詹振飛，王 杰，付 月，路高輝，周桂林，陳 崇，李 潔

（1.重慶交通大學(xué) 機電與車輛工程學(xué)院，重慶，400064；2.汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點實驗室，重慶 401122）

隨著我國汽車保有量的不斷提升和道路交通環(huán)境的不斷復(fù)雜化，道路交通安全的提升也備受重視。一方面，由于近年來國內(nèi)較大尺寸車型如SUV車型銷量的急劇增加，導(dǎo)致大尺寸車輛與轎車等小尺寸車輛之間的交通事故也隨之增加；另一方面，道路上也陸續(xù)出現(xiàn)新能源汽車、老年代步車以及智能汽車等車身結(jié)構(gòu)形式有別于傳統(tǒng)汽車的新型車輛。這些不同尺寸車輛的加入將直接導(dǎo)致基于傳統(tǒng)汽車安全技術(shù)的車輛安全可靠性有所下降，亟需引起重視并開展針對性研究。

正面偏置碰撞是交通事故中常見的碰撞類型[1]，而在Euro NCAP成立時便通過引入正面40%碰撞試驗[2]來模擬兩車迎面偏置碰撞情形，最終只是片面地對車身的耐撞性能提出了較高的要求，但實際情況是相撞兩車之間質(zhì)量和結(jié)構(gòu)上的差異導(dǎo)致能量不能被有效吸收，給對方車輛和乘員造成巨大傷害。該碰撞試驗暴露出其忽略受擊車輛的速度、質(zhì)量對碰撞響應(yīng)的影響和忽視目標(biāo)車輛過高的防撞性能對受擊車輛侵入性的影響等弊端。汽車防撞性是車輛自我保護特性的一種體現(xiàn)，侵入性是指目標(biāo)車輛對受擊車輛及其乘員的潛在威脅性[3]，碰撞相容性則是兩者結(jié)合的一種概念，旨在找尋車輛防撞性和侵入性的平衡點，使之達到既能依靠車身結(jié)構(gòu)防撞性保護本車乘客，又能降低其侵入性從而減小對受擊車輛及乘員的威脅。為了實現(xiàn)車輛具備碰撞相容性，國內(nèi)外汽車研究機構(gòu)先后展開了相關(guān)試驗和研究，1970年EVS會議上首次提出車輛相容性概念[4-6]。而后IIHS[7]為增強車輛碰撞相容性提出增加轎車和輕型卡車的前端吸能結(jié)構(gòu)幾何重疊的建議。2013年，CHRISTOPH等[8]開發(fā)了與車型組成相關(guān)的衡量車輛本質(zhì)安全的指標(biāo)SPI，并用該指標(biāo)來評判歐洲國家交通相容性的好壞程度。2014年SADEGHIPOUR等[9]針對當(dāng)前安全法規(guī)對微型汽車相容性評估的局限性，比較了測試標(biāo)準(zhǔn)和研究項目的當(dāng)前評估方法，基于AE-MDB進一步研究開發(fā)出評估微型汽車正面碰撞相容性的方案。國內(nèi)，朱西產(chǎn)等[10]率先指出正面碰撞試驗未考慮碰撞相容性問題，并為改善市場現(xiàn)有車型的相容性做了相關(guān)研究[11]。2010年，張金換等[12]指出車輛設(shè)計中，互逆地影響碰撞過程中兩車乘員受傷幾率的設(shè)計差異和相似之處會導(dǎo)致碰撞不相容性，并呼吁研究人員重視汽車結(jié)構(gòu)剛度和幾何外形之間的相容性。2016年，胡志遠等[13]指出碰撞相容性3個主要因素并結(jié)合有限元技術(shù)對其進行驗證，還針對車輛前部剛度和幾何特征提出改進方案。結(jié)合國內(nèi)外研究狀況，國外學(xué)者基于碰撞事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征對相容性問題展開了其普遍性、解決措施、評價標(biāo)準(zhǔn)等較為全面的研究，但國內(nèi)只做了對部分國外研究成果的深入研究，對初具雛形的碰撞相容性法規(guī)和安全標(biāo)準(zhǔn)體系缺乏思考和理解，有待進一步探索和完善。

本文擬就車輛碰撞相容性的分析及優(yōu)化展開研究，主要內(nèi)容如下：首先總結(jié)了在C-NCAP試驗規(guī)程下針對MPDB工況有關(guān)碰撞相容性指標(biāo)的分析計算過程，提出并驗證了新型評價指標(biāo)——吸能率；然后詳細闡述了基于參數(shù)化模型自動更新的方案，以及基于參數(shù)化模型的車輛碰撞相容性的優(yōu)化設(shè)計；最后通過工程實例驗證了提出方法的可靠性。

