符合中国道路交通的壁障研究方法

田威 张山 张向磊

中汽研汽车检验中心（天津）有限公司 天津市 300300

1 前言

符合中国道路交通的壁障研究方法需要考虑中国的道路车辆结构，从大量的中国道路车辆前端结构入手，分析车辆在试验中发生的变形，由变形数据分析计算出车辆前端结构的强度并给予量化，模拟替代中国道路车辆的前端结构，作为壁障开发的基础。本文主要从十款不同类型的车型入手，进行相应的分析研究。

2 蜂窝铝壁障的要求

汽车安全为当今汽车工程领域具有重要社会、经济意义的研究热点，并且得到了有关政府部门的高度重视。汽车安全性可以分为主动安全性和被动安全性两大类，其中被动安全性，则是指汽车在发生意外事故时对乘员进行有效保护的能力。国外进行的汽车被动安全性研究始于20世纪六十年代，政府部门专门制定了关于汽车被动安全性的标准和法规来保证被动安全措施的实施。如美国联邦机动车安全法规(FMVSS)中关于被动安全性的就有16项，欧洲基于产品认证制度也建立了利于理解和操作的ECE和EEC法规。为了满足法规要求，同时提高产品性能与市场竞争力，欧美日等发达国家的汽车制造公司均有专门的研究所和技术人员从事被动安全性的设计、分析和试验研究工作。根据各国的汽车行业法规，汽车在上市前必须通过法规规定的碰撞认证试验，如欧洲的 ECE R94、R95，美国的FMVSS和我国的GB11551。但是，认证试验只能说明汽车产品达到了法规的低要求，却不能对消费者提供汽车产品安全性能的准确和详细的信息，也容易使生产者在设计和制造产品时只针对法规进行研发而减少对乘员安全保护考量。为了能为消费者提供准确可靠的信息，同时鼓励生产者提高其产品的安全性能，在中国法规中，碰撞用可变形壁障是重要的组成部分，可变形壁障分为正碰的R94和侧碰的R95类型的壁障。使用可变形壁障目的主要是模拟两车碰撞的工况，壁障是用来模拟汽车前部的变形和力学特性。

3 蜂窝铝材料

可变形壁障是由一系列的铝板和蜂窝铝组成。蜂窝铝材料是由多层铝箔粘合，叠压，然后经过拉伸工艺展开成规则正六边形蜂窝，各蜂窝铝有规则棱角和清晰的孔壁，表面平整可以较好的与面材料粘接成复合板材。六边形蜂窝材料是一种近年广泛应用于工业领域的多孔材料，相互连接制约的密集蜂窝阵列有许多小工字型结构，这种结构决定了它可以分散来自面板方向的承载力，且面板受力均匀，在面板面积较大的时候受力仍能保证较高平整度，在板受热膨胀的时候蜂窝能起到挤压吸能作用减小热膨胀带来危害。蜂窝铝的具体特性优良，金属制造绿色环保，易于回收再利用；其相对密度低质量轻、高比强度、刚度和抗撕裂性好；隔热隔音性能优良，耐腐蚀耐老化；在应用中由于其版型大、平整度高、接缝挺直，具有安装简便、装饰性强、易加工、性能稳定等一系列优点，越来越受到工程界与学术界的关注。其应用领域遍及军工国防、航空航天、交通工具、建筑材料及装饰装修，且有不可替代的重要地位。

4 ECE R94和R95结构

蜂窝铝壁障包括蜂窝铝主体、保险杠元件、背板、覆板、保险杠面板等，蜂窝铝主体应在单元轴线垂直背板的情况下粘到背板上，覆板应粘到蜂窝铝主体的前表面，保险杠元件粘到覆板上，在碰撞过程中主要的吸能元件为蜂窝铝主体和保险杠元件，蜂窝铝下半部分总的强度要高于蜂窝铝上半部分，水平方向任一位置的强度是一样的。

5 MPDB蜂窝铝评价介绍

MPDB蜂窝铝变形的均匀性是评价碰撞兼容性的重要参考指标。试验后要对蜂窝铝表面进行扫描得到点云面，用1400条间隔20mm的线与点云面相交后得到1400个交点，用以表征蜂窝铝变形量。由于MPDB试验的蜂窝铝与车辆前部50%碰撞，在设计正面碰撞蜂窝铝壁障时，考虑到车辆前端部件绝大部分是对称结构，可以按照结构对称完成整个蜂窝铝的结构设计。

6 不同高度和宽度位置的结构分析

本文选取十款车型进行侵入量的分析，侵入量的大小在一定程度上反应了车辆前端结构的强度，通过十款车型的评价区域的侵入量分析，可以得出车辆的前部平均结构强度大小，并得出一个平均的车辆前部模拟结构。由于各车型的车宽不同，在MPDB试验中蜂窝铝评价的范围不同，本文选取共同位置部分进行侵入量的分析，选取范围为MPDB蜂窝铝前表面，上下范围为：从底端向上100mm到500mm的范围，左右范围为：从右向左200mm到760mm的范围，分析的位置为560个点的位置侵入量，十款车型具体位置对应的平均侵入量经计算可得出20行X 28列的图表，如表1所示：

由表1可以计算出每一行的平均侵入量，由上至下总共20行，20行的每一行的平均侵入量统计如表2所示：

表1 十款车型具体位置对应的平均侵入量

表2 20行的平均侵入量

从上表可以看出每一行的平均侵入量，侵入量越大，说明此处车辆的强度较大，反之亦然，由表2可以看出十款车型的不同高度处的平均强度大小，由十款车型的不同高度处的平均侵入量大小可以得出下图1，从下图1侧面可以看出，与ECE-R94所使用的蜂窝铝侧面外形类似，但存在一定的差异。差异主要反映在十款车型的自上而下的强度变化为由小变大，然后再由大变小，这个反映了中国车辆前端强度上边较小、下边较大，蜂窝铝结构应该能够反映车辆的前端结构强度。从这十款车型数据而言，ECE-R94的蜂窝铝结构强度基本能反映车辆的前端结构强度，但是自上而下每一层的强度是不同的。

图1 十款车型前端结构的竖直方向上的平均强度大小

由表1可以计算出每一列的平均侵入量，由左至右总共28列，28列的每一列的平均侵入量统计如表3所示：

表3 由左至右的28列的侵入量统计

从上表可以看出每一列的侵入量大小，可以得出十款车型前端结构的水平方向的平均强度大小，从下图2可以看出，与ECE-R94所使用的蜂窝铝侧面外形类似，但在不同宽度的位置存在一定的差异，呈现出来的是车辆前端结构中间强度大、两边强度小，在对蜂窝铝结构进行设计时，两边的强度应该比中间的强度要小，这一点与ECE-R94的结构强度不同。

图2 十款车型前端结构的水平方向上的平均强度大小

7 结论

通过十款不同级别的车型在MPDB碰撞试验反映出的不同高度和宽度的侵入量的不同，基本可得出蜂窝铝不同位置的强度规律，显示其与现有使用的碰撞蜂窝铝的结构是存在差异的，由差异性进而研究符合中国道路的壁障结构设计方法。本文依托十款不同级别的车型进行试验后变形数据的分析，研究可信度高，适合中国的道路交通情况。