程豹，楊帥，李根，侯延軍

(中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司，天津 300300)

0 引言

近年來，隨著各國法規(guī)和NCAP測評規(guī)程的不斷發(fā)展，以及汽車制造商應對汽車技術發(fā)展挑戰(zhàn)方面的不斷努力，乘用車的自我保護性能得到了大幅提升,整車被動安全性能開發(fā)也不斷向著更深的層次發(fā)展。

隨著對交通事故的深入研究，發(fā)現(xiàn)符合NCAP配置要求的車輛在車與車正面碰撞時，人員損傷情況卻很不理想[1]。究其原因，NCAP中正面評估汽車自我保護性能的前提是汽車的主體結(jié)構(gòu)在碰撞中可以被有效地撞擊，然而在車與車正面碰撞中，碰撞情況并非總是如此。許多正面碰撞中，縱梁未受到碰撞或防撞橫梁與前端框架分離，導致車輛不能充分利用前艙變形區(qū)潰縮變形，進而減少生存空間，導致較大傷亡。因此，要進一步提升車輛整體的安全性能，僅實現(xiàn)車輛乘員的自我保護是遠遠不夠的。相容性，即平衡車輛自我保護和對乘員的保護，是汽車碰撞安全接下來的重要研究方向。

相容性問題探究由來已久，全面的研究始于1997年國際協(xié)調(diào)研究活動(IHRA)相容性工作組的成立，主要有美國的NHTSA、公路安全保險協(xié)會和汽車制造商聯(lián)盟(AAM)，日本的國土交通運輸部(MLIT)和汽車工業(yè)協(xié)會(JAMA)等參與其中[2]。碰撞相容性問題源于車對車碰撞，然而車對車碰撞又是一個極其復雜的工況，因為涉及的車輛和形式多種多樣，所以一直以來都很難確定一種既實用又合理的方法來全面揭示車對車正面碰撞情況。許多機構(gòu)通過各自的方法，如固定壁障、碰撞力墻等方式，進行相容性研究，并提出大量的結(jié)論和建議[3-5]。

E-NCAP于2013年開始對相容性測試程序和評估規(guī)則展開一系列的研究，2017年在車輛提升安全會議上提出MPDB測試工況，該測試方法的基礎由FIMCAR提出，由ADAC進一步修改，并確立2020年將MPDB作為全球第一個相容性評級方法開始實施。隨著MPDB測試的使用運行，持續(xù)了多年的相容性研究進入了一個新的階段。

2021年起，C-NCAP在正面碰撞測試中取消ODB測試工況，增加MPDB測試工況。文中將以MPDB測試為基礎，研究前端結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、剛度對相容性影響的規(guī)律，并提出改進策略。

1 MPDB工況介紹

1.1 MPDB C-NCAP測試規(guī)范

MPDB測試規(guī)范[6]如圖1所示，測試車輛與壁障臺車分別以50 km/h速度相向行駛，撞擊覆蓋率為測試車寬的50%。測試車輛主駕配置THOR 50th假人，副駕配置Hybrid III 50th女性假人。第二排撞擊側(cè)配置Hybrid III 50th女性假人，非撞擊側(cè)配置Q10兒童假人，用于兒童保護評估。移動壁障是由移動臺車和其前端搭載的漸進的可變形蜂窩鋁狀壁障組成，總質(zhì)量1 400 kg。

圖1 MPDB測試形式

1.2 評價方法

C-NCAP的測試評價分數(shù)包括假人傷害得分和修正罰分，既通過高速影像，假人運動軌跡或者車身結(jié)構(gòu)變形發(fā)現(xiàn)的問題，對假人傷害得分予以減少。MPDB測試中，主體依然延續(xù)了這樣的評價方式。壁障兼容性評估是MPDB測試中引入的新的分數(shù)修正體系。