1 車輛碰撞相容性評價指標(biāo)分析

本節(jié)基于C-NCAP試驗規(guī)程，對前端壁障變形量標(biāo)準(zhǔn)偏差及乘員載荷準(zhǔn)則進行解析。

1.1 前端壁障變形量標(biāo)準(zhǔn)偏差

前端壁障變形量標(biāo)準(zhǔn)偏差SD用于衡量在壁障表面規(guī)定的評估區(qū)域內(nèi)，樣本單元侵入深度偏離平均值的程度。SD越大，數(shù)據(jù)離散程度越高，反映了試驗車輛前端結(jié)構(gòu)的幾何形狀以及均勻性。其分析流程如下：

（1）定義壁障評估區(qū)域。為了評估試驗車輛縱梁及縱梁周邊的區(qū)域，在前端障礙正面定義了一個與車輛寬度相關(guān)的評估區(qū)域。

（2）創(chuàng)建基準(zhǔn)面及等距網(wǎng)格節(jié)點。在壁障正前表面上創(chuàng)建以20 mm為邊長的等距網(wǎng)格節(jié)點（總共50×28=1 400個節(jié)點）和基準(zhǔn)面。

（3）通過掃描試驗后的鋁蜂窩壁障3D表面點云數(shù)據(jù)獲取坐標(biāo)值。

（4）通過統(tǒng)計各節(jié)點碰撞時的投影距離得到侵入深度，利用標(biāo)準(zhǔn)偏差公式求得SD值。

（5）結(jié)合侵入深度分布云圖分析試驗車前端造型結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)壁障右下部分區(qū)域為侵入嚴(yán)重區(qū)域。

1.2 乘員載荷準(zhǔn)則

乘員載荷準(zhǔn)則（OLC）是衡量試驗車輛對受擊車輛車內(nèi)乘員造成的動態(tài)沖擊響應(yīng)的指標(biāo)，其分析流程如下：

（1）建立模型。在臺車上設(shè)置具有安全帶約束的虛擬乘員，設(shè)立碰撞過程各階段的速度、位移、加速度等物理量。

（2）分析計算。根據(jù)所建立的模型測得x向加速度曲線Ax，濾波后利用積分求得速度曲線。

1.3 基于C-NCAP規(guī)程綜合分析評價指標(biāo)

SD指標(biāo)最高罰分為2分，若SD值小于50 mm，不罰分；大于150 mm，則罰2分。處于兩者之間采用線性插值的方法計算出相應(yīng)罰分。計算公式為：

而對于OLC指標(biāo)，若OLC值小于245.25 m/s2，不罰分；大于392.40 m/s2，則罰2分。處于兩者之間采用線性插值的方法得出相應(yīng)罰分?；贑-NCAP規(guī)程，綜合考慮SD和OLC兩項指標(biāo)，在同樣的SD水平上，隨著OLC的增大，OLC修正罰分線性增加，SD修正罰分不變。

2 基于吸能率的相容性評價指標(biāo)

目前相容性指標(biāo)對目標(biāo)車輛侵入性的量化嚴(yán)重缺乏連續(xù)性和普適性，本節(jié)提出了一個新型相容性評價指標(biāo)——吸能率。

2.1 吸能率的定義及優(yōu)勢

吸能率是指壁障評估區(qū)域所吸收的能量或試驗車輛對壁障評估區(qū)域造成的能量沖擊，與壁障評估區(qū)域所能承受的最大吸能量的比率。

一方面，評估區(qū)域能量吸收率rE反映了試驗車輛對壁障評估區(qū)域造成的能量沖擊與其所能承受的最大吸能量的比率。其取值范圍為[0, 1]，可直接量化試驗車輛的攻擊性。該值離1越近表示壁障評估區(qū)域所吸能量越大，試驗車輛對評估區(qū)域的能量沖擊越強。

另一方面，由于目前漸進式可變性壁障處于研發(fā)初始階段，模型參數(shù)單一，很難滿足不同前端結(jié)構(gòu)造型和不同質(zhì)量車輛的試驗要求。該研究成果通過壁障評估區(qū)域能量吸收率可以量化MPDB試驗中，試驗車輛對壁障評估區(qū)域造成的能量沖擊與其所能承受的最大吸能量的比率，為后續(xù)研究中壁障模型的修正和更新，以及新型壁障的開發(fā)和應(yīng)用提供參考和借鑒。

