宋和平，徐偉濤，劉廣喜，何戈博，袁立德

（1.寧波吉利汽車研究開發(fā)有限公司長興分公司，長興 313100；2.寶能（西安）汽車研究院有限公司，西安 712000；3.吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336）

前言

在世界衛(wèi)生組織WHO 發(fā)布的2018《全球道路安全狀況報(bào)告》中指出，每年有大約135 萬人死于道路交通事故，同時(shí)還有3 000萬～5 000萬人因交通事故而受損，交通事故對各國造成的損失可達(dá)GDP 的3%左右［1］，汽車交通事故已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的死亡因素［2］。

基于以上原因，對汽車安全方面的研究就顯得尤其重要。中國新車評(píng)價(jià)程序（China new car assessment program，C?NCAP）作為國內(nèi)汽車安全評(píng)價(jià)的重要依據(jù)［3］，旨在通過各種道路碰撞類型對新上市的車型進(jìn)行評(píng)價(jià)，以此來向消費(fèi)者提供新車的碰撞安全等級(jí)。正是由于國家各種安全法規(guī)和C?NCAP的持續(xù)更新，推動(dòng)了各大汽車廠商加大對汽車安全領(lǐng)域的研發(fā)，保證了我國汽車安全性能的不斷提高。

1 優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)的需求和背景

C?NCAP 每3 年更新1 次，當(dāng)前各車企遵行的是2018 年版的C?NCAP，其中乘員保護(hù)中的碰撞類型有50 km/h 正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)、64 km/h 正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗(yàn)（offset deformable barrier，ODB）、50 km/h 可變形移動(dòng)壁障側(cè)面碰撞試驗(yàn)和鞭打試驗(yàn)。而在2020年5月發(fā)布的最新C?NCAP（2021 年版）意見征集稿中，將64 km/h ODB 的試驗(yàn)調(diào)整為50 km/h 正面50%重疊移動(dòng)漸進(jìn)變形壁障碰撞試驗(yàn)（mobile progressive deformable barrier，MPDB）。相比于64 km/h ODB 試驗(yàn)，50 km/h MPDB 的壁障類型、碰撞速度、碰撞假人數(shù)量和類型都進(jìn)行了調(diào)整。因此為保證2021 年下半年以后上市的車型獲得較高的C?NCAP 安全等級(jí)，對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化和調(diào)整，就顯得意義重大。

基于以上背景，本文中提出一種優(yōu)化轎車結(jié)構(gòu)的方法，為行業(yè)其他車企提供參考，共同促進(jìn)乘員安全等級(jí)的提高。

2 針對MPDB優(yōu)化的方向

MPDB 工況的基本示意圖如圖1 所示。試驗(yàn)車和壁障臺(tái)車分別以km/h 的速度相向而行，且二者的重疊區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)車寬的50%，試驗(yàn)車駕駛員位置放置THOR 50 百分位男性假人，前排乘員座和第二排座椅左側(cè)各放置一個(gè)Hybrid Ⅲ5百分位女性假人，第二排座椅右側(cè)放置一個(gè)兒童約束系統(tǒng)和一個(gè)Q10兒童假人。

圖1 MPDB工況示意圖

對于假人的評(píng)分和優(yōu)化方向，可沿用以前優(yōu)化64 km/h ODB 的策略進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和修改。對這類優(yōu)化方法，各車企已有較為成熟的CAE 分析方法和優(yōu)化方式，此處不做具體闡述。重點(diǎn)提一下C?NCAP（2021 年版）相比C?NCAP（2018 年版）增加的一個(gè)考察指標(biāo)——碰撞兼容性。它不僅考察自身車輛的耐撞性，還要考慮對另一車輛的損害性，也即自身車輛的攻擊性［4］。

C?NCAP（2021 年版）的碰撞兼容性主要考察4個(gè)指標(biāo)，如表1 所示。其中標(biāo)準(zhǔn)偏差（standard deviation，SD）指的是蜂窩鋁壁障面上某個(gè)特定的評(píng)估區(qū)域內(nèi)，樣本單元偏離平均值的程度，如果SD 越大，代表數(shù)據(jù)離散程度越高。

