MDB规格与车辆侧围结构响应相关性研究

朱海涛，刘 磊，李 博

(中国汽车技术研究中心，天津 300162)

2016190

MDB规格与车辆侧围结构响应相关性研究

朱海涛，刘 磊，李 博

(中国汽车技术研究中心，天津 300162)

C-NCAP侧面碰撞测试(2015版)中，采用了EEVC WG13基于欧洲20世纪车型的统计结果而开发的EEVC Adv-2000侧面移动壁障(MDB)。它能否代表我国的“平均”车型，有待研究。另一方面，C-NCAP评价结果显示：采用EEVC-MDB、垂直撞击前排假人“H”点的测试方法不能有效评价高星级车辆的安全性能。基于上述背景，进行了车辆前端尺寸调查；根据调查结果，确定相应的试验方案；将车辆侧围结构的响应值作为评价指标，通过对某款车型仿真结果的分析，评估新方案的可行性。

MDB规格；“平均”车型；试验设计；车身侧围响应

前言

汽车侧面碰撞试验中，侧面移动变形壁障(MDB)用来代表撞击车辆，其设计参数能代表乘用车“平均”性能参数。

现有侧面碰撞法规或星级评价体系中，以美国和欧洲为代表：两者均以相应区域内的车型特性，来定义MDB规格，并将MDB应用到侧面碰撞试验中。其它国家或地区的MDB性能也基本参照了欧美的参数。

但是由于各国及各地区消费观念的差异，销售车辆类型及所占权重并不完全相同，因此“平均”车型的规格也会有所不同，直接参考欧美的做法是不科学的；由此制定的侧面碰撞试验方法可能会与实际情况相悖，甚至会错误引导车辆安全的设计方向。

本文中通过向汽车企业发放调查表的形式，统计乘用车相关外观尺寸；并据此，在研究相关MDB规格的基础上，进行MDB碰撞参数比对设定；对于某款车型，运用整车CAE模型(模型进行了50km/h移动变形壁障试验和仿真数据对比, 结果表明此整车有限元模型的有效性、稳定性和可靠性, 可以用作进一步的研究[1])，基于Hypermesh和LS-DYNA软件进行仿真，通过车辆侧围结构响应特性，验证新方案实施的可行性。

1 侧面碰撞车身结构安全性评价基准

侧面碰撞事故中，乘员的伤害与对应车体区域的变形、速度和加速度等物理量直接相关[2]。其生存空间主要受车体侧面结构侵入量影响；而伤害主要源自乘员各部位与车体的相对运动，研究结果表明，肋骨变形量与B柱腰线处的侵入速度呈现近似的线性关系[3]。因此将车身侵入量和侵入速度作为输出评价指标，研究侧面碰撞试验方法对乘员伤害的影响是合理并有意义的。

车辆的侧围评价区域包括前后门和B柱，其中车门区域通过碰撞假人在乘坐状态下的部位来确定：前门使用ES2假人，包括假人胸部、腹部和骨盆位置对应的车门区域；后门使用SID-IIs假人，包括胸部、腹部和骨盆位置对应的车门区域。

1.1 入侵量评价基准

对于侧面B柱结构变形的评价，美国公路安全保险协会(IIHS)做出如图1所示的评价方法[4]，若碰撞后B柱内板与座椅中心线的距离大于125mm，说明车身变形处于“优”等级，车身具有良好的乘员生存空间；当该距离大于50mm，视为“达标”；而当该距离大于零，则算“及格”。

图1 B柱变形评价方法

企业在车辆侧面结构安全开发时，一般按照下述目标进行设计[5]：对于50km/h MDB侧撞，一般要求碰撞后B柱呈倒“S”变形，且假人胸部位置高度B柱侵入小于100mm；而对于29km/h侧面柱碰撞，一般要求碰撞后，B柱内板到座椅中心线的最小距离大于125mm。

1.2 入侵速度评价基准

对于车门侵入速度，在50km/h MDB侧撞下，企业一般按照如下目标进行车身安全设计：在接触时段内，对应假人胸部侵入速度为6～7m/s,假人腹部侵入速度为6.5～7.5m/s,假人骨盆侵入速度为7～8m/s。本文中将胸部侵入速度小于7m/s,腹部侵入速度小于7.5m/s,骨盆区域侵入速度小于8m/s认定为满足设计目标值要求。

