基于MPDB工况的碰撞相容性优化策略研究

程豹，杨帅，李根，侯延军

(中汽研(天津)汽车工程研究院有限公司，天津 300300)

0 引言

近年来，随着各国法规和NCAP测评规程的不断发展，以及汽车制造商应对汽车技术发展挑战方面的不断努力，乘用车的自我保护性能得到了大幅提升,整车被动安全性能开发也不断向着更深的层次发展。

随着对交通事故的深入研究，发现符合NCAP配置要求的车辆在车与车正面碰撞时，人员损伤情况却很不理想[1]。究其原因，NCAP中正面评估汽车自我保护性能的前提是汽车的主体结构在碰撞中可以被有效地撞击，然而在车与车正面碰撞中，碰撞情况并非总是如此。许多正面碰撞中，纵梁未受到碰撞或防撞横梁与前端框架分离，导致车辆不能充分利用前舱变形区溃缩变形，进而减少生存空间，导致较大伤亡。因此，要进一步提升车辆整体的安全性能，仅实现车辆乘员的自我保护是远远不够的。相容性，即平衡车辆自我保护和对乘员的保护，是汽车碰撞安全接下来的重要研究方向。

相容性问题探究由来已久，全面的研究始于1997年国际协调研究活动(IHRA)相容性工作组的成立，主要有美国的NHTSA、公路安全保险协会和汽车制造商联盟(AAM)，日本的国土交通运输部(MLIT)和汽车工业协会(JAMA)等参与其中[2]。碰撞相容性问题源于车对车碰撞，然而车对车碰撞又是一个极其复杂的工况，因为涉及的车辆和形式多种多样，所以一直以来都很难确定一种既实用又合理的方法来全面揭示车对车正面碰撞情况。许多机构通过各自的方法，如固定壁障、碰撞力墙等方式，进行相容性研究，并提出大量的结论和建议[3-5]。

E-NCAP于2013年开始对相容性测试程序和评估规则展开一系列的研究，2017年在车辆提升安全会议上提出MPDB测试工况，该测试方法的基础由FIMCAR提出，由ADAC进一步修改，并确立2020年将MPDB作为全球第一个相容性评级方法开始实施。随着MPDB测试的使用运行，持续了多年的相容性研究进入了一个新的阶段。

2021年起，C-NCAP在正面碰撞测试中取消ODB测试工况，增加MPDB测试工况。文中将以MPDB测试为基础，研究前端结构、质量、刚度对相容性影响的规律，并提出改进策略。

1 MPDB工况介绍

1.1 MPDB C-NCAP测试规范

MPDB测试规范[6]如图1所示，测试车辆与壁障台车分别以50 km/h速度相向行驶，撞击覆盖率为测试车宽的50%。测试车辆主驾配置THOR 50th假人，副驾配置Hybrid III 50th女性假人。第二排撞击侧配置Hybrid III 50th女性假人，非撞击侧配置Q10儿童假人，用于儿童保护评估。移动壁障是由移动台车和其前端搭载的渐进的可变形蜂窝铝状壁障组成，总质量1 400 kg。

图1 MPDB测试形式

1.2 评价方法

C-NCAP的测试评价分数包括假人伤害得分和修正罚分，既通过高速影像，假人运动轨迹或者车身结构变形发现的问题，对假人伤害得分予以减少。MPDB测试中，主体依然延续了这样的评价方式。壁障兼容性评估是MPDB测试中引入的新的分数修正体系。

MPDB测试等级评估分为两部分：车辆自我保护评估和壁障兼容性评估。乘员自我保护总分在0～24分不等，依据受伤程度采用滑动评分法计算乘员头颈部、胸腹部、骨盆大腿、小腿脚部得分。兼容性罚分总分在0～6分不等，罚分项主要包括载荷准则(OLC)、标准差(SD)、击穿、结构高度。其中结构高度为门槛值，最高罚1分;OLC、SD为差值罚分，最高罚分均为2分;击穿为门槛值，最高罚2分。

1.3 相容性评估

相容性评价指标主要有3个：

(1)碰撞后壁障测量的入侵SD；

(2)依据壁障减速度测得的OLC；

(3)通过壁障入侵深度测得的壁障底部击穿。

壁障变形均匀性基于评价区域(图2)内侵入深度测量的SD。入侵量是通过碰撞后扫描壁障变形云图得到的(图3)。由于车辆撞击后的运动，壁障外侧将被侧向加载，蜂窝面将被弯曲而不是压缩。这将导致不同的变形，所以评估区域距离壁障外侧200 mm。受壁障覆盖板影响，最下端边界离地250 mm，最上端边界离地650 mm，区域宽度为车宽的50%。SD的评估基于一个线性的范围，50 mm为较高性能极限，150 mm为较低性能极限。这一评估指标的背后意义是考察车辆前端的均质性，平面越平，载荷的分布越好。

