正面碰撞等级预估方法

唐洪斌，张君媛，刘国军

（1.中国第一汽车股份有限公司研发总院，长春 130031；2.吉林大学汽车工程学院，长春 130022；3.汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春 130031）

前言

目前我国已有的正面碰撞客观评价体系有CNCAP（中国新车评价规程）的正面刚性墙碰撞（FRB）和可移动正面偏置碰撞（MPDB），C-IASI（中国保险汽车安全指数）的正面25%偏置碰撞（SOB）。本文中基于NHTSA数据库120款车型FRB碰撞数据和IIHS数据库中160款车型的SOB碰撞数据，通过相关性分析提出了碰撞波形统计评价方法。同时针对MPDB工况，通过搭建理论模型，建立了FRB波形与MPDB工况车辆兼容性评价的关系，提出碰撞波形理论评价方法。

车辆碰撞波形反映了车体的结构特征，是车辆抗撞性能的体现。碰撞波形的优劣直接影响到约束系统的匹配，进而对乘员伤害造成影响，最终直接体现在车辆星级上。在车体结构设计阶段如果能够对碰撞波形的质量进行评价，则为约束系统的匹配打下良好基础，为车辆获得优异的星级提供保障。

1 FRB工况碰撞等级预估方法

从NHTSA数据库中提取出120款车型在FRB工况下的碰撞试验数据。数据包含车辆的碰撞星级、碰撞波形、乘员的加速度曲线以及乘员头、颈、胸、腿等部位的伤害值等信息。在此基础上建立碰撞波形的特征参数，分析特征参数与碰撞星级和乘员伤害值的关系，从而确定敏感参数，并以此建立碰撞波形的定性评价准则（蜘蛛图）和定量评价准则（回归因数f）。

1.1 FRB工况碰撞波形定性评价准则

以碰撞试验波形为基础，选取碰撞波形的15个直接和间接特征参数：碰撞波形峰值A、最大动态压溃量D、回弹时刻T、碰撞波形形心（T，G）、碰撞波形的乘员负载指数OLC，以及将碰撞波形转化为双台阶波获得的波形参数，即双台阶波的两个台阶高度G和G、发动机碰撞时刻T、发动机前端压溃量D、两个台阶高度比i、两个台阶宽度比ω、能量密度比α、发动机前端结构等效刚度KAC、车辆前端结构等效刚度KAE。对这些参数和星级进行相关性分析，结果如图1所示。相关性系数的数值如表1所示。

图1 碰撞波形参数与星级的相关性

表1 碰撞波形参数与星级的相关性系数

根据表1中的相关性系数，选择每组相关性系数较大的波形参数作为评价指标，即碰撞波形峰值A、最大动态压溃量D、回弹时刻T、波形型心G、等效双台阶波高度比i、等效双台阶波宽度比ω、等效刚度KAE和波形的OLC值。统计8个参数对应3个碰撞星级的均值绘制蜘蛛图，如图2所示。

图2中红色为五星界限，蓝色为四星界限，绿色为三星界限，将碰撞波形参数的值放在该图中，可以清楚显示每项指标所处的星级位置，在红色线以内说明该波形较易获得五星，各波形参数的值越向图中心聚拢，波形质量越好。在蜘蛛图中，碰撞波形参数与星级的关系是定性的评价准则，可以从图上直观地判断哪些波形参数需要改进。

图2 碰撞波形参数与星级的对应关系

1.2 FRB工况碰撞波形定量评价准则

利用15个波形参数与乘员局部伤害值计算得到的乘员综合伤害概率P、综合伤害指数WIC和乘员胸部加速度峰值A进行相关性分析，如图3所示。在数学统计中相关性系数大于0.3时认为具有一定的相关性，由此选取以下参数（碰撞波形峰值A、最大动态压溃量D、回弹时刻T、波形型心G与T、等效双台阶波第2台阶高度G、等效刚度KAE和波形的OLC值共8个参数）建立碰撞波形定性评价指标f。该指标通过波形参数与伤害指标之间的多元回归分析获得。