2 MDB规格的影响与参数的确定

2.1 MDB规格的影响

MDB规格、碰撞角度、碰撞速度、碰撞点位置是汽车侧面碰撞试验中的关键参数，不同的侧面碰撞试验方法，上述参数不尽相同。表1为依据不同标准中参数变化区间确定的4因素、4水平试验设计。

表1 试验设计对应因子及水平

图2 极差法(R法)示意图

(1)

式中：Rj反映了第j因素水平变动时试验指标的变动幅度。Rj越大，说明该因素对试验指标的影响越大，因此也越重要。

图3为车身撞击侧围各区域侵入量对应的极差值。可见，在碰撞侧前门、B柱和后门3个区域中，碰撞参数对侵入量影响具有相同特征趋势：MDB规格对试验结果的影响最大；碰撞角度其次；碰撞速度与碰撞点位置的影响相当；碰撞点位置是4个已知因素中对车身侵入量指标影响最小的因素。图4为车身撞击侧围各区域侵入速度对应的极差值计算结果。

图3 车身撞击侧围侵入量指标对应的极差值

图4 车身撞击侧围最大侵入速度对应极差值

由图4可见，上述碰撞参数在侵入速度指标下也具有同样的影响趋势。

综上所述，在上述4个影响因子中，MDB规格是对车身碰撞结构影响最为显著的因素。因此，以中国市场上销售的车型为对象，展开相应参数调查是必要的。

2.2 MDB相关参数的获取

在侧面碰撞试验中，MDB的功能是模拟撞击车辆(在交通事故分析中一般视为肇事车)，因此，MDB参数的选取，理应基于实际侧撞事故统计数据中撞击车的有关信息，但限于这方面统计数据的缺乏，本文中权且根据文献[6]中在进行车辆正面碰撞试验轿车前舱结构运动与变形分析中引用的CAE分析经验数据换算得到，前舱各关键部件吸能占前舱所有部件吸收总能量的比例为：发动机盖3.4%，前保险杠横梁11.9%，散热器6.8%，吸能盒16.9%，纵梁42.4%，副车架6.8%。说明纵梁是碰撞中吸能的主要部件。因此，在确定MDB的结构形式与尺寸时，就重点考虑纵梁。

2.2.1 调查信息和统计方法

车辆外观尺寸数据通过企业填写调查表的形式来获取[3]，图5为车辆外观尺寸调查参数示意图。

图5 车辆外观尺寸调查参数示意图

调查内容包括车辆总体宽度、前减振器高度、纵梁上下高度和整备质量等参数。项目共获取24个企业、115款车型外观尺寸数据。数据涵盖70%以上的乘用车企业。纳入统计范围的车型覆盖了各个级别：其中基本型乘用车66款(其中小型车6款，A级车43款，B级车17款)，SUV 39款，MPV10款。图6为统计车型分布示意图。

图6 统计车型分布示意图

考虑各类车型在我国汽车市场上的销量，在确定车型“平均”外观尺寸时，根据各车型的销量权重，对统计值进行加权修正。图7为近年来我国汽车市场上乘用车的销量数据：从2010-2013年共计销售基本型乘用车4 237.1万台，MPV 274.2万台，SUV 790.9万台。从这4年的销量数据看，基本型乘用车占79.91%，MPV占5.17%，SUV占14.92%。

图7 2010-2013年我国乘用车市场销量数据

2.2.2 统计数据分析

图8为乘用车前部纵梁下端高度的统计结果。可以看出，对于纵梁下端，5分位高度值为372mm；95分位值为508mm；50分位值为440mm。根据销售量加权修正后的高度为432mm。图9～图12分别为纵梁上端高度、前端减振器高度、车辆整体宽度和车辆整备质量统计结果。

教师是教育事业发展的基础，是提高教育质量、办好人民满意教育的关键。教师每五年一周期的继续教育学习，在教师的专业成长中发挥着至关重要的作用。而课程则是教师继续教育这个宏大系统中的核心要素，也是开展教师继续教育活动、实现教师继续教育目标的载体，更是统整“碎片化”教研活动、提高教师职后教育质量、促进教师专业成长的重要节点。区域教师培训机构的使命之一是立足教师的专业发展，不断完善“研修一体”课程体系，开展教师研修课程创新的实践研究，提升研修的专业化水平。

