某SUV基于2020版E-NCAP MPDB工況碰撞相容性優(yōu)化設(shè)計

侯聚英　徐鳴濤　徐莉　王喜軍

摘 要：本文基于2020版E-NCAP正面MPDB工況對江鈴某款已上市SUV車型進行了實車試驗和碰撞仿真，評估基礎(chǔ)車碰撞相容性。并對比MPDB工況與ODB偏置工況的性能差異，探討優(yōu)化碰撞相容性的應對策略。提出一種車體前端關(guān)鍵傳遞路徑優(yōu)化設(shè)計方案，可大幅降低碰撞相容性罰分，為后續(xù)新車型設(shè)計提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：MPDB ODB 碰撞相容性 傳遞路徑

Optimization Design of Working Conditions Collision Compatibility of An SUV based on the 2020 Version of E-NCAP MPDB

Hou Juying Xu Mingtao Xu Li Wang Xijun

Abstract：Based on the 2020 E-NCAP MPDB impact test， a physical vehicle test and CAE simulation of a listed SUV model of Jiangling Motors were carried out to evaluate the compatibility of the base model. Comparing the performance difference between MPDB and ODB test， the article presents the countermeasures for optimizing the compatibility. An optimization design scheme for the key load path of the front end of the vehicle body is proposed， which can greatly improve the compatibility performance and provide reference for the new type model design.

Key words：MPDB， ODB， collision compatibility， load path

隨著道路交通環(huán)境的日益復雜，針對各種事故所制定的汽車測試法規(guī)也越來越嚴苛。這也促進了汽車主動和被動安全技術(shù)的提升。在正碰工況中，車體前端結(jié)構(gòu)起著重要的載荷傳遞和吸能緩沖作用。但是根據(jù)歐洲汽車協(xié)會ADAC（AllgemeinerDeulscherAutomobil-Club）的調(diào)查顯示在很多情況下，縱梁沒有參與碰撞或者是橫梁因為脫開沒有起到吸能的作用。這會導致在碰撞過程中輪轂遭受撞擊，進而降低乘員生存空間，增加乘員傷害，如下圖所示[1]。

為了評價兩車對撞的復雜工況，ADAC于2010年推出了一種可變形壁障來評估前端潰縮結(jié)構(gòu)對乘員保護性能，這種漸變式可變形壁障測試被稱為碰撞相容性測試或者是MPDB（Mobile Progressive Deformable Barrier，簡稱MPDB）測試。目前作為全球最為全面的歐洲碰撞規(guī)程E-NCAP已經(jīng)確認將于2020將MPDB測試工況納入評價體系，并代替目前實施的正面40%重疊可變形壁障碰撞工況ODB（Offset Deformable Barrier）[2]。根據(jù)最新的C-NCAP的路線圖，未來2021版的中國新車評價規(guī)程也將采用MPDB測試工況替代ODB。

與ODB相比，MPDB工況使用臺車與實車對撞，更符合實際道路交通事故兩車對撞場景[3]。MPDB工況不僅考察發(fā)生事故時自身車輛的乘員安全防護性能，而且可以更加全面的評估對向行駛的車輛碰撞后的乘員保護性能，即碰撞相容性。提升碰撞相容性能，可以增加對向行駛車輛的乘員安全性，降低車內(nèi)乘員的損傷風險。

本文對江鈴某款已上市SUV車型展開了MPDB工況碰撞研究，進行了物理壁障實車碰撞測試和數(shù)值仿真分析。通過分析MPDB與ODB工況中車體設(shè)計要求的差異，并提出了相應的應對策略，為后續(xù)新車型開發(fā)積累經(jīng)驗奠定基礎(chǔ)。

