2020版Euro NCAP碰撞MPDB测试对汽车设计的影响

周丹凤 涂金刚

摘要：2020版Euro NCAP更新了汽车碰撞安全试验工况。为研究新工况下的碰撞安全性，以不同质量的车辆作为研究对象，对比2020版Euro NCAP MPDB工况与现行ODB工况下被撞车辆的结构变形以及加速度波形的差异。研究表明：新工况与现行工况下的被撞车辆表现差异明显，对中小型车辆影响较大。针对分析结果提出改进思路，为新车型的碰撞安全性能研发提供参考。

关键词：MPDB；ODB；碰撞；安全性能

中图分类号：U461.91

文献标志码：B

0 引 言

汽车碰撞安全法规和评价标准体系可分为2种：一种是以欧盟各国为代表的欧标ECE法规和Euro NCAP评价标准；另一种是以美国为代表的美标FMVSS法规和US NCAP评价标准。[1]许多欧亚国家、南美洲国家和澳大利亚制定的法规和标准通常以欧盟体系为指导。由于Euro NCAP对法规的制定起到至关重要的作用，因此Euro NCAP的发展动向备受各国汽车碰撞安全研究领域的关注。最新发布的2018年安全开发手册[2]提到，2020版Euro NCAP提高汽车碰撞安全高速碰工况难度，更改偏置碰工况试验形式，并增加正碰工况。

2020版Euro NCAP侧面AEMDB碰撞工况的撞击速度从原来的50 km/h提升到60 km/h，并考察侧碰对远端乘员的保护，这将增加碰撞能量、扩大约束系统的保护范围，对原有车身结构强度提出更高的要求。然而，汽车企业面临的更大挑战是Euro NCAP新工况对车身结构设计的影响。2020版Euro NCAP以50%重叠的可变形移动壁障和车辆均以50 km/h的速度对撞的MPDB工况，替代现行的40%重叠可变形固定壁障、速度为64 km/h的前部偏置碰撞ODB工况。[2]为研究新工况的碰撞特性，本文结合以往和在研车型的碰撞安全开发工作，对比2020版Euro NCAP MPDB工况与现行ODB工况对车身碰撞结果的差异，研究MPDB工况对汽车设计的影响，为新车型的碰撞安全性能研发提供参考。

1 2020版Euro NCAP MPDB工况

ODB工况对整车结构变形，尤其是乘员舱的完整性要求很高，该工况要求降低整车加速度脉冲对乘员造成的伤害，同时保证整车变形后乘员能有足够大的生存空间。ODB工况已运行实施多年，经过多次对评价标准细节的调整，各主机厂已熟悉该工况的考察项，且可借鉴现有车型的设计案例。对于2020版Euro NCAP MPDB工况的碰撞特性和难易程度，各大主机厂没有明确了解，也无应对策略。新工况示意见图1，与现行ODB工况差别较大。壁障小车质量为1 400 kg，壁障小车和被撞车辆均以50 km/h的速度相对运动，以50%的重叠率相对撞击。前排驾驶员为新开发的THOR假人，副驾驶员为原Hybrid Ⅲ假人，后排为2个Q系列儿童假人，考察儿童约束系统对儿童乘员的保护情况。[3]

2 MPDB与ODB工况差异

2.1 MPDB和ODB工况的特点

从对道路交通安全的实际指导意义来看，MPDB工况与车辆实际发生事故时的场景更相似；从工况开发角度来看，约束系统标定的参数在车辆发生前碰时，安全带和气囊的点爆时间对车内乘员能够起到更好的约束和保护作用。现行ODB工况虽然被撞车辆速度更高，碰撞情况更加严重，但与实际交通事故存在一定差异。与MPDB工况相比，ODB工况对车辆乘员保护的指导意义稍差。

MPDB与ODB工况差异对比见表1。对比2个工况的碰撞具体细节，可以看出碰撞速度、碰撞方式和前排碰撞假人均有不同。[4-5]碰撞速度和碰撞方式的改变，直接影响整车的变形模式和对假人直接作用的加速度脉冲波形特征，不同的假人对整車加速度脉冲的响应速度和伤害的敏感程度也不尽相同。