臺(tái)車上乘員載荷準(zhǔn)則（occupant load criterion，OLC）指的是碰撞過程中某指定時(shí)間區(qū)間內(nèi)，臺(tái)車虛擬假人受約束的減速度，可以理解為試驗(yàn)車輛對另一輛碰撞車乘員的損害度，也就是試驗(yàn)車輛的攻擊性。

壁障侵入深度指在特定的評(píng)估區(qū)域內(nèi)MPDB 壁障的穿透深度。當(dāng)深度達(dá)到630 mm 的面積大于40 mm×60 mm時(shí)定義為觸底現(xiàn)象。

壁障侵入高度指前述的特定評(píng)估區(qū)域的上部區(qū)域，MPDB 壁障的壓潰受力情況，用應(yīng)力云圖的衰減趨勢來進(jìn)行評(píng)估。

表1 MPDB碰撞兼容性評(píng)價(jià)指標(biāo)

因?yàn)镸PDB 碰撞兼容性的得分約占MPDB 總得分的29.2%，且是在C?NCAP 中首次提到的概念，所以對此部分的研究顯得尤其重要。雖然國內(nèi)外很多學(xué)者已對碰撞兼容性進(jìn)行了一些研究［4-7］，但這些研究主要是針對歐洲的Euro?NCAP 或日本的JNCAP，或針對角度碰撞的兼容性［8］進(jìn)行的，和C?NCAP 中定義的指標(biāo)考察項(xiàng)存在差異，專門針對C?NCAP 中的碰撞兼容性的研究相對較少。因此對此部分的深入探討將對行業(yè)內(nèi)其他研究人員優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)很有參考價(jià)值，結(jié)合CAE 分析結(jié)果和實(shí)際的優(yōu)化方案進(jìn)行介紹。

3 優(yōu)化方法的實(shí)現(xiàn)與結(jié)果分析

以吉利某在研車型進(jìn)行優(yōu)化方法的實(shí)現(xiàn)與分析。此車型基本信息如下：A 級(jí)三廂型轎車、傳統(tǒng)燃油車、整備質(zhì)量1 296 kg，最大允許前軸荷919 kg，車寬1 809 mm，預(yù)計(jì)上市時(shí)間2021年下半年。

首先使用原來針對C?NCAP（2018 年版）中64 km/h ODB 工況的仿真模型，未做任何修改應(yīng)用到50 km/h MPDB 工況中，碰撞前后對比如圖2 和圖3所示。

圖2 碰撞前效果圖

圖3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的碰撞效果圖

其中用青色標(biāo)記出碰撞的主要受力傳遞路徑。受力路徑上的主要關(guān)鍵零部件有：前防撞梁、駕駛員側(cè)吸能盒、水箱框架和駕駛員側(cè)主縱梁等。

從圖3 的碰撞結(jié)果中可以看出，前防撞梁發(fā)生折斷，水箱框架發(fā)生損毀，駕駛員側(cè)主縱梁輕度變形，對應(yīng)的MPDB應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4中的矩形邊框內(nèi)就是按照C?NCAP（2021年版）規(guī)定的評(píng)估區(qū)域，此區(qū)域按照如下方式定義：下邊界離地面250 mm，上邊界離地面650 mm，右邊界距離MPDB 壁障面右側(cè)邊緣200 mm，左邊界距離MPDB 壁障面右側(cè)邊緣的距離是試驗(yàn)車輛寬度的45%。

圖4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的應(yīng)力云圖

MPDB 蜂窩鋁壁障劃分為50×28=1400 個(gè)等距方網(wǎng)格，方格邊長20 mm 應(yīng)力云圖內(nèi)不同顏色表示壁障的侵入深度：小于320 mm 的網(wǎng)格標(biāo)為綠色；介于320～480 mm 的網(wǎng)格標(biāo)為黃色；介于480～630 mm的網(wǎng)格標(biāo)為紅色；超過630 mm的網(wǎng)格標(biāo)為青色。