1 E-NCAP MPDB碰撞工況介紹

2020版E-NCAP MPDB工況將采用1400 Kg碰撞臺車與試驗整車進行對撞，臺車和試驗車的速度均為50Km/h，重疊率為50%。試驗車前排左右側(cè)分別放置新版THOR假人和混Ⅲ50%分位男性假人，后排左側(cè)放置Q6兒童假人，右側(cè)放置Q10兒童假人，如圖2所示。MPDB評價指標分為乘員損傷和碰撞相容性兩部分。乘員損傷是通過安裝在測試假人各部位的傳感器采集的試驗數(shù)據(jù)進行評價，碰撞相容性的評價包括以下三部分[4]：

1）壁障變形均勻性指標—均勻系數(shù)h [%]。試驗后通過如下步驟計算均勻系數(shù)：

●掃描壁障前端的變形點云，生成最大10mm的網(wǎng)格;

●以未變形前的壁障端面中心點為中心，生成間距為20mm的網(wǎng)格點（約為1400網(wǎng)格點）;

●投射網(wǎng)格點至變形后的壁障，并計算評級區(qū)域內(nèi)每個點的侵入量，圖3所示;

●計算侵入量的標準差SD（mm），（計算與平均侵入量相比，68.2%的偏差值）;

●采用如下公式計算均勻系數(shù)h：

對于SD<50 mm，h=0;

對于50mm≤SD≤150mm，h=（SD-50）/100mm;

對于SD>150mm，h=100%;

2）壁障擊穿MBO。

如果在大于40mm*40mm的區(qū)域內(nèi)發(fā)生大于630 mm的侵入深度，則有2分的扣分。

3）乘員載荷準則OLC（Occupant Load Criterion）[5]。

OLC的基本分析方法如下：為避免假人胸部與方向盤發(fā)生碰撞，設(shè)胸部向前位移量為300mm。由于安全帶的松弛量存在，假人在不受力的狀態(tài)下勻速運動，移動65mm，即圖4中的D1。之后，安全帶開始向假人施加載荷，假人作減速運動，并移動了235mm，即D2。在速度-時間曲線上，A點對應臺車上虛擬假人在自由移動階段位移65mm的時刻，B點對應臺車上虛擬假人在安全帶作用下位移235mm的時刻，直線AB的斜率定義為OLC。

OLC計算公式如下：

（1）

=0.065? ?（2）

（3）

（4）

上述表達式中，是MPDB壁障質(zhì)心點x向的速度，為壁障初始速度，為虛擬假人自由移動65mm的時刻，為虛擬假人自由移動235mm的時刻。

碰撞相容性罰分Mcompat計算公式如下所示：

當OLC<25g時，

Mcompat=-2*h-MBO? ? ? ? ?（5）

當25g≤OLC≤40g時，上限-8分;

Mcompat=-2*OLC/15+10/3-h（（4*OLC/10-8）-（2*OLC/15-10/3））-MBO ? ? ? ? （6）

當OLC>40g時，上限-8分;

Mcompat=-2-6*h-MBO? ? ? ? ? ? ? （7）

碰撞相容性罰分計入MPDB乘員得分中（總分16分）;E-NCAP規(guī)定2020至2021年，碰撞相容性罰分乘以0.5的系數(shù)，最高罰4分;

目前，雖然MPDB工況中碰撞相容性已經(jīng)有了明確的評分規(guī)則，但改善碰撞相容性的途徑仍處于研究探索階段。本文通過研究MPDB碰撞相容性，探討MPDB工況車體設(shè)計應對策略。

2 ODB與MPDB工況差異對比

江鈴某款SUV車型采用單縱梁傳遞路徑設(shè)計，圖5所示。在正面碰撞中，大部分碰撞力由前縱梁分散至全車，上縱梁設(shè)計只能承載較小的碰撞力，來減小傳遞給A柱的力，預防A柱折彎變形?；谶@種傳遞路徑設(shè)計的車體在應對ODB碰撞工況時，為了在有限的碰撞空間內(nèi)吸收大部分的碰撞能量，減小前圍對乘員倉的侵入，將前縱梁剛度設(shè)計得比較高。在ODB碰撞過程中，整車前縱梁首先擊穿壁障接觸剛墻，再潰縮變形吸能，如圖6所示。