图2 壁障评价区域

图3 壁障变形扫描

OLC主要对碰撞过程中壁障台车的减速度进行评估。减速度越小，壁障车辆受到的额外加载力也就越小。具体定义是指在碰撞过程中，假定台车虚拟假人经历匀速运动(0-t1)和匀减速运动(t1-t2)两个阶段，匀减速运动的恒定加速度值，即为OLC值。OLC值的评估范围在25～40g之间，计算公式如下所示：

v0-OLC×(t2-t1)=vt2

式中：v0为台车初始速度，t1为壁障虚拟假人前向自由位移0.065 m时刻，t2为壁障虚拟假人受到约束后再向前移动0.235 m时刻。

碰撞后，车身上若有坚硬的物件穿透壁障底部，将会有额外的分数修正，即壁障击穿。具体是指车辆结构穿透壁障深度超过630 mm，宽度区域超过40 mm×60 mm。

2 相容性影响因素

多年来碰撞安全开发体系是通过不断研究真实的交通事故，并试图了解造成乘员伤害的因果机制而形成的。过去的十五年里，小型车、SUV、混动、纯电的市场份额不断增加，整备质量也从0.6～2.4 t不等；在FRB、ODB等标准工况的推动下，车身刚度提升了很多，同时对基于吸能提升的车辆前舱的设计理念也有了较好的理解。随着对行人弱势群体保护、车辆可维修性、车身造型等要求的不断提升，汽车前端设计也处在一个相互矛盾的约束之中。每个制造商结合各自车型的定位和侧重，形成各种各样的前端设计、前舱布置等来满足需求。之前的研究[7]确认了整备质量、前舱刚度以及结构布置是影响碰撞相容性的主要因素。每个车型各因素之间有较大的差异性，增大了碰撞不兼容的可能性。

2.1 正交试验设计

正交试验设计是试验设计中较常见的一种，通过挑选有代表的方案进行试验，利用较少的试验得到试验因素对指标的影响规律，得出最优搭配。本次试验拟采用3个因素，每个因素选取了3个水平，因此选用正交表为L9(33)。试验编排如表1所示。

表1 L9(33)正交试验

2.2 试验因子和水平

以某SUV有限元模型为基础，选取整备质量m、前舱刚度k、前端结构布置为变量，来模拟不同质量、前舱刚度、前端结构布置的车辆在MPDB工况下碰撞兼容性的表现。

通过调整钢材部件密度，来达到整备质量增加和减轻20%，同时保持车辆前舱刚度不变。通过调整前舱结构件的材料强度，达到前舱刚度增加和减少20%，同时保持整备质量不变。通过调整传力路径数量达到改变结构布置的目的，增加副车架传力路径，增加指前粱传力路径。试验因子及水平如表2所示。

表2 试验因素和水平等级

2.3 试验结果统计及分析

表3 正交试验结果

表4 MPDB试验结果极差分析

对于OLC,各个因子的极差值较为相近，因子主次顺序依次为C、B、A，随着车身传力路径的增多，车辆与壁障接触面积加大，碰撞力增加，壁障加速度上升。增加整备质量和前舱刚度均会造成OLC值呈线性增加。最优水平组合为C1B1A1。对于SD，各因子主次顺序为C、B、A，其中车身传力路径的因子对于SD影响占比较高，整备质量、前舱刚度的变化对于SD值影响极小。接触面积越大，壁障溃缩越均匀。前舱刚度的整体均匀变化，对壁障溃缩的范围影响不大。最优水平组合C3B1A1。综合来看，对该车型OLC、SD等壁障相容性指标的影响主次顺序，依次为前端结构布置、前舱刚度、整备质量。结构布置对SD值影响较大，因此该车型综合考虑采用3条传力路径，增大与壁障接触面； 前舱刚度和整备质量对OLC的影响权重占比较大，前舱刚度越低，整备质量越少，车辆攻击性就小，壁障OLC值越低，对于SD的影响权重较小。因此对于该车型相容性结构开发，最优组合为C3B1A1，即增加车辆前端结构布置，适度调整降低前舱刚度，轻量化车身。