2.2 不同质量的车辆在MPDB和ODB工况下的表现对比

由于壁障小车的质量大小直接影响被撞车辆的碰撞能量和能量交换，因此将被撞车辆的质量分为3种情况，分别对比在MPDB和ODB工况下车身结构的表现。

不同质量大小的车辆MPDB与ODB工况碰撞总能量对比见表2。MPDB工况碰撞总能量总是比ODB工况碰撞总能量大。其中，质量最小的车辆MPDB工况与ODB工况总能量相差较大，车辆质量越大，2个工况的总能量相差越小。因此，MPDB工况对小型乘用车的挑战更大。

在前部碰撞中，被撞车辆车身结构主要从结构变形和加速度脉冲特性2个方面进行评价。结构变形又分为前舱吸能空间变形和乘员舱生存空间完整性2个方面。乘员舱生存空间考察的量化指标主要体现在前挡板侵入量和最大侵入位置。通常情况下，主要考察的监测点为乘员脚部区域和踏板安装区域。乘员脚部区域侵入量直接影响乘员腿部伤害值；踏板安装区域在偏置碰中通常是前挡板侵入量最大区域，影响踏板的后移和上抬运动幅度，导致踏板位移量超标，从而影响Euro NCAP中修正项的扣分情况，间接增加驾驶员右腿扣分风险。加速度脉冲通过车身座椅和约束系统直接作用于乘员，脉冲幅值的高低直接影响乘员头颈和胸部的伤害程度。[6]

分别对比3种不同质量被撞车辆前挡板侵入量在MPDB和ODB工况中的加速度特性曲线，在统一标尺情况下，不同质量车辆前挡板侵入量对比见图2。虽然MPDB工况总碰撞能量大于ODB工况总碰撞能量，但是MPDB工况下部分能量转化为被撞车辆和壁障小车的偏转能量。因此，对于同一款车，MPDB工况下前挡板侵入量较小；但对于质量不同的车辆，被撞车辆质量越接近壁障小车的质量，能量交互越小，前挡板侵入量最大值越大。

不同质量被撞车辆加速度（取绝对值）波形对比见图3。对于同一款车，MPDB工况加速度相位较ODB工况提前，峰值大小和时刻均存在一定差异。当被撞车辆质量小于壁障小车质量时，MPDB工况加速度峰值高于ODB工况；当被撞车辆质量大于壁障小车质量时，MPDB工况加速度峰值低于ODB工况；当被撞车辆与壁障小车质量相当时，MPDB工况加速度峰值与ODB工况相当，且相位偏差最小。随着被撞车辆质量与壁障小车质量差异的增大，MPDB工况和ODB工况加速度波形的相位偏差和峰值偏差增大，这与MPDB工况碰撞过程中被撞车辆与壁障小车各自的初始动能有密切关系。MPDB工况的加速度波形与ODB工况的加速度波形相差很大，需增加MPDB工况的标定，对约束系统标定也是挑战。

3 影响MPDB工况结果的因素及提升方向

对于传统燃油汽车车身结构而言，虽然MPDB工况较ODB工况侵入量普遍有所降低，但是对于1 400 kg及以下的中小型车辆，加速度波形时刻提前，峰值升高。

3.1 前舱框架设计

从车身设计角度，前舱框架是前部碰撞的主要吸能部件，见图4。碰撞工况的车身设计主要从以下几个方面考虑。

3.1.1 前保横梁

前保横梁的强度直接决定前舱框架的变形时刻及模式。MPDB工况中前保横梁应保证有较高强度，从而能够在碰撞过程中推迟发生折弯时刻，保证纵梁受力的稳定。一旦前保横梁发生折弯，就不能再承力，在MPDB工况中呈“V”字形向发动机舱内折弯变形，导致纵梁Y向受力增大；若纵梁Y向抗弯性能较差，将会呈现Y向内倾趋势，失去支撑传力作用。因此，前保横梁是MPDB工况的第一道关口，在车身框架设计中要保持足够的抗弯性能。