但該種車身結(jié)構(gòu)設(shè)計應對MPDB工況時，弊端非常明顯，碰撞過程中前縱梁擊穿壁障，大幅降低碰撞相容性性能。

對上述車身結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)車分別進行ODB和MPDB工況實車測試。圖7為采集的ODB和MPDB工況整車左側(cè)B柱加速度曲線。從圖中可以看出兩個工況加速度峰值基本一致，MPDB工況峰值時刻較ODB工況明顯提前。MPDB碰撞過程持續(xù)時間遠小于ODB，碰撞過程更加劇烈。

表1匯總了ODB與MPDB工況的碰撞能量，雖然MPDB總碰撞能大于ODB，但壁障吸能占比大幅增加，整車吸能減小，理論上整車變形減小，前圍侵入量減小，有利于乘員艙空間的完整性。

MPDB工況設(shè)計不僅要降低車內(nèi)乘員損傷，而且要考慮降低整車的碰撞攻擊性，也就是碰撞相容性。故提出基礎(chǔ)車MPDB工況應對策略，優(yōu)化車體結(jié)構(gòu)，以減小碰撞相容性罰分。

3 MPDB碰撞相容性優(yōu)化設(shè)計

3.1 MPDB工況CAE仿真與試驗對比

本文采用上海迅仿工程咨詢有限公司的MPDB有限元模型進行整車碰撞相容性研究，如圖8所示。壁障有限元模型根據(jù)2018年11月發(fā)布的《Euro NCAP Mobile Progressive Deformable Barrier Face Specification Version 1.2》進行開發(fā)，壁障共33萬單元。

搭建該壁障和基礎(chǔ)車的MPDB工況碰撞模型，采用LSDYNA程序進行計算。圖9為壁障臺車的加速度曲線，圖10為試驗車左側(cè)B柱采集的加速度曲線。結(jié)果表明MPDB仿真結(jié)果臺車及整車加速度曲線峰值及持續(xù)時間與試驗結(jié)果基本吻合，且趨勢基本一致。

圖11對比了仿真和試驗中壁障的變形情況，從圖中可以看出仿真的壁障變形與試驗結(jié)果基本一致，且前縱梁對應的撞擊位置均出現(xiàn)壁障被擊穿現(xiàn)象。

圖12為仿真與試驗的壁障變形云圖，根據(jù)該變形云圖可以評價壁障變形的均勻性系數(shù)h。表2中給出了實驗與仿真的碰撞相容性評分結(jié)果，結(jié)合壁障變形標準差、OLC及擊穿判定規(guī)則，基礎(chǔ)車碰撞相容性罰分均約為-7分。該車型在MPDB工況中罰分較多的主要原因是其車身結(jié)構(gòu)設(shè)計前縱梁剛度高，在MPDB工況中車體前端結(jié)構(gòu)與壁障的接觸面積小，造成局部載荷集中從而導致前縱梁擊穿壁障，同時增加了變形標準差。

仿真和試驗結(jié)果的對比表明MPDB的有限元模型能夠很好地反映壁障及整車在碰撞過程中的響應，該模型可以可用于后續(xù)優(yōu)化設(shè)計。

3.2 碰撞相容性應對策略

基礎(chǔ)車MPDB碰撞相容性的優(yōu)化策略如下：

1）消除壁障擊穿。壁障擊穿罰2分，占總罰分的1/4，罰分占比較高不可接受。造成壁障擊穿的原因是車輛前端結(jié)構(gòu)與壁障接觸面積較小，縱梁剛度較高綜合導致。改進策略為增加車體關(guān)鍵傳遞路徑與壁障的接觸面積，減小與壁障的接觸應力。但增加接觸面積會增加作用于壁障的接觸力，導致臺車OLC增加，需要降低臺車受力，適當減小前縱梁剛度。

