基于C-NCAP MPDB的某纯电平台碰撞兼容性提升

王翼 戴尹安 田林 宁行明

（威马汽车科技集团有限公司，成都 610100）

主题词：移动渐进可变形壁障（MPDB）碰撞性能 兼容性 前端结构

C-NCAP Chinese New Car Assessment Programme

E-NCAP Euro New Car Assessment Programme

MPDB Mobile Progressive Deformable Barrier

OLC Occupant Load Criterion

SD Standard Deviation

THOR Test device for Human Occupant Restraint

1 前言

目前，汽车安全性能逐渐被广大消费者所了解重视。在现有碰撞法规体系下，各厂家开发的车辆在碰撞中对自身的保护性能逐步提升，安全指标越来越高。但是在车与车碰撞事故中，由于各厂家各个车辆在外观、质量以及结构和刚度方面有所不同，导致车辆在碰撞中的伤害特征和变形形式也不尽相同。早在1996年，欧洲车辆安全促进委员会第15工作组（EEVC-WG15）就车辆碰撞兼容性改进方面开展了相关研究，主要就乘用车的碰撞相容性方面研究，分析集中在车辆前端结构作用、乘员舱强度、前端碰撞力水平和变形、碰撞波形和约束系统4个方面。自2010年以来，德国全德汽车俱乐部（ADAC）持续开展对车与车碰撞试验的研究，通过交通事故分析和研究，推出了新型MPDB车对车碰撞试验,新增车辆攻击性的评价指标，用壁障均匀性指标SD、台车乘员载荷指标OLC和蜂窝铝击穿情况来综合判定车辆的碰撞相容性。2020年1月，E-NCAP正式实施MPDB碰撞试验以评价车辆碰撞相容性指标，中国C-NCAP也于2021年正式公布MPDB碰撞试验规则，并于2022年1月正式实施。

车辆如何在碰撞事故中降低对方碰撞车辆的伤害，平衡不同车辆相互之间的兼容性，逐步成为目前汽车安全发展的首要环节。因此，本文基于CNCAP MPDB碰撞试验兼容性评价指标，以原有某纯电平台某车型为研究对象，通过实车试验，发现现阶段车辆兼容性性能存在的设计问题，通过实验结果分析，结构缺陷研究整改，方案CAE仿真验算，再到改进措施最终实车测试验证，研究总结在现有车辆设计状态下如何较快速低成本优化提升兼容性性能的开发经验，为该平台后续车型兼容性性能开发提供有效参考。

2 MPDB碰撞试验工况简介

2.1 试验方法

车辆与MPDB壁障小车互相以50 km/h的速度进行碰撞，重叠量为50%，壁障小车质量为1 400 kg，壁障离地高度为150 mm，在试验车辆的驾驶员位置放置50百分位的THOR假人，前排乘员和第二排左侧位置放置5百分位的HybridⅢ女性假人，第二排右侧位置放置Q10儿童假人。试验碰撞形式如图1所示。

壁障结构如图2所示，主要由吸能块和连接板组成。不同的吸能块强度不一致，具体强度分布为吸能块C＜吸能块B＜吸能块A。

2.2 兼容性评分

兼容性评价基于4个参数：台车乘员载荷准则、试验后壁障变形量标准偏差、壁障侵入深度和侵入高度。实施的第一阶段时间为2022年1月至2022年12月，兼容性最高罚分为3分；第二阶段于2023年1月开始实施，最高罚分为6分。

图1 50 km/h MPDB碰撞工况形式

图2 50 km/h MPDB碰撞壁障形式

2.2.1 台车乘员载荷准则

通过MPDB壁障台车重心的向加速度A积分获得MPDB壁障台车的速度曲线V（CFC180滤波），如式（1）。

式中，为壁障台车在=0 s时刻的初始速度。

MPDB台车上虚拟假人自由向前移动65 mm时对应时刻为；虚拟假人开始受到约束，向前移动235 mm时对应时刻为。至时间内假设虚拟假人受约束的减速度是恒定的，该值即为。计算公式如式（4）、式（5）。

式中，为壁障台车初始速度；()为壁障台车速度曲线；为碰撞过程中虚拟假人相对壁障台车运动0.065 m的时刻；为碰撞过程中虚拟假人再相对壁障台车运动0.235 m的时刻；OLC为碰撞过程中虚拟假人至时刻速度曲线的斜率。

