王立民，王青貴，朱鑫

1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司，天津 300300

0 引言

現(xiàn)如今，汽車市場日漸繁榮，不同尺寸類別的車輛迎合不同消費群體的需求，各自占據(jù)了一定的市場份額。在小型、中型、大型車輛之間，質(zhì)量和結(jié)構(gòu)等特征存在很大差異[1]。同尺寸級別中，不同車型的前端結(jié)構(gòu)也不盡相同。上述原因?qū)е萝噷嚺鲎彩鹿手?，兩方車輛損傷和乘員傷害值是不同的[2]。通常來看，質(zhì)量更大，前端結(jié)構(gòu)剛度更強的車輛會對碰撞另一方車輛造成更嚴(yán)重的傷害[3]。因此，碰撞兼容性作為新的研究熱點越來越被消費者和車企重視。

碰撞兼容性旨在同時提升撞擊車輛本身和被撞車輛的保護(hù)性能[4]。在被動安全領(lǐng)域，不僅要考慮車輛對車內(nèi)乘員的保護(hù)性，也要降低車輛的攻擊性，在車對車碰撞時降低對被撞車輛的傷害[5]。MPDB(moving progressive deformable barrier)試驗是一種能評價車輛碰撞兼容性的新型車對車前向偏置碰撞形式，不僅引入先進(jìn)的Thro假人參與評價車輛的乘員保護(hù)性，還能評價車輛的攻擊性。這是許多其他種類碰撞試驗不具備的檢測能力[6]。EURO-NCAP在其2020版評價規(guī)程中引入MPDB試驗形式。緊隨其后，C-NCAP在其2021版評價規(guī)程中也引入了MPDB試驗形式[7]。

MPDB試驗后需要對變形的蜂窩鋁進(jìn)行掃描，生成最大單元尺寸不超過10 mm的點云數(shù)據(jù)。創(chuàng)建邊長為20 mm的等距網(wǎng)格點，生成1 400個網(wǎng)格，沿碰撞方向?qū)⒕W(wǎng)格中心點投影到變形后蜂窩鋁掃描面上，可得出1 400個網(wǎng)格侵入量數(shù)據(jù)。使用評價區(qū)域內(nèi)全部侵入量數(shù)據(jù)作為元素計算標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation，SD)，用于評價車輛攻擊性。MPDB試驗是目前眾多碰撞試驗類型中唯一一個對蜂窩鋁進(jìn)行試驗后分析、處理和評價的試驗形式。

1 MPDB蜂窩鋁概述

1.1 材料與結(jié)構(gòu)

MPDB蜂窩鋁組成部件主要包含背板、包層、中間板、接觸板和3層蜂窩鋁塊。3層蜂窩鋁塊所用材料相同，但結(jié)構(gòu)尺寸各異。后層深度為90 mm，單元尺寸為6.3 mm；中層深度為450 mm，單元尺寸為9.5 mm；前層深度為250 mm，單元尺寸為19.1 mm。各蜂窩鋁塊使用黏合劑黏合到相鄰薄板上。前后兩層鋁塊碰撞變形力恒定，而中間層碰撞力隨著變形量的增加而增加。

1.2 區(qū)域劃分評價

按照標(biāo)準(zhǔn)，在蜂窩鋁正面中部劃定了一塊矩形區(qū)域作為評價區(qū)域，只有評價區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)的變形量、相交點的X值才參與SD值的計算與評價。在Z向上，評價區(qū)域底面距地面距離為250 mm，頂面距地面距離為650 mm，整個評價區(qū)域高度為400 mm。評價區(qū)域的寬度是隨車寬不同而不同的變化量。對于左舵乘用車，蜂窩鋁右邊緣與車輛中心對齊。因此適用于左舵車的蜂窩鋁評價區(qū)域右邊緣距蜂窩鋁右邊緣為200 mm，左邊緣距離蜂窩鋁右邊緣距離為45%的車輛寬度。因此，車輛寬度越大的車輛，評價區(qū)域越廣，參與計算SD值的數(shù)據(jù)點個數(shù)越多。一般來講，車輛寬度越大的車輛，前端結(jié)構(gòu)中的縱梁間距越大，保險杠和小腿支架等結(jié)構(gòu)也越寬。因縱梁這樣的主吸能結(jié)構(gòu)造成破壞的區(qū)域離蜂窩鋁右邊緣越遠(yuǎn)，需要更寬的評價區(qū)域來檢測主吸能結(jié)構(gòu)造成的結(jié)構(gòu)損傷。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)偏差計算