2.2 吸能率指標(biāo)的驗證分析

（1）基于初始模型設(shè)置了15組不同速度的目標(biāo)車輛有限元算例進行仿真計算。具體驗證工況設(shè)置為：臺車靜止，目標(biāo)車輛質(zhì)量不變，改變其速度。分別進行仿真計算，提取壁障加速度峰值，計算壁障評估區(qū)域基于動能轉(zhuǎn)換的吸能量和能量吸收率。結(jié)果見表1。

表1 對應(yīng)15組不同速度的目標(biāo)車輛的壁障評估區(qū)域吸能情況

利用上表數(shù)據(jù)繪制吸能率與車速平方和壁障加速度峰值的相關(guān)性散點圖，如圖1～2所示。

圖1 吸能率與車速平方的相關(guān)性

圖2 吸能率與壁障加速度峰值的相關(guān)性

由圖可知，吸能率與車速平方和壁障加速度峰值之間的相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，表現(xiàn)為極強相關(guān)。

（2）基于初始模型另外設(shè)置了15組不同質(zhì)量的目標(biāo)車輛有限元算例進行仿真計算。具體驗證工況設(shè)置如下：臺車靜止，目標(biāo)車輛初始速度均為65 km/h，改變其質(zhì)量。利用有限元前處理工具獲取整車模型的質(zhì)心坐標(biāo)，新建component，定位至質(zhì)心處，通過mass單元對該component賦予需要增加的質(zhì)量，以實現(xiàn)變質(zhì)量操作。進而分別進行仿真計算，提取壁障加速度峰值，計算壁障評估區(qū)域基于動能轉(zhuǎn)換的吸能量和能量吸收率，結(jié)果見表2。

利用表2中的數(shù)據(jù)繪制吸能率與整車質(zhì)量和壁障加速度峰值的相關(guān)性散點圖，如圖3～4所示。

表2 對應(yīng)15組不同質(zhì)量的目標(biāo)車輛的壁障評估區(qū)域吸能情況

圖3 吸能率與整車質(zhì)量的相關(guān)性

圖4 吸能率與壁障加速度峰值的相關(guān)性

由圖可知，吸能率與質(zhì)量和壁障加速度峰值之間的相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，表現(xiàn)為極強相關(guān)。

綜上所述，通過采用控制變量法，分別探究了質(zhì)量一定時，吸能率與目標(biāo)車輛的不同初速度之間的線性相關(guān)程度；車速一定時，吸能率與目標(biāo)車輛的不同質(zhì)量之間的線性相關(guān)程度。并同時對比兩組仿真數(shù)據(jù)中吸能率與壁障加速度峰值之間的線性相關(guān)程度，結(jié)果均表現(xiàn)出極強的相關(guān)性。說明吸能率指標(biāo)能夠有效衡量目標(biāo)車輛在一定且較寬泛的能量轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)的攻擊性程度，可以作為新型相容性評價指標(biāo)。

3 基于相容性的參數(shù)化設(shè)計與優(yōu)化

3.1 參數(shù)化設(shè)計

結(jié)合前端結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)對相容性指標(biāo)的影響機理，在整車模型的基礎(chǔ)上選取前端結(jié)構(gòu)中對碰撞相容性能影響顯著的關(guān)鍵部件的材料參數(shù)和厚度屬性進行參數(shù)化賦值。配合移動漸進式可變性壁障，利用一系列有限元軟件工具研究車輛前端不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對相容性指標(biāo)的影響，以提高碰撞相容性能為優(yōu)化目標(biāo)，對前端結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)進行匹配優(yōu)化，建立一套面向碰撞相容性的前端結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配最優(yōu)構(gòu)型，有效地提高碰撞相容性能。

本文面向某乘用車車型，基于Accord 2014整車有限元模型，依據(jù)企業(yè)級建模標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定單元目標(biāo)尺寸為8 mm，網(wǎng)格尺寸范圍為4～10 mm，根據(jù)幾何特征差異性選取合理的單元類型對整車模型進行網(wǎng)格劃分，并選取其保險杠防撞梁、防撞橫梁等對碰撞相容性能產(chǎn)生影響的關(guān)鍵部件，在此基礎(chǔ)之上展開對碰撞相容性能的優(yōu)化分析。具體的參數(shù)化優(yōu)化技術(shù)路線步驟如下：

