簧單元不能儲(chǔ)存吸收的能量，所以壁障和碰撞車輛達(dá)到共同速度后，此時(shí)彈簧壓縮到最大位移，下一步彈簧單元釋放吸收的能量，導(dǎo)致壁障和碰撞車輛反彈，這與真實(shí)情況不符，需要對(duì)從1D系統(tǒng)提取的壁障和碰撞車輛速度曲線進(jìn)行處理：刪掉各自反彈之后的速度數(shù)據(jù)，改用共同速度代替，用修正后的速度曲線計(jì)算OLC。圖4包括整車仿真的壁障速度曲線、1D系統(tǒng)的壁障速度原始曲線和修正后的曲線，圖5包括整車仿真的壁障位移曲線、1D系統(tǒng)的壁障位移原始曲線和修正后的曲線，表1為整車系統(tǒng)與1D系統(tǒng)計(jì)算的OLC數(shù)值對(duì)比。

圖4 1D壁障速度曲線對(duì)比

圖5 1D壁障位移曲線對(duì)比

表1 整車和1D系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)比

從圖4、圖5可看出，1D系統(tǒng)的壁障速度曲線、位移曲線可以很好擬合整車系統(tǒng)的壁障速度曲線、位移曲線，通過表1計(jì)算（25.23-26.30）/26.30 = -4.1%，得出OLC誤差僅為-4.1%，由此證明1D系統(tǒng)仿真模型的準(zhǔn)確性。

3.3 通用1D系統(tǒng)模型創(chuàng)建

為使1D系統(tǒng)通用性更強(qiáng)，研究搭建通用MPDB工況的1D系統(tǒng)模型。

首先提取代表壁障通用剛度的曲線。MPDB壁障由A、B、C3塊構(gòu)成（每塊都有強(qiáng)度要求），A和C塊強(qiáng)度均勻分布，B塊強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，碰撞方向的截面積為568 mm×1 000 mm，取壁障每塊強(qiáng)度與碰撞方向截面積的乘積作為該段所能承受的最大壓潰力，每塊承受載荷如圖6所示。該小型轎車半寬占MPDB壁障寬度的80%左右，所以壁障僅承受80%的最大載荷，取壁障每塊長度的90%作為該段最大壓潰位移，提取的代表壁障變形特性的通用剛度曲線如圖7所示。將擬合的壁障通用（碰撞車輛半寬占壁障寬度的80%）剛度曲線替換1D系統(tǒng)的壁障剛度曲線，計(jì)算結(jié)果見表2，通過計(jì)算（25.56-26.30）/26.30= -2.8%，得出OLC誤差僅為-2.8%，證明擬合的壁障通用剛度曲線合理。

圖6 壁障長度與能承受的最大載荷

圖7 壁障承受80%最大載荷的剛度曲線

另外，當(dāng)碰撞車輛寬度變化時(shí)，代表壁障變形特性的通用剛度曲線等比例縮放。例如當(dāng)碰撞車輛半寬占壁障寬度90%時(shí)，將圖7曲線進(jìn)行1.125倍縮放。當(dāng)碰撞車輛半寬超過壁障寬度時(shí)，壁障的通用剛度曲線使用最大載荷計(jì)算，即圖7曲線進(jìn)行1.25倍縮放。

提取代表碰撞車輛通用剛度的曲線，基于某平臺(tái)代表性的3款車型（小型轎車、中型SUV和大型SUV）在MPDB工況下對(duì)最大變形前的剛度曲線進(jìn)行擬合。首先對(duì)3款車型的剛度曲線進(jìn)行平均化處理，然后基于等效做功原理，結(jié)合整車變形特點(diǎn)對(duì)平均后的曲線進(jìn)行分段擬合，擬合曲線如圖8所示（曲線正向是擬合結(jié)果，負(fù)向是對(duì)稱結(jié)果）。將擬合的剛度曲線替換1D系統(tǒng)的碰撞車的力與位移曲線，計(jì)算結(jié)果見表2，通過計(jì)算（25.54-26.30）/26.30=-2.9%，得出OLC誤差僅為-2.9%，證明擬合的碰撞車輛通用剛度曲線合理。

圖8 1D系統(tǒng)碰撞車輛通用力與位移擬合曲線

表2 整車和通用1D系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)比

3.4 通用1D系統(tǒng)研究和應(yīng)用

3.4.1 OLC與碰撞車輛質(zhì)量關(guān)系

對(duì)該通用1D系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，OLC數(shù)值對(duì)碰撞車輛的壓潰位移不敏感。這是因?yàn)榕鲎曹囕v寬度和質(zhì)量確定后，壁障剛度特性曲線確定，從而OLC值確定。壁障在承受80%最大載荷時(shí)，通過該1D系統(tǒng)可總結(jié)出碰撞車輛質(zhì)量與臺(tái)車OLC關(guān)系，如圖9所示。壁障承受其他載荷時(shí)，碰撞車輛質(zhì)量與OLC關(guān)系曲線同樣可按上述方法得出，不再贅述。

圖9 壁障承受80%最大載荷時(shí)車重與OLC關(guān)系

3.4.2 OLC優(yōu)化方向

在整車質(zhì)量不變時(shí)，通過對(duì)該通用1D系統(tǒng)進(jìn)行研究，快速找出有效降低OLC的方向。1D擬合曲線各段表達(dá)含義如圖10所示，常用的優(yōu)化方案見表3。

圖10 擬合曲線各段代表含義

表3 常用的優(yōu)化OLC方案

更改通用1D系統(tǒng)碰撞車輛剛度曲線，與表3中優(yōu)化方案相對(duì)應(yīng)，分別驗(yàn)證OLC數(shù)值變化情況，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 優(yōu)化方案驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比

注：①優(yōu)化效果=（優(yōu)化方案-基礎(chǔ)方案）/基礎(chǔ)方案×100%。

由表4可知，方案4即弱化乘員艙結(jié)構(gòu)，可有效降低OLC數(shù)值，為整車開發(fā)降低OLC數(shù)值提供了優(yōu)化方向。

4 結(jié)論與建議

搭建的通用1D系統(tǒng)可快速預(yù)測(cè)同平臺(tái)的新車型碰撞兼容性評(píng)估中臺(tái)車的OLC數(shù)值，指導(dǎo)OLC目標(biāo)值的定義，避免在OLC數(shù)值優(yōu)化上浪費(fèi)成本和精力。

在使用1D系統(tǒng)指定新開發(fā)車型的OLC目標(biāo)時(shí)，給出以下經(jīng)驗(yàn)建議。

（1）車重在1～1.4 t時(shí)，推薦將1D系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果增加1作為OLC目標(biāo)值。

（2）車重在1.5～1.9 t時(shí)，推薦1D系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果增加2作為OLC目標(biāo)值。

（3）車重大于2 t時(shí)，推薦將1D系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果增加3作為OLC目標(biāo)值。

為降低碰撞兼容性得分，根據(jù)其評(píng)分原則和經(jīng)驗(yàn)，建議首先保證不擊穿，其次降低變形標(biāo)準(zhǔn)差，最后基于成本考慮合理降低OLC。

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2020-07-09

U461.91

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.06.003

1002-4581（2020）06-0011-05