在蜂窩鋁碰撞面的表面上，需要創(chuàng)建1 400個以20 mm為邊長的等距網(wǎng)格點。本文按表1中Y、Z坐標(biāo)值生成網(wǎng)格點。

表1 1 400網(wǎng)格點Y、 Z坐標(biāo)

50種Y坐標(biāo)值和28種Z坐標(biāo)值兩兩組合，生成1 400種Y、Z坐標(biāo)組合，對應(yīng)到蜂窩鋁碰撞面上形成了1 400個位置點。分別以這些點為中心，向±Y和±Z4個方向擴散10 mm，形成邊長為20 mm的方格，整個蜂窩鋁碰撞面被劃分成1 400個方形區(qū)域。以方格中心點的變形量表征整個方格的變形情況。圖1為MPDB網(wǎng)格點投影方法，展示了投影到碰撞后蜂窩鋁掃描面上的1 400個點。計算SD值公式如下：

(1)

圖1 MPDB網(wǎng)格點投影方法

1.4 蜂窩鋁處理過程

將MPDB蜂窩鋁安裝在臺車上后，針對蜂窩鋁建立坐標(biāo)系，以臺車的運動方向為基準(zhǔn)，以后、右、上3個方向作為X、Y、Z3個坐標(biāo)軸的正方向。以面向蜂窩鋁的左下角點為坐標(biāo)系原點，在蜂窩鋁背板左右兩側(cè)邊法蘭上建立試驗后恢復(fù)坐標(biāo)系用的蛙跳點。

試驗后將蜂窩鋁從臺車上拆下，通過蛙跳點恢復(fù)坐標(biāo)系。之后，使用掃描設(shè)備開始掃描MPDB蜂窩鋁的前面，即與車輛撞擊面、左右兩側(cè)面和上下兩面。掃描完成后，處理并輸出“.STL”格式的掃描面。

將掃描面導(dǎo)入到Polyworks軟件中，引入Y、Z坐標(biāo)固定的1 400根線，沿X軸方向與掃描面相交，得到相交點。由于坐標(biāo)系原點選在蜂窩鋁的左下角點，相交點X方向坐標(biāo)值即為該點蜂窩鋁的變形量或被侵入量。

2 蜂窩鋁常見問題處理歸納

在處理蜂窩鋁過程中遇到的常見問題有：

(1)因孔隙未形成交點。掃描面上難免會出現(xiàn)各種孔隙，如果求相交點的直線恰從掃描面上的孔隙或未被掃描面覆蓋區(qū)域穿過，則無法形成交點，無法提供該點位置的變形量數(shù)據(jù)。

(2)一條直線相交后形成多個交點。碰撞后蜂窩鋁的形態(tài)多種多樣，可能會形成板材褶皺、材料的錯位斷層、斜形深孔等，當(dāng)相交直線穿過這些位置后可能會形成兩個或多個交點。

(3)深孔位置無法形成掃描面。三維激光掃描儀的工作原理在于激光束發(fā)射到物體表面后，物體表面反射激光束，每一條激光線由CCD傳感器采集，最終形成高精度點云數(shù)據(jù)。在碰撞過程中蜂窩鋁可能會被縱梁、吸能盒、小腿支架等部件洞穿刺入，形成截面形狀各異的深孔。對于孔深與直徑之比過大的深孔，激光無法照射到孔的底部或比較深的側(cè)壁，導(dǎo)致這部分結(jié)構(gòu)無法在掃描面中成型。深孔底部掃描面的缺失造成這片區(qū)域無法形成有效相交點反映這部分的侵入量。

上述種種情況導(dǎo)致1 400根相交直線與掃描面直接形成的交點參差不齊，無法直接使用。有的位置沒有交點，有的位置存在多個交點。因此需要對相交生成的全部交點進(jìn)行分析處理，最終得到完整代表1 400個位置的變形量數(shù)據(jù)。