MPDB測試等級評估分為兩部分：車輛自我保護評估和壁障兼容性評估。乘員自我保護總分在0～24分不等，依據(jù)受傷程度采用滑動評分法計算乘員頭頸部、胸腹部、骨盆大腿、小腿腳部得分。兼容性罰分總分在0～6分不等，罰分項主要包括載荷準則(OLC)、標準差(SD)、擊穿、結(jié)構(gòu)高度。其中結(jié)構(gòu)高度為門檻值，最高罰1分;OLC、SD為差值罰分，最高罰分均為2分;擊穿為門檻值，最高罰2分。

1.3 相容性評估

相容性評價指標主要有3個：

(1)碰撞后壁障測量的入侵SD；

(2)依據(jù)壁障減速度測得的OLC；

(3)通過壁障入侵深度測得的壁障底部擊穿。

壁障變形均勻性基于評價區(qū)域(圖2)內(nèi)侵入深度測量的SD。入侵量是通過碰撞后掃描壁障變形云圖得到的(圖3)。由于車輛撞擊后的運動，壁障外側(cè)將被側(cè)向加載，蜂窩面將被彎曲而不是壓縮。這將導致不同的變形，所以評估區(qū)域距離壁障外側(cè)200 mm。受壁障覆蓋板影響，最下端邊界離地250 mm，最上端邊界離地650 mm，區(qū)域?qū)挾葹檐噷挼?0%。SD的評估基于一個線性的范圍，50 mm為較高性能極限，150 mm為較低性能極限。這一評估指標的背后意義是考察車輛前端的均質(zhì)性，平面越平，載荷的分布越好。

圖2 壁障評價區(qū)域

圖3 壁障變形掃描

OLC主要對碰撞過程中壁障臺車的減速度進行評估。減速度越小，壁障車輛受到的額外加載力也就越小。具體定義是指在碰撞過程中，假定臺車虛擬假人經(jīng)歷勻速運動(0-t1)和勻減速運動(t1-t2)兩個階段，勻減速運動的恒定加速度值，即為OLC值。OLC值的評估范圍在25～40g之間，計算公式如下所示：

v0-OLC×(t2-t1)=vt2

式中：v0為臺車初始速度，t1為壁障虛擬假人前向自由位移0.065 m時刻，t2為壁障虛擬假人受到約束后再向前移動0.235 m時刻。

碰撞后，車身上若有堅硬的物件穿透壁障底部，將會有額外的分數(shù)修正，即壁障擊穿。具體是指車輛結(jié)構(gòu)穿透壁障深度超過630 mm，寬度區(qū)域超過40 mm×60 mm。

2 相容性影響因素

多年來碰撞安全開發(fā)體系是通過不斷研究真實的交通事故，并試圖了解造成乘員傷害的因果機制而形成的。過去的十五年里，小型車、SUV、混動、純電的市場份額不斷增加，整備質(zhì)量也從0.6～2.4 t不等；在FRB、ODB等標準工況的推動下，車身剛度提升了很多，同時對基于吸能提升的車輛前艙的設計理念也有了較好的理解。隨著對行人弱勢群體保護、車輛可維修性、車身造型等要求的不斷提升，汽車前端設計也處在一個相互矛盾的約束之中。每個制造商結(jié)合各自車型的定位和側(cè)重，形成各種各樣的前端設計、前艙布置等來滿足需求。之前的研究[7]確認了整備質(zhì)量、前艙剛度以及結(jié)構(gòu)布置是影響碰撞相容性的主要因素。每個車型各因素之間有較大的差異性，增大了碰撞不兼容的可能性。

2.1 正交試驗設計

正交試驗設計是試驗設計中較常見的一種，通過挑選有代表的方案進行試驗，利用較少的試驗得到試驗因素對指標的影響規(guī)律，得出最優(yōu)搭配。本次試驗擬采用3個因素，每個因素選取了3個水平，因此選用正交表為L9(33)。試驗編排如表1所示。

表1 L9(33)正交試驗

2.2 試驗因子和水平

以某SUV有限元模型為基礎，選取整備質(zhì)量m、前艙剛度k、前端結(jié)構(gòu)布置為變量，來模擬不同質(zhì)量、前艙剛度、前端結(jié)構(gòu)布置的車輛在MPDB工況下碰撞兼容性的表現(xiàn)。