3.1.2 前纵梁

在前部碰撞中前纵梁是主要的吸能部件，其变形是否稳定直接决定前部碰撞结果的好坏。在MPDB工况中，前纵梁与前保横梁是相互作用且相辅相成的。在保证前保横梁强度的同时，应加强前纵梁的Y向抗弯性能。在前保横梁发生折弯变形后，前纵梁应继续保持一定的传力作用，稳定变形。在MPDB工况中Y向拉力过大，前纵梁较难出现压溃变形模式，一般以Y向“Z”字形折弯变形为主。为保证前纵梁的Y向抗弯性能，设计时应考虑足够大的截面和合理的宽高比。

3.1.3 辅助结构

前保横梁与前纵梁构成的主要传力路径如果达不到足够的抗弯性能，还可以采用一些辅助结构作为补充，一般分为上、下2部分：上部分是贯穿前纵梁前段外侧到铰链柱的上纵梁结构；下部分是连接前纵梁前端到副车架本体的副车架纵梁結构。这2部分或其中1部分辅助结构对前纵梁的Y向抗弯起辅助支撑作用，从而保证前纵梁在MPDB工况碰撞过程中稳定“Z”字形折弯变形。

关键部件的合理匹配和设计可以保证前纵梁合理变形，不会向发动机舱方向整体倾倒，避免侵入量集中；车身框架稳定有序的变形传递碰撞力，吸收碰撞能量，从而合理分配加速度波形峰值，避免车身集中受力，伤害乘员。

除碰撞能量吸收外，前部碰撞的重要设计准则还包括载荷传递和结构设计。完整的框架设计使碰撞产生的力能够顺畅传递，并合理地分布于车身[6]；牢笼式“O”形闭环设计使乘员舱结构稳固，保障乘员足够的生存空间。

3.2 前舱机械布置

对于MPDB工况而言，前保横梁的变形均为中间折弯形式。前保横梁折弯后，与壁障50%重叠的车身一侧参与相对碰撞。在前舱空间压缩达到最大后，以前保横梁折弯点为中心，被撞车辆和壁障小车同时发生偏转。前舱参与碰撞的主要为驾驶员一侧，故驾驶员一侧的可利用前舱有效碰撞空间和碰撞空间利用率是前舱机械布置的核心。

在前舱碰撞空间一定的前提下，前舱硬物合理安装和布置对碰撞空间的利用尤为重要，其布置方案对比见图5。图5a）的布置方案不合理：蓄电池、ESP、真空助力在一条纵轴线上，且均在左侧，导致在MPDB工况碰撞过程中参与碰撞一侧的空间利用率较低，对控制踏板安装区域乘员舱侵入值压力较大；硬物间相互碰撞，会产生较大的减速度峰值，给乘员胸部带来伤害。图5b）的布置方案较为合理：蓄电池前置可降低乘员舱侵入压力，横向布置可节省纵向空间；前舱硬物合理分布，可以避免相互接触撞击，有效提高碰撞空间利用率，降低加速度峰值。

3.3 新技术的应用

随着工业技术的飞速发展和碰撞安全评价体系的不断完善，在车辆设计和生产过程中，越来越多的新材料、新技术得到应用和推广。

3.3.1 新材料

随着材料工业的快速发展，高端材料的研发和推广速度不容小觑。航空铝材有望在汽车设计中进行推广，其质量轻、性能高等优良性能在提高车身燃油经济性的同时，减小车辆碰撞能量，保证足够的车身强度，使有效碰撞空间内的能量吸收达到最佳，从而减小碰撞能量对车内乘员造成的冲击，降低乘员伤害。[7]碳纤维材料已越来越多被应用到乘用车车身结构的设计中，其同样具有质量轻、强度高等特性，一般应用在乘员舱的结构设计中，保证乘员生存空间的完整性。前挡板采用碳纤维材料可以有效阻挡前舱硬物的侵入。[8]

3.3.2 新技术

新材料的应用要结合新技术才能最大限度地发挥其优势，二者相互依存、相辅相成。铝合金材料的诞生，促进铝制部件铆接技术和铝材焊接技术的发展。[9]随着碳纤维材料的出现，碳纤维粘接技术应运而生。近年来，新兴的激光拼焊板技术、激光复合焊接技术、机器人应用技术、中频电阻电焊技术、铆接技术和胶接技术在汽车车身制造中得到越来越广泛的应用。