3 蜂窩鋁常見問題解決方法

3.1 微小孔隙的“就近原則”處理法

針對相交線穿過掃描面上細(xì)小孔隙無法形成交點的情況，要先在全部交點中檢索這些位置。將全部相交點的坐標(biāo)值從Polyworks軟件中輸出，放置于excel文件中逐一檢查，在20 mm的間距或步長下，遇到某位置坐標(biāo)缺失，則對應(yīng)位置未形成交點。檢索到所有未相交直線后，在Polyworks軟件中逐一定位到這類直線，在沿X方向視角下，未相交直線投影到Y(jié)、Z平面成為一個點，以此點為圓心，向周圍擴散尋找距離圓心最近的掃描面，以最近掃描面上點X坐標(biāo)作為該直線對應(yīng)位置上掃描面的變形量。因連續(xù)曲面上相鄰位置的變形情況也應(yīng)是均勻連續(xù)的，對于局部區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的未相交點，使用上述方法獲得對應(yīng)位置的變形量是科學(xué)合理的。

3.2 一根相交線上多個交點的選取原則

一根相交線上出現(xiàn)多個交點，在Polyworks軟件輸出后的數(shù)據(jù)點中，會出現(xiàn)同一種Y、Z坐標(biāo)下，有多個X值對于這種情況，在一條總的原則下，需要視情況而定?？傮w原則為選取因大車撞擊，結(jié)構(gòu)入侵導(dǎo)致的蜂窩鋁最大被壓潰深度。在蜂窩鋁中部的評價區(qū)域內(nèi)，經(jīng)常出現(xiàn)因大車前端結(jié)構(gòu)撞擊出現(xiàn)的斜向斷層或斜向深孔，這種位置需要選擇最深交點的X值作為變形量，即多個X值中選擇最大值。

而對于蜂窩鋁上下兩面和左右側(cè)面，這些位置通常因為板材屈曲、褶皺，會與相交線形成多個交點。在MPDB工況中，大車前端縱梁、保險杠和小腿支架等攻擊性強的結(jié)構(gòu)件通常與蜂窩鋁正面接觸，造成結(jié)構(gòu)塑形潰縮變形。這些結(jié)構(gòu)件從4個側(cè)面侵入的可能性極低。因此，對于碰撞面四周外圍一圈網(wǎng)格(寬度為40 mm的矩形框)的侵入量。通常選擇表面相交點提供的變形量，即多個X值中選擇最小值。通常來講，該寬度40 mm的網(wǎng)格框不在評價區(qū)域內(nèi)，其侵入量值不會對最終SD值有影響。但若不能選擇正確的侵入量值則會影響最終變形云圖的呈現(xiàn)，從而干擾工程師對于該位置真實變形情況的認(rèn)知。

3.3 深孔底部侵入量測量方法

對于出現(xiàn)深孔的情況，在現(xiàn)有掃描技術(shù)下，蜂窩鋁上出現(xiàn)的深孔會嚴(yán)重影響掃描質(zhì)量，導(dǎo)致該位置掃描面缺失。在最終的掃描結(jié)果中，會出現(xiàn)一塊面積較大的空洞，造成連續(xù)多個聚集的相交線無法正常形成交點。針對這種情況，為解決問題(1)論述的“就近原則”法不再適用。

孔的深度未知，孔邊緣的侵入量無法等效替代孔底部或側(cè)壁的侵入量，為了獲得深孔底部準(zhǔn)確的侵入量，可用柔性三坐標(biāo)測量儀在恢復(fù)坐標(biāo)系后，將探針伸入到深孔底部，按對應(yīng)的Y、Z坐標(biāo)值尋找測量位置，探測X點坐標(biāo)值?；蛘呤褂镁沓邷y量深孔底部距離孔邊緣參考點的距離，在邊緣參考點變形量的基礎(chǔ)上加上孔的深度可得出孔底部的變形量。上述兩種方法相比較，使用柔性三坐標(biāo)測量的方法精確度更高，但是對于一些深度大、孔徑小的結(jié)構(gòu)，探針也無法接觸到孔底部，卷尺測量的適應(yīng)性更高。

3.4 蜂窩鋁掃描前預(yù)處理

當(dāng)蜂窩鋁正面受力較為集中時，局部區(qū)域上會出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，然而超過蜂窩鋁包層鋁板材料的抗拉強度的局部應(yīng)力會使得包層鋁板出現(xiàn)撕裂的情況。沿裂口左右兩側(cè)結(jié)構(gòu)落差較大時，會露出內(nèi)部銀白色蜂窩狀鋁材，其表面非常光滑。常規(guī)蜂窩鋁包層表面噴涂有藍(lán)色啞光漆，當(dāng)掃描激光照射到啞光漆上，能形成分散的漫反射光線，有利于被掃描設(shè)備中的傳感器捕捉，更好地形成掃描面；當(dāng)掃描表面光滑的內(nèi)部銀白色鋁材時，掃描光線反射后形成單向鏡面反射，非常不利于傳感器采集反射光線，嚴(yán)重干擾掃描面成形。這是掃描面在內(nèi)部銀白色鋁材區(qū)域出現(xiàn)大量孔隙和碎面的重要原因。