通過調(diào)整鋼材部件密度，來達到整備質(zhì)量增加和減輕20%，同時保持車輛前艙剛度不變。通過調(diào)整前艙結(jié)構(gòu)件的材料強度，達到前艙剛度增加和減少20%，同時保持整備質(zhì)量不變。通過調(diào)整傳力路徑數(shù)量達到改變結(jié)構(gòu)布置的目的，增加副車架傳力路徑，增加指前粱傳力路徑。試驗因子及水平如表2所示。

表2 試驗因素和水平等級

2.3 試驗結(jié)果統(tǒng)計及分析

表3 正交試驗結(jié)果

表4 MPDB試驗結(jié)果極差分析

對于OLC,各個因子的極差值較為相近，因子主次順序依次為C、B、A，隨著車身傳力路徑的增多，車輛與壁障接觸面積加大，碰撞力增加，壁障加速度上升。增加整備質(zhì)量和前艙剛度均會造成OLC值呈線性增加。最優(yōu)水平組合為C1B1A1。對于SD，各因子主次順序為C、B、A，其中車身傳力路徑的因子對于SD影響占比較高，整備質(zhì)量、前艙剛度的變化對于SD值影響極小。接觸面積越大，壁障潰縮越均勻。前艙剛度的整體均勻變化，對壁障潰縮的范圍影響不大。最優(yōu)水平組合C3B1A1。綜合來看，對該車型OLC、SD等壁障相容性指標的影響主次順序，依次為前端結(jié)構(gòu)布置、前艙剛度、整備質(zhì)量。結(jié)構(gòu)布置對SD值影響較大，因此該車型綜合考慮采用3條傳力路徑，增大與壁障接觸面； 前艙剛度和整備質(zhì)量對OLC的影響權重占比較大，前艙剛度越低，整備質(zhì)量越少，車輛攻擊性就小，壁障OLC值越低，對于SD的影響權重較小。因此對于該車型相容性結(jié)構(gòu)開發(fā)，最優(yōu)組合為C3B1A1，即增加車輛前端結(jié)構(gòu)布置，適度調(diào)整降低前艙剛度，輕量化車身。

3 相容性開發(fā)策略

在傳統(tǒng)的FRB和ODB等正面碰撞工況開發(fā)中，更加強調(diào)的是乘用車本身結(jié)構(gòu)件對于碰撞能量的吸收能力。碰撞產(chǎn)生的能量越大，在保證乘員安全的前提下，乘用車前艙剛度也需隨之增加，這就造就了測試車輛質(zhì)量越大，前艙剛度就越大的設計理念。MPDB工況整車相容性的開發(fā)，更加強調(diào)兩車對撞中的“雙贏”結(jié)果，需要綜合“自我保護”和“對他保護”的矛盾。相容性可以描述為兩輛車以一種平衡的方式分配能量的能力，從而為車內(nèi)人員提供相同生存機會?！白晕冶Ｗo”就是車廂具備一定的抗壓能力和穩(wěn)定性?！皩λＷo”就是車輛在達到自我保護力之前具備一定的吸能能力。

兩車對撞中，碰撞能量可以以一種平衡的方式分配的前提是兩車結(jié)構(gòu)具備交互性。交互性是指與其他車輛發(fā)生碰撞時，車輛結(jié)構(gòu)在局部水平上具備一定的變形模式，防止出現(xiàn)“鉆騎”現(xiàn)象，一旦發(fā)生“鉆騎”現(xiàn)象，前艙主要吸能結(jié)構(gòu)件失能，勢必會對一方造成較大的損傷。因此，在車輛設計開發(fā)前期如何進行前端結(jié)構(gòu)設計是需要重點考慮的問題。第一，載荷分布均勻，前端結(jié)構(gòu)變形吸能滿足一定的設計目標；第二，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，即車輛結(jié)構(gòu)在不同加載條件下具有均勻變形的特征。