指标实施第一阶段对应最高罚分为1分，实施第二阶段对应最高罚分为2分。若值小于25 g则不罚分；大于40 g，则罚最高分。处于两者之间采用线性插值的方法得出相应分数，该分数采用四舍五入的方法保留到小数点后3位。

2.2.2 壁障变形量标准偏差

碰撞后壁障的变形标准偏差计算方式参考如下：

（1）试验前，在壁障表面上创建以20 mm为边长的等距网格点（总共1 400点）；

（2）试验后，扫描变形壁障，生成最大单元尺寸不大于10 mm的网格；

（3）沿着碰撞方向，将（1）所得的网格点投影到（2）变形壁障表面上，计算评估区域每个点的侵入量。

壁障面上评估区域为矩形（图3），其下边界位于地面以上250 mm处（距离壁障面下边缘100 mm），上边界位于地面以上650 mm位置处；右边界距离MPDB面右侧边缘200 mm处，左边界与试验车辆宽度相关，距离MPDB面右边缘的距离为车宽的45%。

图3 壁障评价区域定义

（4）计算（3）中评价区域内所有网格侵入量的标准方差如式（6）。

式中，x为网格点侵入量；x为网格点平均侵入量。

值用来衡量在壁障面评估区域内，网格单元偏离平均值的程度。值越大，数据离散程度越高，说明壁障变形越不均匀。该指标实施第一阶段对应最高罚分为1分，实施第二阶段对应最高罚分为2分。若值小于50 mm，不罚分；大于150 mm，则罚最高分。处于两者之间采用线性插值的方法计算出相应分数，该分数采用四舍五入的方法保留到小数点后3位。

2.2.3 壁障侵入深度

在1.2.2中所述的壁障评估区域内，若壁障变形侵入深度达到630 mm的面积大于40 mm×60 mm，定义为“触底”。当出现“触底”现象，则罚最高分。该指标实施第一阶段对应最高罚分为1分，实施第二阶段对应最高罚分为2。

2.2.4 壁障侵入高度

对于整备质量状态下，测试车辆纵梁前端底部高度大于508 mm的车辆，若试验后壁障评估区域上边界650 mm上方区域内，因主吸能结构至少造成连续6个单元（面积为20 mm×20 mm）的压溃深度超出480 mm，且超出480 mm区域的变形云图无衰减趋势（图4），则罚1分。

图4 侵入高度示例（粗线区域为深度超出480 mm区域）

结合目前主流乘用车结构设计及本文中该纯电平台车型前端结构情况，车辆前端底部高度低于508 mm（图5），不存在罚分情况，因此本文不再分析关注壁障侵入高度情况。

图5 某纯电车型前端底部示意

3 现有车型兼容性现状

为支持平台后续改款车型满足21年以后上市车型可以取得C-NCAP 5星级成绩，对纯电动平台某款车型开发中进行MPDB试验摸底，分析该车型兼容性评分指标情况。具体试验车整备质量参数如表1所示。

表1 纯电动平台某款车型整备质量参数 kg

3.1 台车乘员载荷准则OLC

依据上文中评价指标计算方式，可得试验中壁障小车的值为31.9 g（图6），按第一阶段实施罚分为0.46分，按第二阶段实施罚分为0.92分。

图6 试验壁障台车OLC

3.2 壁障变形量标准偏差SD

试验后获取的壁障变形实物如图7所示，扫描后网格图如图8所示，按上文所述确定的评价区域内所有网点差值如图9所示，计算标准方差值为178 mm，已经超过150 mm，按第一阶段实施罚分为1分，按第二阶段实施罚分为2分。

图7 试验壁障变形情况

图8 试验壁障变形扫描网格

3.3 壁障侵入深度

依据表1评价区域壁障测量点差值，试验后存在“触底”现象（图9中虚线区域），并且侵入量超过630 mm区域面积约140 mm×140 mm，超过40 mm×60 mm，罚分为1分。

图9 评价区域壁障测量点差值

3.4 结论

综上试验结果，该平台车型在MPDB碰撞中兼容性评价汇总如表2所示，值超过了评价最高值150 mm，罚分无论第一阶段还是第二阶段，都是最大罚分；另外，壁障变形深度超过630 mm区域也过大，存在“触底”，罚分值也达到了最大，兼容性指标已经很难达到开发目标要求。

表2 平台某车型兼容性指标试验结果

4 原因分析及改进提升

4.1 原因分析

依据动量守恒和动能守恒准则，将MPDB碰撞试验简化为2车碰撞下的理论模型，2车的速度变化量与质量成反比，测试车辆越重，自身车辆的速度改变量就越小，而造成对方车辆的速度改变量就越大。参照上文表1可得，本例试验车辆质量大于试验壁障台车质量（1 400 kg），台车所受冲击较大，速度改变量较大，因而台车值也较大。