從圖4 可以看到，評(píng)估區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)一定面積的青色區(qū)域，說明發(fā)生了表1 中壁障侵入深度“觸底”現(xiàn)象，造成了較嚴(yán)重的扣分。

分析此優(yōu)化前結(jié)構(gòu)在C?NCAP（2021 年版）中失效的原因，主要在于駕駛員側(cè)主縱梁輕微變形，主縱梁侵入蜂窩鋁中評(píng)估區(qū)域，擊穿了蜂窩鋁；另外因?yàn)榍胺雷擦旱臄嗔?，碰撞時(shí)的加速度和能量無法通過防撞梁傳遞到車身非碰撞側(cè)（前排右側(cè)）進(jìn)行能量均衡吸收，主縱梁的結(jié)構(gòu)過于剛硬。評(píng)估區(qū)域內(nèi)除產(chǎn)生青色區(qū)域外，還有大面積的紅色區(qū)域，說明結(jié)構(gòu)優(yōu)化前對MPDB 的碰撞兼容性扣分較多，汽車表現(xiàn)出較強(qiáng)的“攻擊性”。

通過對表1 中列舉的MPDB 衡量指標(biāo)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的SD 值為191.1 mm，OLC 值為31.3g，加上壁障侵入深度的觸底扣分和壁障侵入高度的扣分，總計(jì)4.84分，扣分達(dá)到69.1%，無法達(dá)到本車型C?NCAP的預(yù)期目標(biāo)。

另外通過實(shí)車碰撞，驗(yàn)證CAE 仿真的真實(shí)性和可靠性，碰撞后車身結(jié)構(gòu)實(shí)物和MPDB 壁障實(shí)物如圖5和圖6所示。

圖6 優(yōu)化前實(shí)車MPDB壁障碰撞圖

從圖5和圖6中可以看到，實(shí)車的前防撞梁發(fā)生折斷，MPDB 壁障也因駕駛員側(cè)主縱梁的原因，發(fā)生了擊穿，即“觸底”現(xiàn)象。實(shí)車的OLC 值是30.2g，模型仿真與實(shí)車相差3.5%，實(shí)車碰撞結(jié)果驗(yàn)證了CAE模型的有效性和合理性，可以用CAE 的分析結(jié)果近似代表實(shí)車的碰撞結(jié)果。

考慮前面分析在C?NCAP（2021 年版）中失效的原因，以及導(dǎo)致碰撞兼容性差的不合理結(jié)構(gòu)，為達(dá)到優(yōu)化結(jié)果的目的，擬從如下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：

（1）避免MPDB 壁障出現(xiàn)局部較大的侵入，盡量使碰撞面整體均衡潰縮，也就是減少網(wǎng)格點(diǎn)相對于平均值的離散程度，即減小SD值；

（2）提高前防撞梁的強(qiáng)度，保證碰撞過程中盡量不發(fā)生折斷，目的是使碰撞能量傳遞到非碰撞側(cè)（前排右側(cè)），做到能量的均衡吸收與傳遞；

（3）延長和更改吸能盒結(jié)構(gòu)，使吸能盒能吸收盡量多的碰撞能量；

（4）優(yōu)化碰撞側(cè)主縱梁結(jié)構(gòu)，減弱其X 向的強(qiáng)度，避免出現(xiàn)壁障擊穿，即觸底現(xiàn)象。

基于以上優(yōu)化的考慮，經(jīng)過多輪的仿真與實(shí)車驗(yàn)證，確定的車身優(yōu)化的方案如圖7 所示，具體說明如下。

（1）更改左右兩端吸能盒的吸能結(jié)構(gòu)，厚度從原來的1.6 mm 加厚到1.8 mm，并適當(dāng)延長，每個(gè)吸能盒增加質(zhì)量0.2 kg，共增加質(zhì)量0.4 kg；