（1）確定以降低各相容性指標(biāo)壁障變形量標(biāo)準(zhǔn)差SD（取碰撞結(jié)束時刻）、乘員載荷準(zhǔn)則OLC與吸能率rE為優(yōu)化目標(biāo)，并把車輛耐撞性能和對乘員的保護性能法規(guī)限值作為約束條件。

（2）分析車輛前端部件參數(shù)特點，選擇設(shè)計變量并確定取值范圍。

（3）由于初始有限元模型零部件繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計算資源需求較高，直接通過有限元分析開展優(yōu)化很難滿足參數(shù)化優(yōu)化的設(shè)計要求。因此，需要簡化初始模型，將對關(guān)注參數(shù)和輸出指標(biāo)影響較小的零部件進行改形或刪減，得到計算精度仍滿足需求但求解效率顯著提升的簡化模型。

（4）在簡化模型的基礎(chǔ)上對所關(guān)注的前端構(gòu)件進行參數(shù)化賦值。

（5）采用拉丁超立方試驗設(shè)計方法對設(shè)計空間進行采樣，批處理調(diào)用仿真模型計算獲取60組設(shè)計變量匹配組合及相容性指標(biāo)測量值。

（6）利用獲得的設(shè)計變量和相容性指標(biāo)測量值搭建滿足預(yù)測精度標(biāo)準(zhǔn)的近似模型，選擇NSGA-II遺傳算法對優(yōu)化問題進行迭代計算，并對近似模型擬合預(yù)測的優(yōu)化結(jié)果進行仿真和驗證。最后，分析優(yōu)化結(jié)果并得出結(jié)論。

3.2 優(yōu)化目標(biāo)確定和設(shè)計變量選取

在對碰撞相容性指標(biāo)進行優(yōu)化設(shè)計前，首先需要選定合理的設(shè)計變量及其取值上下限，并確定約束條件。結(jié)合目前研究的試驗結(jié)果和本文的仿真結(jié)果可知，對碰撞相容性指標(biāo)影響最為顯著的零部件集中在車輛前部。保險杠防撞梁和橫梁緩沖件是車身上典型的高強度薄壁安全件，是影響汽車碰撞安全性的關(guān)鍵零部件。前縱梁是MPDB偏置碰撞中最主要的吸能部件，擔(dān)負總碰撞能量的60%左右。因此，選取防撞橫梁、橫梁緩沖件以及前縱梁等的材料參數(shù)和厚度作為設(shè)計變量。

圖5 設(shè)計變量分布

表3 設(shè)計變量初始值及其取值范圍

3.3 訓(xùn)練樣本獲取及相關(guān)性分析

圖6為搭建的一套基于Bat文件調(diào)用功能的集參數(shù)化設(shè)計、仿真計算和后處理為一體的相容性指標(biāo)樣本獲取自動化流程。

圖6 自動化流程

通過拉丁超立方采樣生成設(shè)計變量DOE矩陣，通過參數(shù)化接口調(diào)用各組設(shè)計變量以驅(qū)動有限元模型更新；保存該模型和變量以進行此輪計算；然后從輸出結(jié)果中提取并保存所關(guān)注的相容性指標(biāo)曲線和數(shù)據(jù)。進而更新變量以驅(qū)動有限元模型自動更新前端結(jié)構(gòu)方案，運行計算，直到最終獲得60組樣本數(shù)據(jù)。分析有限元模型求解獲得的60組樣本數(shù)據(jù)，計算出各個相容性指標(biāo)和設(shè)計變量之間的相關(guān)系數(shù)，如圖7所示。由圖7可知，前端壁障變形量標(biāo)準(zhǔn)偏差與防撞橫梁和橫梁緩沖件的屈服強度和厚度屬性呈顯著正相關(guān)。由圖8可知，乘員載荷準(zhǔn)則與前縱梁設(shè)計參數(shù)呈顯著負相關(guān)。由圖9可知，吸能率與橫梁緩沖件設(shè)計參數(shù)相關(guān)性并不高，與防撞橫梁和前縱梁設(shè)計參數(shù)呈顯著負相關(guān)。綜上所述，各相容性指標(biāo)與前端結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)之間的相關(guān)性存在較大差異，各相容性指標(biāo)之間也存在一定的矛盾和制約關(guān)系，如防撞橫梁設(shè)計參數(shù)對前端壁障變形量標(biāo)準(zhǔn)偏差和吸能率的影響規(guī)律幾乎是相反的，因此，有必要提出一種權(quán)衡機制來對設(shè)計參數(shù)進行折中考慮。