MPDB壁障提供平整均勻的碰撞表面，若想在該評價中得到較好的結(jié)果，所有測試車輛不論質(zhì)量如何，都需要提供一個均勻的前端結(jié)構(gòu)設計。如果不同質(zhì)量車輛前端結(jié)構(gòu)的均勻性都設計在一個相近的水平，那么碰撞能量所有車輛質(zhì)量之間傳遞的概率是相同的；剛度的差異是造成車輛乘員艙壓潰的主要原因。較高的結(jié)構(gòu)剛度將導致較大的碰撞力，壁障臺車沖擊器加速度上升較快，且峰值較大。同樣地，若整車前艙剛度不變，只降低整備質(zhì)量，將會導致測試車輛加速度增加，壁障加速度小幅減小。SD值對于車輛乘員損傷之間并沒有直接相關的關系。OLC值與車身減速度、車身入侵有較大的聯(lián)系，能較好地反映剛度的匹配和質(zhì)量比情況。

4 碰撞相容性結(jié)構(gòu)改進

整備質(zhì)量與汽車本身特性和車型定位相關，通常在安全開發(fā)中，難以有較大改變。因此針對該車型主要從前艙剛度和前端結(jié)構(gòu)布置等進行改進。

(1)前端結(jié)構(gòu)采用上、中、下3條傳力路徑，Z向截面上盡可能覆蓋壁障表面。如圖4所示，水箱框架采用全框式結(jié)構(gòu)，上部水箱框架前端增加橫梁結(jié)構(gòu)，中部增加防撞梁Z向截面，Z向尺寸擴大至130 mm，并向外側(cè)延伸前保險杠結(jié)構(gòu)與“shotgun”結(jié)構(gòu)搭接。碰撞中，延伸部分有助于壓潰車輪前方的蜂窩鋁結(jié)構(gòu)，從而提升SD值。下部增加副防撞梁和吸能盒，與主防撞梁形成一個平面。

圖4 車輛前端結(jié)構(gòu)布置

(2)降低前艙關鍵結(jié)構(gòu)件的強度。車輛前艙和壁障剛度決定了碰撞力的大小，進而決定了OLC值的大小。因此為了降低OLC值，需要減少碰撞力大小。對于整備質(zhì)量較大的車輛，應降低主要吸能部件剛度。車輛縱梁厚度降低0.4 mm,內(nèi)部加強板降低0.5 mm。弱化下彎梁結(jié)構(gòu)。

(3)增加縱梁前端截面，降低縱梁下表面Z向高度，加大主吸能部件與壁障的接觸。防止縱梁過高，引起罰分。

對上述方案改進后，將碰撞模型進行計算分析，計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。曲線和壁障入侵對比如圖5和圖6所示。由圖可知，前端結(jié)構(gòu)改進后，與壁障接觸面積增加，壁障左側(cè)壓潰面積增大，分散了右側(cè)的入侵，壁障整體入侵更加均勻，壁障入侵減小，SD值降低。相反地，車身前艙結(jié)構(gòu)被較多地擠壓變形吸能，前圍板入侵增大。整車加速度和壁障加速度均有一定程度降低，攻擊性罰分減小。

表5 方案改進結(jié)果

圖5 整車加速度與壁障速度曲線對比

圖6 壁障入侵云圖對比

5 結(jié)束語

文中以某SUV的MPDB工況為例，仿真模擬分析了車輛質(zhì)量、前艙剛度、前端結(jié)構(gòu)3個因素對于相容性指標的影響規(guī)律和主次順序，提出了相容性優(yōu)化策略;優(yōu)先考慮車輛前端結(jié)構(gòu)交互性設計;其次通過調(diào)整前艙剛度大小和輕量化車身設計來保證車輛在達到自我保護力之前，可以吸收一部分能量。依據(jù)該分析策略，針對某車型提出了前部剛度和結(jié)構(gòu)布置的調(diào)整方案。方案改進后，明顯提升了該車型的相容性指標，降低了攻擊性罰分。