图3 碰撞波形参数与乘员伤害之间的相关性

1.2.1 波形参数对综合伤害概率P的回归

由图4可以看出，当α越小时对应的星级越高。在34款五星车型中，α＜0.4的车型有20款，占比为58.8%；在38款四星车型中，α＜0.4的车型有9款，占比为23.68%；在11款三星车型中，α＜0.4的车型有2款，占比为18.18%。当α＜0.4时，总车型共有31款，五星车型占比为64.52%。

图4 回归指标α和星级的关系

综上所述，α越小，车型所占星级越高，当α＜0.4时，有接近65%的概率可以做到五星车。

1.2.2 波形参数对WIC的回归

选择对WIC相关性最大的9个参数为独立变量，对WIC做多元回归，公式为

采用min-max标准化方法，对P做标准化处理，得到指标β，并按照车辆星级归类，如图5所示。

图5 回归指标β和星级的关系

由图5可以看出，当β越小时对应的星级越高。在34款五星车型中，β＜0.5的车型有18款，占比为52.94%；在38款四星车型中，β＜0.5的车型有9款，占比为23.68%；在11款三星车型中，β＜0.5的车型有5款，占比为45.45%。当β＜0.5时，总车型共有32款，五星车型占比为56.25%。

综上所述，β越小，车型所占星级越高，当β＜0.5时，有56%的概率可以做到五星车。

1.2.3 波形参数对乘员加速度峰值A的回归

选择对A相关性最大的5个参数为独立变量，对A做多元回归，公式为

由图6可以看出，当γ越小时，对应的星级越高。在34款五星车型中，γ＜0.6的车型有14款，占比为41.18%；在38款四星车型中，γ＜0.6的车型有7款，占比为18.42%；在11款三星车型中，γ＜0.6的车型有5款，占比为45.45%。当γ＜0.6时，总车型共有26款，五星车型占比为53.85%。

图6 回归指标γ和星级的关系

综上所述，在总的83款双台阶波车型中，同时满足α＜0.4、β＜0.5和γ＜0.6的车型数有18款，其中五星车型有12款，占比为66.67%。

1.2.4 碰撞波形定量评价指标f

经过对α、β、γ3组数据做平均，令f=1/3×（α+β+γ），当f＜0.6时，得到的星级占比情况如表2所示。

表2 f＜0.6时3个星级的车型占总车型的比例

在所有车型中，f＜0.6的车型共有45款，其中五星车占比为55.56%，四星车占比为33.33%。

为表示不同平均值对应五星车占比，按照上述方法做出了f＜0.2、f＜0.3、f＜0.4、f＜0.5、f＜0.6、f＜0.7、f＜0.8的五星车和四星车占比情况，如表3所示。

表3 f的分布范围与车型等级之间的关系

通过表3可以看出，随着f的提升，五星车占比逐渐降低，而四星车占比增加，所以在进行整车设计时得到的f值越小越好，即α、β、γ越小越好。当碰撞波形的回归因数f＜0.6时，认为碰撞波形合格。

2 SOB工况碰撞等级预估方法

从IIHS数据库中提取出160款车型在SOB工况下的碰撞试验数据。数据包含7个等级评价结果（车辆总体等级、假人头/颈部伤害等级、胸部伤害等级、臀部/大腿伤害等级、小腿/脚部伤害等级、约束系统与假人运动等级（简称约束系统等级）、车辆结构和乘员舱等级（简称车辆结构等级）），以及乘员舱上部和下部10个侵入点的侵入量。侵入量测量点的位置如图7所示。

图7 10个侵入量测量点的位置

2.1 乘员舱10个侵入量测量点的危险系数

经过数据处理和分析发现，针对SOB碰撞工况，大约有80%以上的车型，车辆结构评价等级与车辆总体评价等级的结果一致。车辆的结构等级主要根据乘员舱上部和下部共10个侵入量测量点的等级来判断。依据式（7）计算出160款车的10个测量点的危险系数，如图8所示。