图8 乘用车前部纵梁下端高度统计值

图9 乘用车前部纵梁上端高度统计值

图10 乘用车前端减振器高度统计值

图11 乘用车整体宽度统计值

图12 乘用车整备质量统计值

图13 基于统计尺寸的壁障前端高度

从对应的图中可以看出，上述参数对应50分位加权修正后为：纵梁上端高度为549mm；前端减振器为861mm；车辆整体宽度为1 777mm；车辆整备质量为1 342kg。根据车辆的整备质量，加上驾驶员质量(76kg)，取台车质量为1 420kg。

2.2.3 统计值与MDB参数值对比

MDB前端尺寸统计参数见图13,防撞梁下端离地高度(a1)为432mm,上端离地高度(a2)为549mm，顶部离地高度(a3)为861mm。图14为4种典型侧面碰撞中壁障的高度尺寸。可以看出，防撞梁下端离地高度统计值(a1)与IIHS(图14(c))更为接近；对于防撞梁的中心高度((a1+a2)/2)，统计值为490.5mm，与AE-MDB(图14(d))防撞梁中心高度更为接近；防撞梁宽度(a2-a1)统计值为117mm，与这几种壁障的宽度有所差异(图14(a)～图14(c))；对于壁障顶部离地高度(a3)，统计值为861mm，与IIHS-MDB(图14(c))差异较大，与其它3种壁障更为接近。

图14 典型侧面碰撞试验中壁障高度

综合上述比较结果，在现有AE-MDB基础上，将壁障的高度上调50mm，是与统计值更为吻合的设置方案。

3 MDB参数对车辆侧围结构的影响

3.1 试验设置

根据上述参数统计值，在研究典型MDB规格和相应试验方法的基础上，进行了试验方案设计，如表2所示。方案中共设计了6次试验，碰撞速度均设定为50km/h。试验方案中，试验1为C-NCAP(2015版)采纳方案，试验4为EURO-NCAP(2015版)采纳方案，试验5是基于统计参数值的设置方案。

表2 仿真试验方案设置

图15为6次试验中，碰撞侧车身侵入量最大时对应的应力分布图。

图15 车身碰撞侧围侵入量最大时对应的应力分布图

3.2.1 侧围侵入量

为便于不同试验之间的相对比较，引入一个指标——相对侵入量λ，定义为

λ=io/ib

(2)

式中：io为输出指标，即实际侵入量；ib为比较基准值，这里采用C-NCAP(2015版)的输出指标。

图16为6次试验中车辆侧围区域侵入量对应的λ值。从图中可以看出侵入量整体变化情况。

图16 车身各部位的相对侵入量

(1) 当碰撞点位置后移时，前门区域侵入量减小，后门区域侵入量增大。在使用EEVC-2000壁障的试验2中，前门和B柱区域对应的λ值约为0.9，后门胸部及以下区域λ平均值为1.6，表明碰撞中心点后移250mm后，前门区域侵入量平均减小10%，后门胸部及以下区域侵入量平均增加60%；在使用AE-MDB壁障的试验3和4中，有同样的变化趋势，与试验3相比，试验4的前门区域侵入量平均降低13.6%，后门区域平均增加51.7%。

(2) 与试验1(采用C-NCAP方法)相比，试验4(采用EURO-NCAP方法)台车整备质量由950kg增至1 300kg,碰撞壁障由EEVC-2000变为AE-MDB，且碰撞中心点后移250mm。上述变化导致车辆侧围侵入量整体增大，尤其是后门胸部及以下区域，侵入量平均增幅达到85%。

(3) 使用AE-MDB壁障的试验4-试验6的结果对比表明，台车质量的增加和吸能壁障高度的提升，会导致车辆侧围整体侵入量增大。与试验4相比，试验5的台车质量增加120kg、前端高度提升50mm，导致车辆侧围区域侵入量平均增加43.7%；同样条件下将高度由50mm上调为80mm(试验6)，车辆侧围区域侵入量平均增加91.4%。