3 相容性开发策略

在传统的FRB和ODB等正面碰撞工况开发中，更加强调的是乘用车本身结构件对于碰撞能量的吸收能力。碰撞产生的能量越大，在保证乘员安全的前提下，乘用车前舱刚度也需随之增加，这就造就了测试车辆质量越大，前舱刚度就越大的设计理念。MPDB工况整车相容性的开发，更加强调两车对撞中的“双赢”结果，需要综合“自我保护”和“对他保护”的矛盾。相容性可以描述为两辆车以一种平衡的方式分配能量的能力，从而为车内人员提供相同生存机会。“自我保护”就是车厢具备一定的抗压能力和稳定性。“对他保护”就是车辆在达到自我保护力之前具备一定的吸能能力。

两车对撞中，碰撞能量可以以一种平衡的方式分配的前提是两车结构具备交互性。交互性是指与其他车辆发生碰撞时，车辆结构在局部水平上具备一定的变形模式，防止出现“钻骑”现象，一旦发生“钻骑”现象，前舱主要吸能结构件失能，势必会对一方造成较大的损伤。因此，在车辆设计开发前期如何进行前端结构设计是需要重点考虑的问题。第一，载荷分布均匀，前端结构变形吸能满足一定的设计目标；第二，结构稳定性，即车辆结构在不同加载条件下具有均匀变形的特征。

MPDB壁障提供平整均匀的碰撞表面，若想在该评价中得到较好的结果，所有测试车辆不论质量如何，都需要提供一个均匀的前端结构设计。如果不同质量车辆前端结构的均匀性都设计在一个相近的水平，那么碰撞能量所有车辆质量之间传递的概率是相同的；刚度的差异是造成车辆乘员舱压溃的主要原因。较高的结构刚度将导致较大的碰撞力，壁障台车冲击器加速度上升较快，且峰值较大。同样地，若整车前舱刚度不变，只降低整备质量，将会导致测试车辆加速度增加，壁障加速度小幅减小。SD值对于车辆乘员损伤之间并没有直接相关的关系。OLC值与车身减速度、车身入侵有较大的联系，能较好地反映刚度的匹配和质量比情况。

4 碰撞相容性结构改进

整备质量与汽车本身特性和车型定位相关，通常在安全开发中，难以有较大改变。因此针对该车型主要从前舱刚度和前端结构布置等进行改进。

(1)前端结构采用上、中、下3条传力路径，Z向截面上尽可能覆盖壁障表面。如图4所示，水箱框架采用全框式结构，上部水箱框架前端增加横梁结构，中部增加防撞梁Z向截面，Z向尺寸扩大至130 mm，并向外侧延伸前保险杠结构与“shotgun”结构搭接。碰撞中，延伸部分有助于压溃车轮前方的蜂窝铝结构，从而提升SD值。下部增加副防撞梁和吸能盒，与主防撞梁形成一个平面。

图4 车辆前端结构布置

(2)降低前舱关键结构件的强度。车辆前舱和壁障刚度决定了碰撞力的大小，进而决定了OLC值的大小。因此为了降低OLC值，需要减少碰撞力大小。对于整备质量较大的车辆，应降低主要吸能部件刚度。车辆纵梁厚度降低0.4 mm,内部加强板降低0.5 mm。弱化下弯梁结构。

(3)增加纵梁前端截面，降低纵梁下表面Z向高度，加大主吸能部件与壁障的接触。防止纵梁过高，引起罚分。

对上述方案改进后，将碰撞模型进行计算分析，计算结果汇总如表5所示。曲线和壁障入侵对比如图5和图6所示。由图可知，前端结构改进后，与壁障接触面积增加，壁障左侧压溃面积增大，分散了右侧的入侵，壁障整体入侵更加均匀，壁障入侵减小，SD值降低。相反地，车身前舱结构被较多地挤压变形吸能，前围板入侵增大。整车加速度和壁障加速度均有一定程度降低，攻击性罚分减小。

表5 方案改进结果

图5 整车加速度与壁障速度曲线对比

图6 壁障入侵云图对比

5 结束语

文中以某SUV的MPDB工况为例，仿真模拟分析了车辆质量、前舱刚度、前端结构3个因素对于相容性指标的影响规律和主次顺序，提出了相容性优化策略;优先考虑车辆前端结构交互性设计;其次通过调整前舱刚度大小和轻量化车身设计来保证车辆在达到自我保护力之前，可以吸收一部分能量。依据该分析策略，针对某车型提出了前部刚度和结构布置的调整方案。方案改进后，明显提升了该车型的相容性指标，降低了攻击性罚分。