图8 10个侵入量测量点的等级和危险系数

式中：G代表优秀，A代表良好，M代表一般，P代表较差。

研究发现，在乘员舱上部4个测量点有3个点是危险点，分别为A柱上铰链、下仪表板和上仪表板；在乘员舱下部6个测量点有2个点是危险点，分别为A柱下铰链和驻车制动踏板。整体来看，在SOB工况下，乘员舱上部比下部更危险。

2.2 乘员舱上部侵入量与车辆结构等级的关系

通过数据统计，建立乘员舱上部侵入量的总和与车辆结构等级之间的关系，如图9所示。乘员舱上部4个点的侵入量总和小于25 cm，车辆结构等级为G；侵入量总和在25～40 cm之间，车辆结构等级为A；侵入量总和在40～60 cm之间，车辆结构等级为M；侵入量总和大于60 cm，车辆结构等级为P。

图9 乘员舱上部侵入量总和与车辆结构等级的关系

通过数据统计，建立乘员舱上部侵入量的最大值与车身结构等级之间的关系，如图10所示。乘员舱上部侵入量最大值小于8 cm时，车身结构等级为G；上部侵入量最大值在8～14 cm之间，车身结构等级为A；上部侵入量最大值在14～19 cm之间，车身结构等级为M；上部侵入量最大值大于19 cm时，车身结构等级为P。

图10 乘员舱上部侵入量最大值与车辆结构等级的关系

考虑概念设计阶段的需求，建议把乘员舱上部侵入量的最大值作为SOB工况概念设计阶段的目标，乘员舱上部侵入量的总和作为参考目标。

3 MPDB工况碰撞等级预估方法

针对在2020版的Euro NCAP和2021版的CNCAP中采用的MPDB工况，由于缺少MPDB工况统计数据，所以采用解析方法进行碰撞波形的评价。采用“壁障-车辆-乘员”碰撞解析模型，如图11所示。以FRB碰撞波形、整车质量为输入，求解系统的动力学响应，计算车辆在MPDB工况的部分兼容性评价指标，包括壁障的OLC值和壁障的最大变形量MD。

图11 “壁障-车辆-乘员”碰撞解析模型

在图11的解析模型中，将壁障、车辆和乘员分别简化为3个质量块M、M、m，将壁障和车辆的前端吸能结构以及约束系统简化为3段弹簧刚度K、K、k，且车辆和壁障质量块均以v的初速度对撞。在求解过程中，壁障的等效刚度K和约束系统的等效刚度k均为线性刚度，车体前端吸能结构的等效刚度K由碰撞波形计算得出，即

式中：t为时间；F（t）为FRB工况碰撞过程中车辆的碰撞力；d（t）为车辆位移；a（t）为车辆加速度。

从图11的解析模型中提取壁障和车辆部分的模型，可以看作是弹簧刚度串联的双自由度振动模型，根据机械原理可以简化为图12所示的等效单自由度模型。其中，v为等效速度，M为等效质量，K为等效刚度，计算公式为

图12 壁障与车辆的等效单自由度模型

在碰撞波形和整车质量已知的情况下，对图12的单自由度模型进行求解，并将运动振动分解到壁障和车辆，即可求解出壁障、车辆运动响应，如式（12）～式（15）所示。

式中：u和u分别为壁障和车辆的振幅系数；d和d分别为壁障和车辆的位移；a和a分别为壁障和车辆的加速度；v和v分别为壁障和车辆的速度。

根据壁障的运动响应可以计算壁障的OLC值和壁障的最大变形量MD，从而评价车辆的部分碰撞兼容性指标，如式（16）～式（19）所示。

4 结论

利用NHTSA和IIHS真实正面碰撞试验数据进行统计和归纳，建立了正面碰撞FRB、SOB工况评价等级与碰撞波形、侵入量之间的对应关系；利用解析求解的方式，以FRB碰撞波形输入为前提，建立了正面碰撞MPDB工况评价等级与成员伤害、侵入量之间的对应关系。根据此方法可在碰撞结构设计初期，对3种正面碰撞工况进行评价等级的预估，并可为约束系统的匹配打下良好的结构基础，为车辆获得优异的星级提供保障。