本例试验中，值已经超过最大罚分值，并且存在壁障“触底”现象，与车辆碰撞过程中刚度与吸收能量分配有关。值大小反应出评价区域内壁障变形的均匀程度，对比试验车辆前端结构与MPDB壁障的重叠区域（图10），及试验后评价区域壁障测量点差值（图9），壁障变形大的区域集中对应在左侧纵梁位置，这也是导致值偏大的原因，详见4.1.1~4.1.3。

图10 试验车辆前端结构与MPDB壁障重叠区域示意

4.1.1 前防撞梁尺寸过小

防撞梁设计横向（向）宽度过小，轮罩侧边梁与防撞梁之间存无碰撞传递结构（图11），壁障评价区域内外侧约1/3区域未完全参与碰撞吸能变形。另外，防撞梁垂向（向）高度不足，台车壁障受力较为集中（图12），且变形过大导致应力集中存在断裂风险（图13）。

图11 试验车辆碰撞结构俯视示意

4.1.2 前端结构单一

车身前端结构碰撞传递路径单一（图12），前纵梁下部无碰撞传递结构与副车架连接，副车架未参与碰撞，壁障评价区域下方约1/2区域未完全参与碰撞吸能变形。

4.1.3 前端刚度过强

车辆前端吸能盒及纵梁刚度较强，碰撞中压溃变形较小（图13），纵梁直插对应壁障区域，导致侵入变形量很大；纵梁高度约120 mm，与试验“触底”区域高度140 mm相吻合。

图12 试验车辆碰撞结构侧向示意

图13 试验后前端结构变形情况

4.2 优化改进

本例中该平台车型质量大于壁障台车质量，属于“重车”，依据兼容性碰撞的研究结论，适当增加车辆前悬并在吸能强度匹配合理的情况下，可以容易降低值；但对于平台改款车型，前悬布置空间几乎不变，若平台改动量较大，则不利于车型开发成本及时间的控制。对比目前行业车辆兼容性碰撞试验结果，车辆整备质量与值相关性研究，目前该平台车型处于平均正常水平（图14），故暂不对值做提升优化，重点优化值及“触底”问题上。

优化值及“触底”的问题，主要在于前端结构的改进，与车辆整备质量相关性较小，可通过变换前端结构传递路径和分散前端结构碰撞能量来改善蜂窝铝均匀性指标。基于上文中该车型试验后的结果及原因分析，重点优化方向针对防撞梁及前纵梁转递路径上，具体改进措施见4.2.1~4.2.3。

图14 壁障台车OLC与试验车辆整备质量（m）曲线[13]

4.2.1 前防撞梁

前防撞梁作为MPDB碰撞接触变形重要结构件，需要足够的强度及抗折弯性能，保证有效的变形模式。针对改款车型，材质更改有延展性更高度铝合金型材，能有效提升抗弯性和压溃性；截面形式由原来的“口”型更改为“日”型，有效垂向截面尺寸由原来的90 mm提升至124 mm（图15），横向宽度相比原结构外伸约110 mm（图16），在原车型布置空间内增加评价区域内防撞梁对壁障的覆盖面积约82.7%。

图15 改进前后防撞梁Z向截面尺寸对比

图16 改进后车辆碰撞结构俯视示意

4.2.2 副车架

在原副车架上增加副车架纵梁，截面形式为封闭“口”型结构，补缺原传递路径纵梁下方的区域，并通过纵梁端板结构与原纵梁连接，形成新的碰撞传递路径。新设计的副车架纵梁前端高度以壁障评价区域下边界为参考，解决原壁障评价区域下方1/2区域无碰撞传递结构问题（图17、图18）。