（2）前防撞梁的左側(cè)（碰撞側(cè)）適當(dāng)延長，增加質(zhì)量0.16 kg；

（3）優(yōu)化兩側(cè)主縱梁的結(jié)構(gòu)，局部剪短，弱化其X向的強(qiáng)度，總共減質(zhì)量0.337 kg。

將優(yōu)化后的車身結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行MPDB 碰撞仿真，結(jié)果如圖8 所示，對應(yīng)的應(yīng)力云圖見圖9。結(jié)合表1中CNCAP?2021定義的碰撞兼容性評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化前后分?jǐn)?shù)對比見表2。

圖7 優(yōu)化方案前后對比

圖8 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的碰撞效果圖

與圖3優(yōu)化前的結(jié)果相比，從圖8中可以明顯看出如下改善：

（1）前防撞梁沒有發(fā)生折斷，且整體變形比較均勻，直接的好處就是減小了SD 值，另外的優(yōu)點(diǎn)是前碰撞傳感器被損壞的概率大幅降低，更利于安全氣囊控制器ACU 感知到前碰撞傳感器的信號(hào)［9］，以合理彈出安全氣囊；

（2）水箱框架損毀情況得到減輕，得益于前防撞梁將碰撞能量較均衡地傳遞到左右兩側(cè)，以及兩側(cè)吸能盒吸收了更多的能量，根據(jù)CAE 分析結(jié)果進(jìn)行估算，吸能盒的吸能量比原來提升15%；

（3）駕駛員側(cè)主縱梁沿著Y方向發(fā)生較大彎曲，可大概率避免MPDB 壁障侵入深度的觸底現(xiàn)象，防止MPDB壁障被擊穿而扣分。

圖9 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的應(yīng)力云圖

表2 MPDB碰撞兼容性分?jǐn)?shù)對比

與圖4 相比，圖9 的應(yīng)力云圖改善效果明顯，首先消除了評(píng)估區(qū)域內(nèi)的“觸底”現(xiàn)象，另外紅色區(qū)域面積也相應(yīng)縮小。關(guān)于表1 中列舉的MPDB 衡量指標(biāo)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的SD 值為122.9 mm，OLC 值為31.4g，加上壁障侵入深度的觸底扣分和壁障侵入高度的扣分，總計(jì)扣分2.311，扣分率33%，相比于優(yōu)化前的扣分4.84，整體分?jǐn)?shù)提高2.529分，得分提高了1.17 倍，扣分降低了52.25%，優(yōu)化后的MPDB 壁障結(jié)構(gòu)見圖10。

圖10 優(yōu)化后的MPDB壁障結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論

對C?NCAP（2021 年版）中首次引入MPDB 工況和首次提出碰撞兼容性評(píng)分指標(biāo)進(jìn)行了介紹，并針對某在研A 級(jí)轎車的碰撞兼容性提出了一種優(yōu)化方案，經(jīng)過驗(yàn)證，與C?NCAP（2018 年版）中64 km/h ODB 的工況結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化后的碰撞兼容性得分提高了1.17 倍，為汽車行業(yè)內(nèi)其他研究人員優(yōu)化在研車型，尤其是碰撞兼容性方面的改善，提高C?NCAP（2021年版）的得分與星級(jí)提供了參考。

基于當(dāng)前的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，初步評(píng)估在研車型可以得到C?NCAP（2021 年版）四星級(jí)，為進(jìn)一步達(dá)到五星級(jí)的目標(biāo)，后續(xù)將從優(yōu)化假人傷害值、提升主動(dòng)安全得分率、提高乘員保護(hù)得分率等方面進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

同時(shí)，因?yàn)镃?NCAP（2021 年版）目前還處于意見征集稿階段，可能還會(huì)對評(píng)價(jià)指標(biāo)有細(xì)微調(diào)整，因此后續(xù)工作中，將根據(jù)C?NCAP（2021 年版）最終版本持續(xù)優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)，并基于當(dāng)前的CAE 仿真和實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果，對在研車型進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化。