3.3.3 主动安全系统

主动安全系统能够在事故发生前及时采取紧急避撞措施，避免发生车祸或者尽量将伤害降至最低。该系统是由安装在车身各个部位的车载传感器、激光雷达、红外线、超声波传感器，以及更加先进的毫米波雷达等设备组成的，具有工况检测功能，可随时通过声音、图像等方式向驾驶员提供车辆周围和车辆本身等必要信息，并可自动或半自动地进行车辆

控制，帮助驾驶员做出最快反应，从而有效防止事故发生或降低损伤程度。[10]

4 结束语

对比2020版Euro NCAP MPDB工况与现行ODB工况发现：对于同一款车，MPDB工况较ODB工况侵入量有所降低，但加速度相位提前，峰值大小和时刻均存在一定差异。当被撞车辆质量小于壁障小车质量时，MPDB工况加速度峰值高于ODB工况；当被撞车辆质量大于壁障小车质量时，MPDB工况加速度峰值低于ODB工况；当被撞车辆与壁障小车质量相当时，MPDB工况加速度峰值与ODB工况相当，且相位偏差最小。随着被撞车辆质量与壁障小车质量差异的增大，MPDB工况和ODB工况加速度波形的相位偏差和峰值偏差增大。

针对MPDB工况对中小型车辆冲击较大的问题，结合分析结果提出2点改进方向：在车身前舱设计中，前保横梁要足够强，前纵梁要有一定的Y向抗弯能力，如抗弯性能不足，可以采用辅助结构，通过前结构整体刚度匹配，保证前纵梁抗弯性能，使前纵梁呈现Y向“Z”字形稳定折弯模式；对于前舱机械布置，左侧纵向空间硬物应尽量避免过于集中，前舱硬物布置应合理分散。

随着新车安全评价标准的不断更新和完善，新材料、新技术不断突破和革新，乘用车安全性能的设计也将不断优化，推动乘用车主动安全技术的进步和发展，最终达到彻底避撞，提高道路交通安全性。

参考文献：

[1] 钟志华， 张博刚， 曹立波， 等. 汽车碰撞安全技术[M]. 北京： 机械工业出版社， 2003： 4-10.

[2] Safety companion 2018[Z]. Germany： Carhs， 2018： 18-27.

[3] LSTC. Progressive deformable barrier documentation[Z/OL]. （2017-5-11）[2018-05-01] http：//www.lstc.com/download/dummy_and_barrier_models/LSTC.PDB.170511_V2.1_Documentation.pdf.

[4] SANDNER V， RATZEK A. MPDB-mobile offset progressive deformable barrier[C]// Proceedings of 24th International Technical Conference on Enhanced Safety of Vehicles. Gothenburg， 2015.

[5] Euro NCAP. Euro NCAP： Assessment protocol - adult occupant protection Version 8.0.2[S/OL]. （2017-11-12）[2018-04-10]. https：//cdn.euroncap.com/media/32280/euro-ncap-assessment-protocol-aop-v802.pdf.

[6] 张金换， 杜汇良， 马春生， 等. 汽车碰撞安全性设计[M]. 北京： 清华大学出版社， 2010： 10-15.

[7] World Auto Steel. Future steel vehicle： Phase2-report[Z]. Germany： EDAG， 2014： 66-85.

[8] 娄方明， 高伟钊， 王士彬， 等. 碳纤维复合材料碰撞模拟技术研究及应用[C]//第三届LS-DYNA用户大会文集. 上海， 2017： 543-544.

[9] 喬及森， 贺智锋， 向阳芷. 车用铝合金焊接薄壁管件轴向压缩性能研究[C]//第十七届汽车安全技术学术会议论文集. 保定： 中国汽车工程学会， 2014： 299-303.

[10] 朱西产. 汽车智能安全技术的展望： 道路交通事故零伤亡愿景[C]//第十届天欧汽车安全技术会议论文集. 上海， 2014： 6-10.

（编辑 付宇靓）