基于OLC的通用1D系统创建及研究

赖征海，杨 伟，鄂世国Lai Zhenghai，Yang Wei，E Shiguo

基于OLC的通用1D系统创建及研究

赖征海，杨 伟，鄂世国
Lai Zhenghai，Yang Wei，E Shiguo

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

针对MPDB（Moving Progressive Deformable Barrier，移动渐进可变形壁障）正面碰撞工况兼容性评估指标OLC（Occupant Load Criterion，乘员载荷指数），首先基于碰撞台车的速度曲线给出OLC数值求解方法，然后以某小型轿车为例，介绍将整车MPDB碰撞工况系统简化为1D弹簧-质量点系统，并将此1D系统扩展形成通用系统。通过对该通用1D系统研究，找出OLC与碰撞车辆质量的内在联系，提出有效降低OLC的优化方向，给出合理定义OLC目标值的方法和优化碰撞兼容性遵循的原则。

MPDB；兼容性评价；OLC；简化

0 引 言

随着汽车保有量的逐年增加，交通事故发生的概率不断增大，各国纷纷出台和更新法规指导监督汽车安全性能设计，随着碰撞法规要求不断提升，新车的自我保护性能得到显著改善，但这些法规只是针对单独车辆的安全性，例如在现有的正面碰撞法规评价体系下，不同类型、重量的车单独评价时安全性能很高，然而现实车与车对撞事故中却显出不一样结果[1-3]，尤其是重量小的车受到的伤害远高于重量大的车[4-5]。这就要求车辆不但要有良好的自我保护性能，还要降低对其他车辆的“攻击性”，车辆设计要同时兼顾这两点，也就是碰撞兼容性。

为制定能够测试车体碰撞兼容性的标准方法，德国ADAC（Allegemeiner Deutsche Automobil Club，德国汽车协会）[6]近20年来做了大量研究，最终2020版Euro-NCAP（Euro-New Car Assessment Programme，欧洲新车评价规范）采纳了ADAC机构发展和完善的MPDB（Moving Progressive Deformable Barrier，移动渐进可变形壁障）工况[7-10]，取代了现有的ODB（Offset Deformable Barrier，可变形偏置壁障）工况，MPDB工况引入3个兼容性评价指标：壁障变形量标准差（Standard Deviation，SD）、壁障是否击穿和台车的乘员负载指数（Occupant Load Criterion，OLC）。MPDB工况为车体设计思路带来很大的影响，针对OLC兼容性指标，从理论上分析其数值求解过程，并揭示其与碰撞车辆重量的内在联系。

1 MPDB试验工况

2020版Euro-NCAP 中采用MPDB工况替代现行的ODB工况。MPDB工况的壁障台车质量为1 400 kg，壁障台车和碰撞车辆均以50 km/h的速度相对行驶，并以50%的重叠率撞击。驾驶员为新开发的THOR（Test device for Human Occupant Restraint，人类乘员约束试验装置）假人，副驾驶为Hybird III50%男性假人，为考察后排儿童约束系统对儿童的保护情况，后排左侧放置Q6儿童假人，右侧放置Q10儿童假人。如图1所示。

需要注意的是，2021版C-NCAP最新公布的乘员保护路线图草案中，驾驶员为50%THOR假人，副驾驶为Hybird III5%女性假人；后排左侧放置Hybird III5%女性假人，右侧放置Q10儿童假人。

图1 MPDB工况示意图

2 OLC数值计算方法

台车乘员负载指数OLC是指碰撞过程中，假设台车上虚拟假人在0～1时间内匀速运动并相对台车产生65 mm的前向位移后，约束系统开始起作用，并在1～2时间内做匀减速运动，相对台车再产生235 mm的前向位移（总共300 mm），其中匀减速运动的恒定减速度值即为OLC。计算公式为

式中：0为台车和虚拟假人的初始速度（13 889 mm/s）；v为台车在任意时刻的速度；1为虚拟假人相对台车产生65 mm前向位移的时刻；2为虚拟假人受约束后相对台车再向前运动235 mm的时刻；v2为虚拟假人在2时刻的速度。

通过式（1）并借助后处理软件中曲线可求出1；由式（2）不能直接求解2，可将其进行转化得到式（4）求出2，进而根据式（3）求出OLC，其中各积分项的含义如图2所示。将相应算法采用Excel函数表示，通过输入台车的速度v2曲线自动计算出1、2和OLC的值。

图2 积分表达代表含义图示

3 1D评估系统创建和研究

如果忽略MPDB工况整车系统的转动，碰撞前后系统动量守恒，若假设系统变形均匀，则壁障、碰撞车辆可分别用质量-非线性弹簧的一维系统描述，如图3所示。弹簧刚度取决于壁障和碰撞车辆的压溃特性。

图3 1D简化系统示意图

3.1 创建1D系统模型

以某小型轿车MPDB工况仿真结果为例，搭建1D系统模型的步骤如下。

（1）提取代表壁障变形特性的力与位移曲线。暂时只考虑弹簧的加载特性，所以仅提取壁障最大压溃位移前的力与位移曲线，按同样方法提取代表碰撞车辆变形特性的力与位移曲线；