2）優(yōu)化壁障變形標準差SD。與上述策略結(jié)構(gòu)設(shè)計思路一致，增加整車與壁障的接觸面積，在碰撞過程中壁障橫截面上各處受力均勻，減小壁障變形標準差。

3）降低臺車OLC。減小OLC的兩個主要路徑，其一，減小整車質(zhì)量[6];其二，增加整車的碰撞空間。對基礎(chǔ)車大幅減重或增加碰撞空間，設(shè)變難度和成本壓力不易接受，因此保持當前臺車OLC。

綜上，提出基礎(chǔ)車MPDB碰撞相容性優(yōu)化策略，即優(yōu)化設(shè)計整車前端結(jié)構(gòu)，來增加與壁障的接觸面積，以達成消除壁障擊穿和減小壁障變形標準差SD的目的。

3.3 前機艙結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于上文提出的應對策略給出前防撞梁和前縱梁等關(guān)鍵吸能結(jié)構(gòu)件的設(shè)計建議，如下圖13所示。首先提高防撞梁的強度，增加Z向高度，延遲碰撞過程中發(fā)生折彎的時刻，因為防撞梁折彎前可以盡可能維持橫截面方向?qū)Ρ谡系那秩肫巾樉鶆?，還可以減小前縱梁Y向受力，使前縱梁在碰撞過程中進行穩(wěn)定高效的折疊變形;其次延伸上縱梁至與前縱梁封板搭接，增加副車架縱梁，形成上中下三條傳遞路徑分散碰撞載荷;然后增加前下防撞梁，X向布置位置與前防撞梁一致，Y向?qū)挾燃s為整車寬度90%。通過上述結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，使整車與MPDB壁障的接觸面積最大化，并優(yōu)化匹配前端結(jié)構(gòu)剛度，使壁障在評級區(qū)域均勻變形，降低碰撞后壁障變形標準差。

3.4 優(yōu)化結(jié)果

如下圖14、15和表3所示，優(yōu)化設(shè)計后的車身結(jié)構(gòu)碰撞相容性性能提升非常顯著，不僅消除了壁障擊穿現(xiàn)象，而且壁障變形非常均勻，壁障變形標準差從176mm下降至59mm。臺車OLC滿足上文的應對策略定義，維持與基礎(chǔ)車一致。碰撞相容性罰分從6.9下降至1.3，提升430%。MPDB優(yōu)化方案降低了因替換ODB工況導致的罰分影響，實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計意圖。

4 結(jié)論

MPDB工況作為2020版E-NCAP新增的整車評價工況引起了廣泛關(guān)注。碰撞相容性是其評價的一個重要組成，也是車身設(shè)計的難點。本文通過實驗方法對比了某SUV車型MPDB與ODB工況之間的差異，并應用仿真方法對車身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，對比結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1.MPDB相比現(xiàn)有ODB工況，試驗內(nèi)容與評價方法均有較大差異。MPDB碰撞過程持續(xù)時間巨幅縮短，整車吸能量大幅減小。

2.增加車身與壁障的接觸面積能夠有效防止壁障擊穿，提高壁障變形均勻性。通過優(yōu)化前防撞梁及增加前下防撞梁增加了車身與壁障的接觸面積，避免載荷集中作用，使碰撞相容性得到明顯改善。

3.通過布置碰撞載荷傳遞路徑可以改善車輛碰撞相容性。將上縱梁向前延伸與縱梁封板搭接，將碰撞載荷通過上縱梁傳遞至A柱后方，新增副車架縱梁，使載荷沿上中下三條路徑傳遞，與壁障接觸剛度分布均勻，有利于提高碰撞相容性。

參考文獻：

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[5]水野幸治.汽車碰撞安全[M].人民交通出版社. 2016：125.

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