在碰撞過程中，當(dāng)車輛前端結(jié)構(gòu)侵入到蜂窩鋁內(nèi)部后，不僅對蜂窩鋁形成了沿X向的壓潰，還和蜂窩鋁形成了緊密的擠壓、接觸和鉤連。試驗后，當(dāng)臺車和大車分離時，前端結(jié)構(gòu)可能會對蜂窩鋁造成不同程度的二次傷害、二次變形，如部分蜂窩鋁包層面板或內(nèi)部鋁材外翻翹起，嚴(yán)重的情況下會出現(xiàn)整塊蜂窩鋁與本體分離。這種二次變形在蜂窩鋁評價中是不能接受的，會干擾到對蜂窩鋁真實變形情況的測量。

對于具有上述情況的蜂窩鋁，需要在掃描前對蜂窩鋁進(jìn)行預(yù)處理。本文根據(jù)損傷情況不同制定出不同的處理策略：

(1)對于大塊蜂窩鋁與本體分離的情況，要將分離體壓回本體，使兩者盡量接觸，并且不會使蜂窩鋁進(jìn)一步變形，按分離前原位置擺放后固定。

(2)對于蜂窩鋁包層面板和內(nèi)部鋁材的外翻，需要使鋁材復(fù)位，修整板材走向，使面板與內(nèi)部壓潰的鋁材匹配貼合，必要時可使用平頭螺絲壓實固定。

(3)對于包層面板撕裂后露出的白色蜂窩狀鋁材，可在其表面噴涂白色顯像劑。顯像劑附著在光滑鋁材表面后，形成一層啞光漆面，能有效提高掃描效果。

做好預(yù)處理工作對蜂窩鋁評價工作可以起到事半功倍的效果，不管是因地制宜的蜂窩鋁預(yù)處理措施，還是自成邏輯的相交點識別方法，最終目的都是為了獲得蜂窩鋁真實準(zhǔn)確的變形情況。

圖2為一塊損傷較為嚴(yán)重的典型MPDB試驗后蜂窩鋁。由圖2a可知，因縱梁撞擊導(dǎo)致右側(cè)包層板出現(xiàn)大面積撕裂且在車輛分離時鈑金外翻，露出大片內(nèi)部白鋁和蜂窩鋁被壓潰后出現(xiàn)的深孔；由圖2b可知，在不影響正常被壓潰的狀態(tài)下，壓回外翻包層鈑金和蜂窩鋁，使鈑金貼合蜂窩鋁壓潰后正常造型并加以固定；由圖2c可知，蜂窩鋁底部難以形成掃描面，白鋁部分出現(xiàn)大量孔隙，掃描面不均勻且不連續(xù)。

圖2 典型MPDB試驗后蜂窩鋁

4 MPDB蜂窩鋁數(shù)據(jù)快速處理程序

第3節(jié)中詳細(xì)闡述了不同情況下的網(wǎng)格變形量確定方法。但如果全部由人工篩選排查，效率很低。因此，本文提出一種編程邏輯，基于Delphi開發(fā)環(huán)境編譯程序，并封裝成軟件。借助計算機的龐大運算能力，實現(xiàn)對經(jīng)由Polyworks輸出的原始相交點數(shù)據(jù)值的快速分析處理。

本程序針對第3.1和3.2節(jié)中論述的方法予以實現(xiàn)，主要完成兩項功能，總結(jié)如下：

(1)檢索未生成交點的位置，在輸出文件中，對相應(yīng)位置坐標(biāo)點予以補充，該位置X值賦“0”。

(2)對同一位置上的重復(fù)交點進(jìn)行篩選，輸出X值最大的數(shù)據(jù)點。

這兩項功能具有不確定性弱、邏輯性強、數(shù)字化程度高等優(yōu)勢，是從本文第3節(jié)中提取出的最適宜程序化的功能。圖3為MPDB蜂窩鋁數(shù)據(jù)快速處理程序邏輯。