（2）分别建立代表壁障、碰撞车辆的质量点和弹簧单元，如图3所示；

（3）分别对代表壁障和碰撞车辆的质量点施加50 km/h的初始速度，并对速度以外的方向施加约束，将提取的壁障和碰撞车辆的刚度曲线赋给弹簧单元；

（4）调试模型提交计算，注意必须计算到回弹阶段。

3.2 1D系统结果处理与对比

简化的1D系统满足动量守恒，碰撞后壁障和车辆以共同速度运动，但由于弹簧单元不能储存吸收的能量，所以壁障和碰撞车辆达到共同速度后，此时弹簧压缩到最大位移，下一步弹簧单元释放吸收的能量，导致壁障和碰撞车辆反弹，这与真实情况不符，需要对从1D系统提取的壁障和碰撞车辆速度曲线进行处理：删掉各自反弹之后的速度数据，改用共同速度代替，用修正后的速度曲线计算OLC。图4包括整车仿真的壁障速度曲线、1D系统的壁障速度原始曲线和修正后的曲线，图5包括整车仿真的壁障位移曲线、1D系统的壁障位移原始曲线和修正后的曲线，表1为整车系统与1D系统计算的OLC数值对比。

图4 1D壁障速度曲线对比

图5 1D壁障位移曲线对比

表1 整车和1D系统关键数据对比

从图4、图5可看出，1D系统的壁障速度曲线、位移曲线可以很好拟合整车系统的壁障速度曲线、位移曲线，通过表1计算（25.23-26.30）/26.30 = -4.1%，得出OLC误差仅为-4.1%，由此证明1D系统仿真模型的准确性。

3.3 通用1D系统模型创建

为使1D系统通用性更强，研究搭建通用MPDB工况的1D系统模型。

首先提取代表壁障通用刚度的曲线。MPDB壁障由A、B、C3块构成（每块都有强度要求），A和C块强度均匀分布，B块强度逐渐增强，碰撞方向的截面积为568 mm×1 000 mm，取壁障每块强度与碰撞方向截面积的乘积作为该段所能承受的最大压溃力，每块承受载荷如图6所示。该小型轿车半宽占MPDB壁障宽度的80%左右，所以壁障仅承受80%的最大载荷，取壁障每块长度的90%作为该段最大压溃位移，提取的代表壁障变形特性的通用刚度曲线如图7所示。将拟合的壁障通用（碰撞车辆半宽占壁障宽度的80%）刚度曲线替换1D系统的壁障刚度曲线，计算结果见表2，通过计算（25.56-26.30）/26.30= -2.8%，得出OLC误差仅为-2.8%，证明拟合的壁障通用刚度曲线合理。

图6 壁障长度与能承受的最大载荷

图7 壁障承受80%最大载荷的刚度曲线

另外，当碰撞车辆宽度变化时，代表壁障变形特性的通用刚度曲线等比例缩放。例如当碰撞车辆半宽占壁障宽度90%时，将图7曲线进行1.125倍缩放。当碰撞车辆半宽超过壁障宽度时，壁障的通用刚度曲线使用最大载荷计算，即图7曲线进行1.25倍缩放。

提取代表碰撞车辆通用刚度的曲线，基于某平台代表性的3款车型（小型轿车、中型SUV和大型SUV）在MPDB工况下对最大变形前的刚度曲线进行拟合。首先对3款车型的刚度曲线进行平均化处理，然后基于等效做功原理，结合整车变形特点对平均后的曲线进行分段拟合，拟合曲线如图8所示（曲线正向是拟合结果，负向是对称结果）。将拟合的刚度曲线替换1D系统的碰撞车的力与位移曲线，计算结果见表2，通过计算（25.54-26.30）/26.30=-2.9%，得出OLC误差仅为-2.9%，证明拟合的碰撞车辆通用刚度曲线合理。

图8 1D系统碰撞车辆通用力与位移拟合曲线

表2 整车和通用1D系统关键数据对比

3.4 通用1D系统研究和应用

3.4.1 OLC与碰撞车辆质量关系

对该通用1D系统研究发现，OLC数值对碰撞车辆的压溃位移不敏感。这是因为碰撞车辆宽度和质量确定后，壁障刚度特性曲线确定，从而OLC值确定。壁障在承受80%最大载荷时，通过该1D系统可总结出碰撞车辆质量与台车OLC关系，如图9所示。壁障承受其他载荷时，碰撞车辆质量与OLC关系曲线同样可按上述方法得出，不再赘述。

图9 壁障承受80%最大载荷时车重与OLC关系

3.4.2 OLC优化方向

在整车质量不变时，通过对该通用1D系统进行研究，快速找出有效降低OLC的方向。1D拟合曲线各段表达含义如图10所示，常用的优化方案见表3。

图10 拟合曲线各段代表含义

表3 常用的优化OLC方案

更改通用1D系统碰撞车辆刚度曲线，与表3中优化方案相对应，分别验证OLC数值变化情况，计算结果见表4。

表4 优化方案验证结果对比

注：①优化效果=（优化方案-基础方案）/基础方案×100%。

由表4可知，方案4即弱化乘员舱结构，可有效降低OLC数值，为整车开发降低OLC数值提供了优化方向。

4 结论与建议

搭建的通用1D系统可快速预测同平台的新车型碰撞兼容性评估中台车的OLC数值，指导OLC目标值的定义，避免在OLC数值优化上浪费成本和精力。

在使用1D系统指定新开发车型的OLC目标时，给出以下经验建议。

（1）车重在1～1.4 t时，推荐将1D系统计算结果增加1作为OLC目标值。

（2）车重在1.5～1.9 t时，推荐1D系统计算结果增加2作为OLC目标值。

（3）车重大于2 t时，推荐将1D系统计算结果增加3作为OLC目标值。

为降低碰撞兼容性得分，根据其评分原则和经验，建议首先保证不击穿，其次降低变形标准差，最后基于成本考虑合理降低OLC。

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2020-07-09

U461.91

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.06.003

1002-4581（2020）06-0011-05