4.2.3 前端结构

轮罩侧边梁往前延伸，下移与纵梁端板结构连接，将原车型壁障评价区域左侧碰撞结构未覆盖面积减少至1/4，与新增的副车架纵梁形成新的碰撞传递路径（图17、图18）。

图17 改进后车辆前端结构与MPDB壁障重叠区域示意

图18 改进后车辆碰撞结构侧向示意

5 仿真分析及实车验证

5.1 仿真分析

建立改进后车身结构分析模型（图19），具体参数如表3所示，仿真分析车辆参数与原车型相当。

图19 改进后车型MPDB仿真模拟分析模型

通过仿真分析模拟，改进后车型在MPDB中兼容性指标具体结果见5.1.1~5.1.2。

表3 改进后仿真分析车型整备质量参数 kg

5.1.1 壁障台车

改进后壁障台车曲线如图20所示，其值为35.4 g，相比优化前试验值有所上升，分析原因这与壁障模型精确度和质量变化有关，总体处于同一水平，待后续实车验证。

图20 改进后仿真分析壁障台车OLC曲线

5.1.2 壁障变形量标准偏差

改进后仿真分析壁障变形情况如图21所示，总体变形情况较改进前有较大改善，读取壁障变形扫描网格（图22），评价区域内变形情况，无击穿触底现象，变形均匀，按评价指标计算标准方差值为85.4 mm。

图21 改进后仿真分析壁障变形情况

图22 改进后仿真分析壁障变形扫描网格

通过改进后车型仿真分析最终结果（表4），在值及触底两项上优化提升明显，罚分相比老款车型大幅降低，达到设计改进的目标要求。

表4 改进后车型在MPDB中兼容性指标仿真分析结果

5.2 试验验证

改进后模型仿真分析显示，在MPDB中兼容性指标均优化明显，将理论改进方案实施在该平台改款车型上，再一次进行实车碰撞试验（图23），改进后车型参数如表5所示。前后试验对比验证改进方向可靠性，为仿真分析对标提供试验依据，为后续兼容性指标开发提供经验参考。

图23 该平台改进后车型实验实车状态

表5 改进后试验车型整备质量参数 kg

5.2.1 壁障台车

改进后实车实验壁障台车曲线如图24所示，其值为32.86 g，略高于优化前车型（31.90 g），原因主要在于试验车辆整备质量的增加，及前端结构的变化，处于同级别车型行业正常水平，但是低于仿真分析值。

图24 改进后试验壁障台车OLC曲线

5.2.2 壁障变形量标准偏差

改进后试验所得壁障台车变形如图25所示，测量区域变形均匀，并且无击穿触底现象。评价区域内的壁障变形测量点差值如图26所示，计算变形量标准偏差仅77.93 mm，略低于仿真分析值，较改进前试验值（178 mm）降低十分明显。测量区域下部小块区域（图25、图26圆圈标记区域）因新增车架碰撞传递路径结构变形不充分（图27圆圈标记区域），导致壁障变形突兀较大，后续优化还需要对该碰撞结构刚度前段进行弱化及诱导变形。

图25 改进后实验壁障台车变形状态

图26 改进后评价区域壁障测量点差值

图27 改进后车辆前端结构变形情

根据整理改进前后实车试验情况，MPDB碰撞试验兼容性指标汇总结果如表6所示，通过试验前结果排查，原因分析和方案仿真验算，到改进后实车验证，该平台前端结构优化方案能有效提升车辆MPDB碰撞试验兼容性指标。

表6 改进前后该平台车型兼容性指标结果对比

6 总结

2022年，C-NCAP将在原有的碰撞试验基础上正式开展正面MPDB测试，通过碰撞兼容性考核推动大车小车和谐一体的安全交通环境。本文以该工况性能提升为目标，基于某纯电动平台早期车型，获取了MPDB试验现状结果，通过研究分析其原因、低成本优化方案措施仿真验算，并最终在该平台改款车型上实施并再一次进行了实车试验验证，验证结果表明MP⁃DB兼容性指标罚分改进明显，为今后平台车型兼容性性能开发提供有效经验参考。

（1）壁障台车优化，很大程度由试验车整备质量起决定作用，在行业同水平下，优化更改范围成本有限，可以不作优化。

（2）为提升兼容性值，车辆的前端结构需要针对性设计考虑。在台车壁障评价区域内，车身防撞梁前端有效接触面积需尽量覆盖；车辆前端结构设计应协调统一，增加副车架小纵梁第3条传递路径，通过纵梁端板结构将纵梁、轮罩侧边梁2条传递路径连接。

（3）车辆前端结构各传递路径刚度需要合理匹配，可降低壁障测量范围内局部区域变形过大情况。

（4）平台改进后仿真分析与实车试验数据对比，值及值均较试验值偏大，后续需要继续研究对标分析试验与仿真分析的差异关联因素，提升仿真分析准确度。

（5）改进后车辆MPDB试验仅仅为车辆正面碰撞试验中的一项，后续还需要研究前端结构改进后对其它碰撞工况，如正面刚性壁障、行人保护等试验的影响关联性，进一步提升平台车型多工况开发，适应不同开发目标的要求。