圖7 前端壁障變形量標(biāo)準(zhǔn)偏差SD

圖8 乘員載荷準(zhǔn)則OLC

圖9 吸能率rE

3.4 近似模型的搭建和精度評價

隨著有限元模型精度的提升和模型復(fù)雜程度的增加，直接通過有限元分析開展優(yōu)化很難滿足現(xiàn)代車身設(shè)計與開發(fā)的要求。用近似模型來代替仿真模型進行優(yōu)化設(shè)計，加快了計算速度，節(jié)約了計算成本。根據(jù)響應(yīng)逼近函數(shù)形式的不同，代理模型代理方法主要包括多項式響應(yīng)面（PR），Kriging模型（KR），高斯過程（GP）和徑向基函數(shù)（RBF）等。

采用確定性系數(shù)R2作為代理模型預(yù)測精度的評價指標(biāo)，R2表明了模型對設(shè)計空間內(nèi)樣本數(shù)據(jù)的逼近程度，R2的取值范圍為[0,1]，其值越接近1，逼近程度越高，則代理模型的有效性越高。

考慮到計算結(jié)果的線性程度，對各相容性指標(biāo)壁障變形量標(biāo)準(zhǔn)差SD、乘員載荷準(zhǔn)則OLC和吸能率rE分別建立多項式響應(yīng)面擬合模型（PR）、Kriging（KR）、高斯過程（GP）和徑向基函數(shù)（RBF）4種代理模型。分別計算近似模型的確定性系數(shù)R2來表征近似模型的預(yù)測精度。

根據(jù)近似模型預(yù)測精度，選取徑向基函數(shù)（RBF）作為壁障變形量標(biāo)準(zhǔn)差（SD）的近似模型，選取Kriging（KR）作為乘員載荷準(zhǔn)則（OLC）和吸能率rE的近似模型。

3.5 優(yōu)化求解及結(jié)果驗證分析

根據(jù)IIHS對車輛耐撞性能安全等級的評定標(biāo)準(zhǔn)和C-NCAP試驗規(guī)程要求，以耐撞性侵入量表征值、乘員損傷指標(biāo)和相容性指標(biāo)三個方面的相關(guān)性能限值作為約束條件。優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)表達式如下：

確定優(yōu)化問題之后，利用modeFRONTIER優(yōu)化平臺，搭建面向碰撞相容性的參數(shù)化優(yōu)化框架。

采用DEB等[15]開發(fā)的NSGA-II遺傳算法，基于構(gòu)建好的近似模型進行碰撞相容性優(yōu)化設(shè)計。選取R2最大的近似模型組合之后，利用均勻拉丁超立方抽樣方法隨機產(chǎn)生30組樣本數(shù)據(jù)作為初始種群，再利用NSGA-II遺傳算法進行50次遺傳迭代，一共進行1 500次搜索尋優(yōu)。各目標(biāo)在600次迭代（20代）左右開始收斂，并于50代左右收斂于全局最優(yōu)，最后采用理想點法選取最終優(yōu)化解。

根據(jù)有限元輸出結(jié)果，實際優(yōu)化后的壁障變形量標(biāo)準(zhǔn)差SD在碰撞結(jié)束時刻的值為84.8 mm，降低了20.6%。實際優(yōu)化后的乘員載荷準(zhǔn)則OLC的值為263.889 m/s2，降低了9.7%。實際優(yōu)化后的吸能率指標(biāo)rE的值為0.459，降低了7.6%。

4 結(jié)論

本文針對車輛碰撞相容性的分析及優(yōu)化設(shè)計開展研究，基于C-NCAP試驗規(guī)程的MPDB工況碰撞相容性指標(biāo)進行剖析計算，隨后提出了新型評價指標(biāo)吸能率并驗證其合理性。并以提高車輛碰撞相容性能為目的，更新了參數(shù)化模型，并進行優(yōu)化求解，形成一套集成試驗設(shè)計方法、近似模型技術(shù)、全局優(yōu)化算法的參數(shù)化模型驅(qū)動的高效優(yōu)化策略。最后通過實例驗證，本文提出的設(shè)計方案在滿足結(jié)構(gòu)耐撞性能和乘員損傷性能標(biāo)準(zhǔn)的同時，能顯著提升車輛碰撞相容性能。

致謝

本研究為汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點實驗室開放課題（NVHSKL-202108），重慶技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用項目（cstc2020jscx-msxm1763）資助項目，特此感謝。