圖3 MPDB蜂窩鋁數(shù)據(jù)快速處理程序邏輯

由圖3可以看到，MPDB蜂窩鋁數(shù)據(jù)快速處理程序具體實現(xiàn)過程如下：

(1)讀入文本文件。

(2)利用分隔符將文本文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，并將分組后的數(shù)據(jù)逐行讀取存入數(shù)組中。

(3)文本中的數(shù)據(jù)根據(jù)坐標(biāo)點Y方向的不同，可以分成50組，并將Y方向相同的數(shù)據(jù)點存入同一組數(shù)組中。

(4)檢查同一數(shù)組中數(shù)據(jù)點的Z值種類是否少于28個，如果少于這個數(shù)，則插入數(shù)據(jù)點，直至同一數(shù)組中有28種Z值，插入點的X、Y、Z分別為(0，Yi，ZL)，其中Yi為對應(yīng)組的Y值，ZL為缺失位置的Z值。

(5)在同一數(shù)組中，從第一個數(shù)據(jù)點遍歷數(shù)組，檢查是否存在重復(fù)點。如果存在重復(fù)點，則需要比較X方向的大小值，然后留下X方向大的數(shù)值，并記錄重復(fù)次數(shù)。

(6)利用記錄的重復(fù)次數(shù)指導(dǎo)數(shù)組指針移向下一個數(shù)據(jù)點。

(7)輸出該數(shù)組的全部坐標(biāo)。

(8)循環(huán)50次。

(9)保存文本。

5 MPDB蜂窩鋁變形云圖

MPDB蜂窩鋁快速處理程序能夠節(jié)省大量重復(fù)性人工勞動，但終究只是一項遵循固定邏輯執(zhí)行的數(shù)據(jù)處理工具，智能化程度較低，不能識別掃描面和感知蜂窩鋁的真實變形情況。使用快速處理軟件輸出處理過的文件后，對X是“0”的點通過“就近原則”法填充侵入量值。之后，需要將1 400個數(shù)據(jù)點通過云圖展示。

蜂窩鋁云圖是在YZ投影面上，將1 400個侵入量值按YZ坐標(biāo)值大小順序平鋪排列放置在1 400個網(wǎng)格中，如圖4所示。在蜂窩鋁云圖中，不同等級的侵入量數(shù)據(jù)按照不同的顏色予以區(qū)分，用較為淺淡的顏色表征侵入量較小的等級，深重的顏色表征侵入量較深的等級，具體賦色規(guī)律見表2。這樣的展示方式，使得整個蜂窩鋁的變形情況非常直觀生動，不僅能夠明確每個網(wǎng)格的侵入量，也能識別不同網(wǎng)格之間以及不同區(qū)域之間變形量的關(guān)系。

圖4 MPDB蜂窩鋁變形云圖

表2 MPDB蜂窩鋁變形云圖中侵入量等級與顏色對應(yīng)關(guān)系

蜂窩鋁表面包層板及內(nèi)部潰縮后壓實的蜂窩鋁在局部結(jié)構(gòu)上具有連續(xù)性，在檢查云圖時，如果發(fā)現(xiàn)變形量突變的點或區(qū)域，如一片黃色區(qū)域中包圍一塊紅色或黑色區(qū)域，要追溯到真實試驗后蜂窩鋁和掃描面上查看。有些突變是真實存在的，如因結(jié)構(gòu)件穿刺形成的深孔。有些突變是不合理的，需要結(jié)合實際情況予以修正。經(jīng)過云圖校核過的1 400個數(shù)據(jù)點可作為最終結(jié)果，用于計算SD值，分析車輛攻擊性。

6 結(jié)束語

SD值是評價車輛攻擊性的重要指標(biāo)，為了準(zhǔn)確計算SD值，需要對MPDB蜂窩鋁進(jìn)行一系列的處理。在實際操作過程中，因掃描面質(zhì)量和形狀等原因造成直接輸出的網(wǎng)格點無法直接使用。本文梳理了幾種典型問題并給出解決辦法，從中提取兩種邏輯性強的功能，基于Delphi開發(fā)環(huán)境編譯并封裝成數(shù)據(jù)處理程序，高效精準(zhǔn)獲得1 400個網(wǎng)格侵入量。本文的MPDB蜂窩鋁數(shù)據(jù)快速處理程序?qū)嵱眯詮?，?jīng)大量工作實踐證明能夠大大減少蜂窩鋁處理時間。使用蜂窩鋁變形云圖，可對網(wǎng)格變形量進(jìn)行校核并對不同區(qū)域變形深度進(jìn)行可視化展示。