图17为6次碰撞试验中，车辆侧围结构内板位置距离座椅中心线的距离，图中坐标中心点代表该距离为120mm，按照IIHS评价程序，在该车型6次试验中，侧围结构碰撞后的侵入量均处于“优”等级，其中试验6中B柱区域的侵入量最小，距离座椅中心线约125mm。

图17 侧围内板位置距离座椅中心线距离

图18为6次试验中侧围结构侵入量。其中B柱中部位置与ES2假人的胸部位置相对应。在使用EEVC-2000壁障的试验1和2中，B柱中部的侵入量小于100mm；在使用AE-MDB壁障的其它4次试验中，该位置侵入量均超出100mm的设计目标值。其中试验4，B柱的侵入量为108mm；试验5中为150mm，超出目标值50%；试验6中为197mm，超出目标值接近100%。

图18 碰撞过程中车身侧围最大侵入量

3.2.2 侧围平均侵入速度

实车碰撞试验数据表明该车型前排ES2假人处于约束状态下的时间域在15～40ms范围内，后排SID-IIs假人处于约束状态下的时间域在30～60ms范围内。因此对于模拟试验中的前门侵入速度，在15～40ms范围内进行数据分析；后门侵入速度在30～60ms的范围内进行数据分析。图19为车辆前门胸部区域对应的侵入速度。

图19 前门假人胸部区域对应的车身侧围侵入速度

表3 6次试验中车门相应区域平均侵入速度 m/s

表3中黑色区域代表侵入速度未达到目标设计值要求。在试验4中，前门腹部及后门胸部侵入速度刚刚超出目标设计值要求；试验5和6中，前门腹部、后门胸部均超出目标设计值要求，并且试验5中的后门腹部、骨盆区域也同样未能达到设计值要求，但从具体侵入速度值来看，通过相应车体结构改进，能够实现目标设计值要求。

4 结论

极差法计算结果表明，在设计侧面碰撞试验方

法时，MDB规格是对车身侧围结构响应影响最为显著的因素。

通过115款车型相关参数加权统计，得到的“平均”车参数如下：防撞梁中心位置高度为490.5mm，前端结构总体高度为861mm，车宽为1 777mm，整备质量为1 342kg。

典型侧面用壁障规格与“平均”车参数对比表明，在AE-MDB台车基础上将质量配至1 420kg(考虑驾驶员质量78kg),并将壁障前端高度上调50mm，使壁障保险杠中心位置高度达到500mm，总体高度达到850mm，是更为合理、科学的试验方案。

[1] 刘磊.美标下汽车侧面耐撞性结构改进[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2012.

[2] 胡玉梅,姜亚洲,等.轿车侧面碰撞乘员舱分区刚度优化与匹配研究[J].汽车工程,2014,36(8):950-956.

[3] Hideki Yonezawa, Takeshi Harigae, Yukihiro, et al. Japanese research activity on future side impact test procedures[C].23nd ESV Conference,Paper 2012(12-267).

[4] Insurance Institute for Highway Safety. Side impact test program protocol and rating guidelines[S].2012.

[5] 吉利汽车技术中心.汽车侧面碰撞性能设计[R].2013.

[6] 李宝玉,徐泽华,等.正碰试验轿车前舱结构运动及变形分析[C].第十八届汽车安全技术学术会议,2015.

A Study on the Correlation Between MDB Specificationsand Side Panel Structure Response

Zhu Haitao, Liu Lei & Li Bo

ChinaAutomotiveTechnologyResearchCenter,Tianjin300162

EEVC Adv-2000 side moving deformable barrier (MDB) developed by EEVC WG13 based on the statistical results of European vehicle models in 20th century is adopted in C-NCAP side impact test (2015 Edition). On one hand, whether it can represent the “average” vehicle models in China remains to be studied; on the other hand, C-NCAP evaluation results indicate that using EEVC-MDB with a testing scheme of perpendicularly hitting the “H” point of front-row dummy is unable to effectively evaluate the safety performance of high star vehicles. In view of these, a survey on the front-end dimensions of vehicles is conducted, based on which a corresponding test scheme is worked out, with the responses of side panel structures of vehicle as evaluation indicators. Finally the feasibility of the scheme proposed is assessed by the analyses on the simulation results of a car model.

MDB specification;“average” car model; design of experiment; body side panel response

原稿收到日